工藝參數(shù)對消防服用隔熱薄膜導(dǎo)熱性能的影響*

張 慧 劉獻(xiàn)飛 燕紅雁

1. 中原工學(xué)院紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007；2. 中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450007；3. 山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250102

消防服是保護(hù)消防員免受火焰、熱輻射等傷害的重要裝備，其性能事關(guān)消防員的生命安全和救援效率，以及人民的生命財產(chǎn)安全[1-2]。傳統(tǒng)的消防服通常由多層織物(外層、防水透濕層、隔熱層和舒適層)組成，其質(zhì)地厚重且透氣性較差，若在火災(zāi)救援中長時間穿著，會阻礙人體熱量散失，嚴(yán)重降低消防員的熱濕舒適性，并影響其工作效率[2-4]。因此，輕質(zhì)高性能透氣隔熱材料的研發(fā)至關(guān)重要。

氣凝膠具有低熱導(dǎo)率和耐高溫特性，可作為超級隔熱材料應(yīng)用于服裝領(lǐng)域[3-5]。相變材料(phase change material， PCM)在相變過程中可吸收、儲存、釋放大量潛熱而不改變自身溫度[3，6]。將這兩種功能粒子結(jié)合，既能克服氣凝膠強(qiáng)力低、孔隙率高的缺陷，又能充分利用相變材料的蓄熱/調(diào)溫功能，實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同促進(jìn)，極大地提高熱防護(hù)性能[2，7-9]。有學(xué)者采用涂層法和縫制法，將氣凝膠、相變材料與紡織材料結(jié)合，探究其熱防護(hù)性能。Shaid等[10]在隔熱層的兩側(cè)分別涂上硅氣凝膠粉末和相變材料/氣凝膠復(fù)合粉末，獲得了良好的熱防護(hù)性和舒適性。Zhang等[11]探討了氣凝膠和微膠囊相變材料的不同配置對織物防護(hù)性能的影響，發(fā)現(xiàn)引入氣凝膠和微膠囊相變材料可提高傳統(tǒng)隔熱層的熱防護(hù)性能，同時揭示二者具有很好的協(xié)同效應(yīng)。Kazemi等[12]將PCM填充至氣凝膠孔隙，探討了PCM含量和孔隙尺寸結(jié)構(gòu)對隔熱性能和導(dǎo)熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)孔隙內(nèi)部的PCM有助于提高吸熱能力、降低導(dǎo)熱系數(shù)。Xie等[13]采用有限元和焓值法建立并驗(yàn)證了氣凝膠摻雜PCM后的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的瞬態(tài)傳熱模型，對比了氣凝膠種類、位置及PCM對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。現(xiàn)有研究大多聚焦在材料性能參數(shù)和含量對消防服熱防護(hù)性能的影響上，而忽視了加工工藝及參數(shù)對消防服用隔熱薄膜性能的影響。

熱防護(hù)材料導(dǎo)熱系數(shù)是衡量消防服用織物熱濕舒適性的重要指標(biāo)。本文采用成膜法，突破傳統(tǒng)工藝手段，將SiO2氣凝膠、微膠囊相變材料與紡織材料有效結(jié)合來制備隔熱薄膜，對該隔熱薄膜的熱穩(wěn)定性能、透濕性能、熱防護(hù)性能進(jìn)行測試，并探討制備工藝中刮刀設(shè)定的薄膜厚度(理論厚度)、刮刀速度、無水乙醇與蒸餾水的配比對薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的影響，以期獲取隔熱薄膜最優(yōu)導(dǎo)熱性能的工藝參數(shù)，為優(yōu)化輕質(zhì)高性能熱防護(hù)材料的性能提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

氣凝膠粉末和微膠囊相變材料均為市售，其性能參數(shù)如表1所示。水性聚氨酯樹脂，化學(xué)試劑，由廣東東莞米人占化工有限公司生產(chǎn)；無水乙醇，分析純，由天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司生產(chǎn)；蒸餾水，實(shí)驗(yàn)室自制。試驗(yàn)儀器如表2所示。

表1 試驗(yàn)材料及性能

表2 試驗(yàn)儀器

1.2 輕質(zhì)高性能隔熱薄膜的制備

涂膜液的制備參照文獻(xiàn)[2-3，14]的方法。使用涂膜機(jī)(有4種定速前進(jìn)模式，分別為30、 50、 100和200 mm/s)在玻璃板上進(jìn)行刮膜，改變薄膜理論厚度(150～600 μm)。待12 h自然晾干形成薄膜后，將其揭下，測量其厚度與面密度；再將所測薄膜放入真空干燥箱(35 ℃)烘3 h，在玻璃干燥皿中調(diào)濕24 h，測量平衡后后薄膜厚度及面密度[3，14]。

1.3 測試與表征

1.3.1 厚度測試

采用千分測厚儀測量薄膜厚度，每個樣品取10個不同位置進(jìn)行測試，每個試樣測10次，求其平均值。

1.3.2 面密度測試

采用精度為0.1 g的ES-E120A電子天平，參照GB/T 4669—2008《紡織品機(jī)織物單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定》[15]中所規(guī)定的方法對薄膜的面密度進(jìn)行測試。根據(jù)式(1)，計(jì)算薄膜的面密度。

(1)

式中：mc、Lc和Wc分別為薄膜在玻璃干燥皿中調(diào)濕24 h后的質(zhì)量(g)、長度(m)和寬度(m)。

1.3.3 導(dǎo)熱系數(shù)測試分析

采用熱常數(shù)儀測試分析薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)。測定條件：溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±5)%，輸出電壓為0.15 V，平衡時間為20 s。試樣測試面必須平整，測試誤差為±3%[2，14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 理論厚度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

當(dāng)無水乙醇與蒸餾水配比為5∶3(相比于聚氨酯樹脂)、刮刀前進(jìn)速度為50 mm/s時，改變理論厚度，研究薄膜厚度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。薄膜的實(shí)際厚度和面密度測試結(jié)果如表3所示。

表3 薄膜的基本參數(shù)

由表3可知，薄膜的實(shí)際厚度小于其理論厚度，但實(shí)際厚度和理論厚度呈相同的變化規(guī)律：隨著理論厚度的增加而增加。這是由于所配制的功能粒子溶液內(nèi)部含有大量的水分和乙醇，薄膜經(jīng)干燥后，實(shí)際厚度變小。面密度也隨薄膜厚度的增加而增加。

為了更好地反映理論厚度對導(dǎo)熱性能的影響，這里以理論厚度作為因變量。從圖1可得，隨著理論厚度的增加，薄膜導(dǎo)熱系數(shù)先降低，當(dāng)理論厚度為500 μm時，導(dǎo)熱系數(shù)最低，隨后增加。經(jīng)熱常數(shù)儀測得的水性聚氨酯薄膜導(dǎo)熱系數(shù)為0.117 9 W/(m·℃)，氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)為0.032 7 W/(m·℃)， 40 ℃微膠囊相變材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.151 6 W/(m·℃)。氣凝膠密度為0.06 g/cm3，而微膠囊相變材料的密度為0.40 g/cm3，在相同質(zhì)量下，氣凝膠粉末的體積約是微膠囊顆粒體積的7倍。因此，添加氣凝膠和微膠囊相變材料后，薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)比聚氨酯樹脂薄膜的明顯低。當(dāng)理論厚度大于600 μm時，具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的親水性SiO2氣凝膠周圍充斥著溶劑，彼此間存在表面張力，使得薄膜在干燥過程中產(chǎn)生毛細(xì)管力，隨著溶劑的蒸發(fā)，孔隙出現(xiàn)彎月面，形成裂紋，進(jìn)一步擴(kuò)展到臨界尺寸，薄膜開裂破碎[16]。因此，薄膜最大理論厚度為600 μm，理論厚度超過600 μm時由于薄膜太厚，內(nèi)部的乙醇無法完全揮發(fā)，薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)升高[無水乙醇的導(dǎo)熱系數(shù)為18 W/(m·℃)]。

圖1 不同理論厚度薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)

2.2 刮刀速度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

當(dāng)無水乙醇與蒸餾水配比為5∶3(相比于水性聚氨酯樹脂)、薄膜理論厚度為300 μm時，選用4種刮刀速度，研究刮刀速度對薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的影響。薄膜的實(shí)際厚度和面密度測試結(jié)果如表4所示，導(dǎo)熱系數(shù)與刮刀速度的關(guān)系如圖2所示。

表4 薄膜的基本參數(shù)

圖2 不同刮刀速度下薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)

由圖2可知，隨著刮刀速度的增加，薄膜導(dǎo)熱系數(shù)先降低后增加；刮刀速度為50 mm/s時，導(dǎo)熱系數(shù)最小。在刮膜過程中，刮刀速度可改變刮膜厚度，增加涂膜液轉(zhuǎn)移；刮刀在運(yùn)動中拖曳的涂膜液的剪切流動速度與黏度有關(guān)，呈線性分布[17]。當(dāng)理論厚度和涂膜液黏度一定、刮刀速度為30 mm/s時，刮刀拖曳的涂膜液量增多，涂膜液在刮刀前面、側(cè)面的堆積量增大；此時刮刀速度較慢，涂膜液在刮刀兩側(cè)流動，涂膜寬度增大，在定量的涂膜液中刮涂面積增大[18-19]，薄膜實(shí)際厚度降低，面密度減小。當(dāng)刮刀速度為50 mm/s時，刮刀拖曳的涂膜液量降低，涂膜液在刮刀前面、側(cè)面的堆積量減少，涂膜時壓差回流量增加，在理論厚度一定時，功能粒子的載量增加，薄膜實(shí)際厚度明顯增加并達(dá)到極值[20]。但隨著刮刀速度繼續(xù)增大，涂膜時壓差回流量增大，短時間內(nèi)難以快速流動，黏度增大，刮刀上拖曳堆積的涂膜液較多，薄膜實(shí)際厚度和面密度降低。同時厚度改變影響著薄膜單位面積內(nèi)功能粒子的含量，使得導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化。

2.3 無水乙醇與蒸餾水配比對薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的影響

當(dāng)薄膜理論厚度為500 μm、刮刀速度為50 mm/s時，改變無水乙醇與蒸餾水的配比，研究不同配比對薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的影響。薄膜的實(shí)際厚度和面密度測試結(jié)果如表5所示，導(dǎo)熱系數(shù)與不同配比的關(guān)系如圖3所示。

表5 薄膜的基本參數(shù)

圖3 不同無水乙醇與蒸餾水配比下薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)

由圖3可知，隨著無水乙醇與蒸餾水配比的增大，導(dǎo)熱系數(shù)先降低后增加，配比為5∶3時，導(dǎo)熱系數(shù)最低。配比1∶3是涂膜液配制所需添加的最小比例，低于此配比，涂膜液太稀，干燥后無法成膜；配比3∶1是最大比例，超過該配比則涂膜液黏度太大而無法刮涂。這是由于乙醇為擴(kuò)鏈劑，當(dāng)其含量升高后，反應(yīng)速率加快，水性聚氨酯溶液發(fā)生暴聚，分子鏈加長，相對分子質(zhì)量變大，黏度升高，形成“糊狀”[21]；若乙醇含量較少，則只與少量水性聚氨酯發(fā)生反應(yīng)，無法滿足涂膜所需黏度要求，功能粒子無法聯(lián)結(jié)，干燥后薄膜出現(xiàn)分裂現(xiàn)象。因此，乙醇含量會改變涂膜液黏度，影響涂膜液流動性。當(dāng)刮刀速度一定時，溶液黏度越小，流動性越好[19]，涂膜尺寸增加，單位面積功能粒子降低，薄膜厚度和面密度減小；加之刮刀運(yùn)動的擾動，功能粒子的沉降增加，薄膜內(nèi)功能粒子分布較差。而溶液黏度過大，溶液流動性較差，功能粒子難以沉降，功能粒子在溶液中分布較均勻，但刮刀上滯留的涂膜液較多。這是配比為1∶3和3∶1時所制得的兩種薄膜實(shí)際厚度極小和極大的原因。因此，當(dāng)無水乙醇與蒸餾水配比為5∶3時，涂膜液黏度適中，均勻性最佳，薄膜導(dǎo)熱系數(shù)最低。

3 結(jié)論

本文采用成膜法制備輕質(zhì)高性能隔熱薄膜，研究了制備工藝中薄膜理論厚度、刮刀速度、無水乙醇與蒸餾水配比對薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 隨著薄膜理論厚度的增加，薄膜導(dǎo)熱系數(shù)先降低后增加，當(dāng)理論厚度為500 μm(實(shí)際厚度為254.67 μm)時，其導(dǎo)熱系數(shù)最小。

(2) 隨著刮刀速度的增加，薄膜導(dǎo)熱系數(shù)先降低后增加，當(dāng)刮刀速度為50 mm/s時，其導(dǎo)熱系數(shù)最小。

(3) 其他條件一定時，隨著無水乙醇與蒸餾水配比逐漸增大，薄膜導(dǎo)熱系數(shù)先降低后增大，當(dāng)無水乙醇與蒸餾水配比為5∶3時，其導(dǎo)熱系數(shù)最小。