王 璐， 丁笑君， 夏 馨， 王 虹， 周小紅

(1. 浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院、絲綢學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 服裝國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 浙江 杭州 310018； 3. 浙江省普瑞科技有限公司， 浙江 杭州 311215)

在日常生活中，存在很多類(lèi)型的熱傷害安全隱患，比如火焰、熔融金屬濺射、爆炸以及熱氣體等熱傷害源[1]。直接對(duì)人體進(jìn)行保護(hù)的有效措施是阻燃防護(hù)服裝，尤其在警用領(lǐng)域，如消防、防爆等，防護(hù)服可以在突發(fā)事故的情況下為著裝者提供寶貴的反應(yīng)時(shí)間。世界各國(guó)對(duì)于服裝面料的阻燃性能都十分重視，這一性能目前已成為服裝功能中重要的研究熱點(diǎn)[2]。

芳綸是具有阻燃性能的合成纖維[3]，力學(xué)性能良好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其極限氧指數(shù)大于28%，屬于難燃纖維[4]。SiO2氣凝膠是一種結(jié)構(gòu)可控的新型輕質(zhì)納米多級(jí)孔的非晶體材料[5-6]，具有極大的比表面積，密度很低，對(duì)光、聲的散射較小[7]，是目前絕熱材料中性能較優(yōu)異的材料之一，其導(dǎo)熱系數(shù)很低。芳綸和SiO2氣凝膠在國(guó)防軍工、航天航空、保溫隔熱等眾多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。但由于SiO2氣凝膠存在質(zhì)地脆，強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，因而在實(shí)際應(yīng)用中常將SiO2氣凝膠與其他功能纖維復(fù)合，改善其力學(xué)性能，共同發(fā)揮各自優(yōu)異的特點(diǎn)。將SiO2氣凝膠與芳綸復(fù)合，制備SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布，可以彌補(bǔ)SiO2氣凝膠強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，獲得優(yōu)良阻燃隔熱性能的防護(hù)材料。

因此，本文采用芳綸非織造布為骨架，并將SO2氣凝膠整理到其表面，研究SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的抗壓與阻燃隔熱功能，對(duì)研發(fā)含SiO2氣凝膠防護(hù)功能的纖維制品有一定的實(shí)用意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

YG(B)141D 型數(shù)字式織物厚度儀(溫州際高檢測(cè)儀器公司)；JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本電子公司)；Instron3367型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)英斯特朗公司)；Hot Disk型熱常數(shù)分析儀(瑞典Hot Disk 公司)；Flame Hand型火焰手系統(tǒng)(西北測(cè)量技術(shù)公司)等。

1.2 試樣準(zhǔn)備

1)單層芳綸1313/1414水刺非織造布(由紹興市恒瑞無(wú)紡布科技有限公司提供)，編號(hào)為1#。

2)芳綸機(jī)織布(由杭州格雅紡織有限公司提供)，2層縫合，作實(shí)驗(yàn)試樣表層和里層，其經(jīng)緯紗線密度均為43.7 tex，經(jīng)緯密均為11.8根/cm，編號(hào)為2#。

3)單層 SiO2氣凝膠(由浙江省普瑞科技有限公司提供)混雜芳綸非織造布，試樣制備方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]，將樣品1#作骨架，SiO2溶膠經(jīng)過(guò)流延法滲透其中，并通過(guò)老化制成混雜織物，編號(hào)為3#。

4)將單層芳綸非織造布作實(shí)驗(yàn)試樣夾層，縫在2層芳綸機(jī)織布中間，編號(hào)為4#。

5)單層SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布作試樣夾層，縫制在2層芳綸機(jī)織布中間，編號(hào)為5#。

6)2層 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布作為夾層，縫制在2層芳綸機(jī)織布中間，編號(hào)為6#。

7)將2層芳綸非織造布試樣作為夾層，縫制在芳綸機(jī)織布中間，編號(hào)為7#。

表1 試樣的參數(shù)

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡對(duì)芳綸非織造布以及混雜SiO2氣凝膠的芳綸非織造布進(jìn)行觀察，分析SiO2氣凝膠在芳綸非織造布中的分布形式。

1.3.2 靜態(tài)壓力作用下壓縮性能的測(cè)試

采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 24442.2—2009《紡織品壓縮性能的測(cè)定》對(duì)上述7種試樣進(jìn)行抗壓測(cè)試，根據(jù)試樣厚度設(shè)置儀器參數(shù)，壓腳以設(shè)置好的速度壓縮實(shí)驗(yàn)試樣，實(shí)時(shí)記錄位移、壓縮應(yīng)力、應(yīng)變、壓縮載荷等數(shù)據(jù)，繪制出位移-載荷曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)下式計(jì)算得出試樣的壓縮功和能量吸收能力。壓縮功越大，則抗壓能力越好。

式中：W為試樣的壓縮功，J；C為試樣的能量吸收能力，kJ/m3；h為載荷，N；p為位移載荷，N；ε為應(yīng)力，MPa；σ為應(yīng)變，%。

壓縮功可表示材料在壓力作用下壓縮變形所緩沖的能量；能量吸收能力可用來(lái)表示單位體積的材料壓縮至相應(yīng)應(yīng)變量時(shí)所吸收的能量。

1.3.3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

利用熱常數(shù)分析儀，按照GB/T 32064—2015《建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)瞬態(tài)平面熱源測(cè)試法》標(biāo)準(zhǔn)分別測(cè)試1#、2#、3#的導(dǎo)熱系數(shù)，初步探測(cè)SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的熱傳導(dǎo)性能。導(dǎo)熱系數(shù)越高，導(dǎo)熱性能越好。

1.3.4 阻燃隔熱性能測(cè)試

熱防護(hù)性能主要通過(guò)織物的阻燃隔熱性能來(lái)表示，阻燃隔熱性能已逐漸成為人們選擇紡織品的重要性能指標(biāo)[9]。目前用來(lái)研究和測(cè)評(píng)織物的熱防護(hù)性能的方法有：燃燒實(shí)驗(yàn)法、極限氧指數(shù)法、燃燒假人[10]和假手測(cè)試法。燃燒假手測(cè)試法利用火焰手系統(tǒng)，記錄燃燒數(shù)據(jù)和燒傷等級(jí)，分析實(shí)驗(yàn)樣品的防護(hù)作用和阻燃性能。

實(shí)驗(yàn)采用火焰手的測(cè)試方式，將6種試樣分別安裝縫合在火焰手上，按照儀器操作規(guī)范進(jìn)行點(diǎn)火燃燒。實(shí)驗(yàn)設(shè)備與電腦軟件連接，在軟件中顯示記錄火焰手表面?zhèn)鞲衅鞯膶?shí)時(shí)溫度和熱流量的變化?；鹧媸周浖瑫r(shí)記錄并報(bào)告手部各區(qū)域總的吸收能量和燒傷等級(jí)：吸收能量越小，燒傷等級(jí)越低，說(shuō)明試樣的防護(hù)效果越好，阻燃隔熱性能越強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的形貌

圖1示出1#和3#樣品分別放大100倍和1 000倍時(shí)的形貌。由圖可看出，SiO2氣凝膠以不同大小的塊狀、顆粒狀填充進(jìn)入芳綸非織造布纖維間的空隙中。

圖1 混雜SiO2氣凝膠前后芳綸非織造布的形貌變化

2.2 壓縮性能分析

圖2示出各試樣載荷-位移曲線；圖3示出各試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)公式計(jì)算出各試樣的壓縮功和能量吸收能力，結(jié)果如表2所示。芳綸非織造布與SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布，單層芳綸布加機(jī)織布與單層SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布加機(jī)織布，2層芳綸布加機(jī)織布與2層SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布加機(jī)織布，這3組試樣分別比較可以看出，混雜了SiO2氣凝膠的芳綸非織造布比沒(méi)有混雜氣凝膠的芳綸非織造布?jí)嚎s功和能量吸收能力都大，說(shuō)明SiO2氣凝膠的存在使得材料在被擠壓過(guò)程中得到一定程度緩沖。

圖3 試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 試樣的壓縮功和導(dǎo)熱系數(shù)

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)分析

導(dǎo)熱系數(shù)表征物體熱傳導(dǎo)性能，導(dǎo)熱系數(shù)高的物質(zhì)具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了3個(gè)試樣1#、2#、3#的導(dǎo)熱系數(shù)各3次，再取其平均值，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯瑯悠?#、2#、3#的導(dǎo)熱系數(shù)依次減小，說(shuō)明三者的導(dǎo)熱性能依次降低；單獨(dú)比較樣品1#和3#可發(fā)現(xiàn)，二者導(dǎo)熱系數(shù)值相差明顯，說(shuō)明混雜了SiO2氣凝膠的芳綸非織造布導(dǎo)熱性能比沒(méi)有混雜氣凝膠的芳綸非織造布差，即其隔熱性能較好。

2.4 阻燃隔熱性能分析

本文采用火焰手進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，一共測(cè)試了6個(gè)樣品，分別為：樣品1#、2#、4#、5#、6#、7#。實(shí)驗(yàn)前火焰室應(yīng)接近室溫，2次實(shí)驗(yàn)之間應(yīng)充分冷卻火焰室，確保傳感器顯示的溫度在(32±5)℃。圖4(a)為火焰手測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及手掌手背模型，10個(gè)傳感器在火焰手的位置如圖4(b)所示。

圖4 火焰手現(xiàn)場(chǎng)和模型

2.4.1 火焰手各部位溫度的變化分析

圖5示出樣品1#在8 s內(nèi)燃燒，火焰手10個(gè)傳感器在8 s內(nèi)的溫度變化?？梢钥闯?，相同時(shí)刻，樣品1#在不同傳感器的溫度是不同的。

圖5 1#樣品 8 s內(nèi)各傳感器實(shí)時(shí)溫度變化曲線

圖6示出各試樣8 s內(nèi)傳感器1(位于右手手掌小魚(yú)際部位，即小拇指和無(wú)名指下方)實(shí)時(shí)溫度變化曲線。在8 s時(shí)溫度從高到低依次為樣品1#、2#、4#、5#、6#、7#。由此得出結(jié)論：對(duì)于同一試樣，各傳感器的位置不同，溫度會(huì)有一定差異，這與火源到不同傳感器的距離有關(guān)；試樣的材料不同，同一傳感器相同時(shí)刻的溫度也不同。

圖6 各試樣8 s內(nèi)傳感器1實(shí)時(shí)溫度變化曲線

2.4.2 火焰手各部位熱通量的變化分析

圖7示出樣品1#在8 s內(nèi)燃燒，各傳感器的實(shí)時(shí)熱通量變化曲線，同一時(shí)刻樣品1#在不同傳感器部位的熱通量不同。

圖7 樣品1# 8 s內(nèi)各傳感器實(shí)時(shí)熱通量變化曲線

圖8示出各試樣8 s內(nèi)傳感器1(位于右手手掌小魚(yú)際部位，即小拇指和無(wú)名指下方)熱通量實(shí)時(shí)變化曲線，在8 s時(shí)熱通量從高到低依次是樣品1#、2#、4#、5#、7#、6#。

由此得出結(jié)論：對(duì)于同一試樣，各傳感器的位置不同，熱流量的變化也不同；試樣的材料不同，同一傳感器相同時(shí)刻的熱通量也不同。

圖8 各試樣8 s內(nèi)傳感器1實(shí)時(shí)熱通量變化曲線

2.4.3 火焰手燒傷等級(jí)的評(píng)估

火焰手軟件記錄并報(bào)告了手部各區(qū)域總的吸收能量和燒傷等級(jí)，如表3和圖9所示。樣品1#總的吸收能量最大，三級(jí)燒傷面積比重最大，平均熱通量最高，樣品6#總的吸收能量最小，燒傷程度最輕，平均熱通量最低；分別比較樣品4#和5#、樣品6#和7#這2組試樣發(fā)現(xiàn)，混雜SiO2氣凝膠的芳綸非織造布相比沒(méi)有混雜SiO2氣凝膠的芳綸非織造布來(lái)說(shuō)，總的吸收能力更低，燒傷面積比重更小，燒傷程度比較輕，平均熱通量較低?；祀sSiO2氣凝膠后，可明顯增強(qiáng)芳綸非織造布的防護(hù)效果，使其阻燃隔熱性能更好。

表3 火焰手燒傷計(jì)算

注：黑色—三級(jí)燒傷；深灰色—二級(jí)燒傷；淺灰色—一級(jí)燒傷；白色—沒(méi)有燒傷。

3 結(jié) 論

本文以芳綸非織造布為基材，將SiO2氣凝膠混雜其中，測(cè)試了SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的壓縮性能，并通過(guò)火焰手系統(tǒng)進(jìn)行了燃燒測(cè)試，研究SiO2氣凝膠混雜芳綸非織造布的阻燃隔熱功能。

1)SiO2氣凝膠以不同大小的塊狀和顆粒狀嵌入芳綸纖維間隙中；混雜了SiO2氣凝膠后芳綸非織造布導(dǎo)熱系數(shù)降低；SiO2氣凝膠使芳綸非織造布抗壓能力增強(qiáng)。

2)火焰手系統(tǒng)用于阻燃隔熱性能測(cè)試，總吸收能量和燒傷等級(jí)均顯示，芳綸非織造布混雜SiO2氣凝膠后阻燃隔熱性能得到了改善，包括試樣的厚度、面密度和體積密度的增加對(duì)其有一定的作用。

3)手套的三明治結(jié)構(gòu)是防止SiO2氣凝膠掉粉的一種措施，表里層材料需要改進(jìn)，既滿足穿戴要求，又能防止SiO2氣凝膠掉粉。