■ 文/赵国樑1 李光武2 薛 蓉2 杨中开1 刘伟昆2 梁日辉1
1.北京服装学院
2.北京弘暖纤科技有限公司
随着我国现代化进程的推进，人们工作和日常生活的活动领域逐渐拓宽。为了适应各类环境，特别是极端环境，人们对在相应环境条件下所穿着的服装性能和功能提出了更高的要求。近年来，各国航空航天、国防、冶炼、体育等领域对在高温和极寒条件下具有高效隔热保温性能纺织品和服装的需求不断提高。由于2022年冬奥会的申办成功，我国有近3亿人参加冬季冰雪运动，因此，使得民用市场对高效保暖轻便冬季服装的需求量激增。气凝胶（Aerogel）是材料界公认的质量最轻、导热系数最低的固体材料。因此，在进行高效防寒保暖和高温防护服装开发时，人们自然将其作为重要选材。
1 气凝胶简介
气凝胶是一种三维网状纳米多孔材料，其孔隙率可达90%以上，比表面积可达900m2/g，密度可低至
0.002g/c m3，是迄今为止密度最低
的固体。气凝胶一般采用溶胶-凝胶
术，在最大限度保持凝胶三维框架结
构条件下将溶剂提出，完成空气与溶
剂的置换。世界上第一块气凝胶是
1931年由美国斯坦福大学的Kistler教
授以水玻璃为原料制备的二氧化硅
（S i O
2
）气凝胶。气凝胶也可由氧化
钛、氧化铝、碳以及聚酰亚胺等多种无
机、有机和高分子物质制备。由于制备
技术成熟，成本相对较低，目前应用最
广的是SiO
2
造纸助留助滤剂
气凝胶。
气凝胶的导热系数可达0.013
～0.018W/(m·K)，低于聚氨酯硬泡
体〔约0.025W/(m·K)〕[1]，这主要
因为气凝胶的低密度和多纳米微孔结
构极大降低了热的传导和对流，且通
过添加红外抑制剂也可有效降低热辐
射，因此气凝胶是一种优良的隔热保
温材料。此外，在光学、声学、电学等
领域，气凝胶也具有其独特性能。虽
然S i O
2
气凝胶可在550℃甚至更高温
度下工作，但由于块状气凝胶脆弱易
碎，因此很难直接作为隔热保温等材
料在工业上应用。
2 气凝胶改性纺织服装材料的
主要技术
voip网关目前，应用于纺织服装领域气凝
胶材料的制备技术主要有以下5种。
该技术首先将一种蓬松的纤维絮
棉片材浸入用以制备气凝胶的前驱体
中，然后在一定压力下，采用超临界流
体去除凝胶中的溶剂，形成纤维增强
的气凝胶毯片（图1）。
由于絮状纤维的存在，有效保
护了易碎的气凝胶，一定程度上改
善了气凝胶的粉化和析出问题。2002
年，A s p e n A e r o g e l公司就上述气
凝胶毯制备技术申请了专利[2]。该
公司选用3M公司T h i n s u l a t e絮棉
为基材，采用市售S i l b o n d H-5
Advanced Materials Industry 48
风速辅助
新材料产业 NO.02 202149
预水解SiO 2为前驱体，加入变性乙醇和催化剂后，注入预先放置有蓬松絮棉的容器，经凝胶化和亚临界、超临界二氧化碳（CO 2）萃取，得到纤维增强气凝胶复合材料。该复合材料密度约为0.1g/cm 3， 导热率为16.6mW/(m ·K)，采用同样条件制备的气凝胶纯料的导热率为17.4mW/(m ·K)。
如欲更进一步提高纤维增强效果，也可采用2种，甚至多种纤维材料对气凝胶进行增强。即先将一种
或多种纤度小，长径比大的短纤维分散于气凝胶反应液中，然后将其注入蓬松纤维絮片，使短纤维随机分布于溶液和蓬松絮片中，经反应和溶剂脱除后，形成两组分或多组分纤维增强气凝胶。通过对上述方法中气凝胶原料、蓬松絮棉及短纤维种类等的调整，Aspen Aerogels公司获得了纤维增强气凝胶毯系列产品，并为之注册了Spaceloft商标。
2.2 表面粘附技术
该技术利用粘合剂或纺织材料自身对气凝胶的粘着作用，将密度低、易粉化扬尘的气凝胶粘附于纺织材料表面，以提高纺织服装材料的隔热保温性能。例如，贺香梅等[3]采用聚丙烯酸酯和聚氨酯类粘合剂，将S i O 2气凝胶粘着在棉织物上，得到S i O 2气凝胶改性织物；研究了气凝胶、粘合剂和水用量对气凝胶附着织物隔热保温性能的影响。研究发现，棉织物表面粘附气凝胶后保温性能明显提高，涂附剂中气凝胶质量分数为10%，粘合剂和去离子水质量比为2∶8时，织物隔热性能最好。
表面粘附的另一种形式是采用低熔点纤维作为粘附介质。低熔点纤维是一种皮芯复合纤维，芯层为具有较
高熔点的聚合物，皮层为具有较低熔点的聚合物。当处理温度处于皮芯2种聚合物熔点之间时，低熔点的皮层软化、熔融，提供粘附功能，而高熔点的芯层不发生熔融，可为复合纤维提供强度。利用低熔点皮芯复合纤维的这一特点，张凌云等[4]制备了SiO 2气凝胶/聚酯-聚乙烯双组分纤维复合保暖材料。
研究者选用了线密度分别为1dtex和3dtex的2种PET-PE皮芯复合纤维（其中PET的熔点为260℃，PE 的熔点为140℃），将其分别梳理铺网形成纤维网（如图2），网帘上
设置了一个网筛装置，其中装有一定量的SiO 2气凝胶粉体，粉体直径 5～10μm，比表面积500～1 000m 2/g。通过筛网抖动，使气凝胶粉末在重力的作用下，自然沉降到P E T -P E纤维网表面，并通过筛网抖动频率控制纤维网上气凝胶粉末的质量分数。附着有S i O 2气凝胶的纤维网进入热风装置，使纤维的低熔点皮层熔融，从而使纤维间相互粘接形成稳定的网状结构，同时使气凝胶粉体粘合在纤维网表面，制成SiO 2气凝胶/PET-PE纤维复合保暖材料。观察发现，SiO 2气凝胶粉末以粉粒状粘附在PET-PE纤维
图 2 低熔点纤维制备气凝胶复合保暖材料示意图
热风装置
气凝胶粉末
粉末回收装置
梳
理
过
的
纤维
网模具
气凝胶前驱体
纤维絮棉片材
图1 纤维增强气凝胶毯片制备示意图
表面，对纤维起支撑作用，使纤维间
静止空气增多，从而使复合材料的保暖性能、压缩回弹性能和拉伸性能提升；研究发现，在P E T-P E纤维线密度小的非织造布中，S i O
2
气凝胶粉末与纤维结合更加致密，对复合保暖材料的压缩回弹性能和拉伸性能提升更多，进而提升了复合保暖材料的透气性能；在纤维线密度大的非织造布
中，S i O
2
气凝胶粉末的加入取代了纤维中的空气空间，提升了复合材料的压缩回弹性能和拉伸性能，但复合材料透气性能反呈下降。上述方法具有简单易行的优点。
2.3 气凝胶涂层技术
涂层技术是指将含有气凝胶的涂层整理剂均匀涂覆在织物上，使织物具有某种特殊功能的一种方法。由于气凝胶的结构性能特点，该技术被较多的用于提高纺织服装材料的隔热保温性能[5-11]。目前，常见的隔热涂料有有机硅树脂、酚醛、聚苯乙烯等，质量
重且不耐燃，而选择轻质高效的S i O
2气凝胶作为隔热涂层添加剂可有效解决上述问题。气凝胶涂层技术结合Kevlar、玻璃纤维等耐高温面料的使用，可明显提高消防服等特种服装的隔热性能，并显著减小消防服厚度，减轻质量[12，13]。
除了单纯的隔热功能改性外，近年来，研究人员也在尝试单独或与其他添加剂结合使用，改善织物的其他性能。例如，M.A.R a h m a n B h u i y a n等[14]在水性聚氨酯涂料中
加入S i O
2
气凝胶对棉织物进行涂层处理，有效改善了棉织物防护服的化学防护功能。研究者首先将不同气凝胶含量的水性聚氨酯刮涂到棉织物上，经干燥和固化制得气凝胶涂层改性棉织物。研究发现，水性聚氨酯-气凝胶涂层处理后，化学防护服面料的
化学污染阻隔、隔热、透气和防水性等
性能均得到提高，气凝胶粒子无规附
着于面料表面，且大量的化学有害物
质被气凝胶中的纳米多孔吸附。上述
研究为水性聚氨酯-S i O
2
气凝胶涂层
处理技术在化学防护服领域应用提供
了基础。
2.4 原位聚合改性技术
这种方法是在聚合物合成的过程
中将气凝胶粉体加入聚合体系，聚合
反应完成后即得到含有气凝胶的聚合
物。如果上述气凝胶改性聚合物可用
于制备纤维，如聚酯（PET），则上述聚
合物经纺丝便可制成含有气凝胶的纤
维材料。在聚合物制备过程添加气凝
胶的实验，在无机-有机纳米复合材料
制备的基础研究中曾有报道[15，16]，研
究者通过在聚苯乙烯原子转移自由基
聚合体系中添加一定比例的SiO
2
气凝
胶来研究该反应的动力学和聚合物
的热性能。上述研究为气凝胶改性纺
织服装材料提供了方法上的借鉴。针
对服用纤维原料，李光武[17-20]开展了
气凝胶改性系统研究。采用具有自主
知识产权的自制气凝胶[21]，研究了缩
合聚合及自由基聚合过程中气凝胶及
其他改性剂的添加时机、添加量等因
腿包素对聚合过程和聚合物结构性能的影
响，设计了气凝胶改性纤维聚合物制
备的专用反应器，获得了具有可纺性
的气凝胶改性纤维原料。经熔融纺丝
和湿法纺丝，得到了原位改性纤维及
其织物，在提高纺织品隔热保温性能
的同时，也一定程度降低了纤维密度
和织物重量。
2.5 气凝胶纤维制备技术
气凝胶纤维是以制备气凝胶的溶
超高压食品
液为纺丝液，采用湿法纺丝、静电纺丝
或凝胶纺丝的方法进行纤维成型，再
经特殊的干燥方法去除溶剂所形成的
纤维状态的气凝胶材料。按照原料种
类不同，气凝胶纤维可分为无机气凝
胶纤维，如石墨烯气凝胶纤维、SiO
2
气
凝胶纤维，和有机气凝胶纤维，如纤维
素基气凝胶纤维和丝素蛋白基气凝胶
纤维等。虽然呈现纤维状态，但由于力
学性能较差，因此绝大多数气凝胶纤
维难以承受纺织加工过程所施加的张
力。目前，研究者们正在进行着各种探
索，试图克服气凝胶纤维的这一弱点。
Z e n g w e i L i u等[22]采用独特的
“自上而下”的方法成功制备了具有
较高强度的气凝胶纤维。与从单体
制备纳米纤维的“自下而上”方法不
同，该研究采用二甲基亚砜（D M S O）
为溶剂，将聚对苯二甲酰对苯二胺
纤维（Kevlar）溶解成纳米纤维，通过
湿法纺丝制备出柔性好、可编织的
Kevlar气凝胶纤维（见图3）。
浓度为0.1%～2.0%（质量分
数）的Kevlar纳米纤维溶液从直径为
图3 Kevlar气凝胶纤维制备过程示意图
湿纺溶剂置换冷冻干燥
超临界CO
2
纳米分散凝胶纤维水凝胶纤维气凝胶纤维
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新材料产业 NO.02 202151
200～600μm的针筒纺丝口挤出，进入D M S O和去离子水形成的凝固浴，通过调节凝固浴中组成，控制凝胶形成的速率，通过溶剂置换获得K e v l a r纳米纤维水凝胶纤维，最后采用冷冻干燥或C O 2超临界流体干燥，制得Kevlar气凝胶纤维。据报道，采用2%（质量分数）浓度的K e v l a r纳米微纤分散液制备的直径约300μm的上述气凝胶单纤维可承受20g砝码的拉力，可打结，可编织成织物。气凝胶纤维内部为纳米多孔结构，比表面积约为240m 2/g，密度为23kg/m 3，孔隙率达98%，在室温，气凝胶纤维絮片的导热系数约为0.037W/(m ·K)，且在-196℃和300℃等极端温度条件下仍保持极佳的隔热性能，在特种服装开发方面具有极大潜在应用前景。
为了制备具有高强度气凝胶纤维，朱美芳团队进行了另一种尝试，选用纯度高、聚合度高、强度大、结晶度高，且具有较好生物相容性的细菌纤维素（B C）作为材料，采用氢氧化钠/尿素/硫脲水溶液为溶剂，采用0.25m o l /L的稀硫酸溶液作为凝固浴，采用湿法纺丝工艺制备得到BC凝胶纤维，经水洗、溶剂置换和冷冻干燥，成功制备出细菌纤维素气凝胶纤维[23]，并为该技术申请了专利
[24]
。上述纤维内部呈多孔网络结构（图
4），孔隙率达86%，比表面积达192m 2/g，气凝胶纤维断裂强度和杨氏模量高达(9.36±1.68)MPa和(176±17.55)MPa，可承受5×104倍于本身质量的重物而不发生断裂。以上述方法制备的气凝胶纤维有
望应用于高性能隔热织物、生物吸附剂、柔性支架和生物载药等领域。
3 工业应用及其问题
目前，国际上气凝胶改性纺织服装原材料供应商主要有阿斯彭（Aspen）Aerogels和Cabot Corp.等少数公司，且多以气凝胶毯及其组合材料形式提供。由于纤维增强等技术应用，上述材料具有较好的可弯曲性和柔性。以实验数据为基础，经人体工效学设计，可将气凝胶复合材料嵌接到服装或鞋靴特定位置，以最大限度的发挥上述材料的隔热保温功能，同时尽可能减少其用量。如OROS公司
（原Lukla Inc.公司）[25]
采用美国航空
航天局（NASA）宇航服制备时所用聚酰亚胺（PI）气凝胶及其复合材料为原
料，开发了上述隔热保温材料与服装的附着方法，根据人体热分布，设计出气凝胶隔热保温材料在服装上的分布位置，开发了多款气凝胶防寒服，含有气凝胶的隔热保温层材料柔软，富有弹性，服装保暖性能好，且轻薄（图5）。
图6是一款采用Aspen Aerogels Inc.的Spaceloft ®隔热片为中间层制作的鞋垫，该鞋垫具有很好的抗压能力，并可在受压时较好的保持其隔热保温性能，当鞋垫下为-77℃时，鞋垫上的温度为22℃。
婴童车
气凝胶在服装领域应用时遇到的主要问题是其力学性能过差。虽然研究者尝试了多种方法，但迄今为止这
图4 BC 气凝胶纤维断面和表面的SEM 照片
图5 OROS 防寒服中气凝胶复合材料分布示意图
服装
服装气凝胶复合材料
气凝胶复合材料
Advanced Materials Industry
52一问题尚未根本解决。在服装裁剪、制作和使用过程中，脆弱的气凝胶往往从气凝胶毯等复合材料中析出，造成污染，并逐渐降低产品的隔热保温等功能。为了防止上述现象出现，有些企业将气凝胶毯等封闭在一层膜材内，这虽然一定程度改善了气凝胶粉尘的外溢，但极大地影响了服装的透湿透气性。原位聚合改性技术虽较彻
图6 PolarWrap 公司ToastyFeet 鞋垫
底地克服了气凝胶的扬尘，但在聚合物的制备和纺丝加工过程中，如不对设备进行专门改造，很难避免造成气凝胶一定程度的破坏，进而削弱改性效果。由于气凝胶纤维本身即为纺织纤维状态，因此，如果强度满足纺织加工要求，则以其为原料制成的纺织品在使用过程中不会出现扬尘问题，但目前该方法制备气凝胶的速度极
低，且强度远未达到工业要求，除特殊领域外，短时间内很难实现工业化应用。据报道，Aspen Aerogels Inc.公司近期制备了一种强度很高的聚酰亚胺气凝胶，其强度是SiO 2气凝胶的500倍，不易破碎和扬尘，已用于NASA航天服中[26]。上述气凝胶制备端的技术突破，为其在纺织服装领域更广泛应用展现了希望。除外，目前纺织服装领域对气凝胶在除隔热保温性能以外其他功能的研究也很欠缺。
4 结语
随着人们对气凝胶结构与性能认识的逐步深化，其在纺织服装领域的
应用技术研究也日益加强，许多具有原始创新性的发明逐渐向着具有实用性的方向推进，并取得了一些实质性的成果。然而，以现有技术制备的气凝胶在实际应用时仍有很多局限性。突破气凝胶制备及应用过程中的关键技术，克服气凝胶的弱点，是材料领域研究者必须面对的重大挑战。10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.009
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