SiO2气凝胶含量对单层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

刘国熠，刘元军，赵晓明

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387；2.天津市消防局，天津 300090)

0 前言

SiO2气凝胶属于无定型纳米级多孔材料，其密度最低可达3 mg/cm3，孔隙率高达95 %以上，孔径尺寸小于100 nm，其纳米多孔结构决定了SiO2气凝胶具备高效抑制固相和气相热传导的能力，是密度和导热系数最低的固体材料之一[1-2]。因该类填料具备优异的隔热性能，其在热防护相关领域应用较为广泛[3-5]。

制备出具有良好高温热稳定性能且高效隔热的柔性复合材料是消防避火服等热防护领域研究的重点和难点问题之一[6-7]。为增强消防避火服在高温明火环境中的防护效果，延长该类服装在明火火场中的使用时间，选取耐受高温性能和柔性均较为优异的有机硅树脂作为涂层基料[8-10]，加入不同质量分数的SiO2气凝胶，通过优化填料配比与工艺流程，制备出适用于消防避火服应用环境的单层涂层柔性复合材料，对其隔热性能和高温热稳定性等热防护相关性能进行对比与分析，并对SiO2气凝胶的作用机理进行了分析。

1 实验部分

1.1 实验材料

(1)基布：玻璃纤维膨体纱织物，1000 g/m2，由山东淄博思创玻璃纤维有限公司提供。

(2)树脂：苯甲基硅树脂，型号1153，购于上海树脂厂。

(3)功能填料：SiO2气凝胶，购于纳诺科技有限公司；Fe2O3、CaCO3、滑石粉均为分析纯，购于天津光复精细化工研究所。

(4)溶剂及偶联剂：无水乙醇，分析纯，购于天津市科密欧化学试剂有限公司；偶联剂KH550，分析纯，购于天津光复精细化工研究所。

1.2 实验仪器

TPS-2500S型Hot Disk热常数分析仪(瑞典凯戈纳斯有限公司)；STA409PC型同步热分析仪(德国Netzsch公司)。

1.3 制备方法

单层涂层柔性复合材料制备工艺流程如图1所示，主要分为以下三个步骤：

图1 单层涂层柔性复合材料制备工艺流程图

(1)用无水乙醇清洗基布，晾干，放入样品袋；

(2)将有机硅树脂溶于无水乙醇中，充分搅拌，加入Fe2O3、滑石粉等耐高温填料，分别加入质量分数为0 %、3 %、6 %和9 %的所讨论的SiO2气凝胶，并加入偶联剂，利用磁力搅拌器充分搅拌制备成涂层液，封口保存；

该区域大面积分布的水稻土、砖红壤性红壤(赤红壤)有利于粮食作物、林木作物生长，要加强水利设施建设，保证此区域的高质优产。县城西南部土壤为河流冲积物，土壤剖面均为砂质粉沙状，部分区域土层平均厚度达1 m左右。土体通气透水性能好，植物扎根容易，不易受涝。但由于沙多泥少，蓄水保水能力差，易漏水漏肥，较干旱。应采取改良培肥措施，综合治理沙土。

(3)涂层厚度确定为0.5 mm，用小样涂层机涂层后，在180 ℃下烘焙2h，标记后装于样品袋内，单层涂层柔性复合材料制备完毕。

1.4 测试方法

1.4.1 隔热性能的测定

根据材料厚度选用适宜探头，使用Hot Disk热常数分析仪对不同种类外层织物进行导热系数的测试与分析[11]。

1.4.2 高温热稳定性能的测定

使用STA 409PC型热重分析仪对柔性复合材料的热稳定性能进行分析，测试的温度范围为36℃～1200℃，升温速率为10 K/min，测试环境为空气气氛。

2 结果与讨论

2.1 SiO2气凝胶含量对单层涂层柔性复合材料隔热性能的影响

为探究SiO2气凝胶含量对单层涂层柔性复合材料隔热性能的影响，使用Hot Disk热常数分析仪对各样品的导热系数进行测试，测试结果如表1所示。

表1 SiO2气凝胶含量对单层涂层柔性复合材料隔热性能的影响

气凝胶质量分数/%0369导热系数/(W/m·K)0.2370.23620.17940.068

根据表1所示数据，可知随着SiO2气凝胶质量分数的增加，所制备三层涂层柔性复合材料样品的导热系数明显下降，样品的隔热性能得到了较为显著的提升。为更直观地对比SiO2气凝胶含量对单层涂层柔性复合材料隔热性能的影响，根据表1所示数据绘制如图2所示的不同质量分数SiO2气凝胶单层涂层柔性复合材料样品隔热性能对比图。

图2 不同质量分数SiO2气凝胶单层涂层柔性复合材料样品隔热性能对比图

根据图2所示，当SiO2气凝胶质量分数由0%增至3%时，单层涂层柔性复合材料样品的导热系数下降幅度并不明显，下降百分率为0.34%；当SiO2气凝胶质量分数由3%继续增大，样品的导热系数下降幅度逐渐增大；当SiO2气凝胶质量分数为9%时，样品的导热系数比未加入时下降了71.31%，样品的隔热性能显著增强。

2.2 SiO2气凝胶含量对单层涂层柔性复合材料隔热性能的影响

为探究SiO2气凝胶含量对单层涂层柔性复合材料高温热稳定性的影响，对含有0 %和9 %的SiO2气凝胶单层涂层柔性复合材料样品进行热重分析，得到如图3所示热重曲线对比图。

图3 加入SiO2气凝胶前后单层涂层柔性复合材料热重曲线对比

如图3所示，加入质量分数为9 %的SiO2气凝胶前后，样品均在350 ℃至650 ℃的范围内出现了明显的失重。在这一主要失重阶段，加入质量分数为9 %的SiO2气凝胶后样品的失重速率明显上升。当温度升至1000 ℃后，加入SiO2气凝胶前后单层涂层柔性复合材料的残余质量分别为91.39%和86.98%，说明加入该填料后，样品的高温热稳定性出现了一定程度的减弱。出现上述现象可能的原因是SiO2气凝胶填料主要由二氧化硅材料组成，耐高温性能较好，但是由于其具备纳米孔径，骨架脆性较强，受热时会出现收缩变形，而导致制备SiO2气凝胶填料过程中残留的甲基等有机基团与测试气氛空气相接触，在高温下发生反应造成失重，因而导致含气凝胶失重速率相对较大[16-18]。

3 结论

通过对不同质量分数SiO2气凝胶单层涂层柔性复合材料的隔热性能和高温热稳定性能等热防护相关性能进行对比，得到以下结论：

(1)随着SiO2气凝胶含量的逐渐增大，单层涂层柔性复合材料样品的隔热性能显著增强。相较未加入该类填料时，当SiO2气凝胶质量分数为9%时，单层涂层样品的导热系数下降了71.31%，样品的隔热性能显著增强，这可能与该类填料自身的纳米孔隙结构和其在涂层体系中的分布状态有关。

(2)加入SiO2气凝胶后，单层涂层柔性复合材料样品的失重速率明显增加，其高温热稳定性能出现了一定程度的减弱。当温度升至1000 ℃后，加入SiO2气凝胶前后单层涂层柔性复合材料的残余质量分别为91.39%和86.98%，出现上述现象可能与SiO2气凝胶孔隙结构在高温下出现了收缩甚至坍塌，导致了涂层体系的结构缺陷。