气凝胶材料在消防服中的应用研究进展

蒋璐璐，邓 梦，王云仪,2，李 俊,2

(1.东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051；2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

对于消防员而言，其常规个人防护装备——消防服至关重要，消防服性能的优劣直接影响消防员的人身安全和救援活动效率。通常，消防服的织物组合越厚，其热防护性能越好[1]，但是增加织物组合的厚度和质量会严重限制消防员的行动能力，增加负荷也会导致着装人体热应激上升；因此，仅靠传统隔热材料的性能改进来提升消防服热防护性能具有一定的局限性，轻质且低导热率的新型材料的开发和应用受到研究人员的关注，气凝胶是其中的研究热点之一。

1931年，Kistler等首次以水玻璃为前驱体制备出SiO2气凝胶[2]。目前，已发展出硅系、碳系、硫系和金属氧化物系等多种类型气凝胶，其中，二氧化硅气凝胶在服装领域的研究与应用最为成熟。早期，为探索新型高性能隔热材料来使得消防服更轻薄且满足消防员的工效需求，张兴娟等[3]发现气凝胶适合用于防火隔热材料。有研究发现，采用SiO2气凝胶复合材料可在保证相同热防护效果的前提下，使消防服的厚度与质量降低70%以上[3]。随后，学者们进一步探讨了SiO2气凝胶含量、添加位置等因素对多层织物组合热防护性能的影响[4-6]。随着对气凝胶材料研究的深入，学者发现其存在热稳定性不佳、舒适性降低等问题。近年来，国内外学者为进一步提高气凝胶型消防服的热防护性和热舒适性，尝试将诸如玄武岩纤维或相变材料与气凝胶材料组合使用[7-9]，以提升其在消防服中应用的可行性。

本文在介绍气凝胶材料热学性能的基础上，梳理和总结了当前气凝胶材料在消防服中的应用途径及相关研究现状，并对其应用的局限性和研究趋势进行了探讨与展望。

1 气凝胶材料的热学性能

气凝胶是由纳米粒子或高聚物分子相互聚结组成的具有三维网状结构的一类固体纳米多孔性材料，它是由湿凝胶在保持其孔隙和空间网络结构不被破坏的基础上将其孔隙中的液体用空气取代后所得到的产物[10]。气凝胶的纳米多孔结构赋予其高比表面积、低导热系数、优异的绝缘性和隔热性等特征[11]，能够有效降低热量的传递，具有优异的隔热性能,但是，这种特殊结构也存在热稳定性不强的缺陷。由于气凝胶表面粒子具有高的表面能，使得其在高温环境下容易发生烧结，从而导致比表面积下降，甚至发生多孔结构坍塌。

1.1 隔热性能

相比普通纺织材料，气凝胶的导热系数较低，具有优异的隔热保温性能。已知20 ℃时静止空气的导热系数为0.027 W/(m·K)，而SiO2气凝胶在常温常压下的导热系数仅为0.012 5 W/(m·K)[12]，典型气凝胶纳米复合材料的导热系数为0.021 5 W/(m·K)[13]。文献[14-16]基于气凝胶的纳米孔隙结构研究其隔热机制。魏高升等[17]通过建立导热模型计算气凝胶的导热系数发现，气凝胶极低的导热系数主要归因于其高比表面积、纳米孔结构及固体颗粒纳米尺寸效应。有研究[18]发现，影响SiO2气凝胶固相结构单元热导率的主要因素是固相结构单元的直径和接触界面的直径，影响SiO2气凝胶内气体导热系数的主要因素是气体平均分子自由程、分子之间及分子与壁面间的相互作用。此外，气凝胶纳米固体网格对其气相导热系数有重要影响[19]。

在气凝胶材料中，热量的传递方式包括固相传热、气相传热和辐射传热[20]，通过这3种途径传递的热量均比较小。首先，气凝胶密度极低(约3 mg/cm3)，具有复杂的纳米三维网络结构，延长了热量通过固体基质传导的路径，从而降低了材料中的固相导热[21]。其次，气凝胶的平均孔径约25 nm，严重限制了气体分子的自由运动，常温常压下气体分子的平均自由程约70 nm，气体分子难以发生相互碰撞，只能与孔壁发生弹性碰撞，因此气相传热很小[17,22]。最后，气凝胶纳米量级的固体骨架在其内部形成了大量反射颗粒和反射面，辐射热量能被有效地反射回去，即通过辐射散失的热量较小[23]。

1.2 热稳定性

刘国熠等[24]研究发现，SiO2气凝胶涂层材料的高温热稳定性能因气凝胶的加入而有所下降。在高温下，SiO2气凝胶颗粒的结构随温度的升高被逐渐破坏[25]。在180 ℃时，气凝胶的质量损失约为2%，而在350 ℃时，达到约7%，且表面的疏水性甲基基团被氧化成亲水的羟基基团[26]，疏水性变弱，进一步影响其结构稳定性。温度过高时，SiO2气凝胶会发生聚集烧结，比表面积下降[27]，当其密度达到原密度的50%左右时，气凝胶的多孔结构会塌陷[28]。

在高温环境下，气凝胶材料因热稳定性不强发生的结构变化，会显著降低其自身的隔热性能，进而严重削弱防护效果。文献[29]表明，在400～900 ℃时，SiO2气凝胶的骨架结构未被破坏，仍具有较低的固相传导率；但在1 000～1 100 ℃时，SiO2气凝胶中二次堆积颗粒逐渐增大且互相融合，其固相传导率显著上升；超过1 200 ℃时，SiO2气凝胶的骨架结构被明显破坏，其隔热性能失效。

2 气凝胶在消防服中的应用现状

气凝胶材料应用于纺织品的方法有多种，包括将不定型纤维材料添加到气凝胶中，制备成气凝胶基复合材料[30]；通过涂层[31-33]、浸轧[34]、物理填充[4,35-36]等方法，将气凝胶添加到成形的纺织纤维材料中，制备成纺织基气凝胶复合材料。其中，在消防服中的应用方式主要包括两大类，分别是将气凝胶作为涂层材料和嵌入多层织物系统。将气凝胶材料应用于消防服的初衷在于改进服装的热防护性能，但在实际的应用过程中，发现会导致服装舒适性能或服用性能下降等问题。

2.1 作为涂层材料

Qi等[39]将不同质量分数的气凝胶涂覆在消防服外层，以探究气凝胶含量对辐射防护性能的影响，发现，当气凝胶质量分数为9%时，达到皮肤二级烧伤的时间最长，可为消防员争取更多宝贵时间进行救援工作。刘国熠等[37]运用传热模型研究发现，增大气凝胶涂层厚度、比热、密度或降低导热系数，均能有效提高消防服外层织物的热防护性能。此外，刘越等[34]在探究气凝胶对非织造布性能的影响时发现，SiO2气凝胶涂层能在一定程度上改善非织造布的阻燃效果，且面料阻燃性随气凝胶含量的增加而增强，非织造布的力学性能也有所改善，这为消防服阻燃性的改进提供了启发。

气凝胶含量的增加可明显提升涂层复合材料的隔热性能，但同时降低了材料的高温热稳定性[24]。此外，Shaid等[38]研究发现，气凝胶纳米颗粒涂层会显著降低羊毛/芳纶混纺织物的透气性，8%的气凝胶涂层可使透气性降低91.36%。这意味着气凝胶在阻止外界环境热量输入的同时，也阻挡了服装微环境内热量的输出，从而降低服装的热湿舒适性。

2.2 嵌入多层织物系统

2.2.1 气凝胶作为隔热层材料

气凝胶具有优异的隔热性能，为了改善消防服的热防护性能，将其作为隔热层材料加以应用[39]。张兴娟等[40]研究发现，隔热层为SiO2气凝胶的消防服织物组合的热防护性能得到提升，其热导率仅为传统织物组合的1/4。与常见的消防服织物组合相比，隔热层为SiO2气凝胶的织物组合在稳定燃烧阶段的舒适层表面温度最大可降低20 ℃[6]。气凝胶Nomex复合材料作为隔热层，可使织物组合的热防护时间提高100%以上[41]。由含气凝胶隔热层制成的3层消防服，燃烧假人实验结果显示假人表面皮肤总烧伤面积百分比仅为12.7%，低于现有消防服的25.1%[4]，极大地改善了消防服的热防护性能。此外，胡银[5]进一步研究嵌入织物层间的气凝胶材料的隔热能力与其层数的关系，发现气凝胶材料的总厚度相同但层数不同时，单层的隔热效果优于多层叠加的。

另一方面，有研究[42-43]发现，气凝胶材料作为隔热层嵌入多层织物时，会降低织物组合的透湿率，导致服装舒适性能下降。

2.2.2 与玄武岩纤维的组合使用

通过燃烧假人实验发现，具有气凝胶隔热层消防服的外层被严重破坏[4]，启发学者转而研究可与气凝胶材料配套使用的外层织物，玄武岩纤维因其耐高温、阻燃、高强度以及优异的热稳定性而受到关注。有研究[44-45]发现，气凝胶与玄武岩纤维组合使用能够增强消防服织物系统应对瞬时高温火焰场景的抵抗能力。

有研究[44-45]发现，在高温火焰暴露下，玄武岩织物和气凝胶毡组合织物系统的隔热性能大幅增强。此外，对于外层和隔热层分别采用玄武岩织物和SiO2气凝胶毡的3层织物组合，其热防护能力(TPP值)远高于标准GA 10—2014《消防员灭火防护服》规定的最小值117 J/cm2，消防服的热防护性能明显增强。

2.2.3 与相变材料的组合使用

气凝胶的低导热特性决定了其在有效抵抗外界热量的同时，也会带来人体代谢热难以释放的问题，使得人体热负荷上升[46]。有学者尝试将气凝胶和相变材料同时应用于消防服织物组合中，以期在提高热防护性能的同时改善其热湿舒适性[7-8,46]。

Shaid等[8]研究发现，以气凝胶或相变材料(PCM)为涂料的隔热层，不仅增强了织物组合的辐射防护性能，而且气凝胶涂层织物质量更小，PCM涂层织物厚度更薄，而消防服质量与体积的降低可大幅降低消防员的运动强度。张慧[7,47]制备了含有SiO2气凝胶和相变微胶囊材料(MPCM)的薄膜材料并测试其性能，发现MPCM的加入能明显提高薄膜的透湿性能。Pause[48]将PCM应用到防护服织物系统的内侧，研究发现，受试者穿着不含PCM的防护服时，在45 min后，出现热应激反应,而穿着含有PCM的防护服时，受试者在1 h试验期间无热应激反应，PCM在防护服中的应用能够提高人体热舒适性。

3 存在问题及解决方法

3.1 热防护与热舒适的平衡

将气凝胶应用于消防服能有效提高织物组合的热防护性能，但通常采用的涂层处理方式会显著降低织物的透气性，且气凝胶的疏水性会降低服装的透湿性，这意味着服装的热舒适性会有所削减。

已有学者尝试从不同角度来改善气凝胶型消防服的热舒适性。例如，Shaid等[38]通过选择合适的涂层增稠剂，以降低气凝胶和基布的疏水性，从而提高织物组合的水分传递能力，而水分传递的过程也将伴随着更多的热量传递。同时有研究发现，气凝胶涂覆位置会影响服装的热湿舒适性，将气凝胶涂覆在服装的皮肤侧比环境侧的舒适性更优[38]。此外，Shaid等[49]尝试将气凝胶与透气性较优的织物相结合，以提升气凝胶材料的热舒适性，研究表明，气凝胶非织造布与本文间位芳纶(Nomex)织物相结合后的透湿指数比现有的单一隔热层、防水透气层及组合的情况均要高。

然而，气凝胶材料应用中的热防护与热舒适的矛盾问题仍然有很大的研究空间。例如，尽管Shaid等[8,46]发现将气凝胶和相变材料共同应用能较好地平衡织物组合的热防护性能和热舒适性能，但相变材料重新凝固所释放的储蓄热会给消防员带来二次伤害风险。从气凝胶结构本身分析，气凝胶复合结构的透气性与纳米孔隙率成正比[50]，如要解决其热防护和舒适性的平衡问题，改进气凝胶的纳米结构可成为突破口之一。

3.2 气凝胶力学性能和热稳定性的提升

消防服对面料拉伸撕破强度存在一定要求，但SiO2气凝胶的纳米多孔结构存在强度低、韧性差、脆性大的问题，这严重制约了其实际应用。

3.3 气凝胶复合材料的开发与应用

除了研究较多的二氧化硅气凝胶，同时也开发了各种新型气凝胶材料，如石墨烯气凝胶、纤维素气凝胶等。有研究发现：石墨烯气凝胶复合织物能明显延长使人体产生热损伤的时间，具有较好的热防护性能[53-55]；氢氧化铝气凝胶/聚酰胺织物复合材料的导热系数和垂直燃烧损毁长度均明显小于原聚酰胺织物，具有良好的隔热性和阻燃性[56]。

当前气凝胶产品主要有气凝胶毡、涂料、粉末、颗粒等形态。其中，气凝胶毡的弯折性不佳，应用于服装会导致穿着不适；气凝胶涂层材料的透气性差，不适合应用于服装开发。任洪雨等[57]开发了具有双面格栅结构的气凝胶隔热毡，将气凝胶涂层乳液涂覆于无纺隔热层的上下表面，相邻错位排列，发现经添加气凝胶与面料结构优化设计后，能在提高防护性能的同时减弱透气性的降低，但涂层处理方式仍存在难以均匀涂覆的问题。研究人员采用“夹心式”的方法，即气凝胶作为中间层结合在2层服装面料之中，但这种处理方式使得气凝胶粉末易沿布料纤维和针缝间隙溢出，服用性能较差且难以制作款式结构复杂的服装，不适合直接应用于消防服中[4,22]。由于其正常粉末状不能单独使用，通常需与其他材料结合，以增强力学性能，有学者制备出用于充填消防服隔热内衬的气凝胶球粒，并研究了其充填方式，发现气凝胶球粒的耐热性和热稳定性较强，且多个气凝胶球粒的整体弹性、韧性和抗压性较好[58-59]。

此外，在聚合物泡沫体材料中加入气凝胶制成的气凝胶发泡材料，具有优异热绝缘特性[60]，目前已经被成功应用于防寒服中，未来有望将气凝胶发泡材料引入热防护服装，提高消防服的基本服用性能。为改善气凝胶复合材料的服用性能，研究人员不断开发新制备技术，而气凝胶复合材料本身制备技术的革新和改进，是未来提升其在服装中应用可行性的必由之路。

4 结束语

气凝胶因具有高孔隙率和极低的热导率，能显著增强织物的热防护效果，使其在消防服中的应用具有广阔的前景。已有不少研究探讨了气凝胶在消防服用织物上的应用方法和作用机制，但是气凝胶材料的高隔热性能同时可能带来人体热应激增加的问题，及其热稳定性不高的弱点，均会影响其在热防护织物上的应用；因此，将气凝胶与包括玄武岩纤维或相变材料在内的其他功能材料组合应用于消防服，以综合提高气凝胶型消防服的热防护性和舒适性，也是当前相关领域的研究热点。

未来针对气凝胶材料的应用研究，可更多关注其热防护性和热舒适性的功能平衡设计，结合其他新型功能织物，优势互补，寻求优化的织物组合方案；探索气凝胶材料本身的结构优化技术以及与其他功能纤维的结合，努力提升其力学性能和热稳定性；积极探索新型制备技术，提升气凝胶材料的综合服用性能，进一步为气凝胶材料在消防服中的应用提供可行性并拓展应用空间。

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