SiO2氣凝膠/芳綸非織造布復(fù)合織物的防護功能

王 璐， 丁笑君， 夏 馨， 王 虹， 周小紅

(1. 浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院、絲綢學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 服裝國家級實驗教學(xué)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，存在很多類型的熱傷害安全隱患，比如火焰、熔融金屬濺射、爆炸以及熱氣體等熱傷害源[1]。直接對人體進行保護的有效措施是阻燃防護服裝，尤其在警用領(lǐng)域，如消防、防爆等，防護服可以在突發(fā)事故的情況下為著裝者提供寶貴的反應(yīng)時間。世界各國對于服裝面料的阻燃性能都十分重視，這一性能目前已成為服裝功能中重要的研究熱點[2]。

芳綸是具有阻燃性能的合成纖維[3]，力學(xué)性能良好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其極限氧指數(shù)大于28%，屬于難燃纖維[4]。SiO2氣凝膠是一種結(jié)構(gòu)可控的新型輕質(zhì)納米多級孔的非晶體材料[5-6]，具有極大的比表面積，密度很低，對光、聲的散射較小[7]，是目前絕熱材料中性能較優(yōu)異的材料之一，其導(dǎo)熱系數(shù)很低。芳綸和SiO2氣凝膠在國防軍工、航天航空、保溫隔熱等眾多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。但由于SiO2氣凝膠存在質(zhì)地脆，強度較低的缺點，因而在實際應(yīng)用中常將SiO2氣凝膠與其他功能纖維復(fù)合，改善其力學(xué)性能，共同發(fā)揮各自優(yōu)異的特點。將SiO2氣凝膠與芳綸復(fù)合，制備SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布，可以彌補SiO2氣凝膠強度低的缺點，獲得優(yōu)良阻燃隔熱性能的防護材料。

因此，本文采用芳綸非織造布為骨架，并將SO2氣凝膠整理到其表面，研究SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的抗壓與阻燃隔熱功能，對研發(fā)含SiO2氣凝膠防護功能的纖維制品有一定的實用意義。

1 實驗方法

1.1 實驗設(shè)備

YG(B)141D 型數(shù)字式織物厚度儀(溫州際高檢測儀器公司)；JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本電子公司)；Instron3367型萬能材料試驗機(美國英斯特朗公司)；Hot Disk型熱常數(shù)分析儀(瑞典Hot Disk 公司)；Flame Hand型火焰手系統(tǒng)(西北測量技術(shù)公司)等。

1.2 試樣準(zhǔn)備

1)單層芳綸1313/1414水刺非織造布(由紹興市恒瑞無紡布科技有限公司提供)，編號為1#。

2)芳綸機織布(由杭州格雅紡織有限公司提供)，2層縫合，作實驗試樣表層和里層，其經(jīng)緯紗線密度均為43.7 tex，經(jīng)緯密均為11.8根/cm，編號為2#。

3)單層 SiO2氣凝膠(由浙江省普瑞科技有限公司提供)混雜芳綸非織造布，試樣制備方法參見文獻[8]，將樣品1#作骨架，SiO2溶膠經(jīng)過流延法滲透其中，并通過老化制成混雜織物，編號為3#。

4)將單層芳綸非織造布作實驗試樣夾層，縫在2層芳綸機織布中間，編號為4#。

5)單層SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布作試樣夾層，縫制在2層芳綸機織布中間，編號為5#。

6)2層 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布作為夾層，縫制在2層芳綸機織布中間，編號為6#。

7)將2層芳綸非織造布試樣作為夾層，縫制在芳綸機織布中間，編號為7#。

表1 試樣的參數(shù)

1.3 測試與表征

1.3.1 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡對芳綸非織造布以及混雜SiO2氣凝膠的芳綸非織造布進行觀察，分析SiO2氣凝膠在芳綸非織造布中的分布形式。

1.3.2 靜態(tài)壓力作用下壓縮性能的測試

采用萬能材料試驗機，按照GB/T 24442.2—2009《紡織品壓縮性能的測定》對上述7種試樣進行抗壓測試，根據(jù)試樣厚度設(shè)置儀器參數(shù)，壓腳以設(shè)置好的速度壓縮實驗試樣，實時記錄位移、壓縮應(yīng)力、應(yīng)變、壓縮載荷等數(shù)據(jù)，繪制出位移-載荷曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過下式計算得出試樣的壓縮功和能量吸收能力。壓縮功越大，則抗壓能力越好。

式中：W為試樣的壓縮功，J；C為試樣的能量吸收能力，kJ/m3；h為載荷，N；p為位移載荷，N；ε為應(yīng)力，MPa；σ為應(yīng)變，%。

壓縮功可表示材料在壓力作用下壓縮變形所緩沖的能量；能量吸收能力可用來表示單位體積的材料壓縮至相應(yīng)應(yīng)變量時所吸收的能量。

1.3.3 導(dǎo)熱系數(shù)測試

利用熱常數(shù)分析儀，按照GB/T 32064—2015《建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)瞬態(tài)平面熱源測試法》標(biāo)準(zhǔn)分別測試1#、2#、3#的導(dǎo)熱系數(shù)，初步探測SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的熱傳導(dǎo)性能。導(dǎo)熱系數(shù)越高，導(dǎo)熱性能越好。

1.3.4 阻燃隔熱性能測試

熱防護性能主要通過織物的阻燃隔熱性能來表示，阻燃隔熱性能已逐漸成為人們選擇紡織品的重要性能指標(biāo)[9]。目前用來研究和測評織物的熱防護性能的方法有：燃燒實驗法、極限氧指數(shù)法、燃燒假人[10]和假手測試法。燃燒假手測試法利用火焰手系統(tǒng)，記錄燃燒數(shù)據(jù)和燒傷等級，分析實驗樣品的防護作用和阻燃性能。

實驗采用火焰手的測試方式，將6種試樣分別安裝縫合在火焰手上，按照儀器操作規(guī)范進行點火燃燒。實驗設(shè)備與電腦軟件連接，在軟件中顯示記錄火焰手表面?zhèn)鞲衅鞯膶崟r溫度和熱流量的變化?；鹧媸周浖瑫r記錄并報告手部各區(qū)域總的吸收能量和燒傷等級：吸收能量越小，燒傷等級越低，說明試樣的防護效果越好，阻燃隔熱性能越強。

2 實驗數(shù)據(jù)與分析

2.1 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的形貌

圖1示出1#和3#樣品分別放大100倍和1 000倍時的形貌。由圖可看出，SiO2氣凝膠以不同大小的塊狀、顆粒狀填充進入芳綸非織造布纖維間的空隙中。

圖1 混雜SiO2氣凝膠前后芳綸非織造布的形貌變化

2.2 壓縮性能分析

圖2示出各試樣載荷-位移曲線；圖3示出各試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)公式計算出各試樣的壓縮功和能量吸收能力，結(jié)果如表2所示。芳綸非織造布與SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布，單層芳綸布加機織布與單層SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布加機織布，2層芳綸布加機織布與2層SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布加機織布，這3組試樣分別比較可以看出，混雜了SiO2氣凝膠的芳綸非織造布比沒有混雜氣凝膠的芳綸非織造布壓縮功和能量吸收能力都大，說明SiO2氣凝膠的存在使得材料在被擠壓過程中得到一定程度緩沖。

圖3 試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 試樣的壓縮功和導(dǎo)熱系數(shù)

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)分析

導(dǎo)熱系數(shù)表征物體熱傳導(dǎo)性能，導(dǎo)熱系數(shù)高的物質(zhì)具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。實驗測試了3個試樣1#、2#、3#的導(dǎo)熱系數(shù)各3次，再取其平均值，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，樣品1#、2#、3#的導(dǎo)熱系數(shù)依次減小，說明三者的導(dǎo)熱性能依次降低；單獨比較樣品1#和3#可發(fā)現(xiàn)，二者導(dǎo)熱系數(shù)值相差明顯，說明混雜了SiO2氣凝膠的芳綸非織造布導(dǎo)熱性能比沒有混雜氣凝膠的芳綸非織造布差，即其隔熱性能較好。

2.4 阻燃隔熱性能分析

本文采用火焰手進行燃燒實驗，一共測試了6個樣品，分別為：樣品1#、2#、4#、5#、6#、7#。實驗前火焰室應(yīng)接近室溫，2次實驗之間應(yīng)充分冷卻火焰室，確保傳感器顯示的溫度在(32±5)℃。圖4(a)為火焰手測試現(xiàn)場及手掌手背模型，10個傳感器在火焰手的位置如圖4(b)所示。

圖4 火焰手現(xiàn)場和模型

2.4.1 火焰手各部位溫度的變化分析

圖5示出樣品1#在8 s內(nèi)燃燒，火焰手10個傳感器在8 s內(nèi)的溫度變化?？梢钥闯觯嗤瑫r刻，樣品1#在不同傳感器的溫度是不同的。

圖5 1#樣品 8 s內(nèi)各傳感器實時溫度變化曲線

圖6示出各試樣8 s內(nèi)傳感器1(位于右手手掌小魚際部位，即小拇指和無名指下方)實時溫度變化曲線。在8 s時溫度從高到低依次為樣品1#、2#、4#、5#、6#、7#。由此得出結(jié)論：對于同一試樣，各傳感器的位置不同，溫度會有一定差異，這與火源到不同傳感器的距離有關(guān)；試樣的材料不同，同一傳感器相同時刻的溫度也不同。

圖6 各試樣8 s內(nèi)傳感器1實時溫度變化曲線

2.4.2 火焰手各部位熱通量的變化分析

圖7示出樣品1#在8 s內(nèi)燃燒，各傳感器的實時熱通量變化曲線，同一時刻樣品1#在不同傳感器部位的熱通量不同。

圖7 樣品1# 8 s內(nèi)各傳感器實時熱通量變化曲線

圖8示出各試樣8 s內(nèi)傳感器1(位于右手手掌小魚際部位，即小拇指和無名指下方)熱通量實時變化曲線，在8 s時熱通量從高到低依次是樣品1#、2#、4#、5#、7#、6#。

由此得出結(jié)論：對于同一試樣，各傳感器的位置不同，熱流量的變化也不同；試樣的材料不同，同一傳感器相同時刻的熱通量也不同。

圖8 各試樣8 s內(nèi)傳感器1實時熱通量變化曲線

2.4.3 火焰手燒傷等級的評估

火焰手軟件記錄并報告了手部各區(qū)域總的吸收能量和燒傷等級，如表3和圖9所示。樣品1#總的吸收能量最大，三級燒傷面積比重最大，平均熱通量最高，樣品6#總的吸收能量最小，燒傷程度最輕，平均熱通量最低；分別比較樣品4#和5#、樣品6#和7#這2組試樣發(fā)現(xiàn)，混雜SiO2氣凝膠的芳綸非織造布相比沒有混雜SiO2氣凝膠的芳綸非織造布來說，總的吸收能力更低，燒傷面積比重更小，燒傷程度比較輕，平均熱通量較低。混雜SiO2氣凝膠后，可明顯增強芳綸非織造布的防護效果，使其阻燃隔熱性能更好。

表3 火焰手燒傷計算

注：黑色—三級燒傷；深灰色—二級燒傷；淺灰色—一級燒傷；白色—沒有燒傷。

3 結(jié) 論

本文以芳綸非織造布為基材，將SiO2氣凝膠混雜其中，測試了SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的壓縮性能，并通過火焰手系統(tǒng)進行了燃燒測試，研究SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的阻燃隔熱功能。

1)SiO2氣凝膠以不同大小的塊狀和顆粒狀嵌入芳綸纖維間隙中；混雜了SiO2氣凝膠后芳綸非織造布導(dǎo)熱系數(shù)降低；SiO2氣凝膠使芳綸非織造布抗壓能力增強。

2)火焰手系統(tǒng)用于阻燃隔熱性能測試，總吸收能量和燒傷等級均顯示，芳綸非織造布混雜SiO2氣凝膠后阻燃隔熱性能得到了改善，包括試樣的厚度、面密度和體積密度的增加對其有一定的作用。

3)手套的三明治結(jié)構(gòu)是防止SiO2氣凝膠掉粉的一種措施，表里層材料需要改進，既滿足穿戴要求，又能防止SiO2氣凝膠掉粉。