李珍珍， 支 超， 余靈婕， 朱 海， 杜明娟

(1. 西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2. 西安工程大學(xué) 功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室， 陜西 西安 710048； 3. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及紡織品應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，紡織品的生產(chǎn)和消費穩(wěn)步增長，使得原材料成本逐步走高的同時產(chǎn)生了大量的廢舊紡織品。棉纖維及其織物受到廣大消費者的青睞，廢舊棉紡織品約占廢舊紡織品總量的三分之一[1]，現(xiàn)有針對廢舊棉的處理手段對環(huán)境造成了嚴重污染，對廢舊棉的回收再利用問題亟待解決。氣凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，具有高孔隙率、低密度的特點，被稱為“凍住的煙”，在建筑節(jié)能、保溫集熱、節(jié)能環(huán)保、航空航天等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力[2]。與傳統(tǒng)的二氧化硅氣凝膠相似，纖維素氣凝膠(CFA)的孔隙率為84%～99%，密度為0.000 5～0.35 g/cm3，比表面積為10～975 m2/g，隔熱性能良好，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.026 W/(m·K)，抗壓強度為5.2～16.67 MPa。目前CFA在生物、廢水處理、生物醫(yī)學(xué)傳感器、增強劑、可再生能源存儲等領(lǐng)域顯示出潛在的應(yīng)用前景[3]。然而，由于CFA孔隙率高，力學(xué)性能較差，如韌性較差、低強度、高脆性，且彈性不佳，在高壓縮下會迅速變形且難以恢復(fù)，限制了其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。

經(jīng)編間隔織物(WKSF)是一種具有上下2 個面層及中間間隔絲層的特殊結(jié)構(gòu)立體織物，其由3 個系統(tǒng)的紗線或單絲編織而成，即2 個系統(tǒng)的表層紗線和1 個系統(tǒng)的間隔紗線(單絲)[5]。經(jīng)編間隔織物作為紡織材料所特有的結(jié)構(gòu)整體性使得其適合作為各種復(fù)合材料的增強骨架[6]。Pan等[7]將經(jīng)編間隔織物與聚氨酯泡沫塑料相互結(jié)合，制備的聚氨酯泡沫/間隔織物復(fù)合材料具有較高的強度。Zhi等[8-10]將經(jīng)編間隔織物作為增強骨架加入復(fù)合材料中，明顯增強了材料的壓縮、沖擊、彎曲等力學(xué)性能。

本文利用廢舊棉花作為原料制備棉纖維素氣凝膠，向其中加入經(jīng)編間隔織物作為增強骨架，研發(fā)了一種新型CFA/WKSF復(fù)合材料，結(jié)合形貌表征、壓縮性能測試及隔熱性能分析等研究了不同實驗參數(shù)下CFA/WKSF復(fù)合材料的性能特征，并探討了間隔織物面組織結(jié)構(gòu)等參數(shù)對復(fù)合材料性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：廢舊棉花，西安工程大學(xué)功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室提供；去離子水，實驗室自制；氫氧化鈉、尿素，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；無水乙醇，分析純，成都市科隆化學(xué)品有限公司；經(jīng)編間隔織物分別選用面組織結(jié)構(gòu)為編鏈和襯緯(記為W1)、六角形網(wǎng)孔(記為W2)的2 種織物，面層組織紗線為33 tex(96 f)滌綸復(fù)絲，間隔絲直徑為0.2 mm滌綸單絲，常州五洋紡織有限公司。

儀器：FA2004型電子天平，上海良平儀器儀表有限公司；DHG-9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；LC-10N-50A型真空冷凍干燥機，上海力辰邦西儀器科技有限公司；ESFSL-I型實驗室乳化機，上海儀馳實業(yè)有限公司；85-2型磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；QUANTA-450-FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，英國FEI公司；UTM5000型電子萬能試驗機，深圳三思縱橫科技股份有限公司；XIATECH TC3000E型便攜式導(dǎo)熱系數(shù)儀，西安夏溪電子科技有限公司；0～150 mm游標卡尺，寧波得力工具有限公司；ILCE-TMI型相機，索尼集團公司。

1.2 試樣制備

1)原料制備。在室溫條件下，用電子天平稱取少量廢舊棉花，在去離子水中洗滌2～3次，然后在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中于80 ℃條件下干燥12 h；配制100 g含有7% NaOH、12%尿素的水溶液，放入冰箱中預(yù)冷卻至-12 ℃，持續(xù)2 h；將2 g干燥的上述預(yù)處理后的棉纖維剪碎后立即加入到預(yù)冷的溶劑中，在25 ℃恒溫條件下機械攪拌0.5 h，并繼續(xù)將分散后的棉纖維溶液在磁力攪拌器上攪拌8 h；攪拌完成后放入冰箱，于-16 ℃條件下冷凍12 h；取出后按上述方法繼續(xù)攪拌纖維素溶液，重復(fù)2～3次，最終得到攪拌均勻的棉纖維素溶液。

2)化學(xué)處理。將所制得的棉纖維素溶液均勻分成3份，分別倒入3個培養(yǎng)皿中；第1份不做處理，記作CFA；第2份將面組織結(jié)構(gòu)為編鏈和襯緯的經(jīng)編間隔織物W1浸入到裝有一定量纖維素溶液的培養(yǎng)皿中，充分按壓，保證溶液完全浸入到間隔織物W1內(nèi)部，記作CFA/WKSF1；第3份將面組織結(jié)構(gòu)為六角形網(wǎng)孔的經(jīng)編間隔織物W2同第2份做相同處理，直至溶液浸入到間隔織物W2中，記作CFA/WKSF2。將裝有3種樣品的培養(yǎng)皿放入無水乙醇中，于室溫條件下凝固12 h后，纖維素溶液形成水凝膠，用去離子水反復(fù)沖洗除去反應(yīng)殘留物。

3)冷凍干燥。將經(jīng)上述處理的3種樣品放入冰箱，于-18 ℃條件下冷凍24 h后，繼續(xù)放入真空冷凍干燥機中于-50 ℃條件下冷凍干燥48 h，分別得到直徑為7 cm,厚度為7 mm的CFA、CFA/WKSF1和CFA/WKSF2復(fù)合材料。CFA/WKSF復(fù)合材料的制備流程示意圖如圖1所示。

圖1 CFA/WKSF復(fù)合材料的制備流程示意圖Fig.1 Schematic illustration of preparation process for CFA/WKSF composite

1.3 測試與表征

1.3.1 密度測試

利用游標卡尺、電子天平分別測定樣品的體積和質(zhì)量，然后計算氣凝膠的密度，即質(zhì)量與體積的比值。每種樣品測試5次，結(jié)果取平均值。

1.3.2 壓縮性能測試

利用電子萬能試驗機測試樣品的壓縮性能，以2 mm/min的速率壓縮至樣品應(yīng)變量達到50%時停止測試，記錄數(shù)據(jù)，每種樣品測5次，對數(shù)據(jù)進行處理得到樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并計算彈性模量和屈服強度。同時，對樣品進行10次循環(huán)壓縮測試，記錄樣品分別壓縮1、5及10次時的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.3.3 形貌觀察

將樣品分別放在水平臺面上，用相機拍攝其宏觀形貌；然后，將3種試樣壓縮測試前后的橫截面朝上置于貼有導(dǎo)電膠的樣品臺上進行噴金處理，噴金電流為10 mA，噴金時間為30 s，然后放入場發(fā)射掃描電鏡中觀察樣品的微觀形貌。

1.3.4 隔熱性能測試

采用便攜式導(dǎo)熱系數(shù)儀測試氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)，取同種2 個樣品分別放在熱線源金屬片的兩側(cè)，盡量使樣品和金屬片二者中間不留空隙，然后連接到電腦采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)，打開儀器設(shè)置測試溫度為301.45 K，電壓為0.80 V，采集模式為慢速，采集時間為10 s，記錄在20 min內(nèi)的溫度變化，最終得到試樣表面的溫度梯度。每種樣品測試5 次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度與表面形貌分析

經(jīng)測試得到3種復(fù)合材料CFA、CFA/WKSF1和CFA/WKSF2的密度分別為0.055、0.064和0.070 g/cm3?？煽闯觯砑咏?jīng)編間隔織物W1和W2后，CFA/WKSF復(fù)合材料的密度相比CFA分別增加了16%和27%，但經(jīng)編間隔織物加入后CFA/WKSF(CFA/WKSF1和CFA/WKSF2)復(fù)合材料密度仍不超過0.07 g/cm3，具備傳統(tǒng)氣凝膠密度低的特點。3種復(fù)合材料宏觀形貌如圖2所示?？煽闯觯?種復(fù)合材料表面平整，完整性較好。3種復(fù)合材料壓縮前后的微觀形貌如圖3所示。

圖2 3種復(fù)合材料實物圖Fig.2 Physical drawing of three kinds of composite materials

圖3 壓縮前后3種復(fù)合材料的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of three kinds of composite materials before and after compression

由圖3(a)可知，壓縮前CFA整體呈現(xiàn)均勻多孔結(jié)構(gòu)，且孔隙較大，這是由于冷凍干燥過程中CFA中水分被氣體置換，可清楚地看到CFA具有典型的類蜂窩孔洞結(jié)構(gòu)，而壓縮后CFA的孔洞變小，部分區(qū)域出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，CFA內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)在外力作用下受到一定破壞；由圖3(b)、(c)可看到，間隔絲被周邊纖維素氣凝膠包裹，經(jīng)編間隔織物的加入沒有破壞CFA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且能與周圍的纖維素氣凝膠形成較為緊密的結(jié)構(gòu)；而從壓縮后的掃描電鏡照片可知，CFA/WKSF1和CFA/WKSF2中纖維素氣凝膠的結(jié)構(gòu)在外力作用下被破壞，間隔絲與周圍氣凝膠的黏附作用變小，間隔絲部分區(qū)域脫離纖維素氣凝膠裸露在外。與CFA相比，復(fù)合材料CFA/WKSF1、CFA/WKSF2中由于經(jīng)編間隔織物的加入，間隔絲對復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)起到支撐作用，所以復(fù)合材料CFA/WKSF1、CFA/WKSF2經(jīng)壓縮后仍保持較為良好的整體結(jié)構(gòu)。

2.2 壓縮力學(xué)性能分析

CFA、CFA/WKSF1以及CFA/WKSF2的壓縮性能測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可看出，CFA的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成2 個階段，即線彈區(qū)和上升區(qū)；由圖4(b)可看出，對于CFA/WKSF1、CFA/WKSF2而言，其壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為3 個階段，即線彈區(qū)Ⅰ、平臺區(qū)Ⅱ以及上升區(qū)Ⅲ，雖然間隔織物的面組織結(jié)構(gòu)有所差別，但和CFA相比，復(fù)合材料CFA/WKSF1、CFA/WKSF2都出現(xiàn)了明顯的屈服階段。由圖4(c)可知，與CFA相比，CFA/WKSF1的壓縮彈性模量和屈服強度分別提高了180%和450%，CFA/WKSF2的壓縮彈性模量和屈服強度分別提高了70%和312%。CFA經(jīng)1次壓縮已經(jīng)被壓密實，無法實現(xiàn)多次循環(huán)壓縮，表明CFA沒有重復(fù)回彈性；由圖4(d)、(e)中CFA/WKSF1和CFA/WKSF2壓縮1、5、10次的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，加入經(jīng)編間隔織物的CFA/WKSF1、CFA/WKSF2具有良好的重復(fù)回彈性，壓縮10 次后復(fù)合材料仍具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形態(tài)，沒有被壓密實，仍可保持一定的力學(xué)性能。這是因為經(jīng)編間隔織物的加入可在氣凝膠基體中起到增強骨架的作用，在基體受到外界載荷作用時為基體提供支撐作用，并抵抗外界的壓縮載荷，從而使得整體材料的壓縮模量、屈服強度以及回彈性得到提高。

圖4 3種復(fù)合材料的壓縮性能曲線Fig.4 Compression performance of three kinds of composite materials. (a) Compression stress-strain curves of CFA; (b) Compression stress-strain curve of CFA/WKSF1 and CFA/WKSF2; (c) Compression elastic modulus and yield strength; (d) Cyclic compression stress-strain curves of CFA/WKSF1; (e) Cyclic compression stress-strain curves of CFA/WKSF2

同時，與CFA/WKSF2相比，CFA/WKSF1具有更好的壓縮性能。這是因為間隔織物W2的面組織結(jié)構(gòu)為六角形網(wǎng)孔，具有較大的孔洞，因此，其面密度相較于采用編鏈和襯緯面組織結(jié)構(gòu)的W1間隔織物明顯降低，相應(yīng)的其單位面積的間隔絲根數(shù)也明顯低于W1，這就使得與CFA/WKSF1相比，CFA/WKSF2中可抵御壓縮載荷的間隔絲根數(shù)明顯減少，同時稀疏的面組織結(jié)構(gòu)也削弱了間隔織物面層對間隔絲的保護，使得間隔絲直接受到外界載荷作用，較易被破壞，因此，與W1相比，W2型間隔織物的加入對氣凝膠壓縮性能的提升幅度相對較小。

2.3 隔熱性能分析

測得CFA的導(dǎo)熱系數(shù)為0.039 W/(m·K)，說明利用廢棉制備的纖維素氣凝膠具有傳統(tǒng)氣凝膠低熱導(dǎo)率的特點，顯示出優(yōu)異的隔熱性能。CFA/WKSF1、CFA/WKSF2的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.150、0.041 W/(m·K)，均高于CFA。這是因為材料的密度對其熱導(dǎo)率有較大影響，經(jīng)編間隔織物的加入增加了復(fù)合材料的密度；同時，經(jīng)編間隔織物以滌綸為原料，相比CFA導(dǎo)熱系數(shù)更高，因此，間隔織物的加入使得復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加。

雖然復(fù)合材料CFA/WKSF1、CFA/WKSF2的導(dǎo)熱系數(shù)相比純CFA有所增加，但本文2種復(fù)合材料仍具有很好的隔熱性能，尤其是加入W2的CFA/WKSF2復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)僅增加5%和CFA接近。比較3 種樣品的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果得出，經(jīng)編間隔織物的面組織結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的隔熱性能有著較大的影響，經(jīng)編間隔織物面組織結(jié)構(gòu)越稀疏，單位面積間隔絲分布越少，導(dǎo)熱系數(shù)更高的滌綸在復(fù)合材料中的體積分數(shù)越小，進而對復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響越低，材料顯示出相對更好的隔熱性能。

3 結(jié) 論

本文以廢舊棉花為原材料，制備纖維素基氣凝膠，采用冷凍干燥法將棉纖維素氣凝膠(CFA)和經(jīng)編間隔織物結(jié)合制備新型高性能復(fù)合材料，對其性能進行分析，并研究了經(jīng)編間隔織物面組織結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料性能的影響，得到以下主要結(jié)論。

1)經(jīng)編間隔織物(WKSF)的加入不會影響CFA的形貌特征，WKSF加入后，復(fù)合材料仍具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，仍保持氣凝膠高孔隙率的特點。

2)加入WKSF后，復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了明顯改善，當(dāng)加入的經(jīng)編間隔織物面組織結(jié)構(gòu)為編鏈和襯緯時，表現(xiàn)出更好的壓縮力學(xué)性能。

3)加入WKSF后復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)均有增加，但增加較小，材料仍具有良好的隔熱性能，當(dāng)加入的經(jīng)編間隔織物面組織結(jié)構(gòu)為六角形網(wǎng)孔時，復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的隔熱性能。