SiO2气凝胶/聚酯-聚乙烯双组分纤维复合保暖材料的制备及其性能

张凌云， 钱晓明， 邹 驰， 邹志伟

(天津工业大学 纺织科学与工程学院， 天津 300387)

随着纺织技术的进步，保暖填充材料从传统的棉、羽绒逐渐扩展到各种新型纤维。如聚烯烃系双组分复合(ES)纤维，可通过热风工艺制成卫生材料、保暖填充料、过滤材料等[1]。该复合纤维皮层部分熔点低，柔软性好，芯层部分熔点与强度高，经过热处理后，皮层一部分熔融可起粘结作用，其余仍保留纤维状态，具有热收缩率小的特征。

SiO2气凝胶在20世纪30年代通过超临界干燥法合成，但其推广应用受到限制。首先是由于气凝胶制备工艺难，成本高，其次是其自身性能有一定的缺陷。近年来，常压干燥法的普及使得大家越来越多地开始关注SiO2气凝胶复合材料的研究。SiO2气凝胶是一种优异的绝热材料，其孔隙率一般在80%～98%之间，有非常大的比表面积，很低的密度，良好的热稳定性能。SiO2气凝胶的热传导率低于空气，声音在其中的传播速度非常低，因此，是非常好的隔热材料、吸声材料、气体过滤材料，同时也可作为催化剂载体使用[2-3]。但SiO2气凝胶强度低、脆性大，在实际使用中通常将SiO2气凝胶与其他纤维复合，改善其力学性能低的缺陷[4]。

关于SiO2气凝胶在非织造材料的应用方面，Mazraeh-shah等[5]利用模具，在SiO2气凝胶水解老化的过程中浸入已经成网的涤纶，经过清洗干燥等步骤制得复合材料，SiO2气凝胶大量充斥在复合材料的缝隙中。这种方法制得的气凝胶非织造复合材料有很好的隔热效果，但由于其上有66%的SiO2气凝胶，并不具备非织造布柔软的特性。Venkataraman等[6-8]也对这种方法制备的SiO2气凝胶非织造复合材料做了一系列的性能研究，如传热、吸声、瞬态传热性能，并进行数值模拟分析[9-11]，结果发现厚度和密度对SiO2气凝胶处理的非织造布的热性能和透气性能有显著影响。Xiong等[12]对SiO2气凝胶的应用进行了一次大胆的创新和突破，以非织造布作为衬底，将SiO2气凝胶粉末均匀地撒在其上，再利用聚丙烯腈纳米纤维静电纺封装，形成静电纺-气凝胶粉末-非织造布的三明治结构，并测试了其物理性能。

综合以上分析，本文利用聚酯-聚乙烯双组分复合纤维内外熔点不同的特点，以粉末自然沉降的方式，通过热风非织造布生产线，制备了SiO2气凝胶/聚酯-聚乙烯纤维复合非织造材料，并测试了其保暖性能、压缩回弹性能、拉伸性能和透气性能，以期研发综合性能较好的复合保暖非织造材料。

1 实验部分

1.1 实验原料

本文使用的ES纤维为聚酯-聚乙烯(PET-PE)双组分皮芯结构复合纤维，由江苏江南高纤股份有限公司制造，纤维线密度分别为0.1、0.3 tex。 SiO2气凝胶粉末由佛山科凝新材料科技有限公司生产，粉末尺寸为5～10 μm，比表面积在500～1 000 m2/g之间。

1.2 试样制备

首先将2种不同线密度的PET-PE纤维分别通过梳理铺网形成纤维网，其生产流程见图1。

图1 生产流程Fig.1 Production process flow

纤维网进入热风烘箱处理之前，在网帘上设置一个网筛装置，该装置内装有一定量的SiO2气凝胶粉末。通过筛网抖动，使气凝胶粉末在重力的作用下，自然沉降在PET-PE纤维网表面，并通过筛网抖动的速度来控制纤维网上气凝胶粉末的质量分数。最后通过热风工艺加固纤维网，同时使气凝胶粉末粘合在纤维网表面制备得到SiO2气凝胶/PET-PE 复合保暖材料。试样的参数如表1所示。

表1 试样参数设置Tab.1 Setting of sample parameter

1.3 性能测试

1.3.1 SiO2气凝胶粉末质量分数测定

PET-PE纤维在热风处理前后的质量损失可忽略不计，因此，通过试样在热风处理前后的质量比来确定SiO2气凝胶粉末的质量分数。热风处理后待样品冷却10 min直至室温后，取出垂直于地面90°，轻拍以去除在纤维间但未粘合在纤维上的多余粉末，然后用AL204型电子分析天平(上海速科实业有限公司)称量，根据下式计算SiO2气凝胶粉末质量分数。

式中：m1、m2分别为PET-PE纤维网热风处理前后的质量，g；ω为PET-PE纤维中气凝胶粉末的质量分数，%。

1.3.2 微观结构观察

采用TM3030型电子显微镜(日立高新技术公司)观察微观状态下SiO2气凝胶粉末与纤维的结合状态。观察前对试样进行喷金处理，加速电压设置为15 kV。

1.3.3 保暖性能测试

在恒温恒湿(温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±2)%)实验室中，使用ASTM型保温性试验机(日本大荣科学精器制作所)测试试样的保暖性能。试样裁剪成面积为30 cm×30 cm的正方形。先校准仪器，设定实验板、保护板、底板温度为36 ℃，预热15～30 min， 待达到设定值后，开始空白实验；空白实验结束后，将试样覆盖于实验板上，保证试样平整，测定实验板在一定时间内保持恒温所需要的加热时间，计算试样的克罗值、保温率以及传热系数。

1.3.4 压缩回弹性能测试

参照GB/T 30709—2014《层压复合垫片材料压缩率和回弹率试验方法》，将试样裁剪为10 cm×10 cm， 先用压强为0.1 kPa的压板轻压1 min后，使用YG141型织物厚度仪(南通三思机电科技有限公司)测量厚度为h1(nm)，之后使用压强为1 kPa的压板重压5 min，测量厚度为h2(nm)，然后将试样在无负荷状态下恢复1 min，最后在轻压状态下加压1 min， 测得厚度为h3(nm)。根据下式计算试样压缩弹性率。

1.3.5 拉伸性能测试

参照GB/T 1447—2005 《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》，使用YG026B型电子织物强力仪(常州市双固顿达机电科技有限公司)测试试样拉伸性能。试样尺寸为50 mm×200 mm，仪器夹持距离设定为20 cm,每个试样测试3次, 取平均值作为最终测试结果。

1.3.6 透气性能测试

参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，使用YG461型全自动织物透气量仪(常州第一纺织设备有限公司)测试试样的透气性能。试样面积为20 cm2，实验压降设置为100 Pa，测试模式为自动，将试样夹持在圆台上，待数据稳定后记录透气率。

2 结果与讨论

2.1 SiO2气凝胶粉末质量分数分析

实际生产过程中，由于纤维网具有多孔结构，部分粉末会直接穿透纤维网掉落。SiO2气凝胶/PET-PE复合保暖材料纤维网质量及SiO2气凝胶粉末质量分数测试结果见表2。可发现，复合保暖材料表面SiO2粉体落于纤维网之上，与纤维接触并粘合的概率是有迹可循的，且可看到随着SiO2气凝胶粉末量增多，由于线密度小的纤维有更加致密的纤维网结构，因此6#～10#试样有更大的概率与SiO2气凝胶粉末结合，造成在同一种工艺下线密度小的纤维粘结有更多的气SiO2气凝胶粉末。

表2 复合保暖材料表面SiO2粉末质量分数Tab.2 SiO2 powder mass fraction on composite thermal insulation material

2.2 微观结构分析

SiO2气凝胶/PET-PE复合保暖材料表面的微观结构见图2。

图2 SiO2气凝胶/PET-PE复合保暖材料表面的微观结构Fig.2 Surface microstructure of SiO2 aerogel/PET-PE fiber composite thermal insulation materials

由图2可看出：未粘合SiO2气凝胶粉末的纤维(1#) 表面光滑无颗粒，添加后的纤维表面有大小不同的块状、颗粒状物附着；SiO2气凝胶与PET-PE纤维的粘结过程中存在点粘合和面粘合。由图2(c)、(d) 可知，SiO2气凝胶粉末受热熔融流动并聚集在纤维的交叉点上，同时纤维熔融相互接触部分会发生扩散，其趋势从点粘合倾向于面粘合；且由于SiO2气凝胶粉末颗粒因摩擦、传导等原因带电，在静电作用下团聚，纤维在粘结过程中吸收机械能和热能，SiO2粒子为降低表面能会通过聚集靠拢达到稳定状态[13-14]。

2.3 保暖性能分析

SiO2气凝胶/PET-PE复合保暖材料的保暖性能测试结果如图3所示。可以看出，PET-PE纤维表面附着SiO2气凝胶粉末后，试样的克罗值随气凝胶粉末质量分数的提高而增大，即试样的保暖性能越好。在保暖材料中对保暖起主要作用的是静止空气层，SiO2气凝胶的加入使材料整体结构中固体的含量增加，因SiO2气凝胶的保暖性能优于空气层(SiO2气凝胶热传导率为0.01 W/(m·K)，低于空气热传导率0.026 3 W/(m·K))，且SiO2气凝胶粘附在纤维表面对纤维起支撑作用，使静止空气增多，因此，加入SiO2气凝胶粉末可使材料整体的保暖效果提升。由图3还可看出，纤维线密度小的试样克罗值低于纤维线密度大的。这是由于线密度小的纤维排列更加致密，纤维间的静止空气与线密度大的相比较少，使试样保暖性能不如纤维线密度大的。虽然SiO2气凝胶的多孔网格结构具有脆性，但纤维在气凝胶中可起到支撑骨架和桥联的作用，能够抑制胶体颗粒的聚集和生长，这也为改善SiO2气凝胶脆性提供了一种解决办法。

图3 SiO2气凝胶粉末质量分数与克罗值变化曲线Fig.3 Variation curve of SiO2 aerogel powder massfraction and crow value

2.4 压缩回弹性能分析

SiO2气凝胶/PET-PE复合保暖材料的压缩回弹性能测试结果如图4所示。可知，随着SiO2气凝胶粉末质量分数的增加，试样的压缩回弹性能也有所提高。这是由于SiO2气凝胶粉末的加入使PET-PE纤维间粉末颗粒增多，纤维与纤维间靠粉末颗粒的支撑，使静止空气层增加，这也从侧面说明SiO2气凝胶粉末的加入能有效提升絮片类材料的压缩回弹性能。由图4还可看出，纤维线密度小的试样压缩回弹性能低于纤维线密度大的，这也是由于线密度小的纤维间的静止空气与线密度大的纤维相比较少的缘故。

图4 SiO2气凝胶粉末质量分数与压缩回弹率变化曲线Fig.4 Variation curve of SiO2 aerogel powder massfraction and compression resilience

2.5 拉伸性能分析

SiO2气凝胶/PET-PE复合保暖材料的拉伸性能测试结果如图5所示。可知，随着SiO2气凝胶粉末质量分数的增加，试样的断裂强力也随之增加。这是由于SiO2气凝胶的骨架尺寸和孔隙均为纳米级别的，可均匀地分散到PET-PE纤维上，与纤维共同承担外力，从而使纤维材料的强力增加；且由于纤维线密度小的试样更加细化致密，造成线密度小的试样断裂强力明显高于纤维线密度大的。

图5 SiO2气凝胶粉末质量分数与断裂强力变化曲线Fig.5 Variation curve of SiO2 aerogel powder mass fraction and fracture strength

2.6 透气性能分析

SiO2气凝胶/PET-PE复合保暖材料的透气性能测试结果如图6所示。SiO2气凝胶粉末的加入对PET-PE纤维产生一定的支撑，同时粉末也取代了部分空气的空间位置。对于纤维线密度大的试样，纤维排列比较疏松，纤维间静止空气较多，加入SiO2气凝胶粉末后，取代了部分空气空间位置，导致试样的透气性能下降；对于纤维线密度小的试样，纤维排列比较致密，纤维间静止空气较少，加入SiO2气凝胶粉末后，粉末对纤维的支撑力较强，增加了部分空气空间位置，导致样品的透气性能呈现上升的趋势。

图6 SiO2气凝胶粉末质量分数与透气率变化曲线Fig.6 Variation curve of SiO2 aerogel powder mass fraction and permeability

3 结 论

本文利用热风工艺生产线，将SiO2气凝胶粉末与聚酯-聚乙烯(PET-PE)双组分纤维复合，得到保暖性能优异的复合保暖材料。SiO2气凝胶粉末以块状、颗粒状粘附在PET-PE纤维表面，对纤维起支撑作用使纤维间静止空气增多，使复合材料的保暖性能、压缩回弹性能和拉伸性能提升；在PET-PE纤维线密度小的非织造布中，SiO2气凝胶粉末与纤维结合得更加致密，对复合保暖材料的压缩回弹性能和拉伸性能提升更多，进而提升了复合保暖材料的透气性能；在纤维线密度大的非织造布中，SiO2气凝胶粉末的加入取代了纤维中的空气空间位置，提升了复合材料的压缩回弹性能和拉伸性能，但复合材料透气性能反而下降。本文采用的制作工艺比静电纺封装、纤维浸渍复合工艺等更加简便易用。

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