3D织物增强三相功能复合材料的制备及研究

周 强，支 超，文力锋，余灵婕，孟家光

(1.西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048；2.西安工程大学功能性纺织材料与制品教育部重点实验室，陕西 西安 710048)

0 引言

节能减排是实现可持续发展战略的基本要求。目前，建筑能耗已达到社会总能耗的30%[1-2]，住宅能量散失问题已成为社会热点话题。因此，优秀的保温隔热材料吸引了大量研究者的目光[3-5]。聚氨酯(PU)是最常见的保温隔热材料之一，它的保温隔热性能远高于很多常见材料如矿棉[6]、聚乙烯泡沫[7]、橡胶发泡材料(EVA)[8]。但PU力学性能有所缺陷，同时面对当今社会在材料保温隔热方面日益严苛的性能要求，PU材料的性能需要得到改善和提升[9-11]。二氧化硅气凝胶因其孔隙率高，内部呈三维网状结构等特点，具有优秀的保温隔热能力[12]。因此有研究者尝试将二氧化硅气凝胶与PU复合，希望可以增强PU的保温隔热能力。徐峰[13]在研究中将二氧化硅气凝胶粉末加入PU配料异氰酸酯中，再与聚醚多元醇混合发泡成PU基复合材料，结果显示二氧化硅气凝胶的加入降低了PU的热导率。这证明了利用二氧化硅气凝胶改善PU保温隔热能力是可行的。这种方式虽然提升了PU的保温隔热能力，但因为二氧化硅气凝胶及PU都存在力学性能不足的问题，所以由它们复合而成的材料总体力学性能依旧堪忧[14-15]。3D间隔织物是一种由上下两个表面层及间隔丝层组成的三维立体结构织物，特殊的空间结构使织物具有轻量化、缓冲性好、整体性好等特点，常作为复合材料骨架使用[16]。刘宏[17]在研究中将3D间隔织物作为骨架材料与PU相复合，所得复合材料力学性能远高于纯PU材料。这证明了以间隔织物作为骨架来增强PU材料力学性能是可行的。

综上所述，为解决PU材料力学及保温隔热性能不足的问题，本研究将间隔织物与PU相复合，再将二氧化硅气凝胶浸渍其中，制备出参数不同的3D织物/气凝胶/PU基三相复合材料，测试材料之间保温隔热性能、压缩性能、吸湿及疏水性能等差异，分析二氧化硅气凝胶及间隔织物的加入对PU材料各种性能的影响规律。

1 试验

1.1 试验材料

叔丁醇(AR)购买自西陇科学股份有限公司、聚醚多元醇与异氰酸酯购买自山东柏加河化工科技有限公司、N-N二甲基甲酰胺(AR)购买自富宇精细化工有限公司。水玻璃试剂(含量42%)购买自欧联宏达工贸有限公司、盐酸(含量36%～38%)、三甲基氯硅烷(AR)与甲基三甲氧基硅烷(AR)购买自阿拉丁试剂有限公司、间隔织物为本实验室自己设计并织造，将间隔织物根据面组织结构不同命名为A1、A2。间隔织物参数如表1所示，间隔织物面组织结构如图1所示:

表1 间隔织物参数

图1 间隔织物面组织结构图

1.2 样品制备步骤

首先，将PU泡沫填充至间隔织物上下面层之间，制备成间隔织物及PU复合材料。在烧杯中依次加入适量液体硅酸钠，去离子水，N-N-二甲基甲酰胺，甲基三甲氧基硅烷，然后将配有混合溶液的烧杯放置在磁力搅拌机上使各试剂充分混合。将混合溶液平均分配到放有间隔织物及PU复合材料的培养皿中，将培养皿静置24小时使其形成凝胶。取出样品放在烧杯中，在烧杯中加入适量去离子水，40℃水浴加热12小时，以去除样品中含有的钠离子。接着在烧杯中加入适量叔丁醇，40℃水浴加热12小时，期间每6小时更换一次叔丁醇，以除去样品中的水分。再将叔丁醇与三甲基氯硅烷按照46∶4的比例配置250mL放入烧杯中，将样品放入混合溶液中40℃水浴加热12小时，使样品疏水。然后在烧杯中加入适量叔丁醇，40℃水浴加热12小时，期间每6小时更换一次叔丁醇，以除去样品中的三甲基氯硅烷。最后将样品取出放置在培养皿中，用保鲜膜包裹住培养皿，在保鲜膜表面扎一些小孔，将培养皿放置在冰箱中冷冻12小时。取出样品，将样品放置在冷冻干燥机中，干燥48小时。样品制备图如图2所示。将PU、A1增强复合材料、A2增强复合材料分别命名为PU、SA-CW、SA-HM，材料俯视图及正视图如图3所示:

图2 三相复合材料制备图

图3 PU、SA-HM、SA-CW三种材料实物图

1.3 试验方法

1.3.1 样品密度及孔隙率测试

先利用电子天平测试样品质量，在称量时将天平归零后，将样品放入天平中心处，得出数据后记录，再根据密度计算公式:

得出样品的密度，其中M为复合材料的质量(g)，V为复合材料的体积(cm3)。

利用排乙醇法测试样品孔隙率，在测试时先将干燥样品称重记为m0，然后将其完全浸入含有乙醇的容器中，称量并记总重量为m1，将含有样品的容器置于真空干燥器中，抽真空，直至没有气泡从样品中逸出为止。取出样品，称量残留乙醇容器的质量，记为m2。每种样品用平行样品重复测试四次。样品孔隙率计算公式如下:

1.3.2 热导率测试

使用导热系数仪(TC3000E，XIATECH，China)测量SA-HM、SA-CW和PU的导热系数，每种样品测试五次取平均值。样品直径为7cm，厚度为0.7cm。在测试时将传感器夹持在两个相同参数的样品中间，水平放置，再用500g的砝码将材料与传感器之间压紧，然后利用热线法的原理测试出样品热导率数据。

1.3.3 压缩性能测试

采用电子万能试验机(3366，Instron Co.Ltd.，USA)根据(GB/T8813-2008)以5mm/min的速率测定SA-HM、SA-C以及PU的压缩性能(样品直径为5cm、厚度为0.7cm)。

1.3.4 吸湿率及疏水性

按照(GB/T 5480-2017)的要求，首先将样品在60℃的烘箱中烘干，直到质量不变(连续两次重量之差不大于样品重量的2%)。记干燥后样品的初始质量为m0。然后将样品置于恒温恒湿箱中，置于设定的稳定工作状态下(环境温度25℃，环境湿度为35%)，定期取出。此时的样品质量用分析天平快速称重，并记录干燥样品t时的质量为mt。称量后，立即将样品放回恒温恒湿箱中，再利用吸湿率计算公式:

计算出样品吸湿率。利用水接触角测试仪器(SDC-100)测试PU、SA-CW、SA-HM材料的水接触角，再将结果进行对比，分析材料疏水原因。

2 结果与分析

2.1 试样密度及孔隙率

试样的密度检测结果如图4(a)所示，由图4(a)可知，PU密度最小，SA-HM次之，SA-CW的密度最大。A1面组织结构较密，因此间隔丝数量较多，A2面组织结构较稀疏，间隔丝数量较少，因此SA-CW材料的密度高于SA-HM材料。这两种复合材料因加入了间隔织物及二氧化硅气凝胶，相同体积下质量相对于纯PU有所增加，所以复合材料密度又因此高于纯PU。试样的孔隙率对比结果如图4(b)所示，一般来说，孔隙率测试结果会与密度测试结果成反比，即孔隙率高的样品其密度会更低。从图4(b)中可以看到，PU孔隙率最高，SAHM次之，SA-CW孔隙率最低，这个结果与一般性结果是相符合的。三种样品中PU密度最低，孔隙率则最高。SA-HM材料密度居中，则孔隙率也居中。SA-CW材料密度最高，则孔隙率最低。从总体来看，间隔织物及二氧化硅气凝胶的加入使PU材料的密度及孔隙率受到影响，但所得复合材料依旧拥有低密度及高孔隙率的特点。

图4 三种材料密度及孔隙率

2.2 试样热导率

热导率测试结果如下页图5(a)所示，可以看到SA-HM的导热系数为0.0392w/m·k，而PU及SACW的热导率分别为0.0425 w/m·k、0.0437 w/m·k。SA-HM材料保温隔热性能最好，PU材料次之，SA-CW材料最差。由图5(b)复合材料传热机理可知，SA-HM材料中不仅有PU材料的多孔结构，同时还加入了二氧化硅气凝胶，在复合材料内部形成了分层多孔结构，使传热路径相比于纯PU材料更为复杂，热量更不易通过复合材料基体，所以该种复合材料热导率最低。SA-CW虽然也有这种分层多孔结构，但它的热导率反而高于PU材料，达到了0.0437w/m·k，这是因为它的间隔织物面层过密，导致材料内部的间隔丝数量过多，在热能的三种传递方式中，固体传热是最为容易的，因此SACW材料过多的间隔丝会传递大量热量，导致其热导率在三种材料中最高。由实验数据可以知，PU材料虽然本身具有较好的保温隔热性能，但在浸渍二氧化硅气凝胶后，其保温隔热性能有所提升。在复合材料之间由于添加的间隔织物不同，复合材料保温隔热性能有所不同，添加六角形网孔间隔织物材料的保温隔热性能要优于添加编链+衬纬的材料。

图5 三种材料热导率测试数据及复合材料传热机理

2.3 压缩性能测试

材料应力应变曲线如图6(a)所示，可以看到复合材料SA-CW的应力最高，在压缩形变50%时应力可以达到0.7MPa左右，复合材料SA-HM在压缩形变为50%时，应力可以达到0.5MPa左右，SA-HM压缩性能稍逊于SA-CW，这是由于两种复合材料间隔织物间隔丝数量不同造成的，SA-CW材料面组织较密，间隔丝较多，所以抗压性能更好，两种复合材料的力学性能都远高于PU材料，在50%压缩形变时，两种复合材料的应力都是PU材料10倍以上。从图6(b)三种材料压缩模量对比图中可以看到，SA-CW材料压缩模量最高，达到3.36MPa。SA-HM材料次之达到2.14MPa，PU材料压缩模量最小仅为0.22MPa。这说明在相同的压力条件下，PU材料发生弹性形变最大。而复合材料则形变较小，实验结果表明在与间隔织物复合后，复合材料的力学性能得到极大增强。

图6 三种材料应力应变曲线及压缩模量对比图

2.4 吸湿率及疏水性测试

材料吸湿率测试结果如图7(a)所示，从图中可以看到在浸渍二氧化硅气凝胶后复合材料吸湿率低于PU材料，同时两种复合材料的吸湿率较为接近，这是因为二氧化硅气凝胶在实验过程中进行了疏水改性，复合材料中加入了疏水二氧化硅气凝胶，所以它们的吸湿率相对于PU更低。图7(b)是三种材料的疏水性能对比，可以看到PU材料上的液滴被吸收部分，不成球状，而在三相复合材料表面液滴成球状，疏水角测试结果显示PU材料不疏水，而复合材料的疏水角最高可以达到148°，且通过图像可以看到液滴是球形的，这些结果表明与二氧化硅气凝胶复合后，材料疏水性能得到极大提升。

图7 三种材料吸湿率测试结果及疏水性能对比图

3 结论

将PU、SA-CW、SA-HM三种材料在压缩性能、保温隔热性能、吸湿率及疏水性能等方面进行对比，可以得到以下结论:对于PU材料、二氧化硅气凝胶及间隔织物的加入，增强了其力学性能，使复合材料力学性能相对于纯PU材料提高了10倍以上，复合材料最高应力可以达到0.7MPa左右。在加入间隔织物及二氧化硅气凝胶后PU材料保温隔热性能有所变化，特别是加入六角形网孔间隔织物的复合材料，导热系数比不加间隔织物的纯PU材料更低，具有较好的保温隔热性能。二氧化硅气凝胶的加入提升了PU材料的疏水性，使PU从亲水材料转变成疏水材料，同时也使材料的吸湿率有所下降，这在实际应用中极为有用。