新型轻质透气保暖复合材料的制备及性能

韩健健，胡勇杰，刘 谷

（1.广东产品质量监督检验研究院，广东广州 510670；2.广州恩沣新材料科技有限公司，广东广州 511400）

保暖服装可以帮助人们抵御严寒，在日常生活中十分重要。但传统的保暖服装一般都比较厚重、臃肿。随着物质生活水平的提高，人们迫切需要更加舒适美观的保暖服装。气凝胶作为一种具有超高孔隙率（大于90%）的三维纳米材料［1］，主要以气态形式进行热传导，固态热的传导率较小，仅为气凝胶材料的0.2%左右，因此具有优异的隔热性能［2］。气凝胶在服装领域的应用主要集中于航空航天以及军用特种服装等方面［3］。NASA 部署下的阿斯彭气凝胶公司早在2002 年就将更具耐受性和柔韧强度的气凝胶应用于太空服隔热保暖衬里，厚度为18 mm 的气凝胶衬里能帮助宇航员抵抗-130 ℃的低温［4］。Corpo Nove 公司采用气凝胶材料设计出耐极端气温（-25～1 500 ℃）的防寒服［5］。美国海军开发出的气凝胶内衣可显著增强潜水服的防护性能，降低人体温度的下降速度，延长潜水时间［6］。气凝胶具有优异的隔热保暖性能，但超低密度、高孔隙率及独特的网络结构使其模量小、强度低、脆性大，难以达到服装用隔热防护材料要求的力学性能［5］，因此需要与其他材料复合。目前市售的气凝胶复合材料多是后期将气凝胶填充于已成型的材料孔隙中，并未与主体材料融为一体，易粉末化脱落［7］，耐久性差［8］，且透气性随填充下降，服装的穿着舒适性较差。鉴于此，开发轻质、透气、保暖的新型服装用复合材料具有十分重要的现实意义。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：SiO2纳米气凝胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、三烯丙基氰尿酸酯、偶氮二甲酰胺、硬脂酸、硬脂酸锌、轻质碳酸钙、滑石粉、受阻酚类抗氧剂CHEMNOX-B900（广州恩沣新材料科技有限公司）。

仪器：密炼机、开炼机、螺杆式注射机、模具胸腔、恒温输送带、劈刀、打孔机（广州恩沣新材料科技有限公司）。

1.2 复合材料的制备

按照质量比取EVA、纳米气凝胶、硬脂酸、硬脂酸锌、三烯丙基氰尿酸酯、偶氮二甲酰胺、轻质碳酸钙、滑石粉以及抗氧剂，置于密炼机中混合搅拌，在80～90 ℃下密炼8～10 min，放到开炼机中以50～60 ℃开炼5～8 min，均匀压片后在85～95 ℃下造粒。将造粒好的材料输入螺杆式注射机的料筒中，在80～90 ℃下塑化加工，在注射压力大于等于65 MPa、速率大于等于200 mm/s 下将材料注射到已抽真空的模具胸腔内170～180 ℃加温400～1 200 s。将制得的产品以大于等于350 mm/s 的速率进行高速开模，让产品模外发泡成型，得EVA 发泡产品，送入50～60 ℃恒温输送带热处理定形，再劈刀处理，得厚度为0.2～2.0 mm 的气凝胶EVA保温复合片材，最后打孔（孔径1～10 mm），得气凝胶EVA 轻质透气保温复合片材。

1.3 测试

依据GB/T 35762—2017、GB/T 4669—2008、GB/T 5453—1997 分别测试保暖性能（克罗值、保温率、传热系数和热阻）、单位面积质量和透气性。

2 结果与讨论

2.1 保暖性能的影响因素

2.1.1 气凝胶用量

由图1 可知，气凝胶用量小于10%时，随着气凝胶用量增加，克罗值上升快，保温率同步增长；超过10%时，克罗值和保温率依然增长，但增幅减小。未添加气凝胶的片材克罗值仅0.225，保温率为27.100%，与职业装要求的克罗值（1.000）相差甚远，难以满足服装的保暖要求。用量为10%时，克罗值为1.238，保温率为46.8%，相当于厚度为5.0～6.0 mm 的羽绒服或厚度为25.0 mm 的化纤棉。可见添加适量气凝胶可提高复合片材的克罗值和保温率，达到保暖要求。

图1 气凝胶用量对复合片材克罗值和保温率的影响

气凝胶用量对复合片材热阻和传热系数的影响见图2。

图2 气凝胶用量对复合片材热阻和传热系数的影响

由图2 可知，气凝胶用量小于10%时，随着气凝胶用量增加，热阻上升较快，传热系数下降较快；超过10%时，热阻上升、传热系数下降趋势不变，但幅度减小。未添加气凝胶的片材热阻仅0.035 m2·K/W，与FZ/T 64020—2011 中的最低要求（0.090 m2·K/W）相差甚远，传热系数高达28.57 W/(m2·K)，不能满足服装的保暖要求；5%时热阻为0.126 m2·K/W，高于FZ/T 64020—2011 中对一等品的要求（0.120 m2·K/W）；10%时热阻为0.192 m2·K/W，高于FZ/T 64020—2011中对优等品的要求（0.160 m2·K/W）。

综上所述，添加气凝胶可显著提高复合片材的保暖性能，用量在5%～20%时，可使复合片材达到不同保暖服装的要求。

2.1.2 复合片材厚度

由图3 可看出，厚度对复合片材保暖性能影响较大，随着厚度增加，克罗值和保温率基本呈直线上升趋势，这是由于织物的克罗值具有加和性。厚度为2.0 mm 时，克罗值达到1.600，保温率为54.3%，高于厚度为5.0～6.0 mm 的一般羽绒服或厚度为25.0 mm的化纤棉。因此，采用该复合片材制备的服装保暖性能良好，轻薄不臃肿，美观又实用。

图3 厚度对复合片材克罗值和保温率的影响

2.2 单位面积质量

以气凝胶用量为10%、厚度为1.0 mm 的复合片材为例。由表1 可知，未添加气凝胶的EVA 和复合片材的单位面积质量基本无差异。

表1 EVA 和复合片材的单位面积质量

因为EVA 与气凝胶混合后炼制成型，气凝胶增加质量的同时体积也变大；且EVA 和气凝胶密度均很小，添加少量的气凝胶对单位面积质量影响较小。单位面积质量较小是因为EVA 发泡后密度很小，气凝胶是世界上密度最小的固体，因此复合片材质量轻，制备的保暖服装轻便，穿戴者灵活性基本不受限，有利于减轻负担，特别适用于冬季户外活动、工作。

2.3 透气性

测试条件：1 号喷嘴，实验面积20.0 cm2，试样两侧压降100.0 Pa。由表2可知，不同气凝胶用量的复合片材透气性均良好，满足服装产品的需要。气凝胶用量对复合片材的透气性基本无影响，因为EVA 与气凝胶混合后炼制成型，气凝胶-高分子一体式复合片材不仅能保证高透气性，也能使气凝胶牢固负载于材料中，不在使用时脱落，稳定性良好。

表2 复合片材的透气性

3 结论

以EVA 为主体材料，将气凝胶与EVA 混合后炼制成型，成功制备复合片材。该复合片材具有良好保暖性能的同时又轻质、透气，可克服传统保暖服装臃肿厚重的缺点，具有良好的使用价值。