SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的結(jié)構(gòu)與性能研究

王虹 許魯 周小紅

摘 要：以芳綸非織造布混雜SiO2氣凝膠，并復(fù)合PTFE多孔膜制備了個體防護用材料，測試了孔徑、厚度、重量等基本結(jié)構(gòu)和壓縮能量吸收功，導(dǎo)熱系數(shù)和氧指數(shù)，隔聲量等指標(biāo)，采用激波管模擬沖擊波，研究了試樣抗沖擊波性能。結(jié)果顯示：SiO2氣凝膠以不同大小的塊狀、顆粒狀填充了芳綸非織造布纖維間的空隙；混雜SiO2氣凝膠并復(fù)合PTFE多孔膜試樣的各項防護性能均顯著提高，壓縮作用下能量吸收大，隔熱性能、阻燃性能改善，對沖擊波衰減作用明顯，并提高對高頻噪聲的隔聲作用。

關(guān)鍵詞：SiO2氣凝膠；非織造布；阻燃；隔聲；壓縮性能；抗沖擊波

1 實驗部分

1.1 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織布的試樣制備

芳綸1313/1414非織造布（該試樣標(biāo)記為“試樣MM”，將該試樣重疊2層，標(biāo)記為“試樣MM*2”）用作混雜SiO2氣凝膠的骨架材料（或稱基材）。溶膠-凝膠法制備SiO2氣凝膠過程中，在形成濕凝膠之前將試樣MM浸漬在SiO2溶膠中，SiO2溶膠滲透到芳綸非織造布纖維間隙，然后形成濕凝膠。試樣MM表面多余SiO2濕凝膠采用刮刀去除。經(jīng)老化、醇水置換、疏水改性及CO2超臨界干燥，制成SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布試樣（標(biāo)記為“試樣SiMM”）。將試樣MM、試樣MM*2和試樣SiMM分別與PTFE多孔膜復(fù)合，得到試樣標(biāo)記為“試樣PMM”、“試樣PMM*2”和“試樣PSiMM”。

1.2基本結(jié)構(gòu)測試

1.2.1厚度與重量

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4669-2008 和GB/T 3820-1997，實驗測試了上述6個試樣的厚度與重量，并計算試樣的面密度和體積密度。

1.2.2形貌與孔徑

本研究采用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，德國）測試SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的形貌。

采用孔徑測試儀（TOPAS PSM165，德國制造）測試試樣的孔徑，最大孔徑、最小孔徑和平均孔徑。

1.3熱學(xué)性能測試

1.3.1導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料隔熱性能的物理量。本研究采用德國耐馳HFM436/311穩(wěn)態(tài)熱流法導(dǎo)熱儀測試材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3.2 極限氧指數(shù)

采用H2C氧指數(shù)測試儀測試試樣的極限氧指數(shù)。

1.4力學(xué)性能測試

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T24442.2-2009《紡織品壓縮性能的測定》，采用instron3367型萬能材料試驗機對試樣進行壓縮性能測試。

1.5聲學(xué)性能測試

采用VS302USB雙通道聲學(xué)分析儀，參照GB 3240-82 《聲學(xué)測量中常用頻率》標(biāo)準(zhǔn)、ISO R140-78 《建筑中及建筑構(gòu)件的隔聲測量》標(biāo)準(zhǔn)，采用90dB的粉紅噪聲對試樣進行測試。

2.結(jié)果與討論

2.1 厚度與重量

SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的試樣SiMM厚度與面密度均在1層芳綸非織造布試樣MM與2層芳綸非織造布試樣MM*2之間，試樣MM、試樣MM*2和試樣SiMM的體積密度基本一致。復(fù)合PTFE多孔膜后的試樣厚度、面密度和體積密度的規(guī)律完全相同。

2.2形貌與孔徑

SiO2氣凝膠以不同大小的塊狀、顆粒狀填充進入芳綸1313/1414非織造布纖維間的空隙。

試樣MM有較大的孔隙；試樣PMM復(fù)合PTFE多孔膜后，測試的孔徑以膜孔徑為主，而芳綸非織造布纖維間的孔隙大部分因為PTFE多孔膜被封閉；SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布，由于SiO2氣凝膠填充進入芳綸非織造布纖維間的空隙，試樣SiMM的孔徑減小顯著，且小于試樣PMM的孔徑，原因是SiO2氣凝膠分布在纖維的孔隙，芳綸非織造布纖維間的多數(shù)開放孔隙被SiO2氣凝膠堵塞。

2.3導(dǎo)熱系數(shù)

試驗數(shù)據(jù)表明混雜氣凝膠的芳綸非織造布（樣品SiMM和PSiMM）導(dǎo)熱系數(shù)均比沒有混雜氣凝膠的芳綸非織造布（樣品MM和PMM）明顯降低；其次，復(fù)合PTFE多孔膜并沒有顯著改變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.4 極限氧指數(shù)

試驗結(jié)果表明，試樣MM*2和試樣PMM*2的極氧指數(shù)分別大于試樣MM和試樣PMM的極氧指數(shù)，這是受測試樣品厚度影響之故；其次，復(fù)合PTFE多孔膜降低了實驗材料的燃燒極限氧指數(shù)；此外，試樣SiMM的極限氧指數(shù)是30.68%，PSiMM的極限氧指數(shù)是30.72%，均比未混雜氣凝膠且厚度更厚的MM*2樣（極限氧指數(shù)是29.68%）及PMM*2樣（極限氧指數(shù)是28.52%）極限氧指數(shù)更高，表明混雜SiO2氣凝膠對材料的阻燃性能有提高作用。

2.5 壓縮性能

壓縮功表示材料在壓縮過程中所能緩沖的能量。能量吸收能力是表征單位體積的材料壓縮至相應(yīng)應(yīng)變量時所吸收的能量。厚度影響實驗材料的壓縮性能，但SiO2氣凝膠顯著提高了實驗材料的壓縮功和能量吸收能力。

2.6抗沖擊波性能

2.6.1試驗段沖擊波的壓力-時間曲線

峰值超壓發(fā)生時間為T1=20ms，P0=34036.2Pa，略低于0.08mm厚膜片計算的峰值超壓。受沖擊波在管道內(nèi)單向傳播的影響，存在較大的負(fù)壓峰值，為-22569.45Pa，發(fā)生時間T2=30ms。

2.6.2模型球內(nèi)沖擊波的壓力-時間曲線

試驗段沖擊波作用于模型球，經(jīng)過試制樣品的衰減作用，模型球內(nèi)加速度傳感器測試得到?jīng)_擊波的壓力-時間曲線。峰值超壓發(fā)生在時間0.03s處。

厚度對沖擊波峰值超壓有影響，厚度大，材料對沖擊波峰值超壓的衰減量大；混雜了SiO2氣凝膠、復(fù)合PTFE多孔膜均使芳綸非織造布對沖擊波峰值超壓的衰減效果明顯，混雜SiO2氣凝膠并復(fù)合PTFE多孔膜的試樣PSiMM的沖擊波峰值超壓下降到最低，為2805.61 Pa。

2.7 聲學(xué)性能測試

取中心頻率125Hz至4000Hz的6個倍頻程隔聲量的算數(shù)平均數(shù)為平均隔聲量，并提取低頻500HZ、中頻1000HZ和高頻4000HZ各試樣的最大隔聲量。

混雜SiO2氣凝膠、復(fù)合PTFE多孔膜均可顯著增加試樣的平均隔聲量，而且頻率越高，隔聲效果越明顯，芳綸非織造布混雜SiO2氣凝膠并復(fù)合PTFE多孔膜的試樣PSiMM在4000Hz高頻時的隔聲量最大，其隔聲量為15.01dB.

3 結(jié)論

（1） 制備的芳綸非織造布混雜SiO2氣凝膠并復(fù)合PTFE多孔膜試樣的隔熱性能、阻燃性能改善，壓縮作用下能量吸收大，對沖擊波衰減作用非常明顯，并可提高對高頻噪聲的隔聲作用，表明該材料用作個體防護裝備材料時，在相同防護效果下，不僅可使個體防護裝備的厚度和重量下降，而且各項防護性能均有提高，尤其是抗沖擊波效果最明顯。

（2） SiO2氣凝膠以不同大小的塊狀、顆粒狀填充了芳綸非織造布纖維間的空隙，塊狀與顆粒的尺寸差異大，導(dǎo)致填充均勻性稍差，混雜工藝有待進一步改進，并優(yōu)化SiO2氣凝膠的填充量。

參考文獻：

[1] 張志華， 王文琴， 祖國慶，等. SiO2氣凝膠材料的制備、性能及其低溫保溫隔熱應(yīng)用[J]. 航空材料學(xué)報， 2015， 35（1）：87-96.

[2]劉茜. 固體空氣——氣凝膠在服裝和建筑中的應(yīng)用[J]. 國外紡織技術(shù)， 2004（5）：13-13.

作者簡介：

王虹，女1963，教授級高工，學(xué)士，從事纖維功能材料及氣凝膠的研究。