氣凝膠材料在消防服中的應用研究進展

蔣璐璐，鄧 夢，王云儀,2，李 俊,2

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051；2.東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

對于消防員而言，其常規個人防護裝備——消防服至關重要，消防服性能的優劣直接影響消防員的人身安全和救援活動效率。通常，消防服的織物組合越厚，其熱防護性能越好[1]，但是增加織物組合的厚度和質量會嚴重限制消防員的行動能力，增加負荷也會導致著裝人體熱應激上升；因此，僅靠傳統隔熱材料的性能改進來提升消防服熱防護性能具有一定的局限性，輕質且低導熱率的新型材料的開發和應用受到研究人員的關注，氣凝膠是其中的研究熱點之一。

1931年，Kistler等首次以水玻璃為前驅體制備出SiO2氣凝膠[2]。目前，已發展出硅系、碳系、硫系和金屬氧化物系等多種類型氣凝膠，其中，二氧化硅氣凝膠在服裝領域的研究與應用最為成熟。早期，為探索新型高性能隔熱材料來使得消防服更輕薄且滿足消防員的工效需求，張興娟等[3]發現氣凝膠適合用于防火隔熱材料。有研究發現，采用SiO2氣凝膠復合材料可在保證相同熱防護效果的前提下，使消防服的厚度與質量降低70%以上[3]。隨后，學者們進一步探討了SiO2氣凝膠含量、添加位置等因素對多層織物組合熱防護性能的影響[4-6]。隨著對氣凝膠材料研究的深入，學者發現其存在熱穩定性不佳、舒適性降低等問題。近年來，國內外學者為進一步提高氣凝膠型消防服的熱防護性和熱舒適性，嘗試將諸如玄武巖纖維或相變材料與氣凝膠材料組合使用[7-9]，以提升其在消防服中應用的可行性。

本文在介紹氣凝膠材料熱學性能的基礎上，梳理和總結了當前氣凝膠材料在消防服中的應用途徑及相關研究現狀，并對其應用的局限性和研究趨勢進行了探討與展望。

1 氣凝膠材料的熱學性能

氣凝膠是由納米粒子或高聚物分子相互聚結組成的具有三維網狀結構的一類固體納米多孔性材料，它是由濕凝膠在保持其孔隙和空間網絡結構不被破壞的基礎上將其孔隙中的液體用空氣取代后所得到的產物[10]。氣凝膠的納米多孔結構賦予其高比表面積、低導熱系數、優異的絕緣性和隔熱性等特征[11]，能夠有效降低熱量的傳遞，具有優異的隔熱性能,但是，這種特殊結構也存在熱穩定性不強的缺陷。由于氣凝膠表面粒子具有高的表面能，使得其在高溫環境下容易發生燒結，從而導致比表面積下降，甚至發生多孔結構坍塌。

1.1 隔熱性能

相比普通紡織材料，氣凝膠的導熱系數較低，具有優異的隔熱保溫性能。已知20 ℃時靜止空氣的導熱系數為0.027 W/(m·K)，而SiO2氣凝膠在常溫常壓下的導熱系數僅為0.012 5 W/(m·K)[12]，典型氣凝膠納米復合材料的導熱系數為0.021 5 W/(m·K)[13]。文獻[14-16]基于氣凝膠的納米孔隙結構研究其隔熱機制。魏高升等[17]通過建立導熱模型計算氣凝膠的導熱系數發現，氣凝膠極低的導熱系數主要歸因于其高比表面積、納米孔結構及固體顆粒納米尺寸效應。有研究[18]發現，影響SiO2氣凝膠固相結構單元熱導率的主要因素是固相結構單元的直徑和接觸界面的直徑，影響SiO2氣凝膠內氣體導熱系數的主要因素是氣體平均分子自由程、分子之間及分子與壁面間的相互作用。此外，氣凝膠納米固體網格對其氣相導熱系數有重要影響[19]。

在氣凝膠材料中，熱量的傳遞方式包括固相傳熱、氣相傳熱和輻射傳熱[20]，通過這3種途徑傳遞的熱量均比較小。首先，氣凝膠密度極低(約3 mg/cm3)，具有復雜的納米三維網絡結構，延長了熱量通過固體基質傳導的路徑，從而降低了材料中的固相導熱[21]。其次，氣凝膠的平均孔徑約25 nm，嚴重限制了氣體分子的自由運動，常溫常壓下氣體分子的平均自由程約70 nm，氣體分子難以發生相互碰撞，只能與孔壁發生彈性碰撞，因此氣相傳熱很小[17,22]。最后，氣凝膠納米量級的固體骨架在其內部形成了大量反射顆粒和反射面，輻射熱量能被有效地反射回去，即通過輻射散失的熱量較小[23]。

1.2 熱穩定性

劉國熠等[24]研究發現，SiO2氣凝膠涂層材料的高溫熱穩定性能因氣凝膠的加入而有所下降。在高溫下，SiO2氣凝膠顆粒的結構隨溫度的升高被逐漸破壞[25]。在180 ℃時，氣凝膠的質量損失約為2%，而在350 ℃時，達到約7%，且表面的疏水性甲基基團被氧化成親水的羥基基團[26]，疏水性變弱，進一步影響其結構穩定性。溫度過高時，SiO2氣凝膠會發生聚集燒結，比表面積下降[27]，當其密度達到原密度的50%左右時，氣凝膠的多孔結構會塌陷[28]。

在高溫環境下，氣凝膠材料因熱穩定性不強發生的結構變化，會顯著降低其自身的隔熱性能，進而嚴重削弱防護效果。文獻[29]表明，在400～900 ℃時，SiO2氣凝膠的骨架結構未被破壞，仍具有較低的固相傳導率；但在1 000～1 100 ℃時，SiO2氣凝膠中二次堆積顆粒逐漸增大且互相融合，其固相傳導率顯著上升；超過1 200 ℃時，SiO2氣凝膠的骨架結構被明顯破壞，其隔熱性能失效。

2 氣凝膠在消防服中的應用現狀

氣凝膠材料應用于紡織品的方法有多種，包括將不定型纖維材料添加到氣凝膠中，制備成氣凝膠基復合材料[30]；通過涂層[31-33]、浸軋[34]、物理填充[4,35-36]等方法，將氣凝膠添加到成形的紡織纖維材料中，制備成紡織基氣凝膠復合材料。其中，在消防服中的應用方式主要包括兩大類，分別是將氣凝膠作為涂層材料和嵌入多層織物系統。將氣凝膠材料應用于消防服的初衷在于改進服裝的熱防護性能，但在實際的應用過程中，發現會導致服裝舒適性能或服用性能下降等問題。

2.1 作為涂層材料

Qi等[39]將不同質量分數的氣凝膠涂覆在消防服外層，以探究氣凝膠含量對輻射防護性能的影響，發現，當氣凝膠質量分數為9%時，達到皮膚二級燒傷的時間最長，可為消防員爭取更多寶貴時間進行救援工作。劉國熠等[37]運用傳熱模型研究發現，增大氣凝膠涂層厚度、比熱、密度或降低導熱系數，均能有效提高消防服外層織物的熱防護性能。此外，劉越等[34]在探究氣凝膠對非織造布性能的影響時發現，SiO2氣凝膠涂層能在一定程度上改善非織造布的阻燃效果，且面料阻燃性隨氣凝膠含量的增加而增強，非織造布的力學性能也有所改善，這為消防服阻燃性的改進提供了啟發。

氣凝膠含量的增加可明顯提升涂層復合材料的隔熱性能，但同時降低了材料的高溫熱穩定性[24]。此外，Shaid等[38]研究發現，氣凝膠納米顆粒涂層會顯著降低羊毛/芳綸混紡織物的透氣性，8%的氣凝膠涂層可使透氣性降低91.36%。這意味著氣凝膠在阻止外界環境熱量輸入的同時，也阻擋了服裝微環境內熱量的輸出，從而降低服裝的熱濕舒適性。

2.2 嵌入多層織物系統

2.2.1 氣凝膠作為隔熱層材料

氣凝膠具有優異的隔熱性能，為了改善消防服的熱防護性能，將其作為隔熱層材料加以應用[39]。張興娟等[40]研究發現，隔熱層為SiO2氣凝膠的消防服織物組合的熱防護性能得到提升，其熱導率僅為傳統織物組合的1/4。與常見的消防服織物組合相比，隔熱層為SiO2氣凝膠的織物組合在穩定燃燒階段的舒適層表面溫度最大可降低20 ℃[6]。氣凝膠Nomex復合材料作為隔熱層，可使織物組合的熱防護時間提高100%以上[41]。由含氣凝膠隔熱層制成的3層消防服，燃燒假人實驗結果顯示假人表面皮膚總燒傷面積百分比僅為12.7%，低于現有消防服的25.1%[4]，極大地改善了消防服的熱防護性能。此外，胡銀[5]進一步研究嵌入織物層間的氣凝膠材料的隔熱能力與其層數的關系，發現氣凝膠材料的總厚度相同但層數不同時，單層的隔熱效果優于多層疊加的。

另一方面，有研究[42-43]發現，氣凝膠材料作為隔熱層嵌入多層織物時，會降低織物組合的透濕率，導致服裝舒適性能下降。

2.2.2 與玄武巖纖維的組合使用

通過燃燒假人實驗發現，具有氣凝膠隔熱層消防服的外層被嚴重破壞[4]，啟發學者轉而研究可與氣凝膠材料配套使用的外層織物，玄武巖纖維因其耐高溫、阻燃、高強度以及優異的熱穩定性而受到關注。有研究[44-45]發現，氣凝膠與玄武巖纖維組合使用能夠增強消防服織物系統應對瞬時高溫火焰場景的抵抗能力。

有研究[44-45]發現，在高溫火焰暴露下，玄武巖織物和氣凝膠氈組合織物系統的隔熱性能大幅增強。此外，對于外層和隔熱層分別采用玄武巖織物和SiO2氣凝膠氈的3層織物組合，其熱防護能力(TPP值)遠高于標準GA 10—2014《消防員滅火防護服》規定的最小值117 J/cm2，消防服的熱防護性能明顯增強。

2.2.3 與相變材料的組合使用

氣凝膠的低導熱特性決定了其在有效抵抗外界熱量的同時，也會帶來人體代謝熱難以釋放的問題，使得人體熱負荷上升[46]。有學者嘗試將氣凝膠和相變材料同時應用于消防服織物組合中，以期在提高熱防護性能的同時改善其熱濕舒適性[7-8,46]。

Shaid等[8]研究發現，以氣凝膠或相變材料(PCM)為涂料的隔熱層，不僅增強了織物組合的輻射防護性能，而且氣凝膠涂層織物質量更小，PCM涂層織物厚度更薄，而消防服質量與體積的降低可大幅降低消防員的運動強度。張慧[7,47]制備了含有SiO2氣凝膠和相變微膠囊材料(MPCM)的薄膜材料并測試其性能，發現MPCM的加入能明顯提高薄膜的透濕性能。Pause[48]將PCM應用到防護服織物系統的內側，研究發現，受試者穿著不含PCM的防護服時，在45 min后，出現熱應激反應,而穿著含有PCM的防護服時，受試者在1 h試驗期間無熱應激反應，PCM在防護服中的應用能夠提高人體熱舒適性。

3 存在問題及解決方法

3.1 熱防護與熱舒適的平衡

將氣凝膠應用于消防服能有效提高織物組合的熱防護性能，但通常采用的涂層處理方式會顯著降低織物的透氣性，且氣凝膠的疏水性會降低服裝的透濕性，這意味著服裝的熱舒適性會有所削減。

已有學者嘗試從不同角度來改善氣凝膠型消防服的熱舒適性。例如，Shaid等[38]通過選擇合適的涂層增稠劑，以降低氣凝膠和基布的疏水性，從而提高織物組合的水分傳遞能力，而水分傳遞的過程也將伴隨著更多的熱量傳遞。同時有研究發現，氣凝膠涂覆位置會影響服裝的熱濕舒適性，將氣凝膠涂覆在服裝的皮膚側比環境側的舒適性更優[38]。此外，Shaid等[49]嘗試將氣凝膠與透氣性較優的織物相結合，以提升氣凝膠材料的熱舒適性，研究表明，氣凝膠非織造布與本文間位芳綸(Nomex)織物相結合后的透濕指數比現有的單一隔熱層、防水透氣層及組合的情況均要高。

然而，氣凝膠材料應用中的熱防護與熱舒適的矛盾問題仍然有很大的研究空間。例如，盡管Shaid等[8,46]發現將氣凝膠和相變材料共同應用能較好地平衡織物組合的熱防護性能和熱舒適性能，但相變材料重新凝固所釋放的儲蓄熱會給消防員帶來二次傷害風險。從氣凝膠結構本身分析，氣凝膠復合結構的透氣性與納米孔隙率成正比[50]，如要解決其熱防護和舒適性的平衡問題，改進氣凝膠的納米結構可成為突破口之一。

3.2 氣凝膠力學性能和熱穩定性的提升

消防服對面料拉伸撕破強度存在一定要求，但SiO2氣凝膠的納米多孔結構存在強度低、韌性差、脆性大的問題，這嚴重制約了其實際應用。

3.3 氣凝膠復合材料的開發與應用

除了研究較多的二氧化硅氣凝膠，同時也開發了各種新型氣凝膠材料，如石墨烯氣凝膠、纖維素氣凝膠等。有研究發現：石墨烯氣凝膠復合織物能明顯延長使人體產生熱損傷的時間，具有較好的熱防護性能[53-55]；氫氧化鋁氣凝膠/聚酰胺織物復合材料的導熱系數和垂直燃燒損毀長度均明顯小于原聚酰胺織物，具有良好的隔熱性和阻燃性[56]。

當前氣凝膠產品主要有氣凝膠氈、涂料、粉末、顆粒等形態。其中，氣凝膠氈的彎折性不佳，應用于服裝會導致穿著不適；氣凝膠涂層材料的透氣性差，不適合應用于服裝開發。任洪雨等[57]開發了具有雙面格柵結構的氣凝膠隔熱氈，將氣凝膠涂層乳液涂覆于無紡隔熱層的上下表面，相鄰錯位排列，發現經添加氣凝膠與面料結構優化設計后，能在提高防護性能的同時減弱透氣性的降低，但涂層處理方式仍存在難以均勻涂覆的問題。研究人員采用“夾心式”的方法，即氣凝膠作為中間層結合在2層服裝面料之中，但這種處理方式使得氣凝膠粉末易沿布料纖維和針縫間隙溢出，服用性能較差且難以制作款式結構復雜的服裝，不適合直接應用于消防服中[4,22]。由于其正常粉末狀不能單獨使用，通常需與其他材料結合，以增強力學性能，有學者制備出用于充填消防服隔熱內襯的氣凝膠球粒，并研究了其充填方式，發現氣凝膠球粒的耐熱性和熱穩定性較強，且多個氣凝膠球粒的整體彈性、韌性和抗壓性較好[58-59]。

此外，在聚合物泡沫體材料中加入氣凝膠制成的氣凝膠發泡材料，具有優異熱絕緣特性[60]，目前已經被成功應用于防寒服中，未來有望將氣凝膠發泡材料引入熱防護服裝，提高消防服的基本服用性能。為改善氣凝膠復合材料的服用性能，研究人員不斷開發新制備技術，而氣凝膠復合材料本身制備技術的革新和改進，是未來提升其在服裝中應用可行性的必由之路。

4 結束語

氣凝膠因具有高孔隙率和極低的熱導率，能顯著增強織物的熱防護效果，使其在消防服中的應用具有廣闊的前景。已有不少研究探討了氣凝膠在消防服用織物上的應用方法和作用機制，但是氣凝膠材料的高隔熱性能同時可能帶來人體熱應激增加的問題，及其熱穩定性不高的弱點，均會影響其在熱防護織物上的應用；因此，將氣凝膠與包括玄武巖纖維或相變材料在內的其他功能材料組合應用于消防服，以綜合提高氣凝膠型消防服的熱防護性和舒適性，也是當前相關領域的研究熱點。

未來針對氣凝膠材料的應用研究，可更多關注其熱防護性和熱舒適性的功能平衡設計，結合其他新型功能織物，優勢互補，尋求優化的織物組合方案；探索氣凝膠材料本身的結構優化技術以及與其他功能纖維的結合，努力提升其力學性能和熱穩定性；積極探索新型制備技術，提升氣凝膠材料的綜合服用性能，進一步為氣凝膠材料在消防服中的應用提供可行性并拓展應用空間。

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