SiO2氣凝膠混雜芳綸非織布的性能研究

， ，，

(1.浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，杭州 310018；2.浙江省普瑞科技有限公司，杭州 311215)

過(guò)去20年，世界局部戰(zhàn)爭(zhēng)、安全事故造成了大量傷亡，其來(lái)最主要的創(chuàng)傷是由爆炸引起的[1-2]。爆炸引起對(duì)人體的傷害原因及防護(hù)大都是破片傷害和燒傷傷害。爆炸是在某一介質(zhì)系統(tǒng)中，發(fā)生快速的物理變化或化學(xué)反應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)本身的能量借助于氣體的急劇膨脹而轉(zhuǎn)化為對(duì)周?chē)橘|(zhì)做機(jī)械功[3]。事實(shí)上，爆炸產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波[4]不僅對(duì)人體產(chǎn)生顯性傷害，即人體臟器的現(xiàn)場(chǎng)損傷，而且也存在隱性傷害，即：癥狀復(fù)雜的災(zāi)后疾病。因此，個(gè)體防護(hù)裝備在具備耐高低溫性能、耐穿刺性能、抗(破片)沖擊性、阻燃性能基礎(chǔ)上，亟待研究個(gè)體防護(hù)裝備部件的抗沖擊波性能，以有效防止或削弱爆炸沖擊波對(duì)人體的傷害，并進(jìn)一步減輕個(gè)體防護(hù)裝備的重量，提高實(shí)用性。

SiO2氣凝膠是一種新型的納米多孔材料，有很多優(yōu)異的性能[5]：孔隙率高，為80%～99.8%，空洞尺寸為1～100 nm[6]；在高溫下不分解，無(wú)有害氣體放出，屬于綠色環(huán)保型材料；是全球現(xiàn)存最輕、熱傳導(dǎo)率最低的隔熱新材料。SiO2氣凝膠中在機(jī)械波中的波速特別低[7]，當(dāng)其在受到機(jī)械波時(shí)可以吸收大量的能量。

因此，將SiO2氣凝膠混雜到個(gè)體防護(hù)裝備中，制備具有抗沖擊波性能的個(gè)體防護(hù)裝備用新材料具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 SiO2氣凝膠的制備

采用溶膠-凝膠法、CO2超臨界干燥制備SiO2氣凝膠。首先，將正硅酸乙酯加入反應(yīng)釜中，加入催化劑攪拌均勻，使之成為具有流變性能的SiO2溶膠；其次，在室溫條件下，將SiO2溶膠在反應(yīng)釜中密閉放置，經(jīng)過(guò)水解-縮聚反應(yīng)形成濕凝膠；最后，濕凝膠經(jīng)過(guò)老化后采用CO2超臨界干燥制備所用SiO2氣凝膠。

1.2 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織布的制備

骨架材料(Matrix Material)采用芳綸1313/1414水刺非織造布，將該試樣標(biāo)記為“試樣MM”，2層該試樣標(biāo)記為“試樣MM*2”。

采用混雜設(shè)備在試樣MM的表面施加具有流變性能的SiO2溶膠，SiO2溶膠通過(guò)非織造布纖維之間的空隙浸透到另一面，一定時(shí)間靜置后，試樣MM纖維間的SiO2溶膠成為濕凝膠。對(duì)其進(jìn)行醇水置換以及疏水反應(yīng)，然后采用CO2超臨界干燥獲得SiO2氣凝膠混雜芳綸1313/1414非織造布，將試樣標(biāo)記為“試樣SiMM”。

依照個(gè)體防護(hù)裝備的要求，將PTFE多孔膜分別與試樣MM、試樣MM*2和試樣SiMM進(jìn)行復(fù)合，將得到的試樣分別標(biāo)記為“試樣PMM”、“試樣PMM*2”和“試樣PSiMM”。

1.3 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織布結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

1.3.1 厚度與重量測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了6個(gè)試樣的厚度與重量，根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》與GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測(cè)定》，同時(shí)計(jì)算量試樣的面密度和體積密度。

1.3.2 材料形貌、元素和孔徑測(cè)試

使用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM，德國(guó))，測(cè)試SiO2氣凝膠混雜芳綸1313/1414非織造布的形貌和局部X射線能譜。采用孔徑測(cè)試儀(TOPAS PSM165，德國(guó))測(cè)試試樣的孔徑。

1.3.3 熱阻與極限氧指數(shù)

為了減少爆炸對(duì)人員的熱損傷，使得防護(hù)服裝應(yīng)具備最基本的條件，分別是隔熱效果和阻燃效果。

材料的隔熱效果通過(guò)熱阻表征，熱阻是指材料間傳熱能力的大小。采用YG606G熱阻濕阻測(cè)試儀測(cè)試試樣的熱阻和傳熱系數(shù)。

材料的阻燃效果通過(guò)測(cè)試材料的極限氧指數(shù)表征，極限氧指數(shù)是在規(guī)定的條件下，材料在氧氮混合氣流中進(jìn)行有焰燃燒所需的最低氧濃度。論文采用H2C氧指數(shù)測(cè)試儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)試樣的極限氧指數(shù)。

1.3.4 壓縮性能測(cè)試

沖擊波是一種很高壓力對(duì)介質(zhì)的作用。壓縮功是指材料在沖擊波產(chǎn)生產(chǎn)生的壓力作用下發(fā)生壓縮變形所緩沖的能量，而能量吸收能力是指單位體積的材料在壓縮變形過(guò)程中被壓縮至一定的應(yīng)變量時(shí)所吸收的能量。采用Instron3367型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)，參照GB/T 24442.2—2009《紡織品壓縮性能的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材料進(jìn)行壓縮性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 厚度與面密度及體積密度

表1為試樣的厚度、平方米質(zhì)量以及體積密度。在表1中，分別對(duì)比試樣MM、SiMM和試樣PMM、PSiMM，可知混雜SiO2氣凝膠后的試樣厚度增加，但體積密度沒(méi)有顯著變化。

表1 試樣的厚度和平方米質(zhì)量及體積密度

2.2 表面形貌與X射線能譜

圖1(a)為試樣MM的形貌，圖1(b)為試樣SiMM的形貌。由圖1可知，SiO2氣凝膠以不均勻大小的塊狀或顆粒狀填充到芳綸1313/1414非織造布纖維間的空隙中。

(a)試樣MM，標(biāo)尺為10μm (b)試樣SiMM，標(biāo)尺為10μm圖1 試樣的形貌

圖2為SiO2氣凝膠混雜芳綸非織布的纖維表面以及空隙中顆粒表面的X射線能譜圖。由圖2可知，兩圖均在1.75 KeV出現(xiàn)Si的特征峰，圖2(a)的Si原子百分?jǐn)?shù)僅為0.64%，圖2(b)的Si原子百分?jǐn)?shù)為21.48%，即SiO2氣凝膠填充在芳綸非織布的纖維的空隙中，纖維表面較少附著。

圖2 X射線能譜圖

2.3 孔 徑

表2為測(cè)試各試樣的孔徑。由表2可知，試樣MM與試樣PMM比較，由于PTFE膜孔徑小，實(shí)際測(cè)試的孔徑以膜孔徑為主。

表2 各試樣的孔徑大小

由表2可知：(a)試樣MM與試樣PMM比較，由于PTFE膜孔徑小，實(shí)際測(cè)試的孔徑以膜孔徑為主；(b)試樣SiMM、試樣PSiMM的孔徑顯著減小，通過(guò)觀測(cè)試樣的形貌得出由于SiO2氣凝膠以不均勻大小的顆粒或塊狀分布在纖維的孔隙中，使芳綸1313/1414非織造布纖維間的大部分孔隙SiO2氣凝膠堵塞。

2.4 熱阻與極限氧指數(shù)

2.4.1 熱阻

厚度一直是影響熱傳導(dǎo)性能的主要因素。由表1可知，試樣SiMM的厚度小于試樣MM*2，但從表3可見(jiàn)，試樣SiMM的熱阻小，傳熱系數(shù)大；復(fù)合PTFE多孔膜并沒(méi)有顯著改變材料的熱傳導(dǎo)性能。

SiO2氣凝膠提高試樣的隔熱性能，主要原因是在熱量傳遞的過(guò)程是通過(guò)溫度較高的氣體分子與溫度低的氣體分子碰撞進(jìn)行。而SiO2氣凝膠多孔的尺寸小于空氣的，而熱氣體分子與氣凝膠進(jìn)行碰撞，熱能轉(zhuǎn)移到氣凝膠結(jié)構(gòu)上，使得熱氣體氣相傳導(dǎo)受到限制，試樣擁有了隔熱的效果。

表3 試樣的熱阻及傳熱系數(shù)

2.4.2 極限氧指數(shù)

LOI為極限氧指數(shù)(%)，由式(1)計(jì)算得到：

LOI=CF+Kd

(1)

式中：CF為試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試中的最后一個(gè)的氧濃度，取小數(shù)1位(%)；d為兩個(gè)氧濃度之差取小數(shù)一位(%)；K為系數(shù)，查表獲取。

由表4可知：試樣的極限氧指數(shù)均大于26%，為難燃材料。復(fù)合PTFE多孔膜降低了試樣的極限氧指數(shù)；而SiO2氣凝膠提高了試樣的阻燃效果，主要原因是SiO2氣凝膠堵住芳綸1313/1414非織造布纖維間的孔隙，使芳綸非織造布中的纖維與空氣接觸面積減小，因此試樣的極限氧指數(shù)增加。

表4 試樣的極限氧指數(shù)

2.5 壓縮性能

圖3為壓縮變形曲線，圖4為應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3 試樣的壓縮變形曲線

圖4 試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試樣的壓縮功以及能量吸收能力，分別由式(2)和(3)計(jì)算得到：

壓縮功

(2)

能量吸收能力

(3)

式中：P為壓縮變形曲線，h為載荷；σ為應(yīng)力應(yīng)變曲線，εm為應(yīng)力。

表5為試樣的在壓縮過(guò)程中所做的壓縮功和吸收的能量。在表5中，分別將同種材質(zhì)不同層數(shù)的試樣比較，可知厚度增加試樣的壓縮性能增加；而試樣SiMM的厚度小于試樣MM*2，試樣PSiMM的厚度小于試樣PMM*2，這說(shuō)明SiO2氣凝膠明顯提高了實(shí)驗(yàn)試樣的壓縮功和能量吸收能力。因?yàn)镾iO2氣凝膠是多孔材料，試樣在壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，SiO2氣凝膠上的孔洞受到壓力后被壓縮，孔洞的壁面之間相互接觸，直到間隙消除從而成為致密材料，試樣緩沖沖擊波的效果實(shí)在被壓垮過(guò)程中達(dá)到的。

表5 試樣的壓縮功和能量吸收能力

3 結(jié) 論

采用溶膠-凝膠法制備SiO2氣凝膠，并在制備過(guò)程中將其混雜在芳綸1313/1414非織造布，并復(fù)合PTFE多孔膜。制得的試樣中SiO2氣凝膠填充在芳綸1313/1414非織造布纖維間的孔隙中，使纖維間的距離增大，同時(shí)非織造布厚度增加，但幾種試樣的體積密度保持基本不變；SiO2氣凝膠使芳綸1313/1414非織造布的隔熱性能和阻燃性能均有所增強(qiáng)，并且在指標(biāo)相同要求下，作為個(gè)體防護(hù)裝備的使用，減輕了重量，能夠避免服裝臃腫；SiO2氣凝膠提高了芳綸1313/1414非織造布的壓縮性能，在壓縮過(guò)程中試樣的能量吸收能力增加，對(duì)開(kāi)發(fā)具有防護(hù)爆炸沖擊波功能的防護(hù)服面料具有指導(dǎo)作用。

[1] 王振虎,張永興,劉大鵬.遭受恐怖襲擊時(shí)爆炸傷的特點(diǎn)及救治[J].人民軍醫(yī),2005,48(1):46-48.

[2] MOORE B. Blast injuries-a prehospital perspective[J]. Journal of Emergency Primary Health Care, 2006,4(1):1-13.

[3] 錢(qián)振軍.高壓容器爆炸能量的近似計(jì)算[J].蘇州教育學(xué)院學(xué)報(bào),2001(1):80-83..

[4] 張廣福,劉玉存,王建華.爆炸沖擊波無(wú)限空氣領(lǐng)域傳播的數(shù)值模擬研究[J].山西化工,2009,29(1):43-46.

[5] ZHU X, ZHOU B, DU A, et al. Potential SiO2/CRF bilayer perturbation aerogel target for ICF hydrodynamic instability experiment[J]. Fusion Engineering & Design, 2012,87(2):92-97.

[6] 楊杰,李樹(shù)奎,閆麗麗,等.二氧化硅氣凝膠的防爆震性能及機(jī)理研究[J].物理學(xué)報(bào),2010,59(12):8934-8940.

[7] GENTILINI S, GHAJERI F, GHOFRANIHA N, et al. Optical shock waves in silica aerogel[J]. Optics Express, 2014,22(2):1667-72.