随着科技的进步和人们对服装性能的要求提升，功能性纺织品的需求迅速增长，对电磁屏蔽、隔热、吸音、疏水等性能的关注不断提高。气凝胶作为一种结构独特的轻质材料，近年来在功能纺织品中引起了广泛关注。在航空航天、建筑、智能纺织品等众多领域，利用气凝胶制备的功能性纺织品表现出了巨大的应用潜力。
1 气凝胶纺织品制备技术概述
气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互聚结而形成的一种具有三维网络结构的凝胶。近来,它因其独特的物理特性而备受关注，在航空航天、建筑材料、催化剂和医学等多个领域中得到广泛应用。然而，其在纺织品领域的应用相对较少。气凝胶最显著的物理特性是其极高的孔隙率，孔隙体积占据材料体积的90%以上，同时孔隙大小在2~50nm，因而具有极高的比表面积，使其成为一种低密度的轻质新兴材料。
基于气凝胶的物理特性，用于制备纺织品时可提高纺织品的各项性能，如机械性能、润湿性、亲油性、抗电磁性能、耐化学性能及耐火性等。气凝胶与纺织品结合，能够创造出兼具高功能性和适用性的产品。
从左到右依次是气凝胶云绒、气凝胶仿丝棉、气凝胶纱线
作为新兴研究方向，气凝胶纺织品的制备研究不断增加，这类纺织品是将气凝胶纤维或者气凝胶材料与传统纺织基材料进一步复合加工制成的：
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在合成纺织纤维、纱线、织物的过程中，可以将气凝胶直接加入到纤维、纱线或织物中；
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或将制备完成的气凝胶整理于纤维、纱线或者织物表面，实现气凝胶与纺织品的有效结合。
庆丰化纤气凝胶短纤制备方法
2 气凝胶材料
材料具有化学交联或物理交联能力以形成三维网络则可用于制备气凝胶。
其中化学交联指的是使用引发剂和交联剂使单体、小分子或聚合物之间形成化学键，从而形成三维网络结构。
而物理交联则通常是指通过非共价相互作用在水凝胶的初级分子之间形成网络结构，常见的非共价相互作用包括氢键、范德华力、疏水相互作用、离子键和链纠缠。
二氧化硅可以通过硅醇基缩合形成共价键网络；纤维素可以通过羟基氢键形成柔性网络；石墨烯通过π-π堆叠构建导电网络。
2.1 纤维素
纤维素链中的每个葡萄糖单元都有三个具有高化学反应性的羟基，因此，在气凝胶制备过程中不需要交联剂。通过氢键的分子内和分子间物理交联就可以获得稳定的三维(3D)网络结构，从而使气凝胶制备过程较为简单。纤维素是自然界中最丰富的天然生物质资源，不仅价格低廉、易于获得，同时还具有生物降解性和生物相容性等特点。
在化石燃料储量不断减少和环境污染愈演愈烈的背景下，纤维素基气凝胶作为一种绿色环保材料，展现出巨大的应用潜力和发展前景，成为研究领域的一个重要分支。与二氧化硅、石墨烯气凝胶相比，纤维素气凝胶具有优异的韧性和环境友好性等特点，天然纤维素骨架为功能应用提供了理想的框架和模板(图2，同时也可以通过与其他材料协同组合，开发出具有多种功能的复合纤维素气凝胶。
图2 不同纤维素气凝胶纤维在不同倍数下的横截面扫描电镜图
2.2 二氧化硅
二氧化硅是常见的气凝胶材料之一，常用三甲氧基硅烷(MTMS)和甲基三甲氧基硅烷(MTES)、四甲氧基硅烷(TMOS)、四甲基正硅酸盐(TEOS)等醇盐为原料，通过水解缩聚反应形成硅溶胶。在干燥过程中，硅氧烷中的—CH3基团参与反应形成二氧化硅网络结构，最终实现从湿凝胶到气凝胶的转变。
二氧化硅气凝胶是一种透明多孔材料，由于其低导热系数和超高孔隙率，因此拥有高隔热性能。这种材料在热红外波段中具有优异的吸收表现，使其具有保温效果。除此之外，二氧化硅气凝胶还具有高比表面积、优异的疏水性等特点。然而，该材料具有开裂性和脆性，是应用中的一大难点。
因此，在制备二氧化硅气凝胶的过程中引入功能性材料进行交联或改性，可以在不影响其他性能的情况下改善其机械性能，增强气凝胶柔韧性的同时，拓宽其实际应用前景。
2.3 聚酰亚胺
聚酰亚胺(PI)纤维是新一代特种纤维,具有优异的机械性能、热稳定性、耐腐蚀性和良好的抗紫外性能，广泛应用于恶劣光环境中。将其制备为多孔材料，不仅可以保留PI材料原有的耐热性和阻燃性，还由于其结构具备了轻质、隔热和保温的特点。
中科院苏州纳米所张学同团队采用溶胶凝胶受限过渡策略结合超临界二氧化碳干燥法，制备得到聚酰亚胺气凝胶纤维，得益于该气凝胶纤维出色的柔韧性，可用于编织各种织物，且纤维内部含有大量空气，赋予了材料极低的导热系数，使其成为理想的隔热材料。
2.4 石墨烯
石墨烯是制备气凝胶的常见材料之一，在稳定的石墨烯水溶液中，石墨烯之间存在范德华力和静电斥力处于平衡状态，当这种平衡被打破时，石墨烯片层开始聚集，并发生部分交叠,使得石墨烯片层能够互相连接，形成一个三维多孔网络结构，并在孔隙中捕获大量水分子，从而形成石墨烯水凝胶。
作为一种碳基材料，石墨烯基气凝胶具有超疏水性能，能在潮湿条件和极端化学环境下保持稳定，并表现出卓越的油水分离能力。然而，该材料在高温条件下容易发生氧化，损害它的结构和性能,限制其实际应用和耐久性。
2.5 芳纶纳米纤维
芳纶纳米纤维(aramid nanofibers,ANF)是一种具有热稳定性和化学稳定性的一维纳米纤维，有出色的阻燃性、高强度、高模量、高纵横比及高比表面积,是极具前途的纳米级构建单元,在制备气凝胶的应用中备受关注。
以ANF为原材料制备成的气凝胶内部形成纳米级多孔网络结构，具有超低的导热率和卓越的力学性能,同时不影响芳纶原有的优势。多孔结构产生的毛细血管力可以将改性用的溶液或材料吸收入气凝胶中，使它们与纳米纤维缠结，以ANF为骨架形成网络结构，引入所需功能。
3 气凝胶基纺织品
常见的气凝胶基纺织品有气凝胶涂层织物、气凝胶纤维纺织品、气凝胶毡等。气凝胶通常通过浸渍、喷涂、层压法等工艺涂覆在织物表面，形成功能性涂层，获得气凝胶基纺织品。静电纺丝和湿法纺丝法是制备气凝胶纤维的主要方法，可以将得到的纤维编织成织物或集成于织物基材上。此外，将干燥后的气凝胶破碎成粉末与纺织品结合也是常见的制备方法之一。
3.1 气凝胶涂层织物
气凝胶涂层织物是一种在织物表面构筑微纳米结构的材料，通常将气凝胶分散于聚合物溶液中制备得到涂层液，之后对织物进行涂层整理，得到特殊的表面微观结构和化学组成，以获得理想的性能。
东华大学的王妮团队将二氧化硅气凝胶粉末、六钛酸钾晶须(PTW)和聚丙烯酸酯混合得到涂层溶液，用丝网印刷版将涂层溶液均匀涂覆在原棉织物表面得到气凝胶涂层织物。
王盖敏等将纤维素气凝胶前驱体倒入底部放有涤棉织物的培养皿中，通过冷冻干燥，获得纤维素气凝胶∕涤棉复合材料。气凝胶涂层织物的制备方法简单，不仅可以获得高度多孔的蜂窝状结构，且可以通过涂层厚度调整织物的各项性能。
然而，这种材料存在机械性能不佳的问题，涂层容易脱落、耐磨性差、拉伸强度低等缺点在极大程度上限制了材料的应用。同时，制备涂层于织物表面，可能会影响织物的透气性和舒适性。
3.2 气凝胶纤维纺织品
一维气凝胶纤维在保持气凝胶的低密度和高孔隙率的同时，具有出色的柔韧性和延伸性，有利于复杂的结构设计与制造，可编织成纺织品的形式，应用于智能织物和可穿戴设备。目前用于制备气凝胶纤维的方法有熔融纺丝、静电纺丝、湿法纺丝。其中湿法纺丝工艺应用广泛，是用于生产连续性大规模多功能长丝的重要方法。
YU等将使用湿法纺丝法制备了一种聚酰亚胺热电纤维。具体而言就是将Ag2Se纳米棒和阻燃剂HAP加入前驱体中，得到混合纺丝原液。通过注射器挤压至去离子水中得到水凝胶纤维，经过冷冻干燥和高温煅烧最终得到气凝胶纤维。
BAI等使用湿法纺丝法和冻融循环技术制备了PVA(聚乙烯醇)∕SA(海藻酸钠)气凝胶纤维。将PVA与SA溶液混合得到纺丝液后，以Ca Cl2溶液和硼酸溶液的混合溶液为凝固浴，并将水凝胶纤维浸泡40min，使纤维获得稳定结构。经过冻融循环后利用冷冻干燥技术获得气凝胶纤维。
制备气凝胶纤维的难点在于保持纤维的连续网络结构，而结构依赖于纺丝液的制备与凝固浴的选择。为了获得理想的孔隙率、孔径、网络结构及优异的机械性能，气凝胶纤维的纺丝速率较低，制备过程复杂且昂贵，无法实现大规模的快速生产。此外，纤维性能设计有待改善，为了扩大气凝胶纤维的应用范围，增强纤维的机械性能及韧性是关键挑战。
3.3 气凝胶毡
气凝胶毡是将脆性颗粒气凝胶掺入无纺布中,以纤维基质支撑气凝胶网络，在织物的孔隙中完成凝胶化，以此制备耐用、柔韧、坚固的复合材料，不仅可以克服二氧化硅气凝胶的结构脆弱性，同时为增强纺织品性能提供了解决方案。
Parham Soltani等通过溶胶凝胶工艺在PET无纺布上原位合成二氧化硅气凝胶。将无纺布浸入硅溶胶后将pH值调整至7~8实现凝胶化，得到气凝胶毡后置于乙醇中陈化24h。
Alyne Lamy-Mendes等将纤维毯浸入装有橡胶胶体溶液和二氧化硅溶胶混合溶液的模具中，陈化5d后将该复合凝胶脱模并清洗，使用六甲基二硅氧烷(HMDSO)和三甲基氯硅烷(TMCS)对凝胶进行改性，确保得到干燥后结构完整的疏水气凝胶毡。气凝胶毡利用纤维基作为支撑，可以很好地弥补气凝胶坍塌这一缺点，在干燥过程中表现出极低的收缩率，保持气凝胶的孔隙结构。
不同类型的纤维制备得到的复合材料性能各不相同，利用纤维增强气凝胶既可以保持纤维的特性，又可以增强气凝胶的机械性能。尽管将气凝胶加入纤维网络中是一种备受瞩目的方法，但是保持复合材料的高比表面积和隔热性能依旧是值得深究的课题。
3 结论
气凝胶由于其独特的三维结构和高比表面积等特点而备受追捧，其轻质和高隔热性作为功能性纺织品中所需的重要性能，适用于消防服、户外工作服装、工业和设备保暖等。气凝胶的结构赋予材料较好的透气性，可以解决织物改性后透气度不佳，舒适性不好等问题。
气凝胶材料脆性大，在使用过程中会出现破损，从而影响纺织品的耐用性，限制其实际应用探索经济的制备方法，优化生产工艺是未来制备气凝胶基纺织品的重要研究方向。此外，开发多功能的气凝胶基纺织品可以满足材料在实际应用中的需求并拓宽使用范围，是未来的重要研究方向之一。
来源：蒋琦雯,张春明,.气凝胶基功能性纺织品的研究进展与应用【J】.丝绸,2025,(11):72-83.