摘要：凝胶是由三维网络结构的高分子和充塞在高分子链段间隙中的介质构成的一种物质，目前已经作为一种新型智能材料逐步运用到各行各业中。本文介绍了水凝胶及气凝胶材料在智能及功能纺织品开发中的应用实例，并对其在纺织领域的应用进行了展望。
关键词：凝胶；水凝胶；气凝胶；智能纺织品；功能纺织品
1凝胶概述
“交联的体型聚合物网络中包含溶剂或者单体、低聚物时为凝胶状态，称作凝胶”，即凝胶是由三维网络结构的高分子和充塞在高分子链段间隙中的介质构成，介质可以是气体、液体，而一般情况下多为液体，因此，可将凝胶看作是高分子三维网络包含了液体的膨润体。
凝胶种类繁多，可依据凝胶的来源、高分子网络的交联方式、形态和尺寸、溶剂类型等方式进行分类。依据来源可分为天然凝胶与合成凝胶；依据交联方式分为化学交联（通过共价键交联）与物理交联（通过氢键、库仑力、配位键以及物理缠结在大分子间形成交联）；依据交联结构及其尺寸分为微凝胶与宏观凝胶；依据介质类型可分为气凝胶、水凝胶和有机凝胶。
凝胶作为一种新型材料具有许多的性能优势，目前已逐渐将其运用于纺织品的开发。
2高分子水凝胶的特点
高分子水凝胶是一种能够在水中溶胀、吸收并保持大量水分而又不溶解于水的亲水性网状高分子溶胀体，表面光滑且生物相容性好。它是由高分子的三维交联网络结构和介质共同组成的多元体系，交联网络上分布着大量的亲水性基团（如酰胺基）或可解离性基团（如羧基羧酸盐）。根据对外界刺激的响应情况，高分子水凝胶可分为温度敏感性、pH值敏感性、光敏感性、压力敏感性、生物分子敏感性以及电场敏感性等智能水凝胶。
但高分子水凝胶在溶胀状态有过于柔软、难以定形、机械强度较低、基本丧失了支撑其自身能力的缺点。通过接枝改性的方法将高分子水凝胶引入智能纺织品开发设计领域，使纤维或织物表面形成凝胶层。这种复合结构不仅弥补了凝胶材料力学强度低的缺陷，而且使纤维或织物在原有物理机械性能保持基本不变的情况下，可以获得凝胶聚合物的吸水调湿、抗压保液、环境响应、保温蓄冷、安全防护等优异性能。
2.1智能防水透湿织物应用
凝胶材料在吸水后体积增大，脱水后体积变小。利用这一特点将凝胶接枝聚合在织物上，并在聚合过程中添加成孔剂，形成一层多孔性凝胶薄膜，将其与内外层服装面料层压复合制成纺织品，可以使纺织品具有干燥时透湿，遇水后防水的特性。在干燥状态下，接枝凝胶层收缩，织物上大量的空隙可保证人体蒸发出的汗气透过；当浸入水中时，接枝凝胶层迅速溶胀，将孔隙封闭，从而具备了良好的防水或抗浸性能，使“防水”与“透湿”两种性能在不同的环境状态下分别得以相应的满足。
这种智能纺织品可以应用到抗浸服装中，通过隔绝水与皮肤的直接接触，维持人体进行正常生理活动所需的体温，从而延长生存时间，增加获救生还的机会。如Daedalus开发的一种海上工作人员穿戴的制服，采用丙烯酸系聚合物纤维做原料，具有很好的吸水性，能吸收数百倍于自身质量的水，从而溶胀成为一种松弛的凝胶。
除此之外，凝胶材料在受到外界环境条件的刺激时，溶胀吸水的变化是不连续的。将丙烯酸接枝淀粉用NaOH处理后涂覆到非织造布上，可制得高吸水性非织造布，吸水速度比颗粒状树脂快，且手感柔软。凝胶溶胀吸水的特性也被广泛应用到纸尿裤、卫生巾等卫生防护用品中。
目前，日本帝人公司已研发了一种有清凉感的吸湿纤维，它是用聚酯经环形开槽孔的喷丝头熔融纺丝，形成中空度40%的纤维。经洗涤、热定形及碱处理使纤维产生细槽。然后将这种纤维的织物浸渍在100℃的丙烯酸钠、丙烯酸、聚二丙烯酸乙二醇酯等制备凝胶的水溶液中，溶液中还加入具有清凉作用的薄荷醇。由于纤维壁上有与中空部分相通的微孔，并且纤维的中空部分经处理后含有可释放薄荷醇的凝胶，故其不仅具有6.4%的初始吸湿性，同时还能使穿着者穿着30 min后产生清凉的感觉。
2.2智能抗菌医用纺织品应用
智能高分子水凝胶材料可以用作药物释放体系，根据病灶所引起的化学物质或物理量的变化，将不同药物包埋在水凝胶内，从制剂的形状、由渗透膜引起的扩散以及渗透压等作用来控制物质移动，从而控制药物释放量，使药物缓慢持续释放到病变区，从而达到治愈伤口的目的。如将药物置于N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）接枝的聚乙烯醇（PVA）凝胶纤维中，当温度在20℃~30℃变化时，会自动“开启—关闭”，从而自动控制药物的释放。
而在医用抗菌方面，采用季铵盐辛烷基烯丙基二甲基氯化铵（OADMAC）和丙烯酰胺作为原料，同时用过硫酸钾为引发剂，N，N一亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，用反相悬浮聚合法合成的具有抗菌性能的高吸水性凝胶材料，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌等微生物菌株均有杀灭和抑制生长的作用，季铵基团的含量越高，抗菌效果越好。当其与不平整的创面紧密贴合时可以减少细菌滋生机会，而且不影响生命体的代谢过程，代谢产物可通过水凝胶排出。这种医用水凝胶敷料可用于皮肤创伤、皮肤溃疡、烧伤、烫伤及其他皮肤病。另外，将凝胶加工后用于手术垫、手术手套等，可以迅速吸收血液、体液，保持医疗环境的干爽、卫生。
将湿纺中的凝胶态纤维浸入抗菌防臭剂溶液中，可把抗菌防臭剂溶液封入内部，使织物起到抗菌防臭的作用。由于凝胶材料具有缓释性的作用，因此人体在使用这种纤维制品时，无论人体是轻微活动还是剧烈运动，都能控制皮肤表面细菌的数量维持在正常水平。这种智能抗菌凝胶纤维已用于抗菌鞋垫或医疗卫生用品方面。
日本钟纺公司以腈纶为基材，用凝胶与其共同进行处理，同时涂以各种防螨整理剂，从而使防螨整理剂进入到纤维表层之下，提高了其防螨效果。
2.3智能蓄冷纺织品应用
利用水凝胶吸水时的溶胀作用和退溶胀时因水蒸发会带走热量的特性，可以将其用在蓄冷服装中，我国研究人员开发的降温背心和降温帽材料均用水凝胶制成。使用前将服装浸泡于冰水中一段时间，降温材料可与大量水分结合，并以交联状态存在于凝胶中，当环境温度和人体体温发生变化时，水分被缓慢地蒸发释放，利用汽化时带走热量的作用，能够降低人的体温，从而在短暂的时间内使穿着者感觉凉爽舒适。这种制冷材料可多次吸水和放水，能反复使用3年以上，服装外层一般采用防水织物制作，浸泡后擦干即可穿用，使用方便，具有广阔的应用前景。目前市场上销售的医用降温贴也是根据此原理研制而成，通过水和薄荷油等制成的水凝胶贴剂对人体有降温、止痛的功效。
2.4防紫外线纺织品应用
将具有光敏性的化合物，例如具有顺反异构化的化合物，接枝到凝胶的聚合物分子链上，可以合成光敏性凝胶。紫外光或可见光照射时，由于有顺反异构化发生，基团的位置会因此发生变化，凝胶因此产生相转变。如用热响应性异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和光敏性分子合成凝胶，它在紫外线照射下会发生电离，在32℃时凝胶体积相转变，产生凝胶溶胀，紫外线因而被凝胶材料所遮蔽。Weissman等利用一种名为PNI-PAM的水凝胶制备了一种薄膜材料，在PNI-PAM的体积相变温度下时，薄膜对红外光、可见光以及紫外光都有很好的透过性；当温度高于其体积相变温度时，PNI、PAM分子相互集聚，在薄膜中形成微球，对光散射增强，使薄膜的透光性降低。这种光敏性凝胶可以应用在防紫外线服装上，在环境温度较高时，光敏性智能凝胶可以自动调节紫外线的透过率，使人体皮肤免受伤害。
2.5智能调温运动纺织品应用
水凝胶还被用于开发新型的运动产品上，如Bio Skin 系列产品均以SmartSkinTM 水凝胶膜材料作为中间层，在护腕、护肘、护膝和足垫等运动保护产品中广泛采用。其中的Ultima 2sLTM 产品，外层是Velcro hook织物，中间层是SmartSkinTM膜材料，内层是快速芯吸微绒织物。当人体温度升高并开始出汗时，内层织物把汗液迅速芯吸传导到SmartSkinTM膜，膜吸收汗液后轻微溶胀，在液体静压的推动下汗气透过膜传送到织物外层得以释放。这是一个匀速过程，汗液越多，体温越高，湿气运动越快，而且外层汗液的蒸发能迅速降温并减少汗液的聚集。当人体温度降低，膜回复原状，关闭导湿性能。用这种产品制成的运动纺织品能导湿，调节体温，穿着更舒适。
2.6防护功能纺织品应用
高聚物材料的弹性可以用压缩永久变形来衡量，而凝胶芯材的压缩永久变形量很小，可见其具有良好的弹性回复性，这种弹性可以有效地提高纺织品的抗伤害能力。
凝胶的压缩永久变形可能与交联密度、非冻结结合水的含量以及凝胶的聚合度有关。由于凝胶的合成一般是由乙烯基单体与乙烯基化合物（交联剂）在溶液中进行自由基共聚而成，当交联剂用量较多时，凝胶形成紧密的三维网络结构。当凝胶受到外界应力时，连接成三维网络的大分子链伸展时能够均匀分散应力，防止分子链的相对位移甚至断裂。非冻结结合水对凝胶具有增塑作用，能提高凝胶的抗拉伸强力，而交联度较大时凝胶中非冻结结合水的含量相对较多。聚合度高说明凝胶的平均分子量较大，能有效地防止分子链的相对滑移。
凝胶的较好回弹性可以在与外界发生冲撞的过程中吸收外界部分能量，有缓和冲击的作用，因此其可用于防护功能纺织品如护腕、护肘、护膝和足垫等的开发。
3气凝胶
气凝胶是一种由原子团簇交联而成的纳米多孔材料。其制备过程是通过溶胶一凝胶过程控制胶体的空间网络结构，然后采用超临界干燥工艺以避免凝胶固化过程的收缩和碎裂，从而获得具有纳米多孔结构的固态材料气凝胶。由于有大量原子位于交联团簇的表面, 气凝胶具有极大的比表面积和气孔率，孔洞尺寸为1nm~100 nm，在光学、热学、声学与电学等方面具有独特的性能。
SiO2气凝胶是一种纳米多孔网络结构材料，外观为乳白色半透明的均匀多孔块状物，过去常用作保温隔热材料或者将其粉碎后作为塑料、橡胶、涂料、乳液等聚合物的改性添加剂。由于SiO2气凝胶具有丰富的孔结构，比表面积大，孔洞率高，具有较强的吸附性能，可以吸附空气中的绝大多数有害气体。
3.1吸苯性无纺布
在很多刚装修好的新家中，苯无处不在。如何减少新家中苯的含有量，维护家人的健康成为现在许多新装修家庭面临的一个重大问题。将SiO2 气凝胶与透气性优良的无纺布或毡进行复合，可得到具有高吸附性能的纳米复合材料，其饱和吸苯率达到并超过了传统的吸附材料。对于同一种SiO2气凝胶，纳米复合材料的饱和吸苯率与气凝胶本身的吸苯率和单位面积所复合的气凝胶质量成正比关系。将SiO2 气凝胶与无纺布相结合运用于纺织品的开发中，如窗帘、台布等，既可以美化家居，更重要的是可在一定程度上减少房屋的苯含有量，从而有利于居住环境。
3.2保温隔热纺织品
传统的含有纤维质的保温材料大多采用湿法或干法工艺生产，这类产品机械强度较高，应用领域较广，但导热系数相对较高，保温隔热效果一般。气凝胶作为一种轻质、高效的新型保温材料，具有密度低、孔隙率高和比表面积大等优点，SiO2气凝胶独特的高通透性多分支状的纳米三维网络结构，使其具有超低的固态导热系数和气态导热系数，常温常压下小于0.02 W／(m·K)，能够有效限制固态热传导和气态热传导，因而成为目前保温效果最优异的固态材料。利用纤维毡复合SiO2气凝胶制成的保温隔热产品既保持了纯SiO2气凝胶的微观结构特征，同时具有极低的导热系数，保温隔热性能优异，并且获得较好的强度，可满足实用需要。
3.3阻燃纺织品
SiO2气凝胶对非织造布具有一定的阻燃效果。气凝胶本身纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2~3个数量级。纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献，因此其具有一定的隔热阻燃效果。试验发现，将SiO2气凝胶与黏合剂按比例混合配制成整理液，将整理液涂抹到非织造布上，通过燃烧试验发现：整理液中黏合剂含量相同时，随着SiO2气凝胶含量的增加，阻燃效果增强；而SiO2气凝胶含量相同时，则黏合剂的增加会使阻燃效果减弱。
4结论
凝胶作为一种新型材料，其含水量高、生物相容性好、对于外界环境条件的刺激具有响应性等优点，可赋予传统纺织品更多的功能性和智能性。基于凝胶的智能纺织品在舒适性能方面具有保冷、保温，防水透湿的特点，同时在保健方面还具有抗菌除臭、防紫外线等优点，其在纺织服装及产业用纺织品领域有着广阔的应用前景。但目前的开发大多还处于试验阶段，而且应用范围还比较窄，尚需进一步研究，以便更好地发挥凝胶材料在纺织服装产品开发中的良好性能，拓宽功能及智能产品的领域。
（作者单位：上海工程技术大学服装学院）