气凝胶在保暖服装上应用及进展研究

作者:未知

  摘 要:气凝胶是一种纳米多孔固体材料,具有孔隙率高、导热系数低、密度低等特点,具有优异的保温隔热性能,是保温服饰理想的材料,在宇航服、消防服、极地帐篷、保温鞋靴、保温服饰等领域都有广泛的应用。介绍了气凝胶在宇航服、消防服以及在保温服饰领域的应用现状、性能特点以及研究的进展。
  关键词:气凝胶;宇航服;消防服;保温服饰
  中图分类号:TB 文献标识码:A doi:10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.18.092
  1 引言
  随着人类在地球和宇宙活动空间的逐渐扩大,人类所面临的生存环境差异化逐渐显现,外太空、极地、高山、海洋、火灾现场等,温度与人类所能承受的温度差异极大,如何保温隔热,是保证人身安全的重要课题。气凝胶作为一种纳米多孔固体材料,具有导热系数低、孔隙率高、密度低等特点,在常温下热导率仅为0.013W/(m·K),在所有固体材料中具有最好的保温性能,是首选的保温隔热材料。
  1931年,斯坦福大学的S.S.Kistler 教授,采用溶胶凝胶法、超临界干燥法制备SiO2气凝胶,并验证气凝胶在保温隔热等领域具有巨大的应用潜力,但是,由于当时所制备气凝胶存在干燥周期长、易碎裂、成本高等问题,该气凝胶一直未得到人们的关注。直到1960年,美国NASA所发射的火星探测器“流浪者”号中,使用SiO2气凝胶的隔热复合材料作为保温层,其可以抵挡太空中-100℃以下的超低温,表现出优异的保温隔热性能,逐渐得到的各国的重视。目前,气凝胶保温隔热材料在军事、航空航天、工业、服饰等领域都有广泛的应用。如:英国的美洲豹战斗机的机舱隔热层采用的就是SiO2气凝胶隔热复合材料,飞机上记录飞行数据的黑匣子,也用气凝胶材料作为隔热层;在军事方面,在核潜艇、导弹、驱逐舰核反应堆、锅炉以及复杂的高温蒸汽管道系统中,采用SiO2气凝胶隔热复合材料可有效降低隔热材料用量,增大舱内的使用空间,同时降低舱内温度,有效改善各种工作环境;Supield素湃科技上市多款气凝胶防寒服,经过液氮喷射实验对比,在-196℃环境下,人类仍可保持正常体温。
  作为保温服饰的材料,气凝胶必须适应各种形状和各种面积的保温隔热的需求,将气凝胶涂覆在柔软的基材上,做成柔性可折叠的保温隔热面料非常有必要。这时,不仅要考虑气凝胶的形态以及其保温新更能,还要能将气凝胶与基材进行匹配,实现良好的粘结性能;此外,对于特种服饰如消防服,气凝胶服饰还需要考虑红外辐射的影响,这是由于普通是气凝胶对近红外频段 (λ=3~8μm)的光没有阻隔能力,因此温度升高会导致热导率极度增大。
  本文将探讨如何提高气凝胶的保温隔热性能,尤其是近红外辐射条件下的保温隔热性能;其次,进一步探讨如何提高气凝胶的韧性以及与柔性面料的结合能力,为进一步研究气凝胶服饰面料提供一定的理论指导。
  2 气凝胶在航空航天服饰上的应用
  当前,我国航空航天事业飞速发展,取得了突出的成果,我国的探月工程、火星计划在近几年逐一登场。中国人的太空探索的空间由近地轨道太空环境到深空太空环境以及外星球环境扩展,外太空独特的真空特点和环境特点,不同外太空环境所承受的热传导方式不仅与地球有极大的差异,不同太空环境之间也有明显差异。在近地轨道空间和月球表面,由于具有高真空的环境,宇航服与外界环境的传热方式主要是辐射的方式;在火星等星球表面,由于具有星球大气的保护,辐射成为次要的传热方式,宇航服与外界环境的主要传热方式是热对流和热传导。由于月球表面的热流不能通过大气层得到缓和,因此昼夜温差极大,月球表面白天受太阳直射表面温度可达111℃,夜晚月球表面温度可低至-171℃;火星的环境特点与月球不同,火星的温度变化具有季节循环性,夏季温度处于-83℃~-33摄氏度,冬季温度处于-123℃~CO2冰点之间。因此,宇航服需具备良好的热阻能力以及抗热辐射能力,以维持宇航员始终处于一个相对稳定和舒适的温度环境中。
  针对这种复杂的热环境特点,多层隔热组件多被应用于太空探索领域保温隔热防护系统。美国和俄罗斯当前的舱外宇航服使用镀铝薄膜作为隔热反射膜;NASA从隔热效果、材料柔顺性、质量、厚度、力学强度等方面,对泡沫材料、相变材料、多孔材料等类型进行对比,发现气凝胶具有优异的保温隔热性能,对气凝胶在航空服中的应用展开了系统的研究。Aspen Technology 与JSC公司合作,在无纺纤维基材基础上,开发柔性纤维加固硅气凝胶合成织物材料,发现该气凝胶合成物的隔热效果远远优于现有的多层隔热组件。
  同济大学倪星元等以柔性耐温隔热的聚酰亚胺材料为骨架、多孔SiO2为保温材料并真空镀金属铝膜,制备出SiO2 气凝胶、聚酰亚胺和镀铝层(SiO2/PI/Al)复合成保温隔热薄膜。为了提高SiO2气凝胶的保温性能,倪等人通过特殊的两步溶胶凝胶法对SiO2的孔隙率和孔径线度进行调控。倪等人以正硅酸乙酯为硅源,以乙醇为溶剂,先以HCl为酸性催化剂进行水解反应,再以NH4OH为碱性催化剂进行缩聚反应。水解和缩聚均是酸碱催化反应,反应式如下(1)-(3):
  水解反应:
  MOR+H2O→MOH+HOR(1)
  缩聚反应:
  MOR+HOM→MOM+HOR(2)
  MOH+HOM→H2O+MOM(3)
  在第一步,以HCl为催化剂,酸性条件下水解反应速度较快,缩聚反应相对缓慢,硅单体的慢缩聚反应形成硅氧键,得到低密度网络聚合物状的凝胶;在第二步,以NH4OH为催化剂,碱性条件下,水解反应速度较慢,缩聚反应速度相对快,硅单体水解后迅速縮聚,形成相对致密的胶质颗粒。水解和缩聚的相对速率决定了所制备的湿凝胶的三维组织结构,两步法制备的硅气凝胶的网络线密度在4nm左右,孔洞尺寸1~30nm之间,远优于一步法制备的气凝胶线密度10~50nm,孔洞尺寸1~100nm。倪等人进一步设计了SiO2/PI/Al多层膜保温体系,研究发现,薄膜叠加到10层时,保温效果最佳,但是,气凝胶复合材料也存在一些缺陷,主要是其脆性、机械耐久性、粉尘性、封装整合性等,材料多次使用后,硅气凝胶容易从纤维基材等脱出。目前,国际上已经对多种基材如酚醛、聚酰亚胺、聚氨酯、聚脲等展开研究,后期还需要对气凝胶复合材料的隔热性能和使用耐久性进行进一步评估。   3 气凝胶在消防服饰上的应用
  消防服作为消防员与外界火源隔绝的屏障,可以避免外界高温的灼伤。消防服是一种多层织物系统,包括阻燃防火层、防水透气层和隔热层。隔热层可以有效阻挡外界的热量向人体传递,常用的隔热材料包括相变材料、形状记忆材料、气凝胶等。
  Qi等将气凝胶应用于消防服,结果發现,消防服重量不仅降低了24.3%,而且使用气凝胶后,消防服的背面温度与原样相比降低了100℃,气凝胶应用于消防服可以显著提高热防护性能,但是,暴露在热辐射下,会有一个短暂的温度跳跃;Shaid等同时使用相变材料和气凝胶应用于消防服,将相变材料和气凝胶粉末的混合材料涂覆在靠近皮肤的面料一侧,将硅气凝胶粉末涂敷在隔热层面料一侧,这种复合可以有效避免靠近皮肤侧的温度跃迁,提高消防服的舒适性。但是,相变材料存在易燃的风险,如何对相变材料进行很好的封装并进行阻燃处理,是相变材料/气凝胶消防服研究的一个重点。
  张慧将SiO2气凝胶、微胶囊相变材料和水性聚氨酯树脂结合,制备出新型轻薄热防护面料系统,并研究不同配置对消防服热防护性能的影响。研究表明,SiO2气凝胶/微胶囊相变材料与传统的消防服面料相比,具有更优的防护性能。张比较了不同的厚度的隔热层(4mm和15mm)和不同隔热层的组合(包括传统隔热层、气凝胶隔热层、气凝胶+传统隔热层、含有MPCM隔热层、气凝胶+MPCM隔热层以及气凝胶+MPCM隔热层+传统隔热层),发现气凝胶和MPCM具有很好的协同作用,能有效提高传统隔热层的热防护性能。气凝胶和相变材料不仅有很好的隔热性能,而且具有较好的储热能力,当消防服内储存一部分热量时,如果消防服受到挤压或者执行任务不能及时脱掉消防服,储存的热量就有可能烧伤皮肤。张等进一步研究了不同配置的气凝胶/胶囊相变材料对储热能力的影响,研究发现,胶囊相变材料的相变温度以及它与气凝胶的相对位置,是影响消防服防护能力的重要因素。
  当前,气凝胶/胶囊相变材料类消防服的研究还较少,研究多层气凝胶/胶囊相变材料的传热机理是开发此类消防服的重要理论基础,此外,开发出透气性优异、隔热性能好、安全等级高、舒适度佳的消防服仍是目前研究和应用领域的重点。
  4 气凝胶复合面料在保温服饰上的应用
  张明明以硅酸钠为硅源、稀硫酸为催化剂,采用溶胶凝胶法、常压分段升温干燥法制备轻质疏水SiO2气凝胶,研究发现,硫酸浓度为1.5mol/L、PH为9、硅酸钠/乙醇质量比1:6时,制备的 气凝胶性能最佳,其孔径、堆积密度、导热系数分别是:25nm、0.046g/cm3、0.01987W/(m·k)。受夹层棉服的启发,张将所制备的SiO2气凝胶粉末作为填充材料填充在两层透气性布料之间做成夹层结构,与原布料相比,SiO2气凝胶的夹层结构上下表面的温差降低了13℃,显示出SiO2气凝胶的夹层结构良好的保温隔热性能,但是,夹层结构的气凝胶粉末布料,气凝胶粉末非常容易线缝缝隙泄露,并不适合制作形状结构复杂的服装,采用颗粒稍大的气凝胶配合致密的透气布料,可以用于睡垫、保温壶内胆等;为解决气凝胶粉末容易逸出的问题,张将光滑的涤棉纤维表面进行碱处理改性,使原本光滑的纤维表面变得粗糙,并产生大量的凹槽等,为气凝胶粉体与纤维的复合提供附着力点。研究发现,当气凝胶比棉絮纤维为1:4时,与原布料相比,气凝胶布料上下表面温差降低5.5℃,但是所制备的复合面料在弯折时,仍有大量的粉末脱落。简单的物理结合无法得到结合力强的气凝胶复合面料,张将SiO2粉末与粘结剂、分散剂、增稠剂混合制备复合涂料,采用刮涂法在布料表面制备织物涂层,所采用的粘结剂分别是硅改性聚丙烯酸酯PA-5341、聚四氟乙烯乳液PTFE、水性聚氨酯乳液PU-2591以及PVDF-HFP的DMF溶液。经涂布后的气凝胶面料粘合牢固,耐磨性良好,其中,以PTFE基粘结剂制备的材料性能最佳,导热系数仅有0.027W/(m·K),内外侧温差可达11.9℃且具有较为柔软的手感。除无机气凝胶用作保温面料,武汉纺织大学的钱晶晶以BPDA和ODA为单体、TAB为交联剂制备聚酰亚胺溶胶,并通过CO2超临界干燥制备聚酰亚胺气凝胶。该研究以涤纶面料为外衬布、棉纶面料为内衬布、聚酰亚胺气凝胶为填充物设计户外帐篷,具有优异的保温隔热性能。
  5 结论
  气凝胶具有优异的保温隔热性能,本文介绍了多种气凝胶面料及其应用。为适应太空的辐射传导和巨大温差,不仅需要合适载体制备气凝胶复合材料,而且通过金属镀膜的方法可以有效阻碍辐射传导;在消防服应用领域,相变材料/气凝胶复合材料不仅可以提供良好的隔热性能,而且可以避免受热初期的温度跃迁;在保温服饰领域,如何实现气凝胶与织物的良好结合,是发展气凝胶保温服饰的关键,气凝胶粉末与粘结剂复合涂料涂覆织物表面是理想的解决方案。
  参考文献
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