高性能纖維/多孔粉體復(fù)合海綿的制備及其吸音隔熱性能

宋順喜， 張清源， 任 瑋， 黎凌浩， 時(shí)宇杰， 劉海棠， 張美云*

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 陜西 西安 710021； 2.天津科技大學(xué) 天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300457)

0 引言

聚酰亞胺海綿因具有三維多孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能、阻燃性和化學(xué)穩(wěn)定性能，在隔熱、吸音、過濾等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[1].聚酰亞胺海綿的制備方法主要包含溶劑縮聚發(fā)泡和冷凍干燥兩類.其中，以“一步法”[1,2]和“兩步法”[3-6]為主的溶劑縮聚發(fā)泡因其工藝成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定，是聚酰亞胺海綿的主流制備方法.為了進(jìn)一步賦予聚酰亞胺海綿更多特殊性能，拓展聚酰亞胺海綿在特殊領(lǐng)域應(yīng)用并滿足性能需求，常將無機(jī)材料與聚酰亞胺進(jìn)行復(fù)合，利用無機(jī)材料自身優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)聚酰亞胺性能缺陷，實(shí)現(xiàn)材料性能提升與拓展的目的.

然而，在溶劑縮聚發(fā)泡制備聚酰亞胺海綿過程中，無機(jī)材料表面較少的化學(xué)基團(tuán)使其在復(fù)合過程中結(jié)合較差，對(duì)復(fù)合海綿材料強(qiáng)度有不利影響.同時(shí)，無機(jī)材料在縮聚發(fā)泡過程中存在分散難且分布不均等問題.因此，無機(jī)材料形貌調(diào)控、表面改性、冷凍干燥和添加增強(qiáng)組分等策略，是改善無機(jī)材料結(jié)合弱、分散難的有效手段.通過將無機(jī)微粒分散后與聚酰亞胺前驅(qū)體混合，經(jīng)冷凍干燥與熱亞胺化處理可得到均勻的無機(jī)/有機(jī)聚酰亞胺復(fù)合海綿，因而冷凍干燥在無機(jī)/有機(jī)聚酰亞胺復(fù)合海綿制備方面表現(xiàn)出更大優(yōu)勢(shì).然而，冷凍干燥法制備無機(jī)/有機(jī)聚酰亞胺海綿存在樣品尺寸受限、制備時(shí)間長(zhǎng)和能耗過大的問題.因此，尋求無機(jī)/有機(jī)聚酰亞胺復(fù)合海綿的高效制備方法，對(duì)提升聚酰亞胺材料性能和進(jìn)一步推動(dòng)該材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義.

Radvan等[7]在上世紀(jì)七十年代首次提出泡沫成形技術(shù).該方法利用表面活性劑產(chǎn)生的水基泡沫使纖維彼此分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)纖維分散并獲得勻度良好的纖維材料.研究表明，泡沫成形不僅能夠分散植物纖維，還能夠?qū)崿F(xiàn)合成纖維與長(zhǎng)纖維的分散.同時(shí)，在高濃成形條件下，泡沫成形方法也可使纖維具有良好的分散性.因此，該方法在降低用水量、節(jié)約能耗方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)[7,8].采用泡沫成形方法可制備出密度可控的纖維素纖維泡沫，該材料密度低、孔隙率高，同冷凍干燥法制備的纖維素泡沫相比，具有更高的楊氏模量[9].宋順喜等[10,11]采用泡沫成形技術(shù)在較高成形濃度條件下制備了聚酰亞胺紙張，結(jié)果表明，泡沫成形不僅實(shí)現(xiàn)了聚酰亞胺長(zhǎng)纖維的良好分散，而且與傳統(tǒng)濕法成形對(duì)比，泡沫成形方法制備的聚酰亞胺紙張擁有更好的成形勻度和紙張松厚度.課題組前期嘗試采用泡沫成形技術(shù)制備聚酰亞胺/芳綸纖維復(fù)合海綿，發(fā)現(xiàn)芳綸沉析纖維與聚酰亞胺纖維質(zhì)量比為3:1時(shí)，復(fù)合海綿具有低的表觀密度與較好的隔熱性能，證明了泡沫成形方法在制備纖維基海綿材料的可行性.

多孔粉體，如二氧化硅氣凝膠[12-14]、活性炭[15]、多孔硅酸鈣[16,17]等，具有豐富的空腔、孔道結(jié)構(gòu)和低的導(dǎo)熱系數(shù).研究表明[18-20]，多孔粉體的微納米孔徑和高比表面積對(duì)熱量及聲波有較好的阻隔與削弱作用，將多孔粉體引入復(fù)合材料體系后，可顯著改善復(fù)合材料的隔熱與吸音性能.在常壓條件下通過原位溶膠-凝膠法可制備出柔性PET/氣凝膠復(fù)合材料[21]，二氧化硅氣凝膠粉體填充在PET纖維周圍并形成有效填充網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大幅提升了PET纖維材料的隔熱吸音性能.Lazzari等[22]研究了生物炭含量對(duì)纖維素氣凝膠材料力學(xué)性能和隔熱性能的影響，結(jié)果表明，生物炭添加量為40%時(shí)，生物炭/纖維素氣凝膠復(fù)合材料具有良好的隔熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)為0.026 W/(m·K).

本研究以高性能聚酰亞胺纖維為骨架，引入芳綸沉析纖維(AF)和芳綸納米纖維(ANFs)作為多尺度增強(qiáng)材料，將二氧化硅氣凝膠和多孔硅酸鈣作為功能粉體，利用泡沫成形制備高性能纖維/多孔粉體復(fù)合海綿.該復(fù)合海綿不僅具有高的孔隙率和較低密度，同時(shí)擁有較優(yōu)的隔熱性能與吸音性能，對(duì)航天航海和軌道交通領(lǐng)域結(jié)構(gòu)減重與節(jié)能降噪材料的發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚酰亞胺纖維(長(zhǎng)度6 mm)由長(zhǎng)春高崎聚酰亞胺材料有限公司提供，對(duì)位芳綸短切纖維(長(zhǎng)度6 mm)和間位芳綸沉析纖維(長(zhǎng)度0.68 mm，纖維寬度31.1 μm)由煙臺(tái)泰和新材有限公司提供；多孔硅酸鈣由國(guó)內(nèi)某企業(yè)提供，二氧化硅氣凝膠(Silicate aerogel)購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司；十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate，SDS)購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(中國(guó))；二甲亞砜(DMSO，99.5%)、乙醇(99.5%)、氫氧化鉀(KOH，99.5%)和十二烷基苯磺酸鈉購(gòu)自天津大茂化學(xué)試劑有限公司(中國(guó))；實(shí)驗(yàn)所用去離子水均由實(shí)驗(yàn)室設(shè)備自制.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

標(biāo)準(zhǔn)漿料疏解機(jī)(Lorentzen-992304)，瑞典L&W公司；高速攪拌器(IKA VISC6000)，德國(guó)IKA公司；伺服多功能材料試驗(yàn)機(jī)(AI-7000-NGD)，臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司；熱常數(shù)分析儀(Hot Disk TPS2200)，瑞典Hot Disk公司；阻抗管(SW422、SW477)，北京聲望聲電技術(shù)有限公司；掃描電子顯微鏡(VEGA-3-SBH)，捷克TESCAN公司；激光粒度分析儀(Bettersize3000plus)，丹東百特儀器有限公司；超聲波清洗器(Q2200)，昆山市超聲儀器有限公司.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 纖維預(yù)處理與ANF制備

(1)纖維預(yù)處理：將聚酰亞胺纖維和對(duì)位芳綸短切纖維分別放置在濃度為1.2×10-3mol/L的十二烷基苯磺酸鈉溶液中，在60 ℃條件下攪拌30 min以除去表面污漬，反復(fù)清洗后干燥備用.

(2)ANF制備：根據(jù)文獻(xiàn)[23]報(bào)道的方法制備芳綸納米纖維.首先，將一定質(zhì)量的對(duì)位芳綸短切纖維與KOH(質(zhì)量比為1∶1.5)加入燒杯，并加入一定量去離子水與DMSO混合溶劑(體積比為1∶25)，其中對(duì)位芳綸短切纖維與去離子水質(zhì)量比為1∶20，在室溫下混合攪拌4 h，得到紅色的ANFs前驅(qū)體溶液，在攪拌條件下將去離子水注入一定量的前驅(qū)體溶液中(去離子水與前驅(qū)體溶液體積比為2∶1)，得到凝膠狀A(yù)NFs.然后，通過乙醇和去離子水反復(fù)清洗體系中的DMSO和KOH，最終得到ANF懸浮液.

1.3.2 粉體的分散處理

稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)(相對(duì)于絕干纖維質(zhì)量)為12 wt%(6 wt%、12 wt%、18 wt%、24 wt%)的二氧化硅氣凝膠和多孔硅酸鈣粉末，分別與去離子水配制成固含量為0.5 wt%懸浮液后，磁力攪拌分散30 min，然后在超聲功率1 200 W條件下超聲處理10 min.

2.1.3 維生素缺乏 羊只在放牧過程中容易造成維生素A、維生素D、維生素E的缺乏，引起羊只繁殖率低下和產(chǎn)弱羔、死胎等現(xiàn)象。所以，在補(bǔ)充飼喂時(shí)應(yīng)注意胡蘿卜素和多維素等的適量添加。

1.3.3 高性能纖維/多孔粉體復(fù)合海綿的制備

復(fù)合海綿的制備流程如圖1所示.將聚酰亞胺纖維和間位芳綸沉析纖維按照3∶1(絕干纖維質(zhì)量)比例混合后加入自制的發(fā)泡容器中，加入一定固含量的ANF懸浮液和0.6 g/L的SDS(ANF與總纖維質(zhì)量比為1:20)，通過加入去離子水控制體系固含量為2.4 wt%，在4 000 r/min的攪拌速度下將已處理的多孔粉體懸浮液加入纖維漿料中并持續(xù)發(fā)泡30 min，最后將所形成的纖維-多孔粉體泡沫混合漿料轉(zhuǎn)移到濾水成形容器中，當(dāng)容器中的泡沫無明顯破裂時(shí)，置于105 ℃的烘箱中干燥3 h，得到高性能纖維/多孔粉體復(fù)合海綿.

圖1 高性能纖維/多孔粉體復(fù)合海綿的制備流程

1.4 材料性能表征

(1)多孔粉體粒徑：通過百特激光粒度分析儀(Bettersize3000plus)，在超聲分散背景下對(duì)多孔粉體粒徑進(jìn)行3次測(cè)試，取平均粒徑作為多孔粉體粒徑.

(2)孔隙率與比孔體積：通過萬分位分析天平稱量樣品質(zhì)量，并測(cè)量圓柱形樣品的半徑(r)和高度(h)確定樣品體積，計(jì)算樣品密度.樣品的比孔體積(SPV,cm3/g)由公式(1)、(2)計(jì)算[3]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：ρSG和ρbulk(1.4 g/cm3)分別是復(fù)合海綿和聚合物在本體狀態(tài)下的密度.

(3)壓縮強(qiáng)度：采用伺服多功能材料試驗(yàn)機(jī)(Gotech AI-7000NGD)，在50 kgf作用下以30 mm/min的壓縮速度分別對(duì)不同多孔粉體及不同粉體用量下的復(fù)合海綿進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，在壓縮應(yīng)變?yōu)?0%條件下測(cè)試其力學(xué)強(qiáng)度.

(4)導(dǎo)熱系數(shù)：采用Hot Disk TPS2200熱常數(shù)分析儀對(duì)所制備的不同纖維/多孔粉體復(fù)合海綿導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，在10 s和20 mW條件下多次測(cè)量得到復(fù)合海綿的平均導(dǎo)熱系數(shù)，表征該復(fù)合海綿的保溫隔熱性能.

(5)吸音系數(shù)：不同纖維/多孔粉體復(fù)合海綿的吸音系數(shù)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 10534—2:2001)采用直徑100 mm與30 mm的阻抗管(SW422、SW477)測(cè)量，對(duì)不同多孔粉體復(fù)合海綿在100～6 000 Hz的吸音性能反復(fù)測(cè)試三次取平均值，用不同頻率范圍下的吸音系數(shù)反映復(fù)合海綿吸聲性能.降噪系數(shù)(NRC)為復(fù)合多孔材料在250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 多孔粉體及復(fù)合海綿形貌與特性

2.1.1 多孔粉體形貌與粒徑分布

二氧化硅氣凝膠和多孔硅酸鈣的微觀形貌及粒徑分布如圖2所示.可以看出，二氧化硅氣凝膠微粒尺寸較大，這是由于自身納米材料特性造成的團(tuán)聚作用，使之形成具有多孔結(jié)構(gòu)的微粒團(tuán)聚體，且團(tuán)聚體的平均粒徑(D50)為33.21 μm；硅酸鈣粒徑為42.87 μm，且硅酸鈣表面具有明顯的層狀多孔結(jié)構(gòu).這些多孔微粒在復(fù)合材料成形過程中會(huì)與芳綸沉析纖維、芳綸納米纖維相互作用[23]，進(jìn)而構(gòu)建復(fù)雜的傳播路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱與聲波傳遞過程的有效阻隔，提升多孔復(fù)合多孔材料的隔熱吸音性能.

圖2 多孔粉體形貌及粒徑尺寸分布

2.1.2 復(fù)合海綿微觀形貌與結(jié)構(gòu)特性

不同復(fù)合海綿的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示.圖3(a)與3(b)分別為聚酰亞胺纖維及芳綸沉析纖維的微觀形貌，圖3(c)為未添加多孔粉體纖維基海綿的微觀形貌，可以看出，聚酰亞胺纖維作為骨架搭接出復(fù)合海綿的多孔網(wǎng)絡(luò)，而具有微納米尺度的芳綸沉析纖維與芳綸納米纖維為增強(qiáng)組分，與聚酰亞胺纖維共同構(gòu)成了多尺度增強(qiáng)纖維網(wǎng)絡(luò).其中，從圖3(c′)可以發(fā)現(xiàn)聚酰亞胺纖維間的接觸點(diǎn)被芳綸沉析纖維包覆、纏結(jié)，而芳綸納米纖維不僅自身可形成高強(qiáng)度薄膜，還可以與芳綸沉析纖維形成氫鍵，芳綸沉析纖維與芳綸納米纖維的協(xié)同效應(yīng)使得聚酰亞胺纖維骨架接觸點(diǎn)被牢牢“焊接”使得纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被固定，賦予纖維基多孔材料一定的力學(xué)強(qiáng)度.

添加多孔粉體后，無機(jī)微粒種類在復(fù)合多孔材料內(nèi)部分布狀態(tài)也有所不同.圖3(d)可以看出，二氧化硅氣凝膠微粒干燥后由于自身納米尺度帶來的團(tuán)聚作用使其主要分布在纖維表面并沉積在纖維骨架結(jié)合處；圖3(e)展示了硅酸鈣在復(fù)合多孔材料內(nèi)部分布特點(diǎn)，具有層狀多孔結(jié)構(gòu)的硅酸鈣主要分布于芳綸沉析纖維表面，這可能與芳綸沉析纖維表面的酰胺鍵與硅酸鈣表面的硅羥基產(chǎn)生一定的氫鍵結(jié)合有關(guān).不同多孔粉體由于微觀形貌與結(jié)構(gòu)差異，為復(fù)合海綿構(gòu)建了復(fù)雜的聲波傳播路徑和孔隙結(jié)構(gòu)，因而可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱與聲波傳遞過程的有效削弱.

圖3 復(fù)合海綿表面微觀形貌

不同多孔粉體/纖維基復(fù)合多孔材料的物理特性如圖4所示.可以看出，隨著多孔粉體用量增多，復(fù)合多孔材料的表觀密度逐漸增大，其中，添加二氧化硅氣凝膠的復(fù)合多孔材料表觀密度低于添加多孔硅酸鈣的復(fù)合海綿.隨著添加量的增加，加入兩種多孔粉體海綿的密度差異逐漸增加，粉體用量為24 wt%時(shí)，二氧化硅氣凝膠的表觀密度為12.4 mg/cm3，而多孔硅酸鈣的密度為11.5 mg/cm3，因此粉體密度差異是導(dǎo)致海綿密度變化的主要原因.

添加二氧化硅氣凝膠與硅酸鈣,對(duì)復(fù)合海綿孔隙率及比孔體積的影響如圖4(b)與圖4(c)所示.添加多孔粉體后，復(fù)合海綿的孔隙率及比孔體積均增大，但隨著多孔粉體用量逐漸增多，復(fù)合海綿孔隙率與比孔體積皆表現(xiàn)出減小趨勢(shì).一方面由于二氧化硅氣凝膠與硅酸鈣均具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)，另一方面無機(jī)功能微粒加入后會(huì)破壞纖維結(jié)合，因此，添加多孔粉體后復(fù)合海綿的孔隙率增大；比孔體積是顆粒孔隙的量度，比孔體積越大，表明多孔材料中實(shí)際物質(zhì)的比例越小.具有大比孔體積的材料強(qiáng)度通常小于比孔體積小的材料強(qiáng)度.添加二氧化硅氣凝膠的復(fù)合海綿比孔體積大于添加硅酸鈣的復(fù)合海綿，因此，其復(fù)合海綿強(qiáng)度理論應(yīng)小于添加硅酸鈣復(fù)合海綿的材料強(qiáng)度，這在圖7(a)與圖7(b)中也進(jìn)一步得到了證實(shí).

圖4 多孔粉體添加量對(duì)復(fù)合海綿物理特性影響

2.2 復(fù)合海綿隔熱性能

二氧化硅及硅酸鈣用量對(duì)復(fù)合多孔材料隔熱性能的影響如圖5所示.未添加多孔粉體的復(fù)合海綿導(dǎo)熱系數(shù)為0.034 9 W/(m·K)，添加二氧化硅氣凝膠后，復(fù)合海綿的隔熱性能有所改善，且優(yōu)于添加硅酸鈣復(fù)合海綿的隔熱性能.添加6 wt%二氧化硅氣凝膠和硅酸鈣后，復(fù)合多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別下降至0.030 4 W/(m·K)和0.032 8 W/(m·K).這可能與多孔粉體在復(fù)合多孔材料中的分布特點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān).

圖5 多孔粉體的種類與用量對(duì)復(fù)合海綿隔熱性能的影響

結(jié)合圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，添加多孔粉體后，復(fù)合多孔材料的孔隙率均增大，當(dāng)添加6 wt%二氧化硅氣凝膠時(shí)，材料孔隙率與比孔體積均最大，這一方面歸因于二氧化硅氣凝膠自身具有優(yōu)異的隔熱性能，另一方面，復(fù)合海綿自身也具有多孔結(jié)構(gòu)，兩者協(xié)同作用下，導(dǎo)致多孔材料內(nèi)部界面增多，增加了固-固界面和氣-固界面的聲子反射與聲子散射，致使界面熱阻上升.同時(shí)，添加的多孔粉體孔壁與空氣分子發(fā)生摩擦，通過摩擦作用降低空氣熱分子的動(dòng)能[24-26]，這兩種效應(yīng)共同作用下，進(jìn)一步削弱了固體傳熱，使得二氧化硅氣凝膠復(fù)合多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)下降.隨著多孔粉體用量增大，其導(dǎo)熱系數(shù)也逐漸增大，這是由于功能微粒用量增多導(dǎo)致團(tuán)聚體增加，分散性下降，復(fù)合多孔材料比孔體積均逐漸減小，即復(fù)合多孔材料部?jī)?nèi)部實(shí)際的固相物質(zhì)在逐漸增多，此時(shí)，界面熱阻效應(yīng)遠(yuǎn)小于固相熱傳導(dǎo)對(duì)熱量傳遞過程中的貢獻(xiàn).因此，復(fù)合海綿的導(dǎo)熱系數(shù)隨多孔粉體用量的增大而逐漸增大.

2.3 復(fù)合海綿聲學(xué)性能

二氧化硅氣凝膠對(duì)復(fù)合多孔材料的吸音性能影響如圖6(a)示.添加二氧化硅氣凝膠后，復(fù)合多孔材料的吸音系數(shù)整體呈下降趨勢(shì).添加二氧化硅氣凝膠對(duì)復(fù)合多孔材料吸音系數(shù)改善效果不明顯，可能與其在海綿內(nèi)部的形態(tài)與分布有關(guān)，二氧化硅氣凝膠干燥后主要團(tuán)聚體形式分布在纖維表面并沉積在纖維骨架結(jié)合處，團(tuán)聚體的形貌與分布(如圖3(d)所示)不利于聲波的多次反射與折射，故對(duì)音波的吸收性能影響較小.

相比而言，添加多孔硅酸鈣可改善復(fù)合海綿吸音性能如圖6(b)所示.隨著硅酸鈣用量的增多，復(fù)合多孔材料吸音系數(shù)在中低頻范圍逐漸增大，而在高頻范圍減小，這可能與硅酸鈣自身結(jié)構(gòu)有關(guān).層狀的多孔結(jié)構(gòu)使得聲波在穿透材料內(nèi)部時(shí)，產(chǎn)生多次反射與折射，使得聲波在多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部與空氣分子劇烈摩擦并轉(zhuǎn)化為熱能，削弱了聲波的穿透進(jìn)而提升復(fù)合多孔材料的吸音系數(shù)[27]，且在1 300～2 800 Hz的中低頻范圍內(nèi)，添加硅酸鈣復(fù)合多孔材料表現(xiàn)出良好的吸音性能.二氧化硅氣凝膠和硅酸鈣對(duì)復(fù)合材料NRC影響如圖6(c)所示，與二氧化硅氣凝膠相比，添加多孔硅酸鈣對(duì)復(fù)合海綿NRC效果提升較為明顯，當(dāng)硅酸鈣用量為24 wt%時(shí)，NRC由0.41增大到0.53，可作為輕質(zhì)、高效的吸音材料應(yīng)用于減重吸音材料領(lǐng)域.

圖6 多孔粉體用量對(duì)復(fù)合海綿吸音性能影響

2.4 復(fù)合海綿力學(xué)性能

多孔粉體種類和用量對(duì)復(fù)合海綿的力學(xué)性能的影響如圖7所示.加入二氧化硅氣凝膠后，復(fù)合海綿的壓縮強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì).相比而言，加入少量多孔硅酸鈣后，強(qiáng)度有所下降，但隨著硅酸鈣用量增加，復(fù)合海綿壓縮強(qiáng)度逐漸增大.這可能是由于多尺度的芳綸納米纖維與芳綸沉析纖維與硅酸鈣層狀多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“交織”作用，且芳綸納米纖維通過成膜作用對(duì)固固界面結(jié)合處進(jìn)行加固[28,29]，使得芳綸沉析纖維與多孔硅酸鈣強(qiáng)有力的結(jié)合在一起，當(dāng)硅酸鈣用量逐漸增多，復(fù)合海綿受到外力被壓縮時(shí)，纖維與硅酸鈣共同承擔(dān)應(yīng)力載荷，使得可承受的壓應(yīng)力載荷逐漸增大.此外，添加硅酸鈣復(fù)合海綿的比孔體積小于添加二氧化硅氣凝膠復(fù)合海綿的比孔體積，因此，添加硅酸鈣的復(fù)合海綿擁有較大的壓縮強(qiáng)度.

圖7 多孔粉體用量對(duì)復(fù)合海綿力學(xué)性能影響

2.5 復(fù)合海綿結(jié)構(gòu)與性能機(jī)理分析

采用泡沫成形方法成功構(gòu)筑了多尺度增強(qiáng)的纖維/多孔粉體輕質(zhì)復(fù)合材料，利用產(chǎn)生的水基泡沫對(duì)纖維實(shí)現(xiàn)分散，不僅可在高濃成形條件下實(shí)現(xiàn)良好分散，降低水耗、能耗，同時(shí)泡沫塑造了豐富孔隙結(jié)構(gòu).如圖8所示，由于泡沫成形過程濃度較高，使得在Z向分布的聚酰亞胺纖維承擔(dān)了復(fù)合材料部分軸向壓縮強(qiáng)度，其原因不僅與高模量的聚酰亞胺纖維在受力時(shí)表現(xiàn)出“韌性”有關(guān)，同時(shí)，芳綸沉析纖維對(duì)聚酰亞胺纖維結(jié)合處的包覆纏繞與芳綸納米纖維的界面增強(qiáng)作用共同賦予了復(fù)合海綿良好的力學(xué)強(qiáng)度.多孔粉體由于具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)，引入復(fù)合多孔材料內(nèi)部后，由于自身的微納米孔徑與團(tuán)聚作用，使得復(fù)合多孔材料內(nèi)部孔隙率與比孔體積發(fā)生改變，比孔體積的與孔隙率的增大使得復(fù)合多孔材料內(nèi)部固體界面增大，進(jìn)而增強(qiáng)了固固界面和氣固界面的聲子反射與散射，同時(shí)，多孔粉體孔壁與空氣的摩擦作用，進(jìn)一步削弱了熱量的傳遞并提升了復(fù)合多孔材料的隔熱性能.此外，由于多孔粉體自身特殊的層狀多孔結(jié)構(gòu)，使得聲波在傳播過程中，多次受到復(fù)合多孔材料內(nèi)部纖維界面、多孔粉體界面及粉體孔徑的摩擦與碰撞，聲波能量部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，多次的反射、折射與阻尼振動(dòng)作用使得聲波振動(dòng)被削弱，大幅削弱了材料中的聲波穿透，保證了復(fù)合多孔材料良好的吸音性能.

圖8 纖維/多孔粉體復(fù)合海綿結(jié)構(gòu)與性能機(jī)理分析

3 結(jié)論

(1)采用泡沫成形方法，以聚酰亞胺纖維為骨架，以芳綸沉析纖維、芳綸納米纖維為增強(qiáng)組分，通過加入多孔粉體構(gòu)筑多尺度增強(qiáng)復(fù)合海綿，該方法為纖維基復(fù)合海綿規(guī)?；苽涮峁┝嘶A(chǔ).

(2)多孔粉體種類及用量對(duì)復(fù)合海綿力學(xué)性能影響不同.隨著硅酸鈣用量逐漸增多，復(fù)合海綿力學(xué)強(qiáng)度逐漸增大，而二氧化硅氣凝膠用量增多時(shí)，復(fù)合海綿力學(xué)強(qiáng)度逐漸減小.

(3)添加6 wt%二氧化硅氣凝膠時(shí)，復(fù)合海綿具有最佳的隔熱效果，導(dǎo)熱系數(shù)低至0.030 4 W/(m·K)，添加24 wt%硅酸鈣時(shí)，復(fù)合海綿在1 300～2 800 Hz的中低頻范圍內(nèi)具有較高的吸音系數(shù)，NRC由0.41提升至0.53，吸音性能大幅提升.