新型輕質透氣保暖復合材料的制備及性能

韓健健，胡勇杰，劉 谷

（1.廣東產品質量監(jiān)督檢驗研究院，廣東廣州 510670；2.廣州恩灃新材料科技有限公司，廣東廣州 511400）

保暖服裝可以幫助人們抵御嚴寒，在日常生活中十分重要。但傳統(tǒng)的保暖服裝一般都比較厚重、臃腫。隨著物質生活水平的提高，人們迫切需要更加舒適美觀的保暖服裝。氣凝膠作為一種具有超高孔隙率（大于90%）的三維納米材料［1］，主要以氣態(tài)形式進行熱傳導，固態(tài)熱的傳導率較小，僅為氣凝膠材料的0.2%左右，因此具有優(yōu)異的隔熱性能［2］。氣凝膠在服裝領域的應用主要集中于航空航天以及軍用特種服裝等方面［3］。NASA 部署下的阿斯彭氣凝膠公司早在2002 年就將更具耐受性和柔韌強度的氣凝膠應用于太空服隔熱保暖襯里，厚度為18 mm 的氣凝膠襯里能幫助宇航員抵抗-130 ℃的低溫［4］。Corpo Nove 公司采用氣凝膠材料設計出耐極端氣溫（-25～1 500 ℃）的防寒服［5］。美國海軍開發(fā)出的氣凝膠內衣可顯著增強潛水服的防護性能，降低人體溫度的下降速度，延長潛水時間［6］。氣凝膠具有優(yōu)異的隔熱保暖性能，但超低密度、高孔隙率及獨特的網絡結構使其模量小、強度低、脆性大，難以達到服裝用隔熱防護材料要求的力學性能［5］，因此需要與其他材料復合。目前市售的氣凝膠復合材料多是后期將氣凝膠填充于已成型的材料孔隙中，并未與主體材料融為一體，易粉末化脫落［7］，耐久性差［8］，且透氣性隨填充下降，服裝的穿著舒適性較差。鑒于此，開發(fā)輕質、透氣、保暖的新型服裝用復合材料具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：SiO2納米氣凝膠、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、三烯丙基氰尿酸酯、偶氮二甲酰胺、硬脂酸、硬脂酸鋅、輕質碳酸鈣、滑石粉、受阻酚類抗氧劑CHEMNOX-B900（廣州恩灃新材料科技有限公司）。

儀器：密煉機、開煉機、螺桿式注射機、模具胸腔、恒溫輸送帶、劈刀、打孔機（廣州恩灃新材料科技有限公司）。

1.2 復合材料的制備

按照質量比取EVA、納米氣凝膠、硬脂酸、硬脂酸鋅、三烯丙基氰尿酸酯、偶氮二甲酰胺、輕質碳酸鈣、滑石粉以及抗氧劑，置于密煉機中混合攪拌，在80～90 ℃下密煉8～10 min，放到開煉機中以50～60 ℃開煉5～8 min，均勻壓片后在85～95 ℃下造粒。將造粒好的材料輸入螺桿式注射機的料筒中，在80～90 ℃下塑化加工，在注射壓力大于等于65 MPa、速率大于等于200 mm/s 下將材料注射到已抽真空的模具胸腔內170～180 ℃加溫400～1 200 s。將制得的產品以大于等于350 mm/s 的速率進行高速開模，讓產品模外發(fā)泡成型，得EVA 發(fā)泡產品，送入50～60 ℃恒溫輸送帶熱處理定形，再劈刀處理，得厚度為0.2～2.0 mm 的氣凝膠EVA保溫復合片材，最后打孔（孔徑1～10 mm），得氣凝膠EVA 輕質透氣保溫復合片材。

1.3 測試

依據(jù)GB/T 35762—2017、GB/T 4669—2008、GB/T 5453—1997 分別測試保暖性能（克羅值、保溫率、傳熱系數(shù)和熱阻）、單位面積質量和透氣性。

2 結果與討論

2.1 保暖性能的影響因素

2.1.1 氣凝膠用量

由圖1 可知，氣凝膠用量小于10%時，隨著氣凝膠用量增加，克羅值上升快，保溫率同步增長；超過10%時，克羅值和保溫率依然增長，但增幅減小。未添加氣凝膠的片材克羅值僅0.225，保溫率為27.100%，與職業(yè)裝要求的克羅值（1.000）相差甚遠，難以滿足服裝的保暖要求。用量為10%時，克羅值為1.238，保溫率為46.8%，相當于厚度為5.0～6.0 mm 的羽絨服或厚度為25.0 mm 的化纖棉?？梢娞砑舆m量氣凝膠可提高復合片材的克羅值和保溫率，達到保暖要求。

圖1 氣凝膠用量對復合片材克羅值和保溫率的影響

氣凝膠用量對復合片材熱阻和傳熱系數(shù)的影響見圖2。

圖2 氣凝膠用量對復合片材熱阻和傳熱系數(shù)的影響

由圖2 可知，氣凝膠用量小于10%時，隨著氣凝膠用量增加，熱阻上升較快，傳熱系數(shù)下降較快；超過10%時，熱阻上升、傳熱系數(shù)下降趨勢不變，但幅度減小。未添加氣凝膠的片材熱阻僅0.035 m2·K/W，與FZ/T 64020—2011 中的最低要求（0.090 m2·K/W）相差甚遠，傳熱系數(shù)高達28.57 W/(m2·K)，不能滿足服裝的保暖要求；5%時熱阻為0.126 m2·K/W，高于FZ/T 64020—2011 中對一等品的要求（0.120 m2·K/W）；10%時熱阻為0.192 m2·K/W，高于FZ/T 64020—2011中對優(yōu)等品的要求（0.160 m2·K/W）。

綜上所述，添加氣凝膠可顯著提高復合片材的保暖性能，用量在5%～20%時，可使復合片材達到不同保暖服裝的要求。

2.1.2 復合片材厚度

由圖3 可看出，厚度對復合片材保暖性能影響較大，隨著厚度增加，克羅值和保溫率基本呈直線上升趨勢，這是由于織物的克羅值具有加和性。厚度為2.0 mm 時，克羅值達到1.600，保溫率為54.3%，高于厚度為5.0～6.0 mm 的一般羽絨服或厚度為25.0 mm的化纖棉。因此，采用該復合片材制備的服裝保暖性能良好，輕薄不臃腫，美觀又實用。

圖3 厚度對復合片材克羅值和保溫率的影響

2.2 單位面積質量

以氣凝膠用量為10%、厚度為1.0 mm 的復合片材為例。由表1 可知，未添加氣凝膠的EVA 和復合片材的單位面積質量基本無差異。

表1 EVA 和復合片材的單位面積質量

因為EVA 與氣凝膠混合后煉制成型，氣凝膠增加質量的同時體積也變大；且EVA 和氣凝膠密度均很小，添加少量的氣凝膠對單位面積質量影響較小。單位面積質量較小是因為EVA 發(fā)泡后密度很小，氣凝膠是世界上密度最小的固體，因此復合片材質量輕，制備的保暖服裝輕便，穿戴者靈活性基本不受限，有利于減輕負擔，特別適用于冬季戶外活動、工作。

2.3 透氣性

測試條件：1 號噴嘴，實驗面積20.0 cm2，試樣兩側壓降100.0 Pa。由表2可知，不同氣凝膠用量的復合片材透氣性均良好，滿足服裝產品的需要。氣凝膠用量對復合片材的透氣性基本無影響，因為EVA 與氣凝膠混合后煉制成型，氣凝膠-高分子一體式復合片材不僅能保證高透氣性，也能使氣凝膠牢固負載于材料中，不在使用時脫落，穩(wěn)定性良好。

表2 復合片材的透氣性

3 結論

以EVA 為主體材料，將氣凝膠與EVA 混合后煉制成型，成功制備復合片材。該復合片材具有良好保暖性能的同時又輕質、透氣，可克服傳統(tǒng)保暖服裝臃腫厚重的缺點，具有良好的使用價值。