气凝胶在服饰鞋被纺织品中的应用

崔海云 何婷婷

随着生活水平的日益提高，人们对服装、被装的舒适性和美观性要求越来越高，保温、舒适、轻盈的功能纺织品备受关注，服装领域一直在寻找一种新型的保温材料，其中，气凝胶因其导热系数低、耐高温、密度小等特性使其具备了制作保温服的潜力。英国登山家安尼·帕尔门特2011年登珠峰时所穿的鞋子就是使用了部分气凝胶材料，他的睡袋里也有一层这种新材料。美国宇航局的资深科学家马克·克拉杰沃斯基说，宇航服中加入一个18mm厚的气凝胶层，就能帮助宇航员扛住1 300℃的高温和-130℃的超低温。本文针对有卓越保温性能的气凝胶在服饰鞋被等纺织品上的技术发展情况进行梳理，旨在初步探讨其未来在服饰鞋被等纺织品上的技术发展趋势，以期为该行业的发展提供一定的参考。

1 气凝胶简介

气凝胶（Aerogel）是一种具有纳米多孔结构的超轻固体材料，1931年由美国科学家S.Kistler发明。气凝胶是将湿凝胶经特殊的干燥处理使得凝胶骨架间的液相被气相所取代，而凝胶骨架完好地保留下来所得到的一种超多孔三维纳米材料，其独特的微观结构赋予该材料以超低的密度、超大的比表面积、超高的孔隙率、超低的热导率、不燃、耐高温、拒水性极好等优越性能，尤其是气凝胶能大量锁定微小空间内的静止空气、热导率极低、质量极轻且不易吸水，作为保温隔热材料性能极优。气凝胶的种类很多，有硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系等等，应用于服饰鞋被等纺织品上常见的是硅系、碳系气凝胶。

2 气凝胶在纺织品中应用的技术进展

气凝胶为目前已知的所有天然和人造固体中密度最低的固体，其保温隔热性能比作为天然的羽绒还要好很多。但气凝胶为脆性材料，无法直接整块或整体地应用到服饰鞋被这类在使用和/或收纳时需要弯折的产品上，因此必须将气凝胶先制成颗粒或粉末状再使其附着或被包裹到其他基材中使用。目前，气凝胶与织物之间的结合方式，主要是涂层结构、夹心结构及气凝胶薄膜等形式。

气凝胶自身难以与织物结合，因而需要将气凝胶制成保温涂料，然后通过涂层达到目的。例如，厦门安踏体育用品有限公司张伟强等人[1]研发了一种气凝胶保暖隔热涂层面料，将包括二氧化硅（SiO2）气凝胶粉体、聚氨酯乳液、交联剂和发泡剂的浆料在织物上通过涂层工艺制得，气凝胶保暖隔热涂层面料上主要有聚氨酯包裹的气凝胶粉体，既保持气凝胶的隔热保温特性，又具备聚氨酯材料本身优良的延伸性能，使整个涂层面料具有柔软舒适的手感且不出现SiO2气凝胶脱落现象。陕西盟创纳米新型材料股份有限公司陈国等人[2]将SiO2凝胶浸润于纤维中，再采用超临界干燥，得到SiO2气凝胶复合织物，将锦纶、腈纶、丙纶、维纶或涤纶等纺织纤维制品浸入配制的SiO2溶胶中，待所述纺织纤维制品完全浸透后进行凝胶老化形成凝胶成型体，再将凝胶成型体置于压力容器中，通入二氧化碳调节压力容器内的温度、压力进行干燥后，即得所述复合织物。

但是，由于传统的气凝胶难以在溶剂中均匀分散，即使加入稳定剂或分散剂等助剂制成的涂层也还是存在易掉粉、柔韧度差等问题，于是有人采用将SiO2气凝胶填充于2层布料间做成夹层结构，将气凝胶颗粒作为填充材料，并通过各种方式固定在2层材料之间，或者将气凝胶颗粒与其他的纤维等柔软多空隙的材料混合后再作为填充材料进行填充。南通旺而盛纺织有限公司王海军[3]发明一种在外层布及衬里布之间设有羽绒内芯层和碳气凝胶衬里层的保温羽绒服，外层布、衬里布及羽绒内芯层和碳气凝胶衬里层通过绗缝线固定定型。山东源根化学技术研发有限公司王士平等[4]发明一种服装被褥用柔软轻薄超保暖填充材料，包括填充材料本体，该填充材料本体包括柔软层以及设置在柔软层上下2面粘结层，所述柔软层上面的粘结层的上方设置有防水层，所述柔软层包括柔软多空隙材料以及填充在柔软多空隙材料内气凝胶颗粒。该柔软多空隙材料为毛毡、棉毡、毛棉混合毡、太空棉毡、丝绵、绒布中的至少一种物质；该气凝胶颗粒为硅气凝胶、碳气凝胶中的任意一种物质。该填充材料本体上还设置有均匀分布并贯穿柔软层、粘结层的通气孔。

还有以将气凝胶形成气凝胶膜的方式应用于服装被褥类纺织用品中的应用方式。厦门大学余煜玺等人[5]将SiO2气凝胶粉体分散于聚合物溶液中，再通过静电纺丝的方法喷出纳米纤维，进而形成柔性复合气凝胶膜，该纳米纤维复合膜既具有纳米纤维所特有的柔性，又兼具SiO2气凝胶所具有的高比表面积、低导热系数等优点，孔径在20～30nm之间，可以作为复合材料，应用于隔热保温领域。武汉大学张俐娜课题组把纤维素溶解在低温碱体系中，再生后得纤维素水凝胶薄膜，把水凝胶薄膜浸入TEOS（正硅酸乙酯）前驱体溶液中，进行溶胶凝胶化，在纤维素骨架上原位生成SiO2纳米颗粒，SiO2负载量高达60%，最终得到比表面积高达600m2/g的纤维素-SiO2气凝胶膜。

而上述将气凝胶简单附着在纤维或织物的外表面的各种技术方案，气凝胶粉末的附着效果差、容易掉粉、且力学性能差、可纺性差。东华大学朱美芳[6，7]公开了一种将SiO2前驱体和纤维素溶液的混合液注入酸性凝固浴中，再进行湿法纺丝制备出SiO2/纤维素复合气凝胶纤维，具有丰富的孔洞、高的比表面积、耐高温、耐化学腐蚀，同时纤维比表面积可调，有一定的韧性，明显改善了其力学性能，可纺性好。东华大学陈文萍等人[8]以有机硅氧烷为前驱体，以纤维素纤维为骨架，通过溶胶-凝胶法及一步热反应法在纤维表面原位生长硅凝胶制备出复合湿凝胶纤维，经溶剂置换后再通过常温常压干燥制得纤维素纤维/ S i O2复合气凝胶材料，该复合气凝胶材料具备良好的保温性能、力学性能满足服用要求，表面疏水、透湿透气，较之于传统的保温材料受潮湿影响小，适用于各类低温防寒保暖衣物用。内蒙古科技大学赛华征等人[9]研究了一种高强度纤维素/ SiO2复合气凝胶长纤维，该复合气凝胶长纤维由纤维素纳米纤维网络和SiO2凝胶骨架复合而成，其宏观形态呈长纤维状，该复合气凝胶长纤维的抗拉强度为2～20MPa，比表面积为300～900m2/g，热导率为0.018～0.037W/（m·K），可以被加工成高強度、优性能、可编织型气凝胶长纤维。

航天特种材料及工艺技术研究所刘韬等[10]提出一种聚酰亚胺气凝胶复合材料，将聚酰胺酸溶液与交联剂快速混合后喷涂到有机布料或有机薄毡上浸渍并凝胶，得聚酰胺酸湿凝胶复合材料，低温浸泡亚胺化试剂，进行亚胺化反应，得聚酰亚胺湿凝胶复合材料，再溶剂置换、超临界干燥，得聚酰亚胺气凝胶复合材料，使聚酰亚胺气凝胶均匀分散在有机布料或有机薄毡内。该方案将有机纤维布或薄毡与聚酰亚胺气凝胶进行原位复合，制备了聚酰亚胺气凝胶复合材料，其导热系数低，拉伸性能、加工性和使用可靠性好，实现了聚酰亚胺气凝胶增强增韧，解决了现有技术中聚酰亚胺气凝胶在加工和使用中易破损的问题，断裂应变可达22%以上，远大于商品化聚酰亚胺气凝胶（断裂应变为9%），能完全满足气凝胶帐篷、气凝胶服装保温的使用要求，还具有不掉粉、质量轻、保温性能好和韧性好的特点。

羽绒是质量较轻、保温性能较好的保温材料，为了充分利用羽绒的保温隔热性能，有人考虑将羽绒和气凝胶粉末复合起来，制得性能更好的服饰鞋被用保温隔热材料。翁文灏[11]研究一种气凝胶改性羽绒材料，采用防掉粉结构包裹或黏附在气凝胶粉末单体颗粒外，防掉粉结构包裹或黏附在填充了气凝胶粉末单体颗粒的绒朵之外，或者防掉粉结构包裹或黏附在包裹或黏附了气凝胶粉末单体颗粒的绒朵之外。该材料充分利用了羽绒优异的保温隔热性能，又能利用气凝胶更加卓越的保温隔热性能，密度和厚度均极小且具有拒水性等性能，也能够防止气凝胶粉末从羽绒制品中脱落或渗出。

东华大学丁彬等人[12]研究了一种

具有防水透湿功能的超轻质气凝胶保暖材料，包括仿羽绒结构纤维气凝胶以及复合于仿羽绒结构纤维气凝胶之上的防水透湿膜。该仿羽绒结构纤维气凝胶是采用静电纺丝技术，用聚合物纺丝液在无纺布基材上形成细纤维与粗纤维相互缠绕的仿羽绒结构的纤维毡，再形成仿羽绒纤维浆液，最后进行成型处理-溶剂干燥-固化处理，获得仿羽绒结构纤维气凝胶。该气凝胶保暖材料的体积密度为1～300mg/cm3，导热系数为0.015～0.023W/（m·K），具有良好的防水透湿功能，且超轻，能够很好地满足在服饰鞋被等纺织用品上的应用。

3 气凝胶在纺织品应用中存在的问题及未来研究方向

服饰鞋被等纺织用品在使用和/或收纳时需要弯折，而气凝胶为脆性材料，且以夹心结构或者与其他材料混合填充时，由于气凝胶粉体粒径小，其容易沿着缝线针眼或者纤维的孔隙漏出而产生粉尘，并且导致其在纺织用品中的用量受限；气凝胶以涂层或者浸润纺织品等方式而形成气凝胶复合材料的技术方案，气凝胶的附着效果差、容易掉粉，无法进行正常的水洗或者持久性差，且力学性能差、可纺性差；以气凝胶膜形成复合材料应用于纺织产品的技术方案，其透气性相对较差，从而降低了服饰鞋被等纺织品的舒适性，而且现有气凝胶纺织用品中多用化学合成纤维，其在服用舒适性方面也有一定的局限性。

针对上述现有气凝胶应用于服饰鞋被类纺织用品中存在的问题，在未来可以考虑对以下几个方面进行研究：

加强气凝胶与纤维或织物的结合，以减少纺织产品中由于气凝胶的脱落而产生的粉尘，并增加气凝胶在纺织品中的用量，提高用品的保暖性能，同时提供产品的轻薄性；提升气凝胶复合纤维的力学性能，改善气凝胶复合纤维的可纺性能，以满足其引用于服饰鞋被等纺织品时的加工工艺需求，提升纺织品的外观；改善气凝胶复合纺织品的柔韧性，提升复合纺织品的手感，增强气凝胶复合纺织品的服用性能；服饰鞋被类纺织用品的透气、透湿性能也是提升用品舒适性的重要性能，提高服饰鞋被类纺织品用气凝胶复合材料的透气、透湿性能，更有利于拓宽服饰鞋被类纺织品用气凝胶复合材料的应用范围，提高产品的附加值；将气凝胶与天然纤维的复合制成服饰鞋被类纺织品，既利用气凝胶的保温性能，又能利用天然纤维的亲肤、吸湿透气性，提升纺织品的触肤性、保温性，从而开发出保暖、轻薄的服饰鞋被類纺织品。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.010

注：第二作者对本文的贡献等同于第一作者。

参考文献

[1] 厦门安踏体育用品有限公司.一种气凝胶保暖隔热涂层面料及其制备方法：CN110983795A[P].2020—04—10.

[2] 陕西盟创纳米新型材料股份有限公司.复合织物的制造方法、复合织物及设有该复合织物的鞋：CN103352363A[P].2013-10-16.

[3] 南通旺而盛纺织有限公司.一种新型保温羽绒服：CN203058351U[P].2013—07—17.

[4] 山东源根化学技术研发有限公司.服装被褥用柔软轻薄超保暖填充材料及其制造方法：CN105366620A[P].2016-03-02.

[5] 厦门大学.一种二氧化硅气凝胶纳米纤维复合膜的制备方法：CN108035074 A[P].2018—05—15.

[6] 东华大学.一种SiO2/纤维素韧性气凝胶纤维的制备方法：CN105463603 A[P].2016—04—06.

[7] 东华大学.一种后负载SiO2制备高比表面积连续纤维素/SiO2气凝胶纤维的方法：CN106435798A[P].2017—02—22.

[8] 东华大学.一种纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料及其制备和应用：CN109516763A[P].2019—01—07.

[9] 内蒙古科技大学.一种高强度纤维素/SiO2复合气凝胶长纤维及其制备方法：CN109487537A[P].2019—03—19.

[10] 航天特种材料及工艺技术研究所.一种聚酰亚胺气凝胶复合材料及其制备方法：CN111253742 A[P].2020—06—09.

[11] 翁文灏.一种气凝胶改性羽绒制品：CN109853250A[P].2019—06—07.

[12] 东华大学.具有防水透湿功能的超轻质气凝胶保暖材料及其制备方法：CN107097492A[P].2017—08—29.