气凝胶在防护服中的应用进展

随着我国经济的快速发展，爆炸、火灾、高压蒸汽、高温液体飞溅等可能发生在工业生产、社会生活和军事反恐活动中的灾难性事故呈上升趋势。在这些环境下工作的员工需要穿特定的防护服，以确保生命安全和任务的有效执行。然而，传统的热防护服主要通过多层组合提高热防护性能，其组成结构一般分为阻燃层、防水透气层、保温层、舒适层四层，导致服装厚，从人体散热、代谢率、活动性能三个方面对人体产生生理热负荷和热应激[1]，然后影响服装的工作效率和决策能力，甚至出现生命危险[2-3]。因此，为了更好地保证员工的工作安全，开发具有优良热湿舒适性和保护性的轻热防护服是现代防护服装的必然趋势。气凝胶是世界上密度较低、热导率较低的多孔固体材料，具有特殊的连续性，可应用于保护孔结构的创新趋势。本文将总结构，提出了保护孔结构的特殊应用。

1 气凝胶性能

气凝胶是一种具有超高孔隙率的三维纳米多孔材料[4]。1931年，斯坦福大学Kistler教授成功地用水玻璃制备了世界上第一个SiO2.经过近半个世纪的发展，气凝胶材料的优异性能逐渐被发现。气凝胶中大量纳米级小孔赋予气凝胶低密度、低折射率、小孔径、高比表面积、高孔隙率的特点，使气凝胶具有良好的透光性、环保性和隔音性能。由于气凝胶材料孔隙率高达90%，主要进行气体传导的热传导，固体热传导率仅为气凝胶均质材料的0.大约2%[5]具有优异的隔热性能。多孔网络结构限制了材料中空气分子的对流，抑制了材料的对流热，有效地高度阻挡了覆盖热源的热辐射。通过与增强体和遮光剂的结合，气凝胶的热学、光学[6]、声学[7]、电学[8-9]等优异性能、密度和孔隙率被广泛应用于航空航天、光声电气设备等领域。

2 气凝胶的应用

2.1 气凝胶作为保温材料的应用

气凝胶作为一种隔热材料，广泛应用于航空航天领域。1999年，美国国家航空航天局(NASA)气凝胶材料被用作星尘号太空探测器的收集装置[10]。俄罗斯和平号空间站和美国勇气号火星探测器[11]都使用它作为保温材料进行热绝缘，以保护探测体。宝马[12]利用气凝胶材料建立了保温和储存装置，可以收集发动机的余热，并在冬季加热发动机。图1显示了2016年中国使用的纳米气凝胶保温毡产品，对长征5号火箭燃气管道系统进行了有效的保温和维护。2017年，气凝胶已成为天舟1号货运船上的低温锁柜设计材料。气凝胶的高透明度和低折射率也给了它良好的光能建筑应用，可以减少太阳和环境中的红外辐射。它是一种理想的太阳能加热材料。SiO由气凝胶材料制成的屋顶采光保温材料，在有效减少热损失的同时，提高了太阳能的热转换效率[13]。Xiong[14]观察到气凝胶包装结构对隔热增强有显著影响，气凝胶填充样品与普通样品之间的温差为1~1.5 ℃。

2.2 气凝胶在防寒保温产品中的应用

气凝胶在服装领域的应用也非常突出，其中SiO气凝胶的研究和应用较为成熟。早在2002年，NASA部署下的开发了更具耐久性和灵活性的气凝胶[15]，并应用于太空服装保温衬里。研究人员认为，18 mm厚的气凝胶衬里能帮助宇航员抵抗-130 ℃的低温。Corpo Nove公司用气凝胶材料设计能力-25 ℃～1 500 ℃极端温度的防寒服。美国海军开发的气凝胶内衣可以提高潜水服的保护性能，有效降低体温，延长潜水时间[16]。Corpo Nove、Hugo Boss、McFarlane生产适合冬季穿着的气凝胶夹克。2009年，阿斯彭和加拿大高尔夫球装备制造商21(Element 21)合作开发了一种名为零夹层的气凝胶纤维，制成超薄夹克，然后开发了气凝胶鞋垫和气凝胶睡袋垫，用于户外防寒[17]。SNAFELwidth=13,height=11,dpi=110项目产品经受住了温场试验、人体感知试验等综合试验，充分发挥了纳米气凝胶材料优异的疏水性和保温性。

2.3 气凝胶在热防护服中的应用

张兴娟等[18]发现SiO2.气凝胶保护面料的热传导率为传统保护面料的1/4，在相同的热保护效果下，以气凝胶为保温层材料的消防服可以降低70%以上的质量和体积，大大降低消防队员的劳动强度。任乾乾[19]设计的玻璃纤维二氧化硅气凝胶防火保温面料TPP(热防护性能)高于中国标准(≥28 kW·s/m2)超过27%的二次烧伤延迟，使消防队员有足够的时间进行救援和疏散。胡银[20]合成SiO2.气凝胶连续多孔保温材料，将改性气凝胶材料与消防服织物结合，不同厚度气凝胶毡及其低辐射环境组合的保温性能，研究了气凝胶层数与防护服内部舒适性的关系。Shaid等[21]用气凝胶解决消防服相变材料不稳定的问题，发现普通PCM保温层的平均点火时间约为3.3 s，当使用气凝胶和PCM当组合材料时，该值显示增加到5.5秒，减缓了含量PCM织物中的火焰扩散。Zhang气凝胶材料等[22]MPCM(微胶囊相变材料)应用于热防护服系统，发现与厚度为4 mm与含气凝胶的保温层相比，二次烧伤的时间增加了51.4%大大提高了织物系统的热保护值，发现不同厚度的气凝胶层及其分布位置对模拟皮肤的热通量有不同的影响。

3 气凝胶用于防护服的主要问题及解决方案

3.1 气凝胶材料的力学性能

在高温救援作业环境下，气凝胶防护服必须具有一定的抗撕裂性、抗刺穿性和耐磨性。气凝胶的超低密度、高孔隙率和独特的网络结构使其模量小、强度低、脆性大，不能满足保温材料所需的力学性能承载要求。因此，气凝胶难以单独作为保温材料使用，需要与其他材料复合或组合，以达到有效的使用效果。虽然该材料可以提高服装的保温性能，但如何提高气凝胶复合材料的强度、拉伸性和弹性仍然是一个具有挑战性的问题。目前，气凝胶的强度[23]主要是通过提高气凝胶密度、高温热处理和增强颗粒骨架结构来提高的。气凝胶复合材料一般通过在气凝胶中引入增强剂和遮光剂，以提高材料的力学性能和高温保温性能[25-26]。Katti等待[27]通过使用聚尿素包覆胺来修改气凝胶骨架，增加了颗粒颈部的接触面积，同时保持了气凝胶介孔结构，提高了气凝胶材料的强度。艾素芬等[11]在高温高压下添加二次凝胶，将酯盐水解并嫁接到湿凝胶网络骨架中，加强骨架结构，提高气凝胶材料的强度。[20]通过在气凝胶中添加有机聚合物（聚二甲基硅氧烷衍生物等）制造了新的柔性气凝胶复合材料。与纯硅气凝胶相比，增加了材料的弹性，气凝胶的耐久性显著提高。王宇等[28]通过在硅气凝胶过程中添加玻璃纤维和无机粘合剂，提高了气凝胶材料的热稳定性和机械强度。

3.2 气凝胶材料的舒适性

目前，关于气凝胶在防护服中的应用的研究主要集中在其优异的隔热性能上，但忽略了穿着者的主观穿着感受。气凝胶材料的舒适性是防护服中应用的另一个需要考虑的问题。气凝胶不仅防止外部热量的引入，而且防止人体服装微气候环境下的热量输出[29]。目前还没有很好的方法来解决与人体热应激相关的问题，只有通过PCM将气凝胶涂在面料上，提高人体舒适度。Shaid[30]发现2%的气凝胶纳米颗粒涂层将热阻增加到68. %时，材料的透气性会降低45.46%，而4%的气凝胶涂层将降低61.76%的透气性。气凝胶涂层织物的热阻与透气性成反比，随着热保护的提高，服装的舒适性和透气性会降低。Trifu[31]在研究气凝胶鞋帽组装过程中发现不可避免的气凝胶粉尘，严重影响了气凝胶制成的垫帽和靴子的试穿舒适性。Jin等[32]采用气凝胶涂层整理技术制备新型防护服面料，将PTFE膜层压在气凝胶处理的非织造织物上作为隔热层，发现可以改善织物TPP并消除气凝胶粉尘，但会降低保温层的水蒸气渗透率。

3.3 气凝胶材料在高温环境下的结构稳定性

在火场高温环境下，气凝胶防护服经常会受到高温热接触和热辐射的伤害。目前应用较多的SiO2气凝胶使用温度高时，由于表面细颗粒表面能量高，在高温环境下容易聚集烧结，导致气凝胶比表面积下降。SiO当气凝胶密度达到原气凝胶密度的50%时，气凝胶的多孔结构会因坍塌而损坏[33]SiO降低气凝胶的隔热性。SiO气凝胶的长期使用温度为650 ℃以下[34]、李雄威等[35]对不同温度进行热处理SiO2气凝胶分析发现，气凝胶的导热率随密度的增加而增加，高温导致气凝胶颗粒之间的接触面积因颗粒膨胀而增加，导致气凝胶形成固相导热的传热方式，当模拟火场燃烧一小时后达到实验热处理温度时(925 ℃)[36]由于间壁塌陷，气凝胶层结构的隔热性能失效，保护效果大大降低。目前，国内外主要通过SiO2.气凝胶用于元素掺杂和引入颗粒、晶须等纤维增强体来修饰和调节气凝胶结构SiO2气凝胶颗粒的烧结增强SiO气凝胶的耐高温性[37-38]。

3.4 气凝胶材料对辐射的透射性

气凝胶对波长为3~8 μm近红外透射性强[39]，导致气凝胶防护服在高温下抵抗红外辐射能力差，导热性增加，材料保温性能受损。Qi等[40]发现入射波长约为3~5 μm当气凝胶的热吸收系数急剧上升时，提出了通过添加剂吸收或散射温度跳跃的红外光的解决方案。Kwon等[41]在800 K在温度下，将TiO2.发现作为红外遮光剂，SiO气凝胶的总热导率分别降低到0.013 W/(m·K)和0.038 W/(m·K)，在高温下提高使用性能。陈泽等[42]发现混合气凝胶/NC814 复合材料μm波段红外透过率低至3.37%，当气凝胶复合材料的掺杂量为7%时，对红外线的干扰效果较好。理论研究方面，赵越等[43]采用蒙特卡罗数值法(MCM)与Mie散射理论发现，优化参数后的碳黑颗粒混合气凝胶能有效阻挡辐射传热，提高材料的隔热性能。

4 发展趋势

4.1 气凝胶多种类复合化发展

除硅系、碳系、硫系等外，气凝胶的种类不断分化。由于其机械性能缺陷，出现了多种复合气凝胶产品。其中，碳系气凝胶石墨烯气凝胶是一种具有连续多孔网络结构的新型三维材料。装配结构可调节，比表面积高，机械性能优异；弹性好，形状可根据需要任意调整。压缩率高达80%，电、热、力学性能优异。目前，多结构3已实现D[44]印刷技术。石墨烯气凝胶材料有望在未来引入更广泛的防护服应用领域，提高服装的综合性能。

4.22 优化气凝胶材料配伍

目前，气凝胶材料主要用于取代传统的无纺布保温毡或保温涂层，以提高织物系统的保护性能。大量研究表明，多层织物组合的织物兼容性影响其保温性能，目前尚不清楚应用于保护外层是否具有更好的保护效果。气凝胶的排列方法也对保温层的保护和舒适性有重要影响，需要探索较佳的排列方法，以获得性能较好的保护织物。黄仁达等[45]从增强气凝胶材料的几何特性、含量、排列方法等方面总结了二氧化硅气凝胶复合材料导热性的规律，提出了优化二氧化硅气凝胶复合材料导热性的方法。但在不同的热源条件下，上述影响因素的具体作用尚不清楚，需要深入探索。

4.3 注意气凝胶的性能

气凝胶材料优异的隔热性能使其能够取代传统的热保护织物组合，但气凝胶现有的探索和应用实践只关注其隔热性能，没有充分考虑其使用性能，如弯曲性能、压缩性能、湿度性能等，这些都是防护服必须考虑的问题。在实际穿着和使用过程中，人体运动会挤压材料，压缩后的弹性恢复程度也对其保护性能有一定的影响，特别是关键保护部位的应用对气凝胶材料的弹性恢复性能有较高的要求，必须保证四肢的灵活性。在较高的温度环境中，半透明气凝胶材料难以抵抗辐射导热性好的影响，导热与隔热性能的矛盾也成为气凝胶防护服材料发展的应用墙垒。市售的气凝胶由于凝胶易粉末化脱落等问题不能直接用于服装面料，且应用于防护服的舒适性较差，气凝胶的组合应用可以有效解决该问题。气凝胶的疏水性导致服装的透气、透湿性较低，容易产生热应激，必须加以解决。Venkatara n等[46]研究了柔性纳米结构气凝胶复合材料的热性能、空气和水蒸气渗透性，发现相对水气渗透率随着纤维组装和柔性气凝胶结构的增加而增加，材料和舒适性得到改善。

4.4 气凝胶低成本产业化

目前制约气凝胶市场发展的另一大关键是其较高的制造成本，所以低成本产业化制备气凝胶是十分必要的。美国发布消息称，全球气凝胶的市场价值在2020年将增长到18.966亿元，其生产成本的降低将导致市场需求和产品销量大幅提升，市场增值空间大，有望革命性地取代传统隔热材料，在纺织服装领域成为新一代的防护服装面料。

5 结 语

气凝胶目前广泛应用于隔热保温、防寒隔热产品，在防护服装上也有一定的应用。开发气凝胶防护服，并能够平衡防护服装热湿舒适性和防护性，是现代防护服装发展的必然趋势。相比于传统的隔热服装材料，气凝胶作为防护服装材料其脆弱的质地、较差的舒适性和不稳定的服用性能是实现广泛应用亟需解决的问题。未来的气凝胶防护服将朝着复合化、组合式、易服用、舒适化、低成本的方向发展，有效提高防护服装的防护性能，降低热应激。