二氧化硅纖維基隔熱材料研究進(jìn)展

吳一凡,王興濤,孫金峰,孟永強(qiáng),萬紅敬

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,石家莊 050018;2.河北省柔性功能材料重點實驗室,石家莊 050018;3.河北環(huán)瑞化工有限公司,石家莊 050035)

0 引 言

隔熱材料可有效降低在產(chǎn)生、輸送、儲存和使用過程中伴隨的熱損失[1],是提高能源利用效率的重要材料,在城市建筑[2]、冷藏運(yùn)輸[3]、航空航天[4]等領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

非晶態(tài)的二氧化硅(SiO2)具有較低的本征導(dǎo)熱性,其制備方式簡單,價格便宜,在隔熱領(lǐng)域一直備受青睞。目前SiO2隔熱材料形貌多變,主要有粉末狀[5-8]、纖維狀[9-12]、膜狀[13]和塊狀[14-15],如圖1所示。其中SiO2纖維狀隔熱材料具有長徑比大、孔隙率高等優(yōu)點,較小的纖維直徑和較高的孔隙率可顯著提升材料的隔熱性能[1],其較大的長徑比可以緩沖作用于纖維上的力,從而提高材料的力學(xué)性能。近年來,為進(jìn)一步提升SiO2纖維的隔熱性能,大量新型SiO2纖維基隔熱材料被開發(fā)。一方面,研究人員對制備工藝進(jìn)行創(chuàng)新,實現(xiàn)復(fù)雜形貌SiO2纖維基隔熱材料的制備,主要有中空[16-17]和多孔[18]纖維,這些形貌可以有效增加纖維的比表面積,從而實現(xiàn)纖維隔熱效果的提升[19-20];另一方面,采用SiO2纖維與其他有機(jī)材料或無機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合亦可以提升復(fù)合材料的隔熱性能。故本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,從SiO2纖維的隔熱機(jī)理出發(fā),首先綜述了不同類型SiO2纖維的制備方法和研究進(jìn)展,其次總結(jié)了SiO2纖維與有機(jī)材料、無機(jī)材料等復(fù)合的研究進(jìn)展,同時簡述了隔熱材料目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域,最后展望了SiO2纖維基隔熱材料在未來的發(fā)展方向。

圖1 不同狀態(tài)SiO2隔熱材料Fig.1 Different states of silica thermal insulation materials

1 隔熱機(jī)理

傳熱是由溫差引起的熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞的過程。熱量在纖維中的傳遞方式可分為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種形式[21]。

熱傳導(dǎo)是由靜止物質(zhì)內(nèi)的分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞。纖維中的熱傳導(dǎo)包括固體熱傳導(dǎo)(見圖2Ⅰ)、氣體熱傳導(dǎo)(見圖2Ⅱ)和氣固熱傳導(dǎo)(見圖2Ⅲ)三部分,其中最主要的熱傳導(dǎo)方式為固體熱傳導(dǎo)。非金屬固體內(nèi)部的熱量是通過相鄰分子間(晶格)碰撞傳遞的,即聲子傳熱[22]。

圖2 纖維傳熱示意圖Fig.2 Heat transfer diagram of fiber

根據(jù)運(yùn)動理論,陶瓷纖維的固體熱導(dǎo)率λs可由式(1)表示[23]。

(1)

式中:Cs為單位體積聲子的定容比熱容,νph為聲子平均速度,ls為聲子平均自由程。從式(1)中可以看出,材料的固體熱導(dǎo)率與聲子平均自由程呈正相關(guān)。減小熱導(dǎo)率可以通過減小纖維的空間尺寸,迫使聲子在邊界處以更短的距離散射來實現(xiàn)[24],也可以通過增加材料中的缺陷濃度、雜質(zhì)含量和晶界數(shù)量等手段減小聲子平均自由程來實現(xiàn)[23]。

熱對流是由多孔材料內(nèi)部孔隙流體的宏觀運(yùn)動引起流體各部分之間產(chǎn)生相對位移,導(dǎo)致冷熱流體相互摻混所產(chǎn)生的熱量傳遞方式。在微納米纖維隔熱材料中,孔隙被纖維阻隔,氣流不易流動,并且纖維材料內(nèi)部沒有足夠的氣壓差,因而對流換熱很小,可忽略不計[25]。

輻射把熱能以電磁波的形式從一個物體傳遞給另一個物體,是真空中唯一的熱傳遞方式。輻射熱導(dǎo)率λr可由式(2)表示[23]。

(2)

式中:kB為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù),n為材料的折射率,T為溫度,e為消光系數(shù),ρ為材料密度。消光系數(shù)是指紅外輻射通過材料后因散射和吸收作用而導(dǎo)致的輻射能量衰減程度,提高消光系數(shù)及紅外遮蔽性能,可有效降低輻射熱傳導(dǎo),現(xiàn)常用的提高消光系數(shù)的方法有兩種:1)在纖維表層制備高反射作用的涂層,提高纖維對紅外輻射的反射能力,從而降低消光系數(shù);2)在纖維中復(fù)合具有較高紅外反射和吸收能力的遮光劑。

在實際傳熱過程中,這三種傳熱方式并不是單獨存在的,往往是同時發(fā)生的。一般情況下熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位,在高溫條件下,熱輻射的作用逐漸增強(qiáng)[21]。

從宏觀上看,纖維隔熱材料內(nèi)部換熱過程包括:纖維固體材料的導(dǎo)熱、纖維內(nèi)部氣體的導(dǎo)熱和對流換熱、輻射換熱。熱傳遞機(jī)理非常復(fù)雜,影響的因素很多,包括分子導(dǎo)熱機(jī)制(氣體分子導(dǎo)熱部分)、聲子導(dǎo)熱機(jī)制(非金屬纖維和顆粒的固相導(dǎo)熱部分)、光子導(dǎo)熱機(jī)制(輻射貢獻(xiàn)的部分)以及電子導(dǎo)熱機(jī)制(金屬的碎箔和微顆粒擋光物質(zhì)的固相導(dǎo)熱部分)。纖維是一種聚集態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有孔隙、大多能透光的物質(zhì),熱傳導(dǎo)機(jī)理可將其內(nèi)部熱傳導(dǎo)的各種形式結(jié)合起來,由此可得多重機(jī)制的熱導(dǎo)率λ,如式(3)所示。

(3)

式中:Cvi為導(dǎo)熱載體單位體積的定容比熱容,vi為導(dǎo)熱載體的平均速度,li為導(dǎo)熱載體的平均自由程,i表示四種不同的導(dǎo)熱載體,如分子、電子、聲子和光子。SiO2纖維中電子導(dǎo)熱機(jī)制忽略不計。通過調(diào)節(jié)纖維的疏密程度,可以減少空氣分子間的熱傳遞;減小纖維的直徑,可以降低聲子的熱傳遞;高溫時,通過提高消光系數(shù)來減少光子導(dǎo)熱。

2 不同形貌SiO2纖維及其制備方法

制備SiO2纖維一般首先需要制備SiO2前驅(qū)液,大多選用正硅酸乙酯(TEOS)[26]、聚硅氧烷[27]和納米SiO2顆粒[28-29]等作為硅源,通過不同的制備方式形成纖維狀,最后通過熱處理等方式留下纖維狀的SiO2。SiO2纖維的形貌可以通過不同的制備方式發(fā)生改變,根據(jù)形貌的不同SiO2纖維可分為實心纖維、中空纖維、多孔纖維等類型。下面對不同形貌SiO2纖維的制備方法進(jìn)行了分類總結(jié)。

2.1 實心SiO2纖維

纖維較小的直徑在一定程度上增加了材料的熱阻,使熱量在固體中傳遞困難,因而實心纖維狀材料表現(xiàn)出良好的隔熱性能,同時實心纖維狀材料由于較大的長徑比而表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。實心SiO2纖維制備方式較為簡單,靜電紡絲、離心紡絲、溶液吹紡等多種方式均可制備出具有良好形貌的實心SiO2纖維。

靜電紡絲法制備SiO2纖維時通常選擇將硅源水解生成Si—O—Si鍵,再加入聚合物制成前驅(qū)體紡絲液,在一定的環(huán)境和紡絲工藝下,得到納米纖維膜,最后對納米纖維膜進(jìn)行高溫煅燒,除去有機(jī)成分,獲得SiO2納米纖維膜。靜電紡絲工藝示意圖及靜電紡絲纖維如圖3(a)、(d)所示。溫佳杰等[30]利用TEOS作為硅源,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作為粘結(jié)劑,制備前驅(qū)體,通過靜電紡絲制備出了直徑較小的SiO2纖維,并將其引入到氣相SiO2納米粉末材料中,獲得了具有較好力學(xué)性能的隔熱材料,最低導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 1 W/(m·K);Choi等[31]舍棄了粘結(jié)劑,利用TEOS在酸性條件下水解成凝膠狀態(tài)進(jìn)行紡絲,制備SiO2纖維。靜電紡絲法制備出的納米纖維直徑小,長徑比大,孔隙率高,具有優(yōu)良的耐高溫性、耐氣候性、耐腐蝕性,且靜電紡絲在制備時易于控制纖維成分和形貌,制備出的纖維均勻性好,然而其生產(chǎn)效率低,為提高靜電紡絲的產(chǎn)量,相繼開發(fā)了多針和無針靜電紡絲方法,有望解決產(chǎn)量低的問題。

圖3 不同制備方式示意圖及不同制備方式得到纖維的形貌Fig.3 Schematic diagrams of different preparation methods and fiber morphology of different preparation methods

離心紡絲是一種新型的納米纖維制備技術(shù),利用高速旋轉(zhuǎn)的離心紡絲裝置產(chǎn)生離心作用力,使聚合物熔體或溶液克服流體本身的表面張力和離心力,不斷拉伸細(xì)化,最終在收集裝置中固化形成纖維[32](見圖3(b))。Hromdko等[33]采用TEOS作為硅源,PVP作為粘結(jié)劑制成紡絲溶液,通過離心紡絲的方式制備了介孔SiO2纖維,如圖3(e)所示,比表面積高達(dá)824 m2/g,具有廣闊的應(yīng)用前景。Leng等[34]利用聚苯乙烯(PS)和納米SiO2制備纖維,進(jìn)一步減小了纖維的直徑,使纖維具有更好的機(jī)械韌性,不易開裂,而且納米SiO2粉體使纖維表面存在納米級凸起,這些凸起在表面形成了固體和空氣相交叉的復(fù)合界面,界面中的空氣不容易被液體擠走,從而提高了纖維的疏水性,一定程度上解決了水分存在導(dǎo)致纖維隔熱性能下降的問題。Zeng等[35]在紡絲過程中利用氣流輔助,減小了纖維的直徑,加入的SiO2顆粒(平均粒徑為15 nm)使溶液黏度增大,聚合物溶液解纏能力降低,一定程度上減小了噴射拉拔過程中出現(xiàn)的珠粒、噴霧等缺陷,SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時效果最優(yōu),同時氣流輔助提高了設(shè)備的收集效果。相比靜電紡絲,離心紡絲具有無高壓、無污染、安全指數(shù)高、產(chǎn)出率高的特點[36],可制備出不同結(jié)構(gòu)形態(tài)和性能的纖維制品[37],更適用于工業(yè)化生產(chǎn)。此方法生產(chǎn)的SiO2、氧化鋁纖維主要應(yīng)用于保溫節(jié)能領(lǐng)域。

溶液吹紡?fù)ㄟ^加壓氣體從聚合物溶液中吹出納米纖維,聚合物溶液在內(nèi)腔,加壓氣體在外腔,加壓的氣體在氣體/溶液界面處引起壓降和剪切,導(dǎo)致聚合物溶液向固定收集器拉伸,隨著溶劑的蒸發(fā),拉伸聚合物迅速形成纖維[38],示意圖如圖3(c)所示。Wang等[39]通過溶液吹紡技術(shù)獲得了輕質(zhì)陶瓷納米纖維海綿,如圖3(f)所示,具有低密度、高回彈性和能量吸收能力,在高溫下有著廣泛的潛在應(yīng)用。Jia等[40]利用溶液吹紡技術(shù)制備了由纖維組成的海綿狀隔熱材料,其層狀結(jié)構(gòu)和陶瓷成分提供了強(qiáng)大的耐火性能和隔熱性能,其導(dǎo)熱系數(shù)低至0.034 W/(m·K)。溶液吹紡的生產(chǎn)率比靜電紡絲高15倍,能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)出最多的纖維,是一種長期用于生產(chǎn)非織造纖維的商業(yè)辦法。

2.2 中空SiO2纖維

熱量在纖維中的傳遞主要依靠固體中的熱傳遞,中空纖維中固體傳熱僅能通過管壁傳遞,大大降低了熱量的傳遞速率,而且固體中的熱傳遞主要依靠聲子傳熱,中空結(jié)構(gòu)的比表面積更大,體積密度更低,對聲子的散射作用增強(qiáng),不利于聲子的傳遞,從而阻礙了熱量在纖維中的傳遞,有助于進(jìn)一步降低其熱導(dǎo)率,提高纖維的隔熱性能[23]?，F(xiàn)中空纖維常見的制備方法有靜電紡絲法和模板法。

靜電紡絲法制備中空纖維可分為單針頭制備和同軸法制備。單針頭靜電紡絲法多依靠聚合物溶液的相分離,在紡絲過程中溶劑揮發(fā)導(dǎo)致纖維中出現(xiàn)不同的相而形成中空結(jié)構(gòu)[41]。董永全等[42]利用單針頭靜電紡絲技術(shù)制備出聚氨酯中空纖維,而后通過溶膠凝膠的方式與硅溶膠混合凝膠,制得聚氨酯中空纖維/SiO2氣凝膠,這種中空纖維孔壁上具有超微且致密的多孔結(jié)構(gòu),內(nèi)腔是不流動的空氣,因此能夠保持極低的熱導(dǎo)率,導(dǎo)熱系數(shù)低于實心纖維的導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)(25～400 ℃)最低可達(dá)到0.020 W/(m·K)。

同軸靜電紡絲是在靜電紡絲的基礎(chǔ)上利用兩個不同內(nèi)徑但同軸的針頭,制備出殼層和芯層不同成分的纖維,如圖4(a)所示,通過后處理去掉芯層材料,獲得中空纖維。Panels等[43]使用溶膠凝膠法制備前驅(qū)體,利用同軸紡絲的技術(shù)制備了中空SiO2纖維(見圖4(b)),發(fā)現(xiàn)在800 ℃煅燒后仍保持無定形狀態(tài),具有62 m2/g的高比表面積。同軸靜電紡絲可制備核殼結(jié)構(gòu)的納米纖維,相比普通靜電紡絲,同軸法可將不能紡的溶液作為芯層,利用殼層溶液對芯層的作用力將其紡成纖維,但同軸靜電紡絲工藝較為復(fù)雜,對溶液配制及外界條件要求較高。

圖4 中空纖維的制備方法及形貌Fig.4 Preparation method and morphology of hollow fiber

模板法制備中空纖維是在具有納米結(jié)構(gòu)的纖維表面沉積相關(guān)材料,而后移去模板,最終得到具有規(guī)范形貌的中空納米纖維。模板法制備方式簡單,重復(fù)率高,被廣泛用于制備中空材料。Cheng等[44]將木棉纖維浸泡在TEOS中制備中空纖維,并對其隔熱性能進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,中空纖維相比傳統(tǒng)固體纖維導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低,最低可達(dá)到0.102 5 W/(m·K)。Zhang等[45]采用六水合氯化鋁和正乙氧基硅烷合成溶膠,浸漬在石英長絲針織物中,制備了具有高熱穩(wěn)定性的中空SiO2纖維,如圖4(c)所示,氧化鋁的加入解決了中空纖維力學(xué)性能差的問題。模板法可以有效控制所合成納米材料的形貌、結(jié)構(gòu)和大小,合成過程簡單,適合批量生產(chǎn),但模板法制備中空材料普遍存在模板去除問題,模板與產(chǎn)物分離容易對外層結(jié)構(gòu)造成損傷。

2.3 多孔SiO2纖維

中空纖維的固體傳熱是延腔體內(nèi)壁軸向傳遞,其中空結(jié)構(gòu)在一定程度上減少了固體傳熱,而多孔纖維的結(jié)構(gòu)使熱傳遞在纖維中的傳遞路徑更曲折,對氣體分子的限制作用更大,因此多孔纖維展現(xiàn)出更加優(yōu)良的隔熱性能。

多孔纖維的制備通常是將聚合物共混后,通過靜電紡絲制備成纖維,再選擇性地去除其中一種成分。Zhang等[46]采用靜電紡絲的方式制備了閉孔結(jié)構(gòu)的新型SiO2復(fù)合納米纖維,纖維中的閉孔將空氣鎖在了一個又一個狹小的空間內(nèi)難以對流,阻礙了熱量在纖維中的傳遞,空心球內(nèi)部的氣體分子與固體之間碰撞的能量傳遞遠(yuǎn)小于氣體分子之間的能量傳遞,空心球內(nèi)部熱傳遞被抑制,進(jìn)而降低了纖維的導(dǎo)熱系數(shù)。Gbewonyo等[47]利用聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與SiO2納米顆粒混合通過靜電紡絲的方式制備出納米纖維,而后去除PMMA獲得SiO2多孔納米纖維材料,其SEM照片如圖5所示,通過實驗對比發(fā)現(xiàn),亞微米及納米孔導(dǎo)致更多的光子散射,從而進(jìn)一步降低了聲子的平均自由程,進(jìn)而降低了導(dǎo)熱系數(shù)。Du等[48]通過理論推導(dǎo)均勻纖維和非均勻纖維多孔結(jié)構(gòu)最佳孔隙率分布,發(fā)現(xiàn)均勻纖維多孔材料的最佳孔隙率與纖維發(fā)射率和纖維半徑緊密相關(guān),對不均勻纖維的孔隙進(jìn)行優(yōu)化,采用如圖6所示的孔隙率分布,可以較大程度降低纖維的傳熱。但多孔纖維的隔熱機(jī)制研究還不充分,且多孔纖維內(nèi)部大量的納米孔會對纖維的力學(xué)性能造成影響。

圖5 多孔SiO2纖維SEM照片[47]Fig.5 SEM image of porous SiO2 fiber[47]

圖6 多孔纖維孔隙率分布[48]Fig.6 Porosity distribution of porous fibers[48]

表1中總結(jié)了不同形貌纖維制備方法及導(dǎo)熱系數(shù)。傳統(tǒng)實心纖維制備技術(shù)相對成熟,制備手段也較多,而中空和多孔纖維則具有更低的導(dǎo)熱系數(shù),隔熱效果更佳。

表1 不同形貌SiO2纖維的導(dǎo)熱系數(shù)Table 1 Thermal conductivity of SiO2 fibers with different morphologies

3 復(fù)合型SiO2纖維基隔熱材料

SiO2纖維本身力學(xué)性能和高溫隔熱性能較弱,僅通過改變SiO2的形貌來降低熱導(dǎo)率效果甚微,現(xiàn)大多隔熱纖維選擇加入其他材料制成復(fù)合型SiO2纖維基隔熱材料,來彌補(bǔ)SiO2纖維的不足,進(jìn)一步降低材料的熱導(dǎo)率,擴(kuò)大應(yīng)用范圍。根據(jù)復(fù)合材料的不同可分為與無機(jī)材料復(fù)合纖維和與有機(jī)材料復(fù)合纖維。

3.1 與無機(jī)材料復(fù)合的SiO2纖維基隔熱材料

SiO2纖維主要用于常溫隔熱,溫度過高會引起SiO2由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變,纖維坍塌,氣孔減少,隔熱效果變差。研究發(fā)現(xiàn)選擇合適的無機(jī)材料與SiO2纖維復(fù)合可以有效地提升其隔熱性能,目前常見的與SiO2纖維復(fù)合的無機(jī)材料有氧化鋁(Al2O3)、二氧化鋯(ZrO2)與二氧化鈦(TiO2)等。Al2O3熱穩(wěn)定性好,可用于高溫隔熱,ZrO2具有優(yōu)異的抗高溫氧化性,TiO2具有較高的折光指數(shù),可以很好地降低熱輻射。通過材料間的復(fù)合可以改善SiO2不耐高溫的缺點,拓寬使用范圍。

Wen等[49]制備了Al2O3和SiO2復(fù)合的纖維材料,Al2O3的加入進(jìn)一步降低了纖維的導(dǎo)熱性,常溫下導(dǎo)熱系數(shù)低至0.028 W/(m·K),具有優(yōu)異的耐熱性、耐濕性和力學(xué)性能,同時Al2O3的加入增強(qiáng)了纖維的機(jī)械強(qiáng)度,復(fù)合纖維的楊氏模量為6.59 MPa,顯著高于SiO2纖維的楊氏模量(5.79 MPa)。Peng等[50]將ZrO2與SiO2結(jié)合制備納米纖維,纖維表現(xiàn)出可彎曲、折疊等形變,有效地增強(qiáng)了纖維的力學(xué)性能。Zhang等[46]采用靜電紡絲的技術(shù)制備了具有良好隔熱性能的SiO2和TiO2復(fù)合納米纖維,TiO2作為強(qiáng)紅外屏蔽劑,對紅外輻射有較大的紅外吸收和反射作用,SiO2纖維對2.5～7.0 μm紅外透過率為90%,隨著TiO2的加入,纖維的紅外透過率顯著降低,使纖維在高溫時也能具有一定的隔熱效果。Li等[51]利用靜電紡絲和溶膠凝膠聯(lián)合的技術(shù),以四乙基硅酸鹽為硅源制備了Al2O3-SiO2復(fù)合納米纖維,SiO2的加入延緩了Al2O3的相變,不但降低了纖維的導(dǎo)熱系數(shù),而且提高了材料的耐熱性,有助于其在高溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.2 與有機(jī)材料復(fù)合的SiO2纖維基隔熱材料

相比無機(jī)纖維,有機(jī)材料的加入提高了纖維加工性能和力學(xué)性能,使其具有優(yōu)異的可穿戴性和透氣性。唐文龍等[52]利用酚醛樹脂與硅酸鋁進(jìn)行復(fù)合,利用硅酸鋁高溫?zé)岱纸馕鼰岬奶匦?達(dá)到材料高溫隔熱的功能。高涵[53]研究了不同纖維體積含量的石英纖維對環(huán)氧復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響,結(jié)果表明纖維的體積含量對導(dǎo)熱系數(shù)有顯著影響,且因不同方向纖維含量不同而呈現(xiàn)不同的導(dǎo)熱系數(shù)。He等[54]利用芳綸纖維高強(qiáng)度、高耐熱的特點,在芳綸纖維表面接硅氧烷基團(tuán),提高了芳綸纖維的隔熱性能,同時改善了硅氣凝膠的力學(xué)性能。Si等[26]采用靜電紡絲和浸漬工藝制備了SiO2/聚酰亞胺復(fù)合納米纖維,纖維中的SiO2具有優(yōu)異的隔熱性能,外層的聚酰亞胺具有相當(dāng)高的強(qiáng)度,復(fù)合纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度(19.68 MPa)、良好的柔韌性和低導(dǎo)熱系數(shù)。Zhuo等[55]通過SiO2摻雜以提高聚酰亞胺(PI)的隔熱效果,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加量小于或等于2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的時候,隔熱效果有提升的趨勢。Yu等[56]采用靜電紡絲技術(shù)制備了SiO2和聚丙烯腈復(fù)合的納米纖維,在SiO2添加量在20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時,隔熱性能明顯提升。

表2為與不同材料復(fù)合的SiO2纖維的導(dǎo)熱系數(shù)與拉伸強(qiáng)度,由表2可見,無機(jī)材料[10,57-59]與SiO2復(fù)合纖維可在一定程度上降低纖維的導(dǎo)熱系數(shù),拉伸強(qiáng)度也有小幅度的提升,而有機(jī)材料復(fù)合[60]則可以有效提升SiO2纖維基隔熱材料的拉伸強(qiáng)度。

表2 SiO2纖維基隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)與拉伸強(qiáng)度Table 2 Thermal conductivity and tensile strength of SiO2 fiber-based thermal insulation materials

4 纖維隔熱材料的應(yīng)用

隔熱材料可有效減少用于加熱和冷卻的資金和能源,是實施節(jié)能改造的重要組成部分,同時,隔熱材料具有耐高溫的性能,在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

4.1 節(jié)能減排

為保持生活環(huán)境的舒適性,尤其是外界環(huán)境較冷的地區(qū),對建筑外墻進(jìn)行隔熱保溫處理,可有效減少碳排放。Moretti等[61]利用玄武巖纖維制造了一種建筑物特定應(yīng)用的隔熱、隔音板,這種板可對低厚度的建筑物進(jìn)行防火、隔音改善,同時具有良好的機(jī)械阻力和聲學(xué)性能。

排氣管的溫度對汽車尾氣處理的效率有很大影響,溫度越適宜,反應(yīng)越充分,尾氣處理效率越高。為提高尾氣處理效率,需要在排氣管外包覆高性能保溫材料。王彬等[62]制備了玄武巖纖維隔熱材料,包覆在排氣管外,相比傳統(tǒng)的陶瓷纖維氈,可耐高溫,具有更優(yōu)異的保溫隔熱性能。隔熱材料的應(yīng)用在一定程度上避免了熱量的傳遞,減少了在對熱量控制方面能源的使用,為節(jié)能減排做出了一定貢獻(xiàn)。

4.2 衣物隔熱

消防衣物由于工作環(huán)境的原因,要求衣物具有良好的隔熱防火能力,同時考慮消防人員穿戴的舒適性,要求衣物質(zhì)量要輕,隔熱纖維質(zhì)輕的特點恰能滿足消防服的需求。Wang等[63]利用玄武巖和聚酰亞胺制備了有機(jī)與無機(jī)復(fù)合的纖維作為消防服面料,解決了有機(jī)纖維容易燃燒,而無機(jī)纖維質(zhì)脆的缺點,表現(xiàn)出持久的親膚性和高防火能力,該面料可承受溫度最高可達(dá)1 142 ℃,可批量生產(chǎn)。Xue等[64]利用溶膠凝膠法在芳綸纖維上制備了一層SiO2涂層,使得復(fù)合織物在高溫下的熱保護(hù)性能大大提高。目前應(yīng)用于織物上的隔熱材料較少,隔熱功能織物在職業(yè)領(lǐng)域和日常應(yīng)用中都具有重要的研究價值。

4.3 軍事領(lǐng)域

在軍事領(lǐng)域,工作環(huán)境惡劣,使軍用裝備處在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境中,有利于延長裝備的使用壽命。熱電池作為各類制導(dǎo)武器的首選電源,需要具有更大的功率以及更長的使用壽命,對熱電池進(jìn)行可熱保溫處理,可延長熱電池的使用壽命。任海濤等[65]制備了陶瓷多孔纖維材料,這種材料熱導(dǎo)率低,強(qiáng)度高,可耐高溫,滿足飛行器高溫耐熱的要求,同時多孔纖維質(zhì)輕,對飛行影響較小。Shao等[66]制備了用于硅酸鹽玻璃的纖維涂層,可解決飛行器表面與大氣之間摩擦而產(chǎn)生的飛行器表面溫度升高,航天器壽命和性能降低的問題。薛云嘉等[67]利用鋁硅陶瓷纖維制備了固有隔熱效果的纖維氈,用于超高速飛行器背面的熱防護(hù),升溫至1 000 ℃后,仍可維持背面溫度低于200 ℃。現(xiàn)大多隔熱材料的研制都針對軍事領(lǐng)域,然而在惡劣的應(yīng)用場景下,隔熱纖維的性能有待進(jìn)一步提高。

5 結(jié)語與展望

SiO2纖維因其較低的本征熱導(dǎo)率引得研究學(xué)者的廣泛關(guān)注,在隔熱領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。研究人員從微觀結(jié)構(gòu)和材料復(fù)合兩方面出發(fā),旨在進(jìn)一步提高其隔熱性能與機(jī)械性能,獲得功能性全面的隔熱材料,進(jìn)而拓展其應(yīng)用場景。雖然SiO2纖維隔熱材料目前研究較為廣泛,但是仍存在一些問題尚待解決。首先,形貌調(diào)控的方式對進(jìn)一步降低纖維熱導(dǎo)率有效,但對其隔熱機(jī)理研究還不夠深入;其次,SiO2纖維具有優(yōu)異的隔熱性能,然而還需進(jìn)一步拓寬其功能性,從而實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用;最后,需改善纖維的制備方式,達(dá)到纖維的量產(chǎn),讓隔熱纖維走進(jìn)日常生活?；谝陨蠁栴}和挑戰(zhàn),今后主要的研究方向可能會包括以下幾個方面:

1)相比實心纖維,空心和多孔的結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步降低纖維的熱導(dǎo)率,但同時纖維的力學(xué)性能降低,如何在保證熱導(dǎo)率的前提下進(jìn)一步提高纖維的力學(xué)性能是未來發(fā)展需要解決的問題。

2)SiO2纖維高溫下容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,不宜在高溫下使用,因此如何選擇合適的物質(zhì)對SiO2纖維進(jìn)行摻雜和復(fù)配以提高其使用溫度是目前研究的重點之一。

3)SiO2纖維基隔熱材料的研究已經(jīng)較為成熟,但大多應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,提高纖維的制備效率,實現(xiàn)隔熱材料的低成本、大規(guī)?？煽刂苽涫茄芯康闹攸c。

4)目前SiO2纖維基隔熱材料的研究聚焦在降低熱導(dǎo)率上,進(jìn)一步探索SiO2纖維的多功能性研究,使其除了具備良好的隔熱性能以外,還具備良好的力學(xué)性能、紅外遮蔽性能等,從而更好地實現(xiàn)其在復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。