氣凝膠於紡織產業的市場應用分析

一、前言

氣凝膠是奈米結構組成的多孔超輕量固體材料,可形成不含液體成分的凝膠,其最早由二氧化矽提煉出來,隨後陸續有以金屬或碳為原料所開發的氣凝膠材料,但目前市場上仍以二氧化矽氣凝膠為主,佔整體市場規模的97.6%。

二氧化矽氣凝膠依材料型態可分成整塊狀(Monolith)、粉末狀(Powder)、顆粒狀(Granule)及毯狀或板狀的纖維複合材料(Fiber-reinforced Composite)。其中,亦可透過粉末狀與顆粒狀氣凝膠,生產出毯狀或板狀纖維複合材料、塗料(coating)、方塊狀或板狀(block/ board)等氣凝膠材料(參見圖1)。

圖1  氣凝膠的種類

資料來源:IDTechEx(2021)

 

氣凝膠具有隔熱、低密度(輕量)、疏水性(耐腐蝕)、耐火性、隔音等多種機能特性,潛在可應用領域廣泛,但因材料成本高等因素,目前主要應用仍以石油和氣體、工業用等產業的管路包覆材做為隔熱用途之用,其在紡織服裝的應用比例不高。以下說明全球氣凝膠應用於整體及紡織產業的市場規模統計,以及於紡織產業的相關應用產品。


二、全球氣凝膠市場規模統計-依應用別

(一)整體市場

根據研究機構IDTechEx(2021)預估,2021年全球氣凝膠市場規模僅2.94億美元,預估至2031年將成長至7.01億美元(參見圖2),2021-2031平均年複合成長率9.1%。依應用別來看,2021年產業應用領域依市場規模大小依序分別為石油和氣體(佔54.9%)、工業用(佔20.2%)、建築用-窗戶除外(佔7.7%)、電池組(佔7%)等,而氣凝膠應用於服裝及鞋類的市場規模佔比僅1%(參見圖3)。

圖2  2021-2031年全球氣凝膠市場規模走勢

資料來源:IDTechEx(2021)

圖3  2021年氣凝膠市場結構(依應用別)

資料來源:IDTechEx(2021)

 

展望未來,2021至2031年市場平均年複合成長率較高的產業依序為電池組(成長18.3%)、市政工程(成長18.29%)、電子產品(成長16.34%)、建築(成長14.75%)及包裝(成長14.52%),上述產業是未來氣凝膠較有市場成長潛力的新應用領域(參見圖4)。

氣凝膠材料因成本相對較高,在許多產業的應用都難以與其他功能類似的低成本材料競爭。目前氣凝膠被採用的特性以隔熱為主,並以石油和氣體、工業用等產業應用為主,然而,對於氣凝膠的阻燃性、疏水性、低密度等其他特性尚未被廣泛應用,上述特性未來應具有發揮的潛力。特別是在建築消防法規的要求提高,以及電動汽車的電池模組、5G手機等新應用市場需求的驅動下,再加上氣凝膠技術發展逐漸成熟,未來市場成長潛力仍值得期待。

圖4  2021-2031年全球氣凝膠市場規模依應用別走勢

資料來源:IDTechEx(2021)

 

(二)紡織產業市場

氣凝膠的低導熱、輕量、疏水等特性,適合應用於戶外機能服裝或鞋墊等用途,然而,由於氣凝膠材料的高成本,限制了其未來在服裝領域應用的市場成長潛力。根據研究機構IDTechEx (2021)預估,2021年應用於服裝、鞋類和其他消費產品的市場規模為2,800萬美元,預估2031年全球市場規模將成長至4,800萬美元(參見圖5),2021-2031年平均年複合成長率5.37%。

圖5  2020-2031年全球服裝及鞋類氣凝膠市場規模走勢

資料來源:IDTechEx(2021)

 

三、氣凝膠於紡織產業的應用

氣凝膠材料具有優越的熱絕緣、輕量、疏水等特性,可透過阻斷輻射熱、對流熱及傳導熱等作用機制達到保暖及保冷等功能,一開始主要應用於NASA太空服材料,隨後機能性材料廠商將之應用於服裝和鞋類上,並以提升保暖機能之創新材料作為行銷訴求。然而,氣凝膠材料與其他機能材料在紡織品上的應用有類似問題,即使用含量不足,使機能特性恐無法發揮;使用含量提高,又可能遭遇製程瓶頸、材料成本過高或織物手感不佳等問題。

現階段氣凝膠材料於紡織及服裝領域的應用多侷限於高端產品,並以應用於單價較高的戶外品牌產品為主,包括戶外用/滑雪用夾克、手套、褲子,或用於鞋墊或靴子襯裡。以下說明相關產品應用案例:

(一)PrimaLoft Cross Core系列(聚酯纖維+氣凝膠)

2017年PrimaLoft首次公開Cross Core氣凝膠系列,是以氣凝膠顆粒注入每根PrimaLoft纖維上所製成的填充材(含有 35%的消費後回收材料),訴求可提升每根羽狀物纖維的保暖度,從而提升保暖機能的耐久性(改善氣凝膠粉末脫落的問題)(參見圖6)。與原有PrimaLoft Gold Insulation填充材相比,加入氣凝膠的新產品在相同重量下,可提升52%的保暖度。

圖6  PrimaLoft Insulation with Cross CoreTM

資料來源:PrimaLoft

 

2021年2月,PrimaLoft進一步推出含有90%回收材料的Cross Core填充材系列,以回應其永續訴求。目前該材料已被全球各地50多個戶外品牌採用,包括Maloja、Mammut、Vaude、Dynafit、La Sportiva、Millet、Bergans、Haglöfs、Norröna、Montane、RAB、L.L.Bean、Sitka、Black Diamond、Patagonia、Outdoor Research、Helly Hansen、Fusalp和Strafe等。

部分戶外品牌將PrimaLoft Cross Core直接做為服裝主要部位的填充材料,以提升保暖機能並兼具輕量的特點(參見圖7);部分品牌則將材料應用於紡織品的局部位置,如:手套的指尖及手掌等需要加強保暖的部位(參見圖8);或設計於夾克的口袋內裡,以防止手機或其他電子產品在寒冷天氣中當機等(參見圖9)。

圖7  Patagonia DAS Parka採用PrimaLoft Cross Core氣凝膠填充材

資料來源:Patagonia。

 

圖8  Outdoor Research Bitterblaze Gloves手套採用PrimaLoft Cross Core氣凝膠填充材

資料來源:Outdoor Research。

圖9  戶外品牌Helly Hansen口袋內襯所採用的Life Pocket+TM氣凝膠保溫材,亦來自PrimaLoft Cross Core氣凝膠材料

資料來源:Helly Hansen。

 

(二)FLWRDWN™ Biobased Fibers(纖維素纖維+氣凝膠)

英國生物材料公司Pangaia亦推出含有氣凝膠的FLWRDWN™Puffer Jackets(參見圖10),該夾克每件包含400-500克野花植物材料、生物聚合物和氣凝膠。含有氣凝膠的FLWRDWN™纖維素纖維填充材由新加坡國立大學研發,據稱其氣凝膠原料85%來自回收再生紙屑與紙板,產品以不織布絕緣填充物形成,具無毒、柔韌性、疏水、輕量等特性,且其高孔洞性可提升保暖效果。該材料目前已交由Bronxculture公司負責材料的商品化。

圖10  FLWRDWN™ Puffer Jackets

資料來源:Pangaia。
 

(三)aerotherm氣凝膠隔熱材料

aerotherm氣凝膠隔熱材料是以美國Aspen Aerogels公司(全球第一大氣凝膠製造商)所生產的氣凝膠原料進行衍生應用的材料,其對原始的Aspen氣凝膠材料進行處理,開發成2-5 mm的薄隔離板,該材料被封裝在薄膜中以防止氣凝膠粉末漏出(參見圖11)。Aerotherm隔熱材料可根據客戶的產品設計切出合適的尺寸材料(參見圖12),並推出用於服裝、手套、鞋類等應用的通用組合。

圖11  aerotherm氣凝膠填充薄膜

資料來源:aerotherm。

圖12  aerotherm氣凝膠填充隔板根據客戶需求切割成不同尺寸

資料來源:aerotherm。

 

(四)Gore-Tex ThermiumTM Insulation

美國Gore公司開發出填充式的ePTFE-二氧化矽氣凝膠複合材料Gore-Tex InfiniumTM ThermiumTM Insulation,並於ISPO Munich 2020展會中展出。該材料主要應用於鞋類腳趾部位的隔絕保暖材料(參見圖13),據稱比傳統的隔熱材料保暖度提高8倍。該技術可捕獲並保護易碎的氣凝膠顆粒,並允許使用標準製造設備將材料切割、定型並填充到鞋類中。

圖13  ePTFE-二氧化矽氣凝膠複合材料Gore-Tex InfiniumTM ThermiumTM Insulation

資料來源:Gore-Tex;ISPO Munich 2020。

 

(五)OrthoLite推出可禦寒的輕量氣凝膠鞋墊

OrthoLite的O-Therm於2021年3月推出,將奈米多孔氣凝膠材料注入多孔聚氨酯泡沫材質,開發超疏水、保暖隔熱及輕量的鞋墊(參見圖14)。氣凝膠材料的疏水特性,可讓水分從腳上移除,提供更乾燥舒適的足底環境。在保暖隔熱方面,OrthoLite與第三方隔熱測試實驗室Vartest Laboratories合作,測試結果顯示,在負108度的環境條件下,O-Therm比其他隔熱鞋墊的平均效能高出54%。

O-Therm由2毫米的隔熱泡沫材料作為基底組成,可與各種OrthoLite的上層泡沫材質結合使用,創造出客製化的鞋墊解決方案,能針對各種款式的鞋類量身打造,涵蓋戶外、休閒、滑雪與滑雪板、工作和時尚等。

圖14  O-Therm輕量氣凝膠鞋墊

資料來源:OrthoLite。

 

(六)3M預計推出含有氣凝膠的隔熱材料3M Thinsulate Xerogel

紡織隔熱填充材是3M Thinsulate產品組合的一部分,3M於2021年5月公布,將在未來幾個月內,正式推出新型的3M Thinsulate Xerogel技術氣凝膠隔熱材料。

Xerogel的空氣含量超過99%,是一種多孔的結構而能夠形成凝滯空氣的隔熱材料。為了將此創新材料應用於服裝,3M公司研究人員和工程師開發新的配方和複合材料。新型3M Thinsulate Xerogel隔熱材料由60%的消費後回收材料組成,該絕熱材料的特點除包括保暖性、輕量結構、透氣性以外,尚包括低粉塵、可撓性和最小的破損,使其易於在工廠中使用。

 

四、結論

綜觀而言,考量材料成本、製程瓶頸等因素下,現階段氣凝膠材料並無法完全取代羽絨、人造纖維填充材等主要保暖材料,但以B2C的行銷角度來看,氣凝膠材料搭配羽絨或人造纖維填充材,可形成一良好的互補關係,除提升產品機能以外,也能創造「新行銷故事」,並滿足消費者求新求變的心理需求!

 

五、參考資料

Richard Collins (2021), “Aerogels 2021-2031: Technologies,Markets and Players”,www.IDTechEx.com