SiO2氣凝膠混雜芳綸非織布的性能研究

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(1.浙江理工大學材料與紡織學院，杭州 310018；2.浙江省普瑞科技有限公司，杭州 311215)

過去20年，世界局部戰爭、安全事故造成了大量傷亡，其來最主要的創傷是由爆炸引起的[1-2]。爆炸引起對人體的傷害原因及防護大都是破片傷害和燒傷傷害。爆炸是在某一介質系統中，發生快速的物理變化或化學反應時，系統本身的能量借助于氣體的急劇膨脹而轉化為對周圍介質做機械功[3]。事實上，爆炸產生強烈的沖擊波[4]不僅對人體產生顯性傷害，即人體臟器的現場損傷，而且也存在隱性傷害，即：癥狀復雜的災后疾病。因此，個體防護裝備在具備耐高低溫性能、耐穿刺性能、抗(破片)沖擊性、阻燃性能基礎上，亟待研究個體防護裝備部件的抗沖擊波性能，以有效防止或削弱爆炸沖擊波對人體的傷害，并進一步減輕個體防護裝備的重量，提高實用性。

SiO2氣凝膠是一種新型的納米多孔材料，有很多優異的性能[5]：孔隙率高，為80%～99.8%，空洞尺寸為1～100 nm[6]；在高溫下不分解，無有害氣體放出，屬于綠色環保型材料；是全球現存最輕、熱傳導率最低的隔熱新材料。SiO2氣凝膠中在機械波中的波速特別低[7]，當其在受到機械波時可以吸收大量的能量。

因此，將SiO2氣凝膠混雜到個體防護裝備中，制備具有抗沖擊波性能的個體防護裝備用新材料具有現實意義。

1 實 驗

1.1 SiO2氣凝膠的制備

采用溶膠-凝膠法、CO2超臨界干燥制備SiO2氣凝膠。首先，將正硅酸乙酯加入反應釜中，加入催化劑攪拌均勻，使之成為具有流變性能的SiO2溶膠；其次，在室溫條件下，將SiO2溶膠在反應釜中密閉放置，經過水解-縮聚反應形成濕凝膠；最后，濕凝膠經過老化后采用CO2超臨界干燥制備所用SiO2氣凝膠。

1.2 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織布的制備

骨架材料(Matrix Material)采用芳綸1313/1414水刺非織造布，將該試樣標記為“試樣MM”，2層該試樣標記為“試樣MM*2”。

采用混雜設備在試樣MM的表面施加具有流變性能的SiO2溶膠，SiO2溶膠通過非織造布纖維之間的空隙浸透到另一面，一定時間靜置后，試樣MM纖維間的SiO2溶膠成為濕凝膠。對其進行醇水置換以及疏水反應，然后采用CO2超臨界干燥獲得SiO2氣凝膠混雜芳綸1313/1414非織造布，將試樣標記為“試樣SiMM”。

依照個體防護裝備的要求，將PTFE多孔膜分別與試樣MM、試樣MM*2和試樣SiMM進行復合，將得到的試樣分別標記為“試樣PMM”、“試樣PMM*2”和“試樣PSiMM”。

1.3 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織布結構與性能測試

1.3.1 厚度與重量測試

實驗測試了6個試樣的厚度與重量，根據GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質量的測定》與GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》，同時計算量試樣的面密度和體積密度。

1.3.2 材料形貌、元素和孔徑測試

使用熱場發射掃描電子顯微鏡(FESEM，德國)，測試SiO2氣凝膠混雜芳綸1313/1414非織造布的形貌和局部X射線能譜。采用孔徑測試儀(TOPAS PSM165，德國)測試試樣的孔徑。

1.3.3 熱阻與極限氧指數

為了減少爆炸對人員的熱損傷，使得防護服裝應具備最基本的條件，分別是隔熱效果和阻燃效果。

材料的隔熱效果通過熱阻表征，熱阻是指材料間傳熱能力的大小。采用YG606G熱阻濕阻測試儀測試試樣的熱阻和傳熱系數。

材料的阻燃效果通過測試材料的極限氧指數表征，極限氧指數是在規定的條件下，材料在氧氮混合氣流中進行有焰燃燒所需的最低氧濃度。論文采用H2C氧指數測試儀測試實驗試樣的極限氧指數。

1.3.4 壓縮性能測試

沖擊波是一種很高壓力對介質的作用。壓縮功是指材料在沖擊波產生產生的壓力作用下發生壓縮變形所緩沖的能量，而能量吸收能力是指單位體積的材料在壓縮變形過程中被壓縮至一定的應變量時所吸收的能量。采用Instron3367型萬能材料試驗機對，參照GB/T 24442.2—2009《紡織品壓縮性能的測定》標準，對材料進行壓縮性能測試。

2 結果與討論

2.1 厚度與面密度及體積密度

表1為試樣的厚度、平方米質量以及體積密度。在表1中，分別對比試樣MM、SiMM和試樣PMM、PSiMM，可知混雜SiO2氣凝膠后的試樣厚度增加，但體積密度沒有顯著變化。

表1 試樣的厚度和平方米質量及體積密度

2.2 表面形貌與X射線能譜

圖1(a)為試樣MM的形貌，圖1(b)為試樣SiMM的形貌。由圖1可知，SiO2氣凝膠以不均勻大小的塊狀或顆粒狀填充到芳綸1313/1414非織造布纖維間的空隙中。

(a)試樣MM，標尺為10μm (b)試樣SiMM，標尺為10μm圖1 試樣的形貌

圖2為SiO2氣凝膠混雜芳綸非織布的纖維表面以及空隙中顆粒表面的X射線能譜圖。由圖2可知，兩圖均在1.75 KeV出現Si的特征峰，圖2(a)的Si原子百分數僅為0.64%，圖2(b)的Si原子百分數為21.48%，即SiO2氣凝膠填充在芳綸非織布的纖維的空隙中，纖維表面較少附著。

圖2 X射線能譜圖

2.3 孔 徑

表2為測試各試樣的孔徑。由表2可知，試樣MM與試樣PMM比較，由于PTFE膜孔徑小，實際測試的孔徑以膜孔徑為主。

表2 各試樣的孔徑大小

由表2可知：(a)試樣MM與試樣PMM比較，由于PTFE膜孔徑小，實際測試的孔徑以膜孔徑為主；(b)試樣SiMM、試樣PSiMM的孔徑顯著減小，通過觀測試樣的形貌得出由于SiO2氣凝膠以不均勻大小的顆粒或塊狀分布在纖維的孔隙中，使芳綸1313/1414非織造布纖維間的大部分孔隙SiO2氣凝膠堵塞。

2.4 熱阻與極限氧指數

2.4.1 熱阻

厚度一直是影響熱傳導性能的主要因素。由表1可知，試樣SiMM的厚度小于試樣MM*2，但從表3可見，試樣SiMM的熱阻小，傳熱系數大；復合PTFE多孔膜并沒有顯著改變材料的熱傳導性能。

SiO2氣凝膠提高試樣的隔熱性能，主要原因是在熱量傳遞的過程是通過溫度較高的氣體分子與溫度低的氣體分子碰撞進行。而SiO2氣凝膠多孔的尺寸小于空氣的，而熱氣體分子與氣凝膠進行碰撞，熱能轉移到氣凝膠結構上，使得熱氣體氣相傳導受到限制，試樣擁有了隔熱的效果。

表3 試樣的熱阻及傳熱系數

2.4.2 極限氧指數

LOI為極限氧指數(%)，由式(1)計算得到：

LOI=CF+Kd

(1)

式中：CF為試驗數據測試中的最后一個的氧濃度，取小數1位(%)；d為兩個氧濃度之差取小數一位(%)；K為系數，查表獲取。

由表4可知：試樣的極限氧指數均大于26%，為難燃材料。復合PTFE多孔膜降低了試樣的極限氧指數；而SiO2氣凝膠提高了試樣的阻燃效果，主要原因是SiO2氣凝膠堵住芳綸1313/1414非織造布纖維間的孔隙，使芳綸非織造布中的纖維與空氣接觸面積減小，因此試樣的極限氧指數增加。

表4 試樣的極限氧指數

2.5 壓縮性能

圖3為壓縮變形曲線，圖4為應力-應變曲線。

圖3 試樣的壓縮變形曲線

圖4 試樣的壓縮應力-應變曲線

試樣的壓縮功以及能量吸收能力，分別由式(2)和(3)計算得到：

壓縮功

(2)

能量吸收能力

(3)

式中：P為壓縮變形曲線，h為載荷；σ為應力應變曲線，εm為應力。

表5為試樣的在壓縮過程中所做的壓縮功和吸收的能量。在表5中，分別將同種材質不同層數的試樣比較，可知厚度增加試樣的壓縮性能增加；而試樣SiMM的厚度小于試樣MM*2，試樣PSiMM的厚度小于試樣PMM*2，這說明SiO2氣凝膠明顯提高了實驗試樣的壓縮功和能量吸收能力。因為SiO2氣凝膠是多孔材料，試樣在壓縮實驗過程中，SiO2氣凝膠上的孔洞受到壓力后被壓縮，孔洞的壁面之間相互接觸，直到間隙消除從而成為致密材料，試樣緩沖沖擊波的效果實在被壓垮過程中達到的。

表5 試樣的壓縮功和能量吸收能力

3 結 論

采用溶膠-凝膠法制備SiO2氣凝膠，并在制備過程中將其混雜在芳綸1313/1414非織造布，并復合PTFE多孔膜。制得的試樣中SiO2氣凝膠填充在芳綸1313/1414非織造布纖維間的孔隙中，使纖維間的距離增大，同時非織造布厚度增加，但幾種試樣的體積密度保持基本不變；SiO2氣凝膠使芳綸1313/1414非織造布的隔熱性能和阻燃性能均有所增強，并且在指標相同要求下，作為個體防護裝備的使用，減輕了重量，能夠避免服裝臃腫；SiO2氣凝膠提高了芳綸1313/1414非織造布的壓縮性能，在壓縮過程中試樣的能量吸收能力增加，對開發具有防護爆炸沖擊波功能的防護服面料具有指導作用。

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