SiO2气凝胶混杂芳纶非织布的性能研究

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(1.浙江理工大学材料与纺织学院，杭州 310018；2.浙江省普瑞科技有限公司，杭州 311215)

过去20年，世界局部战争、安全事故造成了大量伤亡，其来最主要的创伤是由爆炸引起的[1-2]。爆炸引起对人体的伤害原因及防护大都是破片伤害和烧伤伤害。爆炸是在某一介质系统中，发生快速的物理变化或化学反应时，系统本身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为对周围介质做机械功[3]。事实上，爆炸产生强烈的冲击波[4]不仅对人体产生显性伤害，即人体脏器的现场损伤，而且也存在隐性伤害，即：症状复杂的灾后疾病。因此，个体防护装备在具备耐高低温性能、耐穿刺性能、抗(破片)冲击性、阻燃性能基础上，亟待研究个体防护装备部件的抗冲击波性能，以有效防止或削弱爆炸冲击波对人体的伤害，并进一步减轻个体防护装备的重量，提高实用性。

SiO2气凝胶是一种新型的纳米多孔材料，有很多优异的性能[5]：孔隙率高，为80%～99.8%，空洞尺寸为1～100 nm[6]；在高温下不分解，无有害气体放出，属于绿色环保型材料；是全球现存最轻、热传导率最低的隔热新材料。SiO2气凝胶中在机械波中的波速特别低[7]，当其在受到机械波时可以吸收大量的能量。

因此，将SiO2气凝胶混杂到个体防护装备中，制备具有抗冲击波性能的个体防护装备用新材料具有现实意义。

1 实 验

1.1 SiO2气凝胶的制备

采用溶胶-凝胶法、CO2超临界干燥制备SiO2气凝胶。首先，将正硅酸乙酯加入反应釜中，加入催化剂搅拌均匀，使之成为具有流变性能的SiO2溶胶；其次，在室温条件下，将SiO2溶胶在反应釜中密闭放置，经过水解-缩聚反应形成湿凝胶；最后，湿凝胶经过老化后采用CO2超临界干燥制备所用SiO2气凝胶。

1.2 SiO2气凝胶混杂芳纶非织布的制备

骨架材料(Matrix Material)采用芳纶1313/1414水刺非织造布，将该试样标记为“试样MM”，2层该试样标记为“试样MM*2”。

采用混杂设备在试样MM的表面施加具有流变性能的SiO2溶胶，SiO2溶胶通过非织造布纤维之间的空隙浸透到另一面，一定时间静置后，试样MM纤维间的SiO2溶胶成为湿凝胶。对其进行醇水置换以及疏水反应，然后采用CO2超临界干燥获得SiO2气凝胶混杂芳纶1313/1414非织造布，将试样标记为“试样SiMM”。

依照个体防护装备的要求，将PTFE多孔膜分别与试样MM、试样MM*2和试样SiMM进行复合，将得到的试样分别标记为“试样PMM”、“试样PMM*2”和“试样PSiMM”。

1.3 SiO2气凝胶混杂芳纶非织布结构与性能测试

1.3.1 厚度与重量测试

实验测试了6个试样的厚度与重量，根据GB/T 24218.1—2009《纺织品 非织造布试验方法 第1部分：单位面积质量的测定》与GB/T 24218.2—2009《纺织品 非织造布试验方法 第2部分：厚度的测定》，同时计算量试样的面密度和体积密度。

1.3.2 材料形貌、元素和孔径测试

使用热场发射扫描电子显微镜(FESEM，德国)，测试SiO2气凝胶混杂芳纶1313/1414非织造布的形貌和局部X射线能谱。采用孔径测试仪(TOPAS PSM165，德国)测试试样的孔径。

1.3.3 热阻与极限氧指数

为了减少爆炸对人员的热损伤，使得防护服装应具备最基本的条件，分别是隔热效果和阻燃效果。

材料的隔热效果通过热阻表征，热阻是指材料间传热能力的大小。采用YG606G热阻湿阻测试仪测试试样的热阻和传热系数。

材料的阻燃效果通过测试材料的极限氧指数表征，极限氧指数是在规定的条件下，材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度。论文采用H2C氧指数测试仪测试实验试样的极限氧指数。

1.3.4 压缩性能测试

冲击波是一种很高压力对介质的作用。压缩功是指材料在冲击波产生产生的压力作用下发生压缩变形所缓冲的能量，而能量吸收能力是指单位体积的材料在压缩变形过程中被压缩至一定的应变量时所吸收的能量。采用Instron3367型万能材料试验机对，参照GB/T 24442.2—2009《纺织品压缩性能的测定》标准，对材料进行压缩性能测试。

2 结果与讨论

2.1 厚度与面密度及体积密度

表1为试样的厚度、平方米质量以及体积密度。在表1中，分别对比试样MM、SiMM和试样PMM、PSiMM，可知混杂SiO2气凝胶后的试样厚度增加，但体积密度没有显著变化。

表1 试样的厚度和平方米质量及体积密度

2.2 表面形貌与X射线能谱

图1(a)为试样MM的形貌，图1(b)为试样SiMM的形貌。由图1可知，SiO2气凝胶以不均匀大小的块状或颗粒状填充到芳纶1313/1414非织造布纤维间的空隙中。

(a)试样MM，标尺为10μm (b)试样SiMM，标尺为10μm图1 试样的形貌

图2为SiO2气凝胶混杂芳纶非织布的纤维表面以及空隙中颗粒表面的X射线能谱图。由图2可知，两图均在1.75 KeV出现Si的特征峰，图2(a)的Si原子百分数仅为0.64%，图2(b)的Si原子百分数为21.48%，即SiO2气凝胶填充在芳纶非织布的纤维的空隙中，纤维表面较少附着。

图2 X射线能谱图

2.3 孔 径

表2为测试各试样的孔径。由表2可知，试样MM与试样PMM比较，由于PTFE膜孔径小，实际测试的孔径以膜孔径为主。

表2 各试样的孔径大小

由表2可知：(a)试样MM与试样PMM比较，由于PTFE膜孔径小，实际测试的孔径以膜孔径为主；(b)试样SiMM、试样PSiMM的孔径显著减小，通过观测试样的形貌得出由于SiO2气凝胶以不均匀大小的颗粒或块状分布在纤维的孔隙中，使芳纶1313/1414非织造布纤维间的大部分孔隙SiO2气凝胶堵塞。

2.4 热阻与极限氧指数

2.4.1 热阻

厚度一直是影响热传导性能的主要因素。由表1可知，试样SiMM的厚度小于试样MM*2，但从表3可见，试样SiMM的热阻小，传热系数大；复合PTFE多孔膜并没有显著改变材料的热传导性能。

SiO2气凝胶提高试样的隔热性能，主要原因是在热量传递的过程是通过温度较高的气体分子与温度低的气体分子碰撞进行。而SiO2气凝胶多孔的尺寸小于空气的，而热气体分子与气凝胶进行碰撞，热能转移到气凝胶结构上，使得热气体气相传导受到限制，试样拥有了隔热的效果。

表3 试样的热阻及传热系数

2.4.2 极限氧指数

LOI为极限氧指数(%)，由式(1)计算得到：

LOI=CF+Kd

(1)

式中：CF为试验数据测试中的最后一个的氧浓度，取小数1位(%)；d为两个氧浓度之差取小数一位(%)；K为系数，查表获取。

由表4可知：试样的极限氧指数均大于26%，为难燃材料。复合PTFE多孔膜降低了试样的极限氧指数；而SiO2气凝胶提高了试样的阻燃效果，主要原因是SiO2气凝胶堵住芳纶1313/1414非织造布纤维间的孔隙，使芳纶非织造布中的纤维与空气接触面积减小，因此试样的极限氧指数增加。

表4 试样的极限氧指数

2.5 压缩性能

图3为压缩变形曲线，图4为应力-应变曲线。

图3 试样的压缩变形曲线

图4 试样的压缩应力-应变曲线

试样的压缩功以及能量吸收能力，分别由式(2)和(3)计算得到：

压缩功

(2)

能量吸收能力

(3)

式中：P为压缩变形曲线，h为载荷；σ为应力应变曲线，εm为应力。

表5为试样的在压缩过程中所做的压缩功和吸收的能量。在表5中，分别将同种材质不同层数的试样比较，可知厚度增加试样的压缩性能增加；而试样SiMM的厚度小于试样MM*2，试样PSiMM的厚度小于试样PMM*2，这说明SiO2气凝胶明显提高了实验试样的压缩功和能量吸收能力。因为SiO2气凝胶是多孔材料，试样在压缩实验过程中，SiO2气凝胶上的孔洞受到压力后被压缩，孔洞的壁面之间相互接触，直到间隙消除从而成为致密材料，试样缓冲冲击波的效果实在被压垮过程中达到的。

表5 试样的压缩功和能量吸收能力

3 结 论

采用溶胶-凝胶法制备SiO2气凝胶，并在制备过程中将其混杂在芳纶1313/1414非织造布，并复合PTFE多孔膜。制得的试样中SiO2气凝胶填充在芳纶1313/1414非织造布纤维间的孔隙中，使纤维间的距离增大，同时非织造布厚度增加，但几种试样的体积密度保持基本不变；SiO2气凝胶使芳纶1313/1414非织造布的隔热性能和阻燃性能均有所增强，并且在指标相同要求下，作为个体防护装备的使用，减轻了重量，能够避免服装臃肿；SiO2气凝胶提高了芳纶1313/1414非织造布的压缩性能，在压缩过程中试样的能量吸收能力增加，对开发具有防护爆炸冲击波功能的防护服面料具有指导作用。

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