气凝胶在防护服中的应用进展

作者:未知

  摘要: 为提高防护服的综合性能,平衡功能性需求和舒适性要求之间的关系,将密度小、导热率低的气凝胶材料合理有效地应用于防护服装领域,在爆炸和火灾等高温环境中减少物理、化学等外界因素对人体造成的热损伤,降低储存热,缓解热应激。文章回顾了国内外关于气凝胶材料的相关研究文献,总结了气凝胶材料在隔热保温、防寒隔热产品和热防护服中的应用进展,重点从力学、舒适性和高温下结构稳定性等方面分析其在使用过程中存在的瓶颈和缺陷,并从气凝胶种类、材料配伍、热源、服用性能、生理舒适性、低成本等角度凝练了气凝胶在防护服中的研究方向,展望了气凝胶在防护服装应用领域中的创新发展。
  关键词: 气凝胶;防护服;隔热;防护性能;服用性能
  中图分类号: TS941.73   文献标志码: A   文章编号: 1001-7003(2019)04-0044-06   引用页码: 041108
  Abstract: To improve comprehensive performance of protective clothing and balance the relationship between function requirements and comfort needs, the aerogel material with low density and thermal conductivity was effectively applied in protective clothing field. It can reduce skin burn injury caused by external physical and chemical factors in high temperature environment such as explosion and flash fire, lower heat storage and relieve heat stress. This paper reviewed current domestic and foreign research literatures on the application of aerogel materials in protective clothing, and summarized the application progress of aerogel materials in thermal insulating and cold protection products as well as thermal protective clothing. It also analyzed the application bottleneck and drawbacks of aerogel materials in terms of mechanical, comfort and structure stability under high temperature. The specific directions for the application of aerogel materials in protective clothing were highlighted from the perspectives of aerogel type, material combination, heat source, wear property, waring property, physiological comfort and low cost. Finally, the innovative development trends of aerogel materials in protective clothing field were proposed.
  Key words: aerogels; protective clothing; thermal insulating; protective performance; wearing property
  
  随着中国经济的高速发展,在工业生产、社会生活及军事反恐等活动中可能发生的爆炸、火灾、高压蒸汽、高温液体喷溅等灾难性事故呈上升趋势。在这些环境下工作的从业人员需要穿着特定的防护服装,来保障生命安全和任务的有效执行。但传统热防护服主要通过多层组合来提高热防护性能,其构成结构一般分为阻燃层、防水透气层、隔热层、舒适层四层,致使服装厚重,从人体散热、代谢率、活动性能三个方面对人体产生生理热负荷和热应激[1],进而对着装者的工作效率及决策能力造成影响,甚至会出现生命危险[2-3]。因此为了更好地保障从业人员的工作安全,开发具有优异的热湿舒适性和防护性的轻质热防护服是现代防护服装的必然趋势。气凝胶是目前世界上密度最小、热导率最低的高度多孔固体材料,具有特殊的连续网络连接孔洞结构,隔热性能优异,可应用于热防护服装,提高服装的热防护性能。本文将概括气凝胶在防护服中的创新应用现状,分析其应用的局限性,并提出未来的发展趋势。
  1 气凝胶的性能
  气凝胶是一种具有超高孔隙率的三维纳米多孔材料[4]。1931年美国斯坦福大学的Kistler教授利用水玻璃成功制备了世界上第一块SiO2气凝胶,经过近半个世纪的发展,气凝胶材料的优异性能逐渐被发掘。气凝胶中的大量纳米级细小气孔,赋予气凝胶低密度、低折射率、小孔径、高比表面积、高孔隙率的特性,使气凝胶具有良好的透光性、环保性、隔声性等性能。由于气凝胶材料拥有高达90%的孔隙率,主要进行以气态传导为主的热传导,使固态热的传导率仅为气凝胶均质材料的0.2%左右[5],隔热性能优异。多孔网络结构限制了空气分子在材料內部的对流,抑制材料的对流热,并对覆盖热源体的热辐射进行有效高遮挡。气凝胶的热学、光学[6]、声学[7]、电学[8-9]等优异性能及密度和孔隙率等参数通过与增强体和遮光剂的复合,在航空航天及光声电学器件等领域作为超级隔热材料广泛应用。   
  2 气凝胶的应用
  2.1 气凝胶作为隔热保温材料的应用
  气凝胶作为隔热材料在航空航天领域得到广泛的应用。1999年,美国国家航空航天局(NASA)利用气凝胶材料为“星尘”号太空探测器制作搜集装置[10]。俄罗斯“和平”号空间站和美国“勇气”号火星探测车[11]都用它作为隔热材料,进行热绝缘以保护探测机体。宝马公司[12]利用气凝胶材料建立了绝热储热装置,可以收集发动机的余热,在冬季为发动机取暖。图1为中国在2016年使用的纳米气凝胶隔热毡产品,对“长征五号”火箭燃气管路系统进行了有效的隔热保温维护,2017年气凝胶又成为了“天舟一号”货运飞船上的低温锁柜设计材料。气凝胶的高透明度和低折射率还赋予其光能源建筑上的良好应用,能减少来自太阳及环境中的红外辐射,是一种理想的太阳能采暖材料。SiO2气凝胶材料制成的屋顶采光保温材料,在有效降低热损失的同时,增益了太阳能的热转换效率[13]。Xiong等[14]观察到气凝胶包裹结构对隔热增强有显著影响,气凝胶填充样品与普通样品之间的温差为1~1.5℃。
  
  2.2 气凝胶在防寒隔热产品上的应用
  气凝胶在服装领域上的应用也十分突出,其中以SiO2气凝胶的研究与应用最为成熟。早在2002年,NASA部署下的阿斯彭气凝胶公司就研制出更具耐受性和柔韧强度的气凝胶[15],并应用于太空服隔热保温衬里。研究人员认为18mm厚的气凝胶衬里能帮助宇航员抵抗-130℃的低温。Corpo Nove公司用气凝胶材料设计出能耐-25℃~1500℃极端气温的防寒服。美国海军研制出的气凝胶内衣能提高潜水服的防护性能,有效降低人体温度下降速度,延长潜水时间[16]。Corpo Nove、Hugo Boss、McFarlane等生产了适用于冬季穿着的气凝胶夹克。2009年阿斯彭公司与加拿大高尔夫球装备商21元素公司(Element 21)合作研发了一种名为“零夹层”的气凝胶纤维,并制成超薄夹克,随后气凝胶鞋垫和气凝胶睡袋护垫也相继被开发用于户外防寒[17]。中国SNAFEL ○ a项目产品经受住了包括温场测试、人体体感测试等在内的全方位考验,充分发挥了纳米气凝胶材料极佳的疏水性和保暖性。
  2.3 气凝胶在热防护服中的应用
  张兴娟等[18]发现SiO2气凝胶防护面料的热传导率为传统防护面料的1/4,且在同样的热防护效果下,使用气凝胶为隔热层材料的消防服能减轻70%以上的质量及体积,可大幅降低消防员的劳动强度。任乾乾[19]设计的玻璃纤维二氧化硅气凝胶防火隔热面料的TPP(热防护性能)值高于中国标准规定值(≥28kW·s/m2)的27%以上,延迟了造成二级烧伤的时间,使消防员有足够的时间进行救援作业与撤离。胡银[20]合成了SiO2气凝胶连续多孔隔热材料,并将改性后的气凝胶材料与消防服织物结合,测试在低辐射环境下不同厚度气凝胶毡及其组合方式的隔热性能,研究了气凝胶层数与防护服内层舒适性的关系。Shaid等[21]使用气凝胶来解决消防服中相变材料不稳定的问题,发现普通PCM(相变材料)隔热层的平均点火时间大约为3.3s,而当使用气凝胶和PCM的组合材料时,该值显示增加到5.5秒,减缓了含PCM织物中火焰扩散的情况。Zhang等[22]将气凝胶材料和MPCM(微胶囊相变材料)结合应用于热防护服系统,发现与厚度为4mm的对照样品相比,包含气凝胶的隔热层产生二级烧伤的时间增加了51.4%,极大地改善了面料系统的热防护值,并且发现不同厚度的气凝胶层及其不同的分布位置对模拟皮肤的热通量有不同的影响。
  3 气凝胶应用于防护服的主要问题及解决方法
  3.1 气凝胶材料的力学性能
  高温救援作业环境下,要求气凝胶防护服具有一定的抗撕裂、抗刺穿和耐磨性。气凝胶的超低密度、高孔隙率及独特的网络结构致使其模量小、强度低、脆性大,无法达到隔热防护材料所需的力学性能承载要求。因此,气凝胶很难作为隔热材料单独使用,需要与其他材料进行复合或组合才能达到有效的使用效果。该材料虽然可提高服装的隔热性能,但如何增加气凝胶复合材料的强度、拉伸性和弹性仍是具有挑战性的难题。目前主要通过提高气凝胶密度,进行高温热处理及增强颗粒骨架结构等方法来提高气凝胶的强度[23]。一般通过在气凝胶中引入增强体及遮光剂制备气凝胶复合材料,以提高材料的力学性能和高温隔热性能[25-26]。Katti等[27]通過使用聚尿素包覆胺修饰气凝胶骨架,增大了颗粒颈部接触面积,在保持了气凝胶介孔结构的同时,提高了气凝胶材料的强度。艾素芬等[11]通过加入老化液在高温高压下的二次凝胶,利用溶解-沉降原理将酯盐水解后嫁接在湿凝胶网络骨架处,强化骨架结构,从而提高气凝胶材料强度。阿斯彭公司[20]通过在气凝胶中加入有机聚合物(聚二甲基硅氧烷衍生物等)制得新的柔性气凝胶复合材料,相比于纯硅气凝胶增加了材料的弹性,气凝胶耐久性明显提高。王钰等[28]通过在硅气凝胶过程中添加玻璃纤维和无机黏合剂,提高气凝胶材料的热稳定性和机械强度。
  3.2 气凝胶材料的舒适性
  目前关于气凝胶应用于防护服的研究多围绕其优异的隔热性能展开,却忽视了着装者的主观穿着感受,气凝胶材料的舒适性是应用于防护服的另一需要考虑的问题。气凝胶不仅阻止外界热量的传入,还阻止人体服装微气候环境下的热量输出[29],目前仍没有很好的方法解决与人体热应激有关的问题,仅通过将PCM与气凝胶一起涂覆到面料上来改善人体舒适度。Shaid等[30]发现含有2%的气凝胶纳米粒子涂层将热阻增加至68.64%时,材料透气性会降低45.46%,而4%的气凝胶涂层将降低6176%的透气性。气凝胶涂层织物的热阻与透气性成反比,服装的舒适透气性会随热防护程度的提高而降低。Trifu[31]等在研究气凝胶鞋帽装配过程中发现无法避免的气凝胶粉尘,严重影响了气凝胶制成的衬垫帽和靴子的试穿舒适性。Jin等[32]利用气凝胶涂层整理技术制备了新型的防护服面料,将PTFE膜层压在经气凝胶处理的非织造织物上作为隔热层,发现能改善织物的TPP值并消除气凝胶粉尘,但会降低隔热层的水蒸汽透过率。   3.3 气凝胶材料高温环境下的结构稳定性
  在火场高温环境下,气凝胶防护服经常会受到高温热接触和热辐射的伤害。目前应用较多的SiO2气凝胶在使用温度较高时,由于表面细腻的粒子具有高的表面能,使其在高温环境下容易聚集烧结,引起气凝胶的比表面积下降。当烧结的SiO2气凝胶密度达到原气凝胶密度的50%时,气凝胶的多孔结构会因坍塌遭到破坏[33],导致SiO2气凝胶隔热性降低。SiO2气凝胶的长期使用温度在650℃以下[34],李雄威等[35]对不同温度热处理后的SiO2气凝胶经分析发现,气凝胶的导热率随密度增大而增大这一理论预测成立,高温导致气凝胶颗粒间的接触面积因颗粒膨胀增大,使气凝胶形成以固相导热为主的热传递方式,而当模拟火场燃烧一个小时后到达的实验热处理温度时(925℃)[36],气凝胶层结构因间壁塌缩使其隔热性能失效,防护效果大大降低。目前,国内外主要通过对SiO2气凝胶进行元素掺杂和引入颗粒、晶须等纤维增强体来修饰和调控气凝胶结构,抑制SiO2气凝胶颗粒的烧结情况,从而增强SiO2气凝胶的耐高温性能[37-38]。
  3.4 气凝胶材料对辐射的透射性
  高温热辐射环境下,气凝胶对波长为3~8μm的近红外具有较强的透射性[39],导致气凝胶防护服在高温下抵抗红外辐射能力差,且高温红外热辐射的环境下,导热率增大,材料的隔热性能受损。Qi等[40]发现当入射波长约为3~5μm时,气凝胶的热吸收系数急剧升高,提出通过添加剂来吸收或散射引起温度跳跃的红外光线的解决方案。Kwon等[41]在800K的温度下,将TiO2作为红外遮光剂,发现SiO2气凝胶的总热导率分别降低至0.013W/(m·K)和0.038W/(m·K),提高了在高温下的使用性能。陈泽等[42]发现掺杂气凝胶/NC复合材料在814μm波段红外透过率低至3.37%,当气凝胶复合材料的掺杂量为7%时,对红外的干扰效果最佳。理论研究方面,赵越等[43]利用蒙特卡罗数值方法(MCM)与Mie散射理论发现,优化参数后的碳黑颗粒掺杂气凝胶可以有效阻隔辐射传热,并且提高材料的隔热性能。
  4 发展趋势
  4.1 气凝胶多种类复合化发展
  氣凝胶的种类不断被分化,除了硅系,还有碳系、硫系等。由于其力学性能的缺陷,出现了多种复合化的气凝胶产物。其中,属于碳系气凝胶的石墨烯气凝胶是一种新型的具有连续多孔网络结构的三维材料,组装结构可调控,具有极高的比表面积及优异的机械性能;具有优异的弹性,形状可根据需要任意调节,压缩率高达80%,还具有优异的电学、热学、力学等性能,目前已经实现了多结构的3D[44]打印技术。未来有望将石墨烯气凝胶材料引入更广范围的防护服应用领域,提高服装的综合性能。
  4.2 优化气凝胶材料配伍
  气凝胶材料目前主要用于隔热层替代传统的无纺布隔热毡或用于隔热层涂层整理,从而提高面料系统的防护性能。大量的研究表明,多层面料组合的面料配伍影响其隔热性能,若将其应用在防护外层是否具有更好的防护效果尚不明确。气凝胶的排列方式对隔热层的防护性和舒适性也具有重要的影响,需要探索最优的排列方式以获得性能最优的防护面料。黄仁达等[45]从增强气凝胶材料的几何特征、含量、排列方式等方面,概述了二氧化硅气凝胶复合材料热导率的规律,提出了优化二氧化硅气凝胶复合材料热导率的方法。但在不同的热源条件下,上述影响因素的具体作用仍不明晰,需要深入探索。
  4.3 关注气凝胶服用性能
  气凝胶材料优异的隔热性能使其可以替代传统的热防护面料组合,但气凝胶现有的探索和应用实践仅关注其隔热性能,并没有充分考虑其服用性能,如弯曲性能、压缩性能、透湿性能等,这都是防护服装必须考虑的问题。在实际穿着使用过程中,人体运动会挤压材料,压缩后的弹性回复程度对其防护性能也具有一定的影响,特别是关键防护部位的应用对气凝胶材料的弹性恢复性能具有较高的要求,必须保证肢体的灵活性。在较高的温度环境中,半透明的气凝胶材料由于良好的通透性很难抵抗辐射热导率的影响,导热和隔热性能的矛盾问题也成为气凝胶防护服材料发展的应用壁垒。市售的气凝胶由于凝胶易粉末化脱落等问题不能直接用于服装面料,且应用于防护服的舒适性较差,气凝胶的组合应用可以有效解决该问题。气凝胶的疏水性导致服装的透气、透湿性较低,容易产生热应激,必须加以解决。Venkataraman等[46]研究了柔性纳米结构气凝胶复合材料的热性能、空气和水蒸气渗透性,发现相对水气渗透率随着纤维组装和柔性气凝胶结构的增加而增加,材料和舒适性得到改善。
  4.4 气凝胶低成本产业化
  目前制约气凝胶市场发展的另一大关键是其较高的制造成本,所以低成本产业化制备气凝胶是十分必要的。美国联合市场研究公司发布消息称,全球气凝胶的市场价值在2020年将增长到18.966亿元,其生产成本的降低将导致市场需求和产品销量大幅提升,市场增值空间大,有望革命性地取代传统隔热材料,在纺织服装领域成为新一代的防护服装面料。
  5 结 语
  气凝胶目前广泛应用于隔热保温、防寒隔热产品,在防护服装上也有一定的应用。开发气凝胶防护服,并能够平衡防护服装热湿舒适性和防护性,是现代防护服装发展的必然趋势。相比于传统的隔热服装材料,气凝胶作为防护服装材料其脆弱的质地、较差的舒适性和不稳定的服用性能是实现广泛应用亟需解决的问题。未来的气凝胶防护服将朝着复合化、组合式、易服用、舒适化、低成本的方向发展,有效提高防护服装的防护性能,降低热应激。
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