隨著我國經(jīng)濟的快速發(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)的熱防護服主要通過多層組合提高熱防護性能，其組成結(jié)構(gòu)一般分為阻燃層、防水透氣層、絕緣層、舒適層四層，導致服裝厚度，從人體散熱、代謝率、生理熱負荷和熱應(yīng)激[1]，然后影響服裝的工作效率和決策能力，甚至生命危險[2-3]。因此，為了更好地保證員工的工作安全，現(xiàn)代防護服的必然趨勢是開發(fā)具有優(yōu)異熱濕舒適性和保護性的輕熱防護服。氣凝膠是世界上密度較低、導熱性較低的多孔固體材料，具有特殊的連續(xù)性，可應(yīng)用于保護孔結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新趨勢。本文總結(jié)了保護孔結(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]。斯坦福大學1931年Kistler教授成功地用水玻璃制備了世界上第一個SiO2.經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，逐漸發(fā)現(xiàn)了氣凝膠材料的優(yōu)異性能。氣凝膠中大量納米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，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90%，主要進行氣體傳導的熱傳導，固體熱傳導率僅為氣凝膠均質(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，有效地阻擋了覆蓋熱源的熱輻射。氣凝膠的熱學、光學[6]、聲學[7]、電學[8-9]等優(yōu)異性能、密度和孔隙率通過與增強體和遮光劑的結(jié)合，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

氣凝膠作為一種保溫材料，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]。俄羅斯和平空間站和美國勇氣火星探測器[11]都使用它作為保溫材料進行熱絕緣，以保護探測器。寶馬[12]采用氣凝膠材料建立保溫儲存裝置，可收集發(fā)動機余熱，冬季加熱發(fā)動機。圖1顯示，2016年中國使用的納米氣凝膠保溫氈產(chǎn)品有效保溫和維護了長征5號火箭燃氣管道系統(tǒng)。2017年，氣凝膠已成為天舟1號貨運船上低溫鎖柜的設(shè)計材料。氣凝膠的高透明度和低折射率也能很好地應(yīng)用于光能建筑，減少陽光和環(huán)境中的紅外輻射。是理想的太陽能加熱材料。SiO屋面采光保溫材料采用氣凝膠材料，在有效減少熱損失的同時，提高了太陽能熱轉(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)了更耐用、更靈活的氣凝膠[15]，并應(yīng)用于太空服裝保溫襯里。研究人員認為，18 mm厚氣凝膠襯里可以幫助宇航員抵抗-130 ℃的低溫。Corpo Nove公司氣凝膠材料設(shè)計能力-25 ℃～1 500 ℃極溫防寒服。美國海軍開發(fā)的氣凝膠內(nèi)衣可以提高潛水服的保護性能，有效降低體溫，延長潛水時間[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)了室外防寒[17]的氣凝膠鞋墊和氣凝膠睡袋墊。SNAFELwidth=13,height=11,dpi=110項目產(chǎn)品經(jīng)受住了溫場試驗、人體感知試驗等綜合試驗，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 氣凝膠在熱防護服中的應(yīng)用

張興娟等[18]發(fā)現(xiàn)SiO2.氣凝膠保護面料的熱傳導率為傳統(tǒng)保護面料的1/4。在相同的熱保護效果下，以氣凝膠為保溫層的消防服可以降低70%以上的質(zhì)量和體積，大大降低消防隊員的勞動強度。玻璃纖維二氧化硅氣凝膠防火保溫凝膠防火保溫面料TPP(熱防護性能)高于中國標準(≥28 kW·s/m2)二次燒傷延遲超過27%，使消防隊員有足夠的時間進行救援和疏散。合成胡銀[20]SiO2.氣凝膠連續(xù)多孔保溫材料結(jié)合改性氣凝膠材料和消防服織物，不同厚度氣凝膠氈及其低輻射環(huán)境的保溫性能，研究了氣凝膠層數(shù)與防護服內(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保溫層的平均點火時間約為3.3 s，使用氣凝膠和PCM當組合材料時，該值顯示增加到5.5秒，含量減慢PCM織物中的火焰擴散。Zhang氣凝膠材料等[22]MPCM熱防護服系統(tǒng)采用微膠囊相變材料，發(fā)現(xiàn)厚度為4 mm與含氣凝膠的保溫層相比，二次燒傷時間增加了51.4%大大提高了織物系統(tǒng)的熱保護值，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 氣凝膠用于防護服的主要問題及解決方案

3.1 氣凝膠材料的力學性能

氣凝膠防護服在高溫救援作業(yè)環(huán)境下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、高孔隙率和獨特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其模量小、強度低、脆性大，不能滿足保溫材料的力學性能承載要求。因此，氣凝膠難以單獨作為保溫材料使用，需要與其它材料復合或組合，以達到有效的使用效果。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合材料的強度、拉伸性和彈性仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。目前，氣凝膠的強度[23]主要通過提高氣凝膠密度、高溫熱處理和增強顆粒骨架結(jié)構(gòu)來提高。為了提高材料的力學性能和高溫保溫性能[25-26]，氣凝膠復合材料引入增強劑和遮光劑。Katti等待[27]用聚尿素包覆胺修改氣凝膠骨架，增加顆粒頸接觸面積，保持氣凝膠介孔結(jié)構(gòu)，提高氣凝膠材料強度。在高溫高壓下加入二次凝膠，將酯鹽水解并嫁接到濕凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架中，加強骨架結(jié)構(gòu)，提高氣凝膠材料的強度。[20]通過在氣凝膠中添加有機聚合物（聚二甲基硅氧烷衍生物等），制造了的柔性氣凝膠復合材料。與純硅氣凝膠相比，增加了材料的彈性，顯著提高了氣凝膠的耐久性。通過在硅氣凝膠過程中添加玻璃纖維和無機粘合劑，王宇等[28]提高了氣凝膠材料的熱穩(wěn)定性和機械強度。

3.2 氣凝膠材料的舒適性

目前，對氣凝膠在防護服中的應(yīng)用的研究主要集中在其優(yōu)異的隔熱性能上，而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服應(yīng)用中需要考慮的另一個問題。氣凝膠不僅能防止外界熱量的引入，還能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]2%的氣凝膠納米顆粒涂層將熱阻增加到68. 當材料，材料的透氣性會降低45.46%，4%的氣凝膠涂層將減少61%.透氣性76%。氣凝膠涂層織物的熱阻與透氣性成反比，隨著熱保護的提高，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重影響了氣凝膠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)制備新型防護服面料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性。

3.3 高溫環(huán)境下氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

氣凝膠防護服在氣凝膠防護服經(jīng)常受到高溫熱接觸和熱輻射的傷害。目前應(yīng)用較多SiO氣凝膠使用溫度高時，由于表面細顆粒表面能量高，在高溫環(huán)境下容易積聚燒結(jié)，導致氣凝膠比表面積下降。SiO當氣凝膠密度達到原氣凝膠密度的50%時，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]對不同溫度進行熱處理SiO2.氣凝膠分析發(fā)現(xiàn)，隨著密度的增加，氣凝膠顆粒之間的接觸面積因顆粒膨脹而增加，導致氣凝膠形成固相導熱的傳熱方式，當模擬火場燃燒一小時后達到實驗熱處理溫度時(925 ℃)[36]由于間壁塌陷，氣凝膠層結(jié)構(gòu)的隔熱性能失效，保護效果大大降低。目前國內(nèi)外主要通過SiO2.氣凝膠用于修飾和調(diào)節(jié)元素摻雜和引入顆粒、晶須等纖維增強體SiO2氣凝膠顆粒的燒結(jié)增強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[39]紅外輻射能力差，導熱性增加，材料保溫性能受損。Qi[40]發(fā)現(xiàn)入射波長約為3~5 μm當氣凝膠的熱吸收系數(shù)急劇上升時，提出了紅外光通過添加劑吸收或散射溫度跳躍的解決方案。Kwon等[41]在800 K在溫度下，將TiO2.發(fā)現(xiàn)作為紅外遮光劑，SiO氣凝膠的總熱導率分別降低到0.013 W/(m·K)和0.038 W/(m·K)，提高高溫下的使用性能。陳澤等[42]發(fā)現(xiàn)混合氣凝膠/NC814 復合材料μm波段紅外透過率低至3.當氣凝膠復合材料的摻雜量為7%時，對紅外線的干擾效果較好。在理論研究方面，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?；旌蠚饽z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 氣凝膠多種復合發(fā)展

除硅、碳、硫等外，氣凝膠的種類不斷分化。由于其機械性能缺陷，出現(xiàn)了多種復合氣凝膠產(chǎn)品。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)，高于表面積，機械性能優(yōu)異；彈性好，形狀可根據(jù)需要任意調(diào)整。電、熱、力學性能優(yōu)異，壓縮率高達80%。目前，多結(jié)構(gòu)3已實現(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料，以提高織物系統(tǒng)的保護性能。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，目前還不清楚外層是否有更好的保護效果。氣凝膠的排列方法對保溫層的保護和舒適性也有重要影響。為了獲得性能較好的保護織物，有必要探索較佳的排列方法。黃仁達等[45]從增強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合材料導熱性的規(guī)律，提出了優(yōu)化二氧化硅氣凝膠復合材料導熱性的方法。但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)的熱保護織物組合，但現(xiàn)有的探索和應(yīng)用實踐只關(guān)注其隔熱性能，沒有充分考慮其彎曲性能、壓縮性能、濕度性能等使用性能，這些都是防護服必須考慮的問題。在實際穿著和使用過程中，人體運動會擠壓材料，壓縮后的彈性恢復程度也會對其保護性能產(chǎn)生一定的影響。特別是關(guān)鍵保護部位的應(yīng)用對氣凝膠材料的彈性恢復性能較高，必須保證四肢的靈活性。在較高的溫度環(huán)境下，半透明氣凝膠材料難以抵抗良好的輻射導熱性，導熱與隔熱性能的矛盾也成為氣凝膠防護服材料發(fā)展的應(yīng)用壁壘。市場上銷售的氣凝膠不能直接用于服裝面料，因為凝膠容易粉末脫落，防護服舒適性差。氣凝膠的組合應(yīng)用可以有效解決這個問題。氣凝膠的疏水性導致服裝透氣性和透濕性低，容易產(chǎn)生熱應(yīng)激，必須解決。Venkatara n[46]研究了柔性納米結(jié)構(gòu)氣凝膠復合材料的熱性能、空氣和水蒸氣滲透性，發(fā)現(xiàn)隨著纖維組裝和柔性氣凝膠結(jié)構(gòu)的增加，材料和舒適性得到了提高。

4.4 氣凝膠產(chǎn)業(yè)化成本低

制約氣凝膠市場發(fā)展的另一個關(guān)鍵是制造成本高，因此有必要制備低成本的工業(yè)化氣凝膠。美國表示，2020年全球氣凝膠的市場價值將上升到18.966億元降低將導致市場需求和產(chǎn)品銷求和產(chǎn)品銷量大幅增加，市場增值空間大，預(yù)計革命性地取代傳統(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，在防護服裝上也有一定的應(yīng)用。開發(fā)氣凝膠防護服，并能夠平衡防護服裝熱濕舒適性和防護性，是現(xiàn)代防護服裝發(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)定的服用性能是實現(xiàn)廣泛應(yīng)用亟需解決的問題。未來的氣凝膠防護服將朝著復合化、組合式、易服用、舒適化、低成本的方向發(fā)展，有效提高防護服裝的防護性能，降低熱應(yīng)激。