鎂基涂層織物隔熱效果影響研究

， ， ， ，，寧會(huì)

(大連海事大學(xué)船舶防污染測(cè)控技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧大連 116026)

涂層法是紡織品隔熱功能整理的常用方法，樹(shù)脂和功能填料是隔熱涂料中的重要組成部分[1]。水性聚氨酯樹(shù)脂以其功能性、環(huán)保性和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展[2]，常見(jiàn)的功能填料有TiO2，SiO2，ZnO，玻璃微珠等[3]。目前對(duì)織物隔熱效果的測(cè)試尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)學(xué)者采用紅外燈照射的方式對(duì)比研究涂層整理前后織物內(nèi)側(cè)溫度的變化[4-6]，如賀香梅等[4]用TiO2-SiO2氣凝膠制得涂層織物，測(cè)得其在被照射時(shí)內(nèi)側(cè)溫度可較原布低13.4 ℃。Sheng等[7]研究表明，將SiO2氣凝膠植入Al2O3纖維表面制得多層隔熱材料，其有效導(dǎo)熱率可比傳統(tǒng)材料減少21.8%。

氫氧化鎂作為一種儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好的無(wú)機(jī)功能材料[8-9]，在隔熱方面的作用也受到關(guān)注。王曉偉[10]用Mg(OH)2替換ZrO2、TiO2、堇青石復(fù)合涂料中的部分填料，發(fā)現(xiàn)摻有Mg(OH)2的涂料隔熱效果與原復(fù)合涂料相差不大。陳志翔[11]研究了Mg(OH)2在棉織物上的原位生長(zhǎng)情況，結(jié)果表明，棉織物在生長(zhǎng)Mg(OH)2后，導(dǎo)熱系數(shù)可比原棉織物降低0.013～0.023 W/(m·K)。

本文利用氫氧化鎂的親水性與水性聚氨酯樹(shù)脂的水溶性，將兩者混合后涂覆到織物表面制得鎂基涂層織物，研究其隔熱性能及規(guī)律，為氫氧化鎂的應(yīng)用研究提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

材料及藥品：白棉布(平紋，厚度0.34 mm，吳江協(xié)力紡織科技有限公司)，水性聚氨酯樹(shù)脂(PU，工業(yè)級(jí)，吳江市織女星紡織助劑有限公司)，氫氧化鎂(500 nm、2.6 μm、10 μm，工業(yè)級(jí)，蘇州澤鎂新材料科技有限公司)，熱電偶(Pt 100，德國(guó)久茂自動(dòng)化大連有限公司)。

儀器：T500電子天平(常熟雙杰測(cè)試儀器廠(chǎng))，JJ-1-200電動(dòng)攪拌器(常州智博瑞儀器制造有限公司)，KJ-6018涂布實(shí)驗(yàn)機(jī)(東莞市科建檢測(cè)儀器有限公司)，101-OA恒溫干燥箱(龍口先科有限公司)，003002厚度測(cè)試儀(德國(guó)開(kāi)拓公司)，LD-1H紅外燈(廣州力得泰可機(jī)械設(shè)備廠(chǎng))，MT-610溫度顯示器(大連美天三有電子儀表有限公司)。

1.2 鎂基涂層織物制備

將不同粒徑Mg(OH)2與水按1∶1.5的質(zhì)量比混合攪拌，制得不同氫氧化鎂漿料。將一定質(zhì)量氫氧化鎂漿料添加到水性聚氨酯樹(shù)脂中，攪拌至均勻狀態(tài)，涂布到棉織物表面，150 ℃烘干，1 min。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 掃描電鏡分析

將待測(cè)織物樣品均勻粘貼在樣品板上，噴金[12]，采用QUANTA 450鎢燈絲掃描電鏡進(jìn)行表征，觀察鎂基涂層形態(tài)及氫氧化鎂在涂層中的分布狀態(tài)。

1.3.2 隔熱性能測(cè)試

以1 100 W紅外燈為光源[13]，測(cè)試在織物阻擋下，保溫箱內(nèi)溫度變化情況。裝置示意如圖1所示。測(cè)試時(shí)應(yīng)避免裝置周?chē)休^大氣流。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，選定測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為1 h，距離調(diào)節(jié)桿示數(shù)為12 cm。

1.紅外燈；2.布樣；3.保溫箱；4.熱電偶；5.溫度顯示儀；6.距離調(diào)節(jié)桿圖1 隔熱效果測(cè)試裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 Mg(OH)2粒徑對(duì)隔熱性能的影響

當(dāng)Mg(OH)2添加量為40%，涂層厚度在(0.12±0.01) mm范圍內(nèi)時(shí)，不同粒徑涂層織物隔熱性能對(duì)比情況如圖2所示?？梢?jiàn)添加粒徑為500 nm的Mg(OH)2時(shí)，保溫箱內(nèi)溫度最低。原因是相同質(zhì)量條件下，Mg(OH)2粒徑越小，比表面積越大，對(duì)紅外光的有效反射面積越大，因此涂層對(duì)紅外光的透過(guò)率越低，織物隔熱性能越好[14]。

圖2 不同Mg(OH)2粒徑條件下保溫箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化情況

2.2 Mg(OH)2添加量對(duì)隔熱性能的影響

根據(jù)Mg(OH)2粒徑對(duì)鎂基涂層織物隔熱性能的影響情況，選用500 nm Mg(OH)2進(jìn)行進(jìn)一步研究。圖3為相同涂層厚度下，Mg(OH)2添加量對(duì)織物隔熱性能影響情況。可見(jiàn)Mg(OH)2添加量越大，織物隔熱效果越好。添加量為45%時(shí)保溫箱內(nèi)最終穩(wěn)定溫度比原布低約15 ℃。同時(shí)，織物涂層中不添加Mg(OH)2時(shí)，保溫箱內(nèi)最終穩(wěn)定溫度溫度較原布高約1.5 ℃，認(rèn)為樹(shù)脂有一定的吸熱作用。

圖4為不同氫氧化鎂添加量涂層織物在放大10 000倍下的SEM圖片?？梢?jiàn)，所用Mg(OH)2為片狀形貌，可較為均勻地分布于涂層內(nèi)部，結(jié)合涂層織物的隔熱效果可知，Mg(OH)2添加量越大，Mg(OH)2對(duì)織物的覆蓋面積越大，因此所能夠反射紅外光的面積越大，隔熱效果越好。

Mg(OH)2為六方片狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合織物SEM圖可知，所用Mg(OH)2的(1100)晶面較小，即厚度較薄，經(jīng)涂層整理后，所添加的Mg(OH)2(0001)晶面基本平行于織物表面，增大了Mg(OH)2對(duì)紅外光的反射作用面積，能更多地反射紅外輻射，從而起到良好的隔熱作用。

圖3 不同Mg(OH)2添加量條件下箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化情況

圖4 不同Mg(OH)2添加量鎂基涂層織物SEM圖

2.3 織物厚度對(duì)隔熱性能的影響

圖5為氫氧化鎂添加量為30%時(shí)織物隔熱效果隨厚度的變化情況。由圖5可知，對(duì)于同一種純棉基布，當(dāng)涂層厚度在0～0.30 mm時(shí)，織物隔熱性能隨涂層厚度先提高再降低。涂層厚度約為0.12 mm時(shí)，織物隔熱性能最佳。同時(shí)，由于所用樹(shù)脂較易吸收紅外光導(dǎo)致保溫箱內(nèi)溫度升高，故認(rèn)為當(dāng)涂層厚度小于0.12 mm時(shí)，鎂基涂層對(duì)紅外光的反射起主導(dǎo)作用，而當(dāng)涂層厚度繼續(xù)增加時(shí)，涂層中樹(shù)脂對(duì)紅外光的吸收逐漸增多，導(dǎo)致隔熱性能降低。

圖5 箱內(nèi)穩(wěn)定溫度隨涂層厚度的變化情況

3 結(jié) 論

與傳統(tǒng)涂布配方相比，采用水性聚氨酯樹(shù)脂配制涂層膠，操作簡(jiǎn)單，節(jié)約成本，杜絕了甲苯、二甲基甲酰胺等有機(jī)溶劑的使用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

a)以Mg(OH)2為功能材料，水性聚氨酯樹(shù)脂為涂層劑，對(duì)棉織物進(jìn)行涂層整理，Mg(OH)2可均勻分布于涂層內(nèi)部與表面。

b)鎂基涂層可提高織物的隔熱性能。

c)Mg(OH)2粒徑越小，添加量越大，織物隔熱效果越好，且涂層厚度以0.12 mm為宜。

[1] 徐進(jìn)進(jìn),田太洲,王斌,等.隔熱功能織物的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].印染助劑,2013(11):1-4.

[2] 宗奕珊.水性聚氨酯-丙烯酸酯復(fù)合乳液的制備及其改性研究[D].西安:陜西科技大學(xué),2014.

[3] 朱貞,陳宏書(shū),王結(jié)良,等.織物隔熱涂層的研究[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2014,17(6):21-30.

[4] 賀香梅,徐壁,蔡再生.SiO2氣凝膠隔熱涂層織物的制備及性能研究[J].表面技術(shù),2014,43(3):95-100.

[5] 王科林,陳克寧,牛家?guī)V,等.二氧化鈦的隔熱機(jī)理及其在功能織物上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代紡織技術(shù),2009,17(1):59-62.

[6] QIAN Y M, WU Q, ZHOU Y D. High-performance heat-insulated coating fabric and its Technology for producing[J]. Key Engineering Materials.2011,464:429-433.

[7] SHENG C, YU Y, YU Y, et al. Microstructure and thermal characterization of multilayer insulation materials based on silica aerogels[J]. Journal of Inorganic Materials, 2013,28(7):790-793.

[8] QIN L Q, HUANG Z X, ZHANG L M, et al. Flame-retardant mechanism of magnesium oxychloride in epoxy resin[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Mater Science Edition, 2009,24(1):127-131.

[9] 郭琳.氣-液-固三相水化制備氫氧化鎂研究[D].大連:大連海事大學(xué),2014.

[10] 王曉偉.水性復(fù)合型外墻隔熱保溫涂料的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[11] 陳志翔.Mg(OH)2晶體在纖維素類(lèi)基質(zhì)上的原位生長(zhǎng)及應(yīng)用研究[D].上海:東華大學(xué),2012.

[12] 王科林,陳克寧,牛家?guī)V,等.聚氨酯基TiO2隔熱涂層織物[J].印染,2010(3):5-10.

[13] 李娜,閔潔.球形SiO2的制備及在棉織物紅外反射隔熱中的應(yīng)用研究[J].印染助劑,2010,27(9):21-23.

[14] 張輝,沈蘭萍,張建春.基于空心微珠的織物防熱輻射性能研究[J].上海紡織科技,2005,33(7):56-59.