隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，爆炸、火災(zāi)、高壓蒸汽、高溫液體飛濺等可能發(fā)生在工業(yè)生產(chǎn)、社會生活和軍事反恐活動中的災(zāi)難性事故呈上升趨勢。在這些環(huán)境下工作的員工需要穿特定的防護(hù)服，以確保生命安全和任務(wù)的有效執(zhí)行。然而，傳統(tǒng)的熱防護(hù)服主要通過多層組合提高熱防護(hù)性能，其組成結(jié)構(gòu)一般分為阻燃層、防水透氣層、保溫層、舒適層四層，導(dǎo)致服裝厚，從人體散熱、代謝率、活動性能三個(gè)方面對人體產(chǎn)生生理熱負(fù)荷和熱應(yīng)激[1]，然后影響服裝的工作效率和決策能力，甚至出現(xiàn)生命危險(xiǎn)[2-3]。因此，為了更好地保證員工的工作安全，開發(fā)具有優(yōu)良熱濕舒適性和保護(hù)性的輕熱防護(hù)服是現(xiàn)代防護(hù)服裝的必然趨勢。氣凝膠是世界上密度較低、熱導(dǎo)率較低的多孔固體材料，具有特殊的連續(xù)性，可應(yīng)用于保護(hù)孔結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新趨勢。本文將總結(jié)構(gòu)，提出了保護(hù)孔結(jié)構(gòu)的特殊應(yīng)用。

1 氣凝膠性能

氣凝膠是一種具有超高孔隙率的三維納米多孔材料[4]。1931年，斯坦福大學(xué)Kistler教授成功地用水玻璃制備了世界上第一個(gè)SiO2.經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，氣凝膠材料的優(yōu)異性能逐漸被發(fā)現(xiàn)。氣凝膠中大量納米級小孔賦予氣凝膠低密度、低折射率、小孔徑、高比表面積、高孔隙率的特點(diǎn)，使氣凝膠具有良好的透光性、環(huán)保性和隔音性能。由于氣凝膠材料孔隙率高達(dá)90%，主要進(jìn)行氣體傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)，固體熱傳導(dǎo)率僅為氣凝膠均質(zhì)材料的0.大約2%[5]具有優(yōu)異的隔熱性能。多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制了材料中空氣分子的對流，抑制了材料的對流熱，有效地高度阻擋了覆蓋熱源的熱輻射。通過與增強(qiáng)體和遮光劑的結(jié)合，氣凝膠的熱學(xué)、光學(xué)[6]、聲學(xué)[7]、電學(xué)[8-9]等優(yōu)異性能、密度和孔隙率被廣泛應(yīng)用于航空航天、光聲電氣設(shè)備等領(lǐng)域。

2 氣凝膠的應(yīng)用

2.1 氣凝膠作為保溫材料的應(yīng)用

氣凝膠作為一種隔熱材料，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。1999年，美國國家航空航天局(NASA)氣凝膠材料被用作星塵號太空探測器的收集裝置[10]。俄羅斯和平號空間站和美國勇氣號火星探測器[11]都使用它作為保溫材料進(jìn)行熱絕緣，以保護(hù)探測體。寶馬[12]利用氣凝膠材料建立了保溫和儲存裝置，可以收集發(fā)動機(jī)的余熱，并在冬季加熱發(fā)動機(jī)。圖1顯示了2016年中國使用的納米氣凝膠保溫氈產(chǎn)品，對長征5號火箭燃?xì)夤艿老到y(tǒng)進(jìn)行了有效的保溫和維護(hù)。2017年，氣凝膠已成為天舟1號貨運(yùn)船上的低溫鎖柜設(shè)計(jì)材料。氣凝膠的高透明度和低折射率也給了它良好的光能建筑應(yīng)用，可以減少太陽和環(huán)境中的紅外輻射。它是一種理想的太陽能加熱材料。SiO由氣凝膠材料制成的屋頂采光保溫材料，在有效減少熱損失的同時(shí)，提高了太陽能的熱轉(zhuǎn)換效率[13]。Xiong[14]觀察到氣凝膠包裝結(jié)構(gòu)對隔熱增強(qiáng)有顯著影響，氣凝膠填充樣品與普通樣品之間的溫差為1~1.5 ℃。

2.2 氣凝膠在防寒保溫產(chǎn)品中的應(yīng)用

氣凝膠在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用也非常突出，其中SiO氣凝膠的研究和應(yīng)用較為成熟。早在2002年，NASA部署下的開發(fā)了更具耐久性和靈活性的氣凝膠[15]，并應(yīng)用于太空服裝保溫襯里。研究人員認(rèn)為，18 mm厚的氣凝膠襯里能幫助宇航員抵抗-130 ℃的低溫。Corpo Nove公司用氣凝膠材料設(shè)計(jì)能力-25 ℃～1 500 ℃極端溫度的防寒服。美國海軍開發(fā)的氣凝膠內(nèi)衣可以提高潛水服的保護(hù)性能，有效降低體溫，延長潛水時(shí)間[16]。Corpo Nove、Hugo Boss、McFarlane生產(chǎn)適合冬季穿著的氣凝膠夾克。2009年，阿斯彭和加拿大高爾夫球裝備制造商21(Element 21)合作開發(fā)了一種名為零夾層的氣凝膠纖維，制成超薄夾克，然后開發(fā)了氣凝膠鞋墊和氣凝膠睡袋墊，用于戶外防寒[17]。SNAFELwidth=13,height=11,dpi=110項(xiàng)目產(chǎn)品經(jīng)受住了溫場試驗(yàn)、人體感知試驗(yàn)等綜合試驗(yàn)，充分發(fā)揮了納米氣凝膠材料優(yōu)異的疏水性和保溫性。

2.3 氣凝膠在熱防護(hù)服中的應(yīng)用

張興娟等[18]發(fā)現(xiàn)SiO2.氣凝膠保護(hù)面料的熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)保護(hù)面料的1/4，在相同的熱保護(hù)效果下，以氣凝膠為保溫層材料的消防服可以降低70%以上的質(zhì)量和體積，大大降低消防隊(duì)員的勞動強(qiáng)度。任乾乾[19]設(shè)計(jì)的玻璃纖維二氧化硅氣凝膠防火保溫面料TPP(熱防護(hù)性能)高于中國標(biāo)準(zhǔn)(≥28 kW·s/m2)超過27%的二次燒傷延遲，使消防隊(duì)員有足夠的時(shí)間進(jìn)行救援和疏散。胡銀[20]合成SiO2.氣凝膠連續(xù)多孔保溫材料，將改性氣凝膠材料與消防服織物結(jié)合，不同厚度氣凝膠氈及其低輻射環(huán)境組合的保溫性能，研究了氣凝膠層數(shù)與防護(hù)服內(nèi)部舒適性的關(guān)系。Shaid等[21]用氣凝膠解決消防服相變材料不穩(wěn)定的問題，發(fā)現(xiàn)普通PCM保溫層的平均點(diǎn)火時(shí)間約為3.3 s，當(dāng)使用氣凝膠和PCM當(dāng)組合材料時(shí)，該值顯示增加到5.5秒，減緩了含量PCM織物中的火焰擴(kuò)散。Zhang氣凝膠材料等[22]MPCM(微膠囊相變材料)應(yīng)用于熱防護(hù)服系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)與厚度為4 mm與含氣凝膠的保溫層相比，二次燒傷的時(shí)間增加了51.4%大大提高了織物系統(tǒng)的熱保護(hù)值，發(fā)現(xiàn)不同厚度的氣凝膠層及其分布位置對模擬皮膚的熱通量有不同的影響。

3 氣凝膠用于防護(hù)服的主要問題及解決方案

3.1 氣凝膠材料的力學(xué)性能

在高溫救援作業(yè)環(huán)境下，氣凝膠防護(hù)服必須具有一定的抗撕裂性、抗刺穿性和耐磨性。氣凝膠的超低密度、高孔隙率和獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其模量小、強(qiáng)度低、脆性大，不能滿足保溫材料所需的力學(xué)性能承載要求。因此，氣凝膠難以單獨(dú)作為保溫材料使用，需要與其他材料復(fù)合或組合，以達(dá)到有效的使用效果。雖然該材料可以提高服裝的保溫性能，但如何提高氣凝膠復(fù)合材料的強(qiáng)度、拉伸性和彈性仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。目前，氣凝膠的強(qiáng)度[23]主要是通過提高氣凝膠密度、高溫?zé)崽幚砗驮鰪?qiáng)顆粒骨架結(jié)構(gòu)來提高的。氣凝膠復(fù)合材料一般通過在氣凝膠中引入增強(qiáng)劑和遮光劑，以提高材料的力學(xué)性能和高溫保溫性能[25-26]。Katti等待[27]通過使用聚尿素包覆胺來修改氣凝膠骨架，增加了顆粒頸部的接觸面積，同時(shí)保持了氣凝膠介孔結(jié)構(gòu)，提高了氣凝膠材料的強(qiáng)度。艾素芬等[11]在高溫高壓下添加二次凝膠，將酯鹽水解并嫁接到濕凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架中，加強(qiáng)骨架結(jié)構(gòu)，提高氣凝膠材料的強(qiáng)度。[20]通過在氣凝膠中添加有機(jī)聚合物（聚二甲基硅氧烷衍生物等）制造了新的柔性氣凝膠復(fù)合材料。與純硅氣凝膠相比，增加了材料的彈性，氣凝膠的耐久性顯著提高。王宇等[28]通過在硅氣凝膠過程中添加玻璃纖維和無機(jī)粘合劑，提高了氣凝膠材料的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。

3.2 氣凝膠材料的舒適性

目前，關(guān)于氣凝膠在防護(hù)服中的應(yīng)用的研究主要集中在其優(yōu)異的隔熱性能上，但忽略了穿著者的主觀穿著感受。氣凝膠材料的舒適性是防護(hù)服中應(yīng)用的另一個(gè)需要考慮的問題。氣凝膠不僅防止外部熱量的引入，而且防止人體服裝微氣候環(huán)境下的熱量輸出[29]。目前還沒有很好的方法來解決與人體熱應(yīng)激相關(guān)的問題，只有通過PCM將氣凝膠涂在面料上，提高人體舒適度。Shaid[30]發(fā)現(xiàn)2%的氣凝膠納米顆粒涂層將熱阻增加到68. %時(shí)，材料的透氣性會降低45.46%，而4%的氣凝膠涂層將降低61.76%的透氣性。氣凝膠涂層織物的熱阻與透氣性成反比，隨著熱保護(hù)的提高，服裝的舒適性和透氣性會降低。Trifu[31]在研究氣凝膠鞋帽組裝過程中發(fā)現(xiàn)不可避免的氣凝膠粉塵，嚴(yán)重影響了氣凝膠制成的墊帽和靴子的試穿舒適性。Jin等[32]采用氣凝膠涂層整理技術(shù)制備新型防護(hù)服面料，將PTFE膜層壓在氣凝膠處理的非織造織物上作為隔熱層，發(fā)現(xiàn)可以改善織物TPP并消除氣凝膠粉塵，但會降低保溫層的水蒸氣滲透率。

3.3 氣凝膠材料在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

在火場高溫環(huán)境下，氣凝膠防護(hù)服經(jīng)常會受到高溫?zé)峤佑|和熱輻射的傷害。目前應(yīng)用較多的SiO2氣凝膠使用溫度高時(shí)，由于表面細(xì)顆粒表面能量高，在高溫環(huán)境下容易聚集燒結(jié)，導(dǎo)致氣凝膠比表面積下降。SiO當(dāng)氣凝膠密度達(dá)到原氣凝膠密度的50%時(shí)，氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)會因坍塌而損壞[33]SiO降低氣凝膠的隔熱性。SiO氣凝膠的長期使用溫度為650 ℃以下[34]、李雄威等[35]對不同溫度進(jìn)行熱處理SiO2氣凝膠分析發(fā)現(xiàn)，氣凝膠的導(dǎo)熱率隨密度的增加而增加，高溫導(dǎo)致氣凝膠顆粒之間的接觸面積因顆粒膨脹而增加，導(dǎo)致氣凝膠形成固相導(dǎo)熱的傳熱方式，當(dāng)模擬火場燃燒一小時(shí)后達(dá)到實(shí)驗(yàn)熱處理溫度時(shí)(925 ℃)[36]由于間壁塌陷，氣凝膠層結(jié)構(gòu)的隔熱性能失效，保護(hù)效果大大降低。目前，國內(nèi)外主要通過SiO2.氣凝膠用于元素?fù)诫s和引入顆粒、晶須等纖維增強(qiáng)體來修飾和調(diào)節(jié)氣凝膠結(jié)構(gòu)SiO2氣凝膠顆粒的燒結(jié)增強(qiáng)SiO氣凝膠的耐高溫性[37-38]。

3.4 氣凝膠材料對輻射的透射性

氣凝膠對波長為3~8 μm近紅外透射性強(qiáng)[39]，導(dǎo)致氣凝膠防護(hù)服在高溫下抵抗紅外輻射能力差，導(dǎo)熱性增加，材料保溫性能受損。Qi等[40]發(fā)現(xiàn)入射波長約為3~5 μm當(dāng)氣凝膠的熱吸收系數(shù)急劇上升時(shí)，提出了通過添加劑吸收或散射溫度跳躍的紅外光的解決方案。Kwon等[41]在800 K在溫度下，將TiO2.發(fā)現(xiàn)作為紅外遮光劑，SiO氣凝膠的總熱導(dǎo)率分別降低到0.013 W/(m·K)和0.038 W/(m·K)，在高溫下提高使用性能。陳澤等[42]發(fā)現(xiàn)混合氣凝膠/NC814 復(fù)合材料μm波段紅外透過率低至3.37%，當(dāng)氣凝膠復(fù)合材料的摻雜量為7%時(shí)，對紅外線的干擾效果較好。理論研究方面，趙越等[43]采用蒙特卡羅數(shù)值法(MCM)與Mie散射理論發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化參數(shù)后的碳黑顆粒混合氣凝膠能有效阻擋輻射傳熱，提高材料的隔熱性能。

4 發(fā)展趨勢

4.1 氣凝膠多種類復(fù)合化發(fā)展

除硅系、碳系、硫系等外，氣凝膠的種類不斷分化。由于其機(jī)械性能缺陷，出現(xiàn)了多種復(fù)合氣凝膠產(chǎn)品。其中，碳系氣凝膠石墨烯氣凝膠是一種具有連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型三維材料。裝配結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)，比表面積高，機(jī)械性能優(yōu)異；彈性好，形狀可根據(jù)需要任意調(diào)整。壓縮率高達(dá)80%，電、熱、力學(xué)性能優(yōu)異。目前，多結(jié)構(gòu)3已實(shí)現(xiàn)D[44]印刷技術(shù)。石墨烯氣凝膠材料有望在未來引入更廣泛的防護(hù)服應(yīng)用領(lǐng)域，提高服裝的綜合性能。

4.22 優(yōu)化氣凝膠材料配伍

目前，氣凝膠材料主要用于取代傳統(tǒng)的無紡布保溫氈或保溫涂層，以提高織物系統(tǒng)的保護(hù)性能。大量研究表明，多層織物組合的織物兼容性影響其保溫性能，目前尚不清楚應(yīng)用于保護(hù)外層是否具有更好的保護(hù)效果。氣凝膠的排列方法也對保溫層的保護(hù)和舒適性有重要影響，需要探索較佳的排列方法，以獲得性能較好的保護(hù)織物。黃仁達(dá)等[45]從增強(qiáng)氣凝膠材料的幾何特性、含量、排列方法等方面總結(jié)了二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱性的規(guī)律，提出了優(yōu)化二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱性的方法。但在不同的熱源條件下，上述影響因素的具體作用尚不清楚，需要深入探索。

4.3 注意氣凝膠的性能

氣凝膠材料優(yōu)異的隔熱性能使其能夠取代傳統(tǒng)的熱保護(hù)織物組合，但氣凝膠現(xiàn)有的探索和應(yīng)用實(shí)踐只關(guān)注其隔熱性能，沒有充分考慮其使用性能，如彎曲性能、壓縮性能、濕度性能等，這些都是防護(hù)服必須考慮的問題。在實(shí)際穿著和使用過程中，人體運(yùn)動會擠壓材料，壓縮后的彈性恢復(fù)程度也對其保護(hù)性能有一定的影響，特別是關(guān)鍵保護(hù)部位的應(yīng)用對氣凝膠材料的彈性恢復(fù)性能有較高的要求，必須保證四肢的靈活性。在較高的溫度環(huán)境中，半透明氣凝膠材料難以抵抗輻射導(dǎo)熱性好的影響，導(dǎo)熱與隔熱性能的矛盾也成為氣凝膠防護(hù)服材料發(fā)展的應(yīng)用墻壘。市售的氣凝膠由于凝膠易粉末化脫落等問題不能直接用于服裝面料，且應(yīng)用于防護(hù)服的舒適性較差，氣凝膠的組合應(yīng)用可以有效解決該問題。氣凝膠的疏水性導(dǎo)致服裝的透氣、透濕性較低，容易產(chǎn)生熱應(yīng)激，必須加以解決。Venkatara n等[46]研究了柔性納米結(jié)構(gòu)氣凝膠復(fù)合材料的熱性能、空氣和水蒸氣滲透性，發(fā)現(xiàn)相對水氣滲透率隨著纖維組裝和柔性氣凝膠結(jié)構(gòu)的增加而增加，材料和舒適性得到改善。

4.4 氣凝膠低成本產(chǎn)業(yè)化

目前制約氣凝膠市場發(fā)展的另一大關(guān)鍵是其較高的制造成本，所以低成本產(chǎn)業(yè)化制備氣凝膠是十分必要的。美國發(fā)布消息稱，全球氣凝膠的市場價(jià)值在2020年將增長到18.966億元，其生產(chǎn)成本的降低將導(dǎo)致市場需求和產(chǎn)品銷量大幅提升，市場增值空間大，有望革命性地取代傳統(tǒng)隔熱材料，在紡織服裝領(lǐng)域成為新一代的防護(hù)服裝面料。

5 結(jié) 語

氣凝膠目前廣泛應(yīng)用于隔熱保溫、防寒隔熱產(chǎn)品，在防護(hù)服裝上也有一定的應(yīng)用。開發(fā)氣凝膠防護(hù)服，并能夠平衡防護(hù)服裝熱濕舒適性和防護(hù)性，是現(xiàn)代防護(hù)服裝發(fā)展的必然趨勢。相比于傳統(tǒng)的隔熱服裝材料，氣凝膠作為防護(hù)服裝材料其脆弱的質(zhì)地、較差的舒適性和不穩(wěn)定的服用性能是實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用亟需解決的問題。未來的氣凝膠防護(hù)服將朝著復(fù)合化、組合式、易服用、舒適化、低成本的方向發(fā)展，有效提高防護(hù)服裝的防護(hù)性能，降低熱應(yīng)激。