SiO2气凝胶/芳纶非织造布复合织物的防护功能

2019-10-29丁笑君周小红

纺织学报 2019年10期

王璐，丁笑君，夏馨，王虹，周小红

(1. 浙江理工大学材料与纺织学院、丝绸学院，浙江杭州 310018； 2. 服装国家级实验教学示范中心，浙江杭州 310018； 3. 浙江省普瑞科技有限公司，浙江杭州 311215)

在日常生活中，存在很多类型的热伤害安全隐患，比如火焰、熔融金属溅射、爆炸以及热气体等热伤害源[1]。直接对人体进行保护的有效措施是阻燃防护服装，尤其在警用领域，如消防、防爆等，防护服可以在突发事故的情况下为着装者提供宝贵的反应时间。世界各国对于服装面料的阻燃性能都十分重视，这一性能目前已成为服装功能中重要的研究热点[2]。

芳纶是具有阻燃性能的合成纤维[3]，力学性能良好，化学性质稳定，其极限氧指数大于28%，属于难燃纤维[4]。SiO2气凝胶是一种结构可控的新型轻质纳米多级孔的非晶体材料[5-6]，具有极大的比表面积，密度很低，对光、声的散射较小[7]，是目前绝热材料中性能较优异的材料之一，其导热系数很低。芳纶和SiO2气凝胶在国防军工、航天航空、保温隔热等众多领域均有广阔的应用前景。但由于SiO2气凝胶存在质地脆，强度较低的缺点，因而在实际应用中常将SiO2气凝胶与其他功能纤维复合，改善其力学性能，共同发挥各自优异的特点。将SiO2气凝胶与芳纶复合，制备SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布，可以弥补SiO2气凝胶强度低的缺点，获得优良阻燃隔热性能的防护材料。

因此，本文采用芳纶非织造布为骨架，并将SO2气凝胶整理到其表面，研究SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布的抗压与阻燃隔热功能，对研发含SiO2气凝胶防护功能的纤维制品有一定的实用意义。

1 实验方法

1.1 实验设备

YG(B)141D 型数字式织物厚度仪(温州际高检测仪器公司)；JSM-5610LV型扫描电子显微镜(日本电子公司)；Instron3367型万能材料试验机(美国英斯特朗公司)；Hot Disk型热常数分析仪(瑞典Hot Disk 公司)；Flame Hand型火焰手系统(西北测量技术公司)等。

1.2 试样准备

1)单层芳纶1313/1414水刺非织造布(由绍兴市恒瑞无纺布科技有限公司提供)，编号为1#。

2)芳纶机织布(由杭州格雅纺织有限公司提供)，2层缝合，作实验试样表层和里层，其经纬纱线密度均为43.7 tex，经纬密均为11.8根/cm，编号为2#。

3)单层 SiO2气凝胶(由浙江省普瑞科技有限公司提供)混杂芳纶非织造布，试样制备方法参见文献[8]，将样品1#作骨架，SiO2溶胶经过流延法渗透其中，并通过老化制成混杂织物，编号为3#。

4)将单层芳纶非织造布作实验试样夹层，缝在2层芳纶机织布中间，编号为4#。

5)单层SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布作试样夹层，缝制在2层芳纶机织布中间，编号为5#。

6)2层 SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布作为夹层，缝制在2层芳纶机织布中间，编号为6#。

7)将2层芳纶非织造布试样作为夹层，缝制在芳纶机织布中间，编号为7#。

表1 试样的参数

1.3 测试与表征

1.3.1 SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布形貌观察

采用扫描电子显微镜对芳纶非织造布以及混杂SiO2气凝胶的芳纶非织造布进行观察，分析SiO2气凝胶在芳纶非织造布中的分布形式。

1.3.2 静态压力作用下压缩性能的测试

采用万能材料试验机，按照GB/T 24442.2—2009《纺织品压缩性能的测定》对上述7种试样进行抗压测试，根据试样厚度设置仪器参数，压脚以设置好的速度压缩实验试样，实时记录位移、压缩应力、应变、压缩载荷等数据，绘制出位移-载荷曲线、应力-应变曲线，通过下式计算得出试样的压缩功和能量吸收能力。压缩功越大，则抗压能力越好。

式中：W为试样的压缩功，J；C为试样的能量吸收能力，kJ/m3；h为载荷，N；p为位移载荷，N；ε为应力，MPa；σ为应变，%。

压缩功可表示材料在压力作用下压缩变形所缓冲的能量；能量吸收能力可用来表示单位体积的材料压缩至相应应变量时所吸收的能量。

1.3.3 导热系数测试

利用热常数分析仪，按照GB/T 32064—2015《建筑用材料导热系数和热扩散系数瞬态平面热源测试法》标准分别测试1#、2#、3#的导热系数，初步探测SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布的热传导性能。导热系数越高，导热性能越好。

1.3.4 阻燃隔热性能测试

热防护性能主要通过织物的阻燃隔热性能来表示，阻燃隔热性能已逐渐成为人们选择纺织品的重要性能指标[9]。目前用来研究和测评织物的热防护性能的方法有：燃烧实验法、极限氧指数法、燃烧假人[10]和假手测试法。燃烧假手测试法利用火焰手系统，记录燃烧数据和烧伤等级，分析实验样品的防护作用和阻燃性能。

实验采用火焰手的测试方式，将6种试样分别安装缝合在火焰手上，按照仪器操作规范进行点火燃烧。实验设备与电脑软件连接，在软件中显示记录火焰手表面传感器的实时温度和热流量的变化。火焰手软件同时记录并报告手部各区域总的吸收能量和烧伤等级：吸收能量越小，烧伤等级越低，说明试样的防护效果越好，阻燃隔热性能越强。

2 实验数据与分析

2.1 SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布的形貌

图1示出1#和3#样品分别放大100倍和1 000倍时的形貌。由图可看出，SiO2气凝胶以不同大小的块状、颗粒状填充进入芳纶非织造布纤维间的空隙中。

图1 混杂SiO2气凝胶前后芳纶非织造布的形貌变化

2.2 压缩性能分析

图2示出各试样载荷-位移曲线；图3示出各试样应力-应变曲线。根据公式计算出各试样的压缩功和能量吸收能力，结果如表2所示。芳纶非织造布与SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布，单层芳纶布加机织布与单层SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布加机织布，2层芳纶布加机织布与2层SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布加机织布，这3组试样分别比较可以看出，混杂了SiO2气凝胶的芳纶非织造布比没有混杂气凝胶的芳纶非织造布压缩功和能量吸收能力都大，说明SiO2气凝胶的存在使得材料在被挤压过程中得到一定程度缓冲。

图3 试样的应力-应变曲线

表2 试样的压缩功和导热系数

2.3 导热系数分析

导热系数表征物体热传导性能，导热系数高的物质具有优良的导热性能。实验测试了3个试样1#、2#、3#的导热系数各3次，再取其平均值，结果见表2。可以看出，样品1#、2#、3#的导热系数依次减小，说明三者的导热性能依次降低；单独比较样品1#和3#可发现，二者导热系数值相差明显，说明混杂了SiO2气凝胶的芳纶非织造布导热性能比没有混杂气凝胶的芳纶非织造布差，即其隔热性能较好。

2.4 阻燃隔热性能分析

本文采用火焰手进行燃烧实验，一共测试了6个样品，分别为：样品1#、2#、4#、5#、6#、7#。实验前火焰室应接近室温，2次实验之间应充分冷却火焰室，确保传感器显示的温度在(32±5)℃。图4(a)为火焰手测试现场及手掌手背模型，10个传感器在火焰手的位置如图4(b)所示。

图4 火焰手现场和模型

2.4.1 火焰手各部位温度的变化分析

图5示出样品1#在8 s内燃烧，火焰手10个传感器在8 s内的温度变化。可以看出，相同时刻，样品1#在不同传感器的温度是不同的。

图5 1#样品 8 s内各传感器实时温度变化曲线

图6示出各试样8 s内传感器1(位于右手手掌小鱼际部位，即小拇指和无名指下方)实时温度变化曲线。在8 s时温度从高到低依次为样品1#、2#、4#、5#、6#、7#。由此得出结论：对于同一试样，各传感器的位置不同，温度会有一定差异，这与火源到不同传感器的距离有关；试样的材料不同，同一传感器相同时刻的温度也不同。

图6 各试样8 s内传感器1实时温度变化曲线

2.4.2 火焰手各部位热通量的变化分析

图7示出样品1#在8 s内燃烧，各传感器的实时热通量变化曲线，同一时刻样品1#在不同传感器部位的热通量不同。

图7 样品1# 8 s内各传感器实时热通量变化曲线

图8示出各试样8 s内传感器1(位于右手手掌小鱼际部位，即小拇指和无名指下方)热通量实时变化曲线，在8 s时热通量从高到低依次是样品1#、2#、4#、5#、7#、6#。

由此得出结论：对于同一试样，各传感器的位置不同，热流量的变化也不同；试样的材料不同，同一传感器相同时刻的热通量也不同。

图8 各试样8 s内传感器1实时热通量变化曲线

2.4.3 火焰手烧伤等级的评估

火焰手软件记录并报告了手部各区域总的吸收能量和烧伤等级，如表3和图9所示。样品1#总的吸收能量最大，三级烧伤面积比重最大，平均热通量最高，样品6#总的吸收能量最小，烧伤程度最轻，平均热通量最低；分别比较样品4#和5#、样品6#和7#这2组试样发现，混杂SiO2气凝胶的芳纶非织造布相比没有混杂SiO2气凝胶的芳纶非织造布来说，总的吸收能力更低，烧伤面积比重更小，烧伤程度比较轻，平均热通量较低。混杂SiO2气凝胶后，可明显增强芳纶非织造布的防护效果，使其阻燃隔热性能更好。