劉國熠，劉元軍，趙曉明

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

0 前言

SiO2氣凝膠屬于無定型納米級多孔材料，其密度最低可達3 mg/cm3，孔隙率高達95 %以上，孔徑尺寸小于100 nm，其納米多孔結構決定了SiO2氣凝膠具備高效抑制固相和氣相熱傳導的能力，是密度和導熱系數(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，其在熱防護相關領域應用較為廣泛[3-5]。

制備出具有良好高溫熱穩(wěn)定性能且高效隔熱的柔性復合材料是消防避火服等熱防護領域研究的重點和難點問題之一[6-7]。為增強消防避火服在高溫明火環(huán)境中的防護效果，延長該類服裝在明火火場中的使用時間，選取耐受高溫性能和柔性均較為優(yōu)異的有機硅樹脂作為涂層基料[8-10]，加入不同質(zhì)量分數(shù)的SiO2氣凝膠，通過優(yōu)化填料配比與工藝流程，制備出適用于消防避火服應用環(huán)境的單層涂層柔性復合材料，對其隔熱性能和高溫熱穩(wěn)定性等熱防護相關性能進行對比與分析，并對SiO2氣凝膠的作用機理進行了分析。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

(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1153，購于上海樹脂廠。

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

(4)溶劑及偶聯(lián)劑：無水乙醇，分析純，購于天津市科密歐化學試劑有限公司；偶聯(lián)劑KH550，分析純，購于天津光復精細化工研究所。

1.2 實驗儀器

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Netzsch公司)。

1.3 制備方法

單層涂層柔性復合材料制備工藝流程如圖1所示，主要分為以下三個步驟：

圖1 單層涂層柔性復合材料制備工藝流程圖

(1)用無水乙醇清洗基布，晾干，放入樣品袋；

(2)將有機硅樹脂溶于無水乙醇中，充分攪拌，加入Fe2O3、滑石粉等耐高溫填料，分別加入質(zhì)量分數(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攪拌制備成涂層液，封口保存；

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，要加強水利設施建設，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，用小樣涂層機涂層后，在180 ℃下烘焙2h，標記后裝于樣品袋內(nèi)，單層涂層柔性復合材料制備完畢。

1.4 測試方法

1.4.1 隔熱性能的測定

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

1.4.2 高溫熱穩(wěn)定性能的測定

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

2 結果與討論

2.1 SiO2氣凝膠含量對單層涂層柔性復合材料隔熱性能的影響

為探究SiO2氣凝膠含量對單層涂層柔性復合材料隔熱性能的影響，使用Hot Disk熱常數(shù)分析儀對各樣品的導熱系數(shù)進行測試，測試結果如表1所示。

表1 SiO2氣凝膠含量對單層涂層柔性復合材料隔熱性能的影響

氣凝膠質(zhì)量分數(shù)/%0369導熱系數(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)量分數(shù)的增加，所制備三層涂層柔性復合材料樣品的導熱系數(shù)明顯下降，樣品的隔熱性能得到了較為顯著的提升。為更直觀地對比SiO2氣凝膠含量對單層涂層柔性復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)量分數(shù)SiO2氣凝膠單層涂層柔性復合材料樣品隔熱性能對比圖。

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

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

2.2 SiO2氣凝膠含量對單層涂層柔性復合材料隔熱性能的影響

為探究SiO2氣凝膠含量對單層涂層柔性復合材料高溫熱穩(wěn)定性的影響，對含有0 %和9 %的SiO2氣凝膠單層涂層柔性復合材料樣品進行熱重分析，得到如圖3所示熱重曲線對比圖。

圖3 加入SiO2氣凝膠前后單層涂層柔性復合材料熱重曲線對比

如圖3所示，加入質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為9 %的SiO2氣凝膠后樣品的失重速率明顯上升。當溫度升至1000 ℃后，加入SiO2氣凝膠前后單層涂層柔性復合材料的殘余質(zhì)量分別為91.39%和86.98%，說明加入該填料后，樣品的高溫熱穩(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，受熱時會出現(xiàn)收縮變形，而導致制備SiO2氣凝膠填料過程中殘留的甲基等有機基團與測試氣氛空氣相接觸，在高溫下發(fā)生反應造成失重，因而導致含氣凝膠失重速率相對較大[16-18]。

3 結論

通過對不同質(zhì)量分數(shù)SiO2氣凝膠單層涂層柔性復合材料的隔熱性能和高溫熱穩(wěn)定性能等熱防護相關性能進行對比，得到以下結論：

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

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