SiO2氣凝膠含量對(duì)單層涂層柔性復(fù)合材料熱防護(hù)性能的影響

劉國(guó)熠，劉元軍，趙曉明

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市消防局，天津 300090)

0 前言

SiO2氣凝膠屬于無(wú)定型納米級(jí)多孔材料，其密度最低可達(dá)3 mg/cm3，孔隙率高達(dá)95 %以上，孔徑尺寸小于100 nm，其納米多孔結(jié)構(gòu)決定了SiO2氣凝膠具備高效抑制固相和氣相熱傳導(dǎo)的能力，是密度和導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體材料之一[1-2]。因該類填料具備優(yōu)異的隔熱性能，其在熱防護(hù)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[3-5]。

制備出具有良好高溫?zé)岱€(wěn)定性能且高效隔熱的柔性復(fù)合材料是消防避火服等熱防護(hù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題之一[6-7]。為增強(qiáng)消防避火服在高溫明火環(huán)境中的防護(hù)效果，延長(zhǎng)該類服裝在明火火場(chǎng)中的使用時(shí)間，選取耐受高溫性能和柔性均較為優(yōu)異的有機(jī)硅樹脂作為涂層基料[8-10]，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2氣凝膠，通過(guò)優(yōu)化填料配比與工藝流程，制備出適用于消防避火服應(yīng)用環(huán)境的單層涂層柔性復(fù)合材料，對(duì)其隔熱性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性等熱防護(hù)相關(guān)性能進(jìn)行對(duì)比與分析，并對(duì)SiO2氣凝膠的作用機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)基布：玻璃纖維膨體紗織物，1000 g/m2，由山東淄博思創(chuàng)玻璃纖維有限公司提供。

(2)樹脂：苯甲基硅樹脂，型號(hào)1153，購(gòu)于上海樹脂廠。

(3)功能填料：SiO2氣凝膠，購(gòu)于納諾科技有限公司；Fe2O3、CaCO3、滑石粉均為分析純，購(gòu)于天津光復(fù)精細(xì)化工研究所。

(4)溶劑及偶聯(lián)劑：無(wú)水乙醇，分析純，購(gòu)于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；偶聯(lián)劑KH550，分析純，購(gòu)于天津光復(fù)精細(xì)化工研究所。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

TPS-2500S型Hot Disk熱常數(shù)分析儀(瑞典凱戈納斯有限公司)；STA409PC型同步熱分析儀(德國(guó)Netzsch公司)。

1.3 制備方法

單層涂層柔性復(fù)合材料制備工藝流程如圖1所示，主要分為以下三個(gè)步驟：

圖1 單層涂層柔性復(fù)合材料制備工藝流程圖

(1)用無(wú)水乙醇清洗基布，晾干，放入樣品袋；

(2)將有機(jī)硅樹脂溶于無(wú)水乙醇中，充分?jǐn)嚢?，加入Fe2O3、滑石粉等耐高溫填料，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 %、3 %、6 %和9 %的所討論的SiO2氣凝膠，并加入偶聯(lián)劑，利用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢柚苽涑赏繉右?，封口保存?/p>

該區(qū)域大面積分布的水稻土、磚紅壤性紅壤(赤紅壤)有利于糧食作物、林木作物生長(zhǎng)，要加強(qiáng)水利設(shè)施建設(shè)，保證此區(qū)域的高質(zhì)優(yōu)產(chǎn)?？h城西南部土壤為河流沖積物，土壤剖面均為砂質(zhì)粉沙狀，部分區(qū)域土層平均厚度達(dá)1 m左右。土體通氣透水性能好，植物扎根容易，不易受澇。但由于沙多泥少，蓄水保水能力差，易漏水漏肥，較干旱。應(yīng)采取改良培肥措施，綜合治理沙土。

(3)涂層厚度確定為0.5 mm，用小樣涂層機(jī)涂層后，在180 ℃下烘焙2h，標(biāo)記后裝于樣品袋內(nèi)，單層涂層柔性復(fù)合材料制備完畢。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 隔熱性能的測(cè)定

根據(jù)材料厚度選用適宜探頭，使用Hot Disk熱常數(shù)分析儀對(duì)不同種類外層織物進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試與分析[11]。

1.4.2 高溫?zé)岱€(wěn)定性能的測(cè)定

使用STA 409PC型熱重分析儀對(duì)柔性復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能進(jìn)行分析，測(cè)試的溫度范圍為36℃～1200℃，升溫速率為10 K/min，測(cè)試環(huán)境為空氣氣氛。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2氣凝膠含量對(duì)單層涂層柔性復(fù)合材料隔熱性能的影響

為探究SiO2氣凝膠含量對(duì)單層涂層柔性復(fù)合材料隔熱性能的影響，使用Hot Disk熱常數(shù)分析儀對(duì)各樣品的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 SiO2氣凝膠含量對(duì)單層涂層柔性復(fù)合材料隔熱性能的影響

氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0369導(dǎo)熱系數(shù)/(W/m·K)0.2370.23620.17940.068

根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，可知隨著SiO2氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，所制備三層涂層柔性復(fù)合材料樣品的導(dǎo)熱系數(shù)明顯下降，樣品的隔熱性能得到了較為顯著的提升。為更直觀地對(duì)比SiO2氣凝膠含量對(duì)單層涂層柔性復(fù)合材料隔熱性能的影響，根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)繪制如圖2所示的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠單層涂層柔性復(fù)合材料樣品隔熱性能對(duì)比圖。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠單層涂層柔性復(fù)合材料樣品隔熱性能對(duì)比圖

根據(jù)圖2所示，當(dāng)SiO2氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增至3%時(shí)，單層涂層柔性復(fù)合材料樣品的導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度并不明顯，下降百分率為0.34%；當(dāng)SiO2氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3%繼續(xù)增大，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度逐漸增大；當(dāng)SiO2氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)比未加入時(shí)下降了71.31%，樣品的隔熱性能顯著增強(qiáng)。

2.2 SiO2氣凝膠含量對(duì)單層涂層柔性復(fù)合材料隔熱性能的影響

為探究SiO2氣凝膠含量對(duì)單層涂層柔性復(fù)合材料高溫?zé)岱€(wěn)定性的影響，對(duì)含有0 %和9 %的SiO2氣凝膠單層涂層柔性復(fù)合材料樣品進(jìn)行熱重分析，得到如圖3所示熱重曲線對(duì)比圖。

圖3 加入SiO2氣凝膠前后單層涂層柔性復(fù)合材料熱重曲線對(duì)比

如圖3所示，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %的SiO2氣凝膠前后，樣品均在350 ℃至650 ℃的范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的失重。在這一主要失重階段，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %的SiO2氣凝膠后樣品的失重速率明顯上升。當(dāng)溫度升至1000 ℃后，加入SiO2氣凝膠前后單層涂層柔性復(fù)合材料的殘余質(zhì)量分別為91.39%和86.98%，說(shuō)明加入該填料后，樣品的高溫?zé)岱€(wěn)定性出現(xiàn)了一定程度的減弱。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能的原因是SiO2氣凝膠填料主要由二氧化硅材料組成，耐高溫性能較好，但是由于其具備納米孔徑，骨架脆性較強(qiáng)，受熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)收縮變形，而導(dǎo)致制備SiO2氣凝膠填料過(guò)程中殘留的甲基等有機(jī)基團(tuán)與測(cè)試氣氛空氣相接觸，在高溫下發(fā)生反應(yīng)造成失重，因而導(dǎo)致含氣凝膠失重速率相對(duì)較大[16-18]。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠單層涂層柔性復(fù)合材料的隔熱性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性能等熱防護(hù)相關(guān)性能進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

(1)隨著SiO2氣凝膠含量的逐漸增大，單層涂層柔性復(fù)合材料樣品的隔熱性能顯著增強(qiáng)。相較未加入該類填料時(shí)，當(dāng)SiO2氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，單層涂層樣品的導(dǎo)熱系數(shù)下降了71.31%，樣品的隔熱性能顯著增強(qiáng)，這可能與該類填料自身的納米孔隙結(jié)構(gòu)和其在涂層體系中的分布狀態(tài)有關(guān)。

(2)加入SiO2氣凝膠后，單層涂層柔性復(fù)合材料樣品的失重速率明顯增加，其高溫?zé)岱€(wěn)定性能出現(xiàn)了一定程度的減弱。當(dāng)溫度升至1000 ℃后，加入SiO2氣凝膠前后單層涂層柔性復(fù)合材料的殘余質(zhì)量分別為91.39%和86.98%，出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能與SiO2氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)在高溫下出現(xiàn)了收縮甚至坍塌，導(dǎo)致了涂層體系的結(jié)構(gòu)缺陷。