SiO2氣凝膠/聚酯-聚乙烯雙組分纖維復合保暖材料的制備及其性能

張凌云， 錢曉明， 鄒 馳， 鄒志偉

(天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387)

隨著紡織技術的進步，保暖填充材料從傳統的棉、羽絨逐漸擴展到各種新型纖維。如聚烯烴系雙組分復合(ES)纖維，可通過熱風工藝制成衛生材料、保暖填充料、過濾材料等[1]。該復合纖維皮層部分熔點低，柔軟性好，芯層部分熔點與強度高，經過熱處理后，皮層一部分熔融可起粘結作用，其余仍保留纖維狀態，具有熱收縮率小的特征。

SiO2氣凝膠在20世紀30年代通過超臨界干燥法合成，但其推廣應用受到限制。首先是由于氣凝膠制備工藝難，成本高，其次是其自身性能有一定的缺陷。近年來，常壓干燥法的普及使得大家越來越多地開始關注SiO2氣凝膠復合材料的研究。SiO2氣凝膠是一種優異的絕熱材料，其孔隙率一般在80%～98%之間，有非常大的比表面積，很低的密度，良好的熱穩定性能。SiO2氣凝膠的熱傳導率低于空氣，聲音在其中的傳播速度非常低，因此，是非常好的隔熱材料、吸聲材料、氣體過濾材料，同時也可作為催化劑載體使用[2-3]。但SiO2氣凝膠強度低、脆性大，在實際使用中通常將SiO2氣凝膠與其他纖維復合，改善其力學性能低的缺陷[4]。

關于SiO2氣凝膠在非織造材料的應用方面，Mazraeh-shah等[5]利用模具，在SiO2氣凝膠水解老化的過程中浸入已經成網的滌綸，經過清洗干燥等步驟制得復合材料，SiO2氣凝膠大量充斥在復合材料的縫隙中。這種方法制得的氣凝膠非織造復合材料有很好的隔熱效果，但由于其上有66%的SiO2氣凝膠，并不具備非織造布柔軟的特性。Venkataraman等[6-8]也對這種方法制備的SiO2氣凝膠非織造復合材料做了一系列的性能研究，如傳熱、吸聲、瞬態傳熱性能，并進行數值模擬分析[9-11]，結果發現厚度和密度對SiO2氣凝膠處理的非織造布的熱性能和透氣性能有顯著影響。Xiong等[12]對SiO2氣凝膠的應用進行了一次大膽的創新和突破，以非織造布作為襯底，將SiO2氣凝膠粉末均勻地撒在其上，再利用聚丙烯腈納米纖維靜電紡封裝，形成靜電紡-氣凝膠粉末-非織造布的三明治結構，并測試了其物理性能。

綜合以上分析，本文利用聚酯-聚乙烯雙組分復合纖維內外熔點不同的特點，以粉末自然沉降的方式，通過熱風非織造布生產線，制備了SiO2氣凝膠/聚酯-聚乙烯纖維復合非織造材料，并測試了其保暖性能、壓縮回彈性能、拉伸性能和透氣性能，以期研發綜合性能較好的復合保暖非織造材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

本文使用的ES纖維為聚酯-聚乙烯(PET-PE)雙組分皮芯結構復合纖維，由江蘇江南高纖股份有限公司制造，纖維線密度分別為0.1、0.3 tex。 SiO2氣凝膠粉末由佛山科凝新材料科技有限公司生產，粉末尺寸為5～10 μm，比表面積在500～1 000 m2/g之間。

1.2 試樣制備

首先將2種不同線密度的PET-PE纖維分別通過梳理鋪網形成纖維網，其生產流程見圖1。

圖1 生產流程Fig.1 Production process flow

纖維網進入熱風烘箱處理之前，在網簾上設置一個網篩裝置，該裝置內裝有一定量的SiO2氣凝膠粉末。通過篩網抖動，使氣凝膠粉末在重力的作用下，自然沉降在PET-PE纖維網表面，并通過篩網抖動的速度來控制纖維網上氣凝膠粉末的質量分數。最后通過熱風工藝加固纖維網，同時使氣凝膠粉末粘合在纖維網表面制備得到SiO2氣凝膠/PET-PE 復合保暖材料。試樣的參數如表1所示。

表1 試樣參數設置Tab.1 Setting of sample parameter

1.3 性能測試

1.3.1 SiO2氣凝膠粉末質量分數測定

PET-PE纖維在熱風處理前后的質量損失可忽略不計，因此，通過試樣在熱風處理前后的質量比來確定SiO2氣凝膠粉末的質量分數。熱風處理后待樣品冷卻10 min直至室溫后，取出垂直于地面90°，輕拍以去除在纖維間但未粘合在纖維上的多余粉末，然后用AL204型電子分析天平(上海速科實業有限公司)稱量，根據下式計算SiO2氣凝膠粉末質量分數。

式中：m1、m2分別為PET-PE纖維網熱風處理前后的質量，g；ω為PET-PE纖維中氣凝膠粉末的質量分數，%。

1.3.2 微觀結構觀察

采用TM3030型電子顯微鏡(日立高新技術公司)觀察微觀狀態下SiO2氣凝膠粉末與纖維的結合狀態。觀察前對試樣進行噴金處理，加速電壓設置為15 kV。

1.3.3 保暖性能測試

在恒溫恒濕(溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%)實驗室中，使用ASTM型保溫性試驗機(日本大榮科學精器制作所)測試試樣的保暖性能。試樣裁剪成面積為30 cm×30 cm的正方形。先校準儀器，設定實驗板、保護板、底板溫度為36 ℃，預熱15～30 min， 待達到設定值后，開始空白實驗；空白實驗結束后，將試樣覆蓋于實驗板上，保證試樣平整，測定實驗板在一定時間內保持恒溫所需要的加熱時間，計算試樣的克羅值、保溫率以及傳熱系數。

1.3.4 壓縮回彈性能測試

參照GB/T 30709—2014《層壓復合墊片材料壓縮率和回彈率試驗方法》，將試樣裁剪為10 cm×10 cm， 先用壓強為0.1 kPa的壓板輕壓1 min后，使用YG141型織物厚度儀(南通三思機電科技有限公司)測量厚度為h1(nm)，之后使用壓強為1 kPa的壓板重壓5 min，測量厚度為h2(nm)，然后將試樣在無負荷狀態下恢復1 min，最后在輕壓狀態下加壓1 min， 測得厚度為h3(nm)。根據下式計算試樣壓縮彈性率。

1.3.5 拉伸性能測試

參照GB/T 1447—2005 《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，使用YG026B型電子織物強力儀(常州市雙固頓達機電科技有限公司)測試試樣拉伸性能。試樣尺寸為50 mm×200 mm，儀器夾持距離設定為20 cm,每個試樣測試3次, 取平均值作為最終測試結果。

1.3.6 透氣性能測試

參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，使用YG461型全自動織物透氣量儀(常州第一紡織設備有限公司)測試試樣的透氣性能。試樣面積為20 cm2，實驗壓降設置為100 Pa，測試模式為自動，將試樣夾持在圓臺上，待數據穩定后記錄透氣率。

2 結果與討論

2.1 SiO2氣凝膠粉末質量分數分析

實際生產過程中，由于纖維網具有多孔結構，部分粉末會直接穿透纖維網掉落。SiO2氣凝膠/PET-PE復合保暖材料纖維網質量及SiO2氣凝膠粉末質量分數測試結果見表2。可發現，復合保暖材料表面SiO2粉體落于纖維網之上，與纖維接觸并粘合的概率是有跡可循的，且可看到隨著SiO2氣凝膠粉末量增多，由于線密度小的纖維有更加致密的纖維網結構，因此6#～10#試樣有更大的概率與SiO2氣凝膠粉末結合，造成在同一種工藝下線密度小的纖維粘結有更多的氣SiO2氣凝膠粉末。

表2 復合保暖材料表面SiO2粉末質量分數Tab.2 SiO2 powder mass fraction on composite thermal insulation material

2.2 微觀結構分析

SiO2氣凝膠/PET-PE復合保暖材料表面的微觀結構見圖2。

圖2 SiO2氣凝膠/PET-PE復合保暖材料表面的微觀結構Fig.2 Surface microstructure of SiO2 aerogel/PET-PE fiber composite thermal insulation materials

由圖2可看出：未粘合SiO2氣凝膠粉末的纖維(1#) 表面光滑無顆粒，添加后的纖維表面有大小不同的塊狀、顆粒狀物附著；SiO2氣凝膠與PET-PE纖維的粘結過程中存在點粘合和面粘合。由圖2(c)、(d) 可知，SiO2氣凝膠粉末受熱熔融流動并聚集在纖維的交叉點上，同時纖維熔融相互接觸部分會發生擴散，其趨勢從點粘合傾向于面粘合；且由于SiO2氣凝膠粉末顆粒因摩擦、傳導等原因帶電，在靜電作用下團聚，纖維在粘結過程中吸收機械能和熱能，SiO2粒子為降低表面能會通過聚集靠攏達到穩定狀態[13-14]。

2.3 保暖性能分析

SiO2氣凝膠/PET-PE復合保暖材料的保暖性能測試結果如圖3所示。可以看出，PET-PE纖維表面附著SiO2氣凝膠粉末后，試樣的克羅值隨氣凝膠粉末質量分數的提高而增大，即試樣的保暖性能越好。在保暖材料中對保暖起主要作用的是靜止空氣層，SiO2氣凝膠的加入使材料整體結構中固體的含量增加，因SiO2氣凝膠的保暖性能優于空氣層(SiO2氣凝膠熱傳導率為0.01 W/(m·K)，低于空氣熱傳導率0.026 3 W/(m·K))，且SiO2氣凝膠粘附在纖維表面對纖維起支撐作用，使靜止空氣增多，因此，加入SiO2氣凝膠粉末可使材料整體的保暖效果提升。由圖3還可看出，纖維線密度小的試樣克羅值低于纖維線密度大的。這是由于線密度小的纖維排列更加致密，纖維間的靜止空氣與線密度大的相比較少，使試樣保暖性能不如纖維線密度大的。雖然SiO2氣凝膠的多孔網格結構具有脆性，但纖維在氣凝膠中可起到支撐骨架和橋聯的作用，能夠抑制膠體顆粒的聚集和生長，這也為改善SiO2氣凝膠脆性提供了一種解決辦法。

圖3 SiO2氣凝膠粉末質量分數與克羅值變化曲線Fig.3 Variation curve of SiO2 aerogel powder massfraction and crow value

2.4 壓縮回彈性能分析

SiO2氣凝膠/PET-PE復合保暖材料的壓縮回彈性能測試結果如圖4所示。可知，隨著SiO2氣凝膠粉末質量分數的增加，試樣的壓縮回彈性能也有所提高。這是由于SiO2氣凝膠粉末的加入使PET-PE纖維間粉末顆粒增多，纖維與纖維間靠粉末顆粒的支撐，使靜止空氣層增加，這也從側面說明SiO2氣凝膠粉末的加入能有效提升絮片類材料的壓縮回彈性能。由圖4還可看出，纖維線密度小的試樣壓縮回彈性能低于纖維線密度大的，這也是由于線密度小的纖維間的靜止空氣與線密度大的纖維相比較少的緣故。

圖4 SiO2氣凝膠粉末質量分數與壓縮回彈率變化曲線Fig.4 Variation curve of SiO2 aerogel powder massfraction and compression resilience

2.5 拉伸性能分析

SiO2氣凝膠/PET-PE復合保暖材料的拉伸性能測試結果如圖5所示。可知，隨著SiO2氣凝膠粉末質量分數的增加，試樣的斷裂強力也隨之增加。這是由于SiO2氣凝膠的骨架尺寸和孔隙均為納米級別的，可均勻地分散到PET-PE纖維上，與纖維共同承擔外力，從而使纖維材料的強力增加；且由于纖維線密度小的試樣更加細化致密，造成線密度小的試樣斷裂強力明顯高于纖維線密度大的。

圖5 SiO2氣凝膠粉末質量分數與斷裂強力變化曲線Fig.5 Variation curve of SiO2 aerogel powder mass fraction and fracture strength

2.6 透氣性能分析

SiO2氣凝膠/PET-PE復合保暖材料的透氣性能測試結果如圖6所示。SiO2氣凝膠粉末的加入對PET-PE纖維產生一定的支撐，同時粉末也取代了部分空氣的空間位置。對于纖維線密度大的試樣，纖維排列比較疏松，纖維間靜止空氣較多，加入SiO2氣凝膠粉末后，取代了部分空氣空間位置，導致試樣的透氣性能下降；對于纖維線密度小的試樣，纖維排列比較致密，纖維間靜止空氣較少，加入SiO2氣凝膠粉末后，粉末對纖維的支撐力較強，增加了部分空氣空間位置，導致樣品的透氣性能呈現上升的趨勢。

圖6 SiO2氣凝膠粉末質量分數與透氣率變化曲線Fig.6 Variation curve of SiO2 aerogel powder mass fraction and permeability

3 結 論

本文利用熱風工藝生產線，將SiO2氣凝膠粉末與聚酯-聚乙烯(PET-PE)雙組分纖維復合，得到保暖性能優異的復合保暖材料。SiO2氣凝膠粉末以塊狀、顆粒狀粘附在PET-PE纖維表面，對纖維起支撐作用使纖維間靜止空氣增多，使復合材料的保暖性能、壓縮回彈性能和拉伸性能提升；在PET-PE纖維線密度小的非織造布中，SiO2氣凝膠粉末與纖維結合得更加致密，對復合保暖材料的壓縮回彈性能和拉伸性能提升更多，進而提升了復合保暖材料的透氣性能；在纖維線密度大的非織造布中，SiO2氣凝膠粉末的加入取代了纖維中的空氣空間位置，提升了復合材料的壓縮回彈性能和拉伸性能，但復合材料透氣性能反而下降。本文采用的制作工藝比靜電紡封裝、纖維浸漬復合工藝等更加簡便易用。

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