3D織物增強三相功能復合材料的制備及研究

周 強，支 超，文力鋒，余靈婕，孟家光

(1.西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學功能性紡織材料與制品教育部重點實驗室，陜西 西安 710048)

0 引言

節能減排是實現可持續發展戰略的基本要求。目前，建筑能耗已達到社會總能耗的30%[1-2]，住宅能量散失問題已成為社會熱點話題。因此，優秀的保溫隔熱材料吸引了大量研究者的目光[3-5]。聚氨酯(PU)是最常見的保溫隔熱材料之一，它的保溫隔熱性能遠高于很多常見材料如礦棉[6]、聚乙烯泡沫[7]、橡膠發泡材料(EVA)[8]。但PU力學性能有所缺陷，同時面對當今社會在材料保溫隔熱方面日益嚴苛的性能要求，PU材料的性能需要得到改善和提升[9-11]。二氧化硅氣凝膠因其孔隙率高，內部呈三維網狀結構等特點，具有優秀的保溫隔熱能力[12]。因此有研究者嘗試將二氧化硅氣凝膠與PU復合，希望可以增強PU的保溫隔熱能力。徐峰[13]在研究中將二氧化硅氣凝膠粉末加入PU配料異氰酸酯中，再與聚醚多元醇混合發泡成PU基復合材料，結果顯示二氧化硅氣凝膠的加入降低了PU的熱導率。這證明了利用二氧化硅氣凝膠改善PU保溫隔熱能力是可行的。這種方式雖然提升了PU的保溫隔熱能力，但因為二氧化硅氣凝膠及PU都存在力學性能不足的問題，所以由它們復合而成的材料總體力學性能依舊堪憂[14-15]。3D間隔織物是一種由上下兩個表面層及間隔絲層組成的三維立體結構織物，特殊的空間結構使織物具有輕量化、緩沖性好、整體性好等特點，常作為復合材料骨架使用[16]。劉宏[17]在研究中將3D間隔織物作為骨架材料與PU相復合，所得復合材料力學性能遠高于純PU材料。這證明了以間隔織物作為骨架來增強PU材料力學性能是可行的。

綜上所述，為解決PU材料力學及保溫隔熱性能不足的問題，本研究將間隔織物與PU相復合，再將二氧化硅氣凝膠浸漬其中，制備出參數不同的3D織物/氣凝膠/PU基三相復合材料，測試材料之間保溫隔熱性能、壓縮性能、吸濕及疏水性能等差異，分析二氧化硅氣凝膠及間隔織物的加入對PU材料各種性能的影響規律。

1 試驗

1.1 試驗材料

叔丁醇(AR)購買自西隴科學股份有限公司、聚醚多元醇與異氰酸酯購買自山東柏加河化工科技有限公司、N-N二甲基甲酰胺(AR)購買自富宇精細化工有限公司。水玻璃試劑(含量42%)購買自歐聯宏達工貿有限公司、鹽酸(含量36%～38%)、三甲基氯硅烷(AR)與甲基三甲氧基硅烷(AR)購買自阿拉丁試劑有限公司、間隔織物為本實驗室自己設計并織造，將間隔織物根據面組織結構不同命名為A1、A2。間隔織物參數如表1所示，間隔織物面組織結構如圖1所示:

表1 間隔織物參數

圖1 間隔織物面組織結構圖

1.2 樣品制備步驟

首先，將PU泡沫填充至間隔織物上下面層之間，制備成間隔織物及PU復合材料。在燒杯中依次加入適量液體硅酸鈉，去離子水，N-N-二甲基甲酰胺，甲基三甲氧基硅烷，然后將配有混合溶液的燒杯放置在磁力攪拌機上使各試劑充分混合。將混合溶液平均分配到放有間隔織物及PU復合材料的培養皿中，將培養皿靜置24小時使其形成凝膠。取出樣品放在燒杯中，在燒杯中加入適量去離子水，40℃水浴加熱12小時，以去除樣品中含有的鈉離子。接著在燒杯中加入適量叔丁醇，40℃水浴加熱12小時，期間每6小時更換一次叔丁醇，以除去樣品中的水分。再將叔丁醇與三甲基氯硅烷按照46∶4的比例配置250mL放入燒杯中，將樣品放入混合溶液中40℃水浴加熱12小時，使樣品疏水。然后在燒杯中加入適量叔丁醇，40℃水浴加熱12小時，期間每6小時更換一次叔丁醇，以除去樣品中的三甲基氯硅烷。最后將樣品取出放置在培養皿中，用保鮮膜包裹住培養皿，在保鮮膜表面扎一些小孔，將培養皿放置在冰箱中冷凍12小時。取出樣品，將樣品放置在冷凍干燥機中，干燥48小時。樣品制備圖如圖2所示。將PU、A1增強復合材料、A2增強復合材料分別命名為PU、SA-CW、SA-HM，材料俯視圖及正視圖如圖3所示:

圖2 三相復合材料制備圖

圖3 PU、SA-HM、SA-CW三種材料實物圖

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品密度及孔隙率測試

先利用電子天平測試樣品質量，在稱量時將天平歸零后，將樣品放入天平中心處，得出數據后記錄，再根據密度計算公式:

得出樣品的密度，其中M為復合材料的質量(g)，V為復合材料的體積(cm3)。

利用排乙醇法測試樣品孔隙率，在測試時先將干燥樣品稱重記為m0，然后將其完全浸入含有乙醇的容器中，稱量并記總重量為m1，將含有樣品的容器置于真空干燥器中，抽真空，直至沒有氣泡從樣品中逸出為止。取出樣品，稱量殘留乙醇容器的質量，記為m2。每種樣品用平行樣品重復測試四次。樣品孔隙率計算公式如下:

1.3.2 熱導率測試

使用導熱系數儀(TC3000E，XIATECH，China)測量SA-HM、SA-CW和PU的導熱系數，每種樣品測試五次取平均值。樣品直徑為7cm，厚度為0.7cm。在測試時將傳感器夾持在兩個相同參數的樣品中間，水平放置，再用500g的砝碼將材料與傳感器之間壓緊，然后利用熱線法的原理測試出樣品熱導率數據。

1.3.3 壓縮性能測試

采用電子萬能試驗機(3366，Instron Co.Ltd.，USA)根據(GB/T8813-2008)以5mm/min的速率測定SA-HM、SA-C以及PU的壓縮性能(樣品直徑為5cm、厚度為0.7cm)。

1.3.4 吸濕率及疏水性

按照(GB/T 5480-2017)的要求，首先將樣品在60℃的烘箱中烘干，直到質量不變(連續兩次重量之差不大于樣品重量的2%)。記干燥后樣品的初始質量為m0。然后將樣品置于恒溫恒濕箱中，置于設定的穩定工作狀態下(環境溫度25℃，環境濕度為35%)，定期取出。此時的樣品質量用分析天平快速稱重，并記錄干燥樣品t時的質量為mt。稱量后，立即將樣品放回恒溫恒濕箱中，再利用吸濕率計算公式:

計算出樣品吸濕率。利用水接觸角測試儀器(SDC-100)測試PU、SA-CW、SA-HM材料的水接觸角，再將結果進行對比，分析材料疏水原因。

2 結果與分析

2.1 試樣密度及孔隙率

試樣的密度檢測結果如圖4(a)所示，由圖4(a)可知，PU密度最小，SA-HM次之，SA-CW的密度最大。A1面組織結構較密，因此間隔絲數量較多，A2面組織結構較稀疏，間隔絲數量較少，因此SA-CW材料的密度高于SA-HM材料。這兩種復合材料因加入了間隔織物及二氧化硅氣凝膠，相同體積下質量相對于純PU有所增加，所以復合材料密度又因此高于純PU。試樣的孔隙率對比結果如圖4(b)所示，一般來說，孔隙率測試結果會與密度測試結果成反比，即孔隙率高的樣品其密度會更低。從圖4(b)中可以看到，PU孔隙率最高，SAHM次之，SA-CW孔隙率最低，這個結果與一般性結果是相符合的。三種樣品中PU密度最低，孔隙率則最高。SA-HM材料密度居中，則孔隙率也居中。SA-CW材料密度最高，則孔隙率最低。從總體來看，間隔織物及二氧化硅氣凝膠的加入使PU材料的密度及孔隙率受到影響，但所得復合材料依舊擁有低密度及高孔隙率的特點。

圖4 三種材料密度及孔隙率

2.2 試樣熱導率

熱導率測試結果如下頁圖5(a)所示，可以看到SA-HM的導熱系數為0.0392w/m·k，而PU及SACW的熱導率分別為0.0425 w/m·k、0.0437 w/m·k。SA-HM材料保溫隔熱性能最好，PU材料次之，SA-CW材料最差。由圖5(b)復合材料傳熱機理可知，SA-HM材料中不僅有PU材料的多孔結構，同時還加入了二氧化硅氣凝膠，在復合材料內部形成了分層多孔結構，使傳熱路徑相比于純PU材料更為復雜，熱量更不易通過復合材料基體，所以該種復合材料熱導率最低。SA-CW雖然也有這種分層多孔結構，但它的熱導率反而高于PU材料，達到了0.0437w/m·k，這是因為它的間隔織物面層過密，導致材料內部的間隔絲數量過多，在熱能的三種傳遞方式中，固體傳熱是最為容易的，因此SACW材料過多的間隔絲會傳遞大量熱量，導致其熱導率在三種材料中最高。由實驗數據可以知，PU材料雖然本身具有較好的保溫隔熱性能，但在浸漬二氧化硅氣凝膠后，其保溫隔熱性能有所提升。在復合材料之間由于添加的間隔織物不同，復合材料保溫隔熱性能有所不同，添加六角形網孔間隔織物材料的保溫隔熱性能要優于添加編鏈+襯緯的材料。

圖5 三種材料熱導率測試數據及復合材料傳熱機理

2.3 壓縮性能測試

材料應力應變曲線如圖6(a)所示，可以看到復合材料SA-CW的應力最高，在壓縮形變50%時應力可以達到0.7MPa左右，復合材料SA-HM在壓縮形變為50%時，應力可以達到0.5MPa左右，SA-HM壓縮性能稍遜于SA-CW，這是由于兩種復合材料間隔織物間隔絲數量不同造成的，SA-CW材料面組織較密，間隔絲較多，所以抗壓性能更好，兩種復合材料的力學性能都遠高于PU材料，在50%壓縮形變時，兩種復合材料的應力都是PU材料10倍以上。從圖6(b)三種材料壓縮模量對比圖中可以看到，SA-CW材料壓縮模量最高，達到3.36MPa。SA-HM材料次之達到2.14MPa，PU材料壓縮模量最小僅為0.22MPa。這說明在相同的壓力條件下，PU材料發生彈性形變最大。而復合材料則形變較小，實驗結果表明在與間隔織物復合后，復合材料的力學性能得到極大增強。

圖6 三種材料應力應變曲線及壓縮模量對比圖

2.4 吸濕率及疏水性測試

材料吸濕率測試結果如圖7(a)所示，從圖中可以看到在浸漬二氧化硅氣凝膠后復合材料吸濕率低于PU材料，同時兩種復合材料的吸濕率較為接近，這是因為二氧化硅氣凝膠在實驗過程中進行了疏水改性，復合材料中加入了疏水二氧化硅氣凝膠，所以它們的吸濕率相對于PU更低。圖7(b)是三種材料的疏水性能對比，可以看到PU材料上的液滴被吸收部分，不成球狀，而在三相復合材料表面液滴成球狀，疏水角測試結果顯示PU材料不疏水，而復合材料的疏水角最高可以達到148°，且通過圖像可以看到液滴是球形的，這些結果表明與二氧化硅氣凝膠復合后，材料疏水性能得到極大提升。

圖7 三種材料吸濕率測試結果及疏水性能對比圖

3 結論

將PU、SA-CW、SA-HM三種材料在壓縮性能、保溫隔熱性能、吸濕率及疏水性能等方面進行對比，可以得到以下結論:對于PU材料、二氧化硅氣凝膠及間隔織物的加入，增強了其力學性能，使復合材料力學性能相對于純PU材料提高了10倍以上，復合材料最高應力可以達到0.7MPa左右。在加入間隔織物及二氧化硅氣凝膠后PU材料保溫隔熱性能有所變化，特別是加入六角形網孔間隔織物的復合材料，導熱系數比不加間隔織物的純PU材料更低，具有較好的保溫隔熱性能。二氧化硅氣凝膠的加入提升了PU材料的疏水性，使PU從親水材料轉變成疏水材料，同時也使材料的吸濕率有所下降，這在實際應用中極為有用。