姚利萍 吳明華 李超 王懿佳

摘 要： 分別以十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）、醋酸為乳化劑和催化劑，在水包油分散液中將甲基三甲氧基硅烷（MTMS）水解為硅醇，隨后以司班-80（Span-80）為乳化劑將上述水分散液分散于正己烷中，將氨水作為催化劑催化硅醇縮合，經(jīng)老化、常壓干燥制得SiO2氣凝膠微球。探究DTAB、醋酸、氨水、Span-80用量及老化時(shí)間對(duì)SiO2氣凝膠微球形貌、堆積密度和導(dǎo)熱性能的影響，測試SiO2氣凝膠微球的熱穩(wěn)定性和疏水性，并將其應(yīng)用于棉織物的隔熱涂層整理。結(jié)果表明：當(dāng)DTAB用量為0.10 g、醋酸用量為0.100 mL、氨水用量為1.20 mL、Span-80用量為0.80 g、老化時(shí)間為3 h時(shí)，制備所得的SiO2氣凝膠微球具有介孔結(jié)構(gòu)，形貌規(guī)整、大小均勻、黏連較少，熱穩(wěn)定性佳，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0465 W/（m·K），水接觸角為142°；SiO2氣凝膠微球涂層織物正面加熱至40.0 ℃時(shí)，其正反面溫差達(dá)3.2 ℃，表現(xiàn)出較好的隔熱效果。該研究可為隔熱涂層織物的生產(chǎn)和應(yīng)用提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞： SiO2；氣凝膠微球；織物；涂層；隔熱性能；疏水性

中圖分類號(hào)： TS195.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1673-3851 （2023） 07-0431-09

引文格式：姚利萍，吳明華，李超，等. SiO2氣凝膠微球的制備及其在織物隔熱涂層中的應(yīng)用［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，49（4）：431-439.

Reference Format： YAO Liping， WU Minghua， LI Chao， et al. Preparation of SiO2 aerogel microspheres and their application in thermal insulation coatings of fabrics［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（4）：431-439.

Preparation of SiO2 aerogel microspheres and their application in thermal insulation coatings of fabrics

YAO Liping， WU Minghua， LI Chao， WANG Yijia

（a.MOE Key Laboratory of Advanced Textile Material and Preparation Technology; b.College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：? Methyl trimethoxylsilane （MTMS） was dispersed in water by dodecyl trimethyl ammonium bromide （DTAB） and hydrolyzed by acetic acid， ammonia was then added and the mixture was dispersed into hexane by Span-80， and after silyl alcohol condensation and ageing， SiO2 aerogel microspheres were prepared by normal pressure drying. The effects of DTAB， acetic acid， ammonia， Span-80 as well as the aging time on the morphology， thermal conductivity and bulk density of SiO2 aerogel microspheres were studied， their thermal stability and hydrophobic performance were investigated， and the heat insulation property of the SiO2 aerogel microspheres coated fabrics was tested. The results showed that， with 0.10 g of DTAB， 0.100 mL of acetic acid， 1.20 mL of ammonia and 0.80 g of Span-80， after aging for 3 h， the prepared SiO2 aerogel microspheres were mesoporous materials with regular morphology， uniform size， little adhesion and good thermal stability. Their thermal conductivity was 0.0465 W/（m·K）， and the water contact angle was 142°. When the heating temperature was 40.0 ℃， the temperature difference between the front and back of SiO2 aerogel microspheres coated fabrics reached 3.2 ℃， indicating its good heat insulation effect. This study can provide some support for the production and application of thermal insulating coating fabrics.

Key words： SiO2; aerogel microspheres; fabrics; coating; heat insulation performance; hydrophobicity

0 引 言

近年來，氣候變化異常，極端高溫天氣在世界各地頻現(xiàn)，嚴(yán)重影響著人們的日常生活。織物隔熱涂層可阻隔、反射或輻射太陽能，有效降低織物覆蓋物內(nèi)部溫度，減少降溫設(shè)備使用造成的能源消耗，在紡織行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景［1-3］。

二氧化硅（SiO2）氣凝膠是一種低密度、低導(dǎo)熱性、高孔隙率、高比表面積的納米多孔材料［4］，被廣泛應(yīng)用于隔熱保溫［5-7］、催化［8］、環(huán)境修復(fù)［9］等領(lǐng)域。然而，目前SiO2氣凝膠在制備時(shí)存在工藝復(fù)雜、強(qiáng)度低、形狀尺寸不易控制等缺點(diǎn)；且一般為塊狀SiO2氣凝膠一般以塊體形式存在，在涂層整理時(shí)需進(jìn)一步粉碎成粉末，這不僅破壞了氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還會(huì)影響實(shí)際隔熱效果［10］。相比之下，SiO2氣凝膠微球尺寸較小、無需粉碎，可直接應(yīng)用于織物涂層整理；球形還具有一定的耐剪切力作用，可在整理過程中保持氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免因氣凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞而造成的隔熱效果下降，具有良好的應(yīng)用前景。然而，SiO2氣凝膠微球的親水性會(huì)在制備過程中產(chǎn)生較強(qiáng)的毛細(xì)管力，容易導(dǎo)致氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)坍塌；另外，在涂層整理過程中，整理液易進(jìn)入并填充氣凝膠內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響涂層織物的隔熱效果。因此，為實(shí)現(xiàn)涂層織物的隔熱性能，需對(duì)SiO2氣凝膠微球進(jìn)行疏水改性。

目前已報(bào)道的SiO2氣凝膠微球的疏水改性方法主要有表面后處理法和原位改性法兩種。表面后處理法需制備SiO2氣凝膠微球，然后再通過疏水化合物對(duì)微球進(jìn)行疏水改性。翟曉瑜等［11］以正硅酸乙酯為硅源、以三甲基氯硅烷為改性劑，制得具有一定疏水性能的SiO2氣凝膠微球。然而，這種表面改性工藝不僅耗時(shí)費(fèi)力，且需消耗大量有機(jī)溶劑。原位改性法則以含有疏水基團(tuán)的化合物為硅源前驅(qū)體，無需進(jìn)行后續(xù)改性即可直接制得疏水SiO2氣凝膠微球，可有效簡化工藝流程、降低生產(chǎn)成本。Yun等［12］以含有疏水基團(tuán)的甲基三甲氧基硅烷（MTMS）為硅源前驅(qū)體、以十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）為乳化劑制備水分散液，經(jīng)醋酸催化水解后，加入正己烷中形成油包水乳液，并在氨水的催化下繼續(xù)縮合，經(jīng)老化、常壓干燥后，即可直接制得接觸角高達(dá)172°的超疏水SiO2氣凝膠微球。然而，在這一過程中，由于正己烷中沒有乳化劑存在，水分散液在正己烷中形成的油包水乳液乳滴較大，致使制得的SiO2氣凝膠微球粒徑較大，約達(dá)300 μm。采用這一方法所制微球雖具有優(yōu)異的疏水性，但無法滿足織物整理要求。因此，對(duì)SiO2氣凝膠微球的制備工藝進(jìn)行開發(fā)與優(yōu)化，進(jìn)一步調(diào)控其粒徑和微觀形貌，制備平均粒徑在10 μm左右、可直接用于織物隔熱涂層整理的疏水SiO2氣凝膠微球具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）為乳化劑、以醋酸為催化劑，在去離子水中將硅源前驅(qū)體MTMS水解為硅醇；隨后，以司班-80（Span-80）為乳化劑，將上述水分散液分散于正己烷中，以氨水為催化劑催化硅醇縮合，經(jīng)老化、常壓干燥制備SiO2氣凝膠微球。探究DTAB、醋酸、氨水、Span-80用量及老化時(shí)間等制備工藝條件對(duì)SiO2氣凝膠微球形貌、堆積密度和導(dǎo)熱性能的影響，測試微球的熱穩(wěn)定性和疏水性能，并將制得的SiO2氣凝膠微球應(yīng)用于棉織物的隔熱涂層，探究涂層織物的隔熱性能。該研究可為隔熱涂層織物的生產(chǎn)和應(yīng)用提供一定的技術(shù)借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

甲基三甲氧基硅烷（MTMS，分析純，上海麥克林生化科技有限公司），司班-80（Span-80，分析純，上海麥克林生化科技有限公司），十二烷基三甲基溴化銨（DTAB，分析純，阿拉丁生化科技有限公司），氨水（分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司），醋酸（分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司），無水乙醇（分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司），正己烷（分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司），去離子水（自制），水性聚氨酯（WPU，F(xiàn)0402，固含量35%，工業(yè)級(jí)，深圳吉田化工有限公司），分散劑（脂肪醇聚氧乙烯醚7，工業(yè)級(jí)，山東臨沂綠森化工有限公司），增稠劑（TF-3181BA，工業(yè)級(jí)，浙江傳化股份有限公司）。

TPS2500型Hot Disk熱常數(shù)分析儀（瑞典Hot Disk公司），掃描量熱及熱重同步儀（瑞士Mettler-Toledo公司），JW-BK100C比表面積及孔徑分析儀（北京精微高博科學(xué)技術(shù)有限公司），Phenom pro臺(tái)式掃描電子顯微鏡（復(fù)納科學(xué)儀器有限公司），Nicolet Is20型傅里葉變換紅外光譜儀（賽默飛世爾科技中國有限公司），DSA 20型視頻接觸角測量儀（德國Kruss公司），YET-620L熱電偶溫度儀（深圳宇問加壹傳感系統(tǒng)有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 SiO2氣凝膠微球的制備

將DTAB溶解于30.0 mL去離子水中，加入10.0 mL MTMS，攪拌形成水包油乳液；用醋酸調(diào)節(jié)pH至3～4，水解15 min，再用0.5 mol/L的氨水調(diào)節(jié)pH至8左右，得到水分散液。隨后，迅速將上述水分散液加入到120.0 mL溶有Span-80的正己烷中，快速攪拌形成油包水乳液，繼續(xù)縮合凝膠10～15 min。過濾分離凝膠，將得到的濕凝膠微球用無水乙醇洗滌，浸泡老化3 h后抽濾，在80 ℃下干燥得到SiO2氣凝膠微球。

1.2.2 SiO2氣凝膠涂層織物的制備

將SiO2氣凝膠微球和1.5 g分散劑脂肪醇聚氧乙烯醚7加入去離子水中，超聲處理30 min，然后加入20.0 g涂層劑WPU和1.0 g增稠劑TF-3181BA，攪拌均勻，得到涂層整理劑。將該涂層整理劑對(duì)純棉織物（20 cm×20 cm）進(jìn)行直接涂層，制備SiO2氣凝膠涂層織物。涂層工藝為：單面涂層（22.2 g/m2）→預(yù)烘（90 ℃，3 min）→焙烘（150 ℃，5 min）。

1.3 測試與表征

1.3.1 堆積密度測試

準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為m的SiO2氣凝膠微球，裝入已稱重精密量筒，振動(dòng)充實(shí)至刻度不變，讀出體積V，根據(jù)堆積密度ρ=m/V計(jì)算SiO2氣凝膠微球的堆積密度。

1.3.2 導(dǎo)熱系數(shù)測試

利用熱常數(shù)分析儀測試SiO2氣凝膠微球的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

采用傅里葉變換紅外光譜儀表征SiO2氣凝膠微球的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

1.3.4 表面形貌表征

采用臺(tái)式掃描電子顯微鏡（SEM）觀察SiO2氣凝膠微球和涂層織物的微觀形貌。

1.3.5 孔徑及分布測試

在氮?dú)猸h(huán)境下，采用比表面積及孔徑分析儀測定SiO2氣凝膠微球的吸附-脫附曲線及孔徑分布。測定前，樣品在180 ℃真空條件下脫氣處理10 h。

1.3.6 熱重測試

在氮?dú)猸h(huán)境下，采用熱重分析儀對(duì)樣品的熱分解過程進(jìn)行分析測試，測試溫度：30～800 ℃；升溫速率：10 ℃/min。

1.3.7 水接觸角測試

采用接觸角測試儀在25 ℃下進(jìn)行測試。將SiO2氣凝膠微球粉末在測試臺(tái)上鋪開壓平，在其表面滴水，并使用數(shù)碼相機(jī)置于平視位置拍照。

1.3.8 隔熱性能測試

將涂層織物正面放置在熱電偶溫度儀的加熱平臺(tái)上，使織物正面升溫至40 ℃，保持穩(wěn)定后，測試織物反面溫度為T，根據(jù)ΔT=40-T計(jì)算織物正反面溫差。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2氣凝膠微球制備工藝條件優(yōu)化

SiO2氣凝膠微球的制備過程示意圖如圖1所示，具體步驟如下：a）表面活性劑DTAB乳化疏水MTMS于去離子水中，形成水包油乳液，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的醋酸。此時(shí)，疏水性的MTMS會(huì)逐漸水解，形成親水三羥基硅烷，并向乳滴界面擴(kuò)散；同時(shí)，在MTMS水解過程中，由于醋酸的酸催化作用，親水三羥基硅烷縮合形成Si—O—Si鍵，并由乳滴外向內(nèi)部發(fā)展。b）加入氨水，得到水包油分散液，并將此分散液快速加入正己烷中，在表面活性劑Span-80的作用下形成穩(wěn)定的油包水乳液。此時(shí)，在氨水的堿催化作用下，油包水乳液的水包油分散液滴中，三羥基硅烷繼續(xù)快速縮合，形成疏水交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制得濕凝膠。c）將濕凝膠在無水乙醇中老化，經(jīng)常溫干燥得到具有一定骨架強(qiáng)度的SiO2氣凝膠微球［13］。由此可見，DTAB、醋酸、氨水、Span-80的用量和老化時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)SiO2氣凝膠微球的形成具有重要影響，需在制備過程中對(duì)上述條件進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiO2氣凝膠微球粒徑大小和微觀形貌的調(diào)控。

2.1.1 DTAB的用量

乳化劑DTAB影響水相體系中水包油乳滴的大小和穩(wěn)定性，決定SiO2氣凝膠微球的粒徑大小及分布。不同DTAB用量下制得的SiO2氣凝膠微球的微觀形貌如圖2（a）-（f）所示。隨著DTAB用量的增加，SiO2氣凝膠微球逐漸成型，當(dāng)DTAB用量為0.10 g時(shí)，微球形貌最規(guī)整、粒徑最均一。隨著DTAB用量繼續(xù)增加，SiO2氣凝膠微球逐漸出現(xiàn)黏連，進(jìn)而合并成粒徑較大、形狀不規(guī)則的顆粒。這是由于DTAB用量較少時(shí)，DTAB相對(duì)MTMS的質(zhì)量比例小，只能乳化MTMS形成粒徑較大的乳滴，導(dǎo)致最終SiO2氣凝膠微球的粒徑過大；當(dāng)DTAB用量過多時(shí)，DTAB乳化MTMS形成的乳滴數(shù)量多、乳滴粒徑小，乳滴間碰撞增多，致使體系不穩(wěn)定，導(dǎo)致大粒徑不規(guī)則顆粒的出現(xiàn)［14］。SiO2氣凝膠微球的堆積密度和導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果與其微觀形貌狀態(tài)保持一致，如圖2（g）所示。它們均隨著DTAB用量的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢；當(dāng)DTAB用量為0.10 g時(shí)，SiO2氣凝膠微球的堆積密度最小、導(dǎo)熱系數(shù)最低，分別為0.062 g/mL和0.0467 W/（m·K）。

2.1.2 醋酸的用量

酸催化劑醋酸決定MTMS的水解速率和縮合速率，影響水包油乳滴中親水物質(zhì)（MTMS水解產(chǎn)物）與疏水物質(zhì)（未水解的MTMS和少量縮合產(chǎn)物）的比例以及它們?cè)谌榈沃械臄U(kuò)散狀態(tài)，進(jìn)而影響SiO2氣凝膠微球的分散性能。不同醋酸用量下制得的SiO2氣凝膠微球的微觀形貌如圖3（a）-（f）所示。所有SiO2氣凝膠微球的粒徑大小和粒徑分布相差較小，但隨著醋酸用量的增加，其黏連程度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，醋酸用量為0.100 mL時(shí)，微球形貌最規(guī)整、黏連相對(duì)較少。這是由于醋酸用量較少時(shí)，MTMS水解速度較慢，水包油乳滴中可能還存在少量未水解完全、帶有部分羥基的MTMS。在后續(xù)縮合過程中，油包水乳液的水包油分散液滴內(nèi)，親水MTMS水解產(chǎn)物的含量逐漸減少、疏水縮合產(chǎn)物的比例逐漸增加，這些未水解完全的MTMS可能會(huì)擴(kuò)散至分散液滴的油水界面，并在界面間通過已水解得到的部分硅羥基脫水縮合，造成顆粒黏連；當(dāng)醋酸用量過多時(shí)，MTMS水解速度較快，水包油乳滴中，親水三羥基硅烷快速向乳滴的油水界面擴(kuò)散，甚至突破界面進(jìn)入水相。在后續(xù)縮合過程中，油包水乳液的水相體系中，這些溢出的三羥基硅烷分別與不同水包油分散液滴油水界面的三羥基硅烷發(fā)生反應(yīng)，造成顆粒黏連［15］。SiO2氣凝膠微球的堆積密度和導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果同樣與其微觀形貌狀態(tài)保持一致，如圖3（g）所示。從圖3（g）中可以看出，當(dāng)醋酸用量為0.100 mL時(shí)，SiO2氣凝膠微球的堆積密度最小、導(dǎo)熱系數(shù)最低，分別為0.045 g/mL和0.0461 W/（m·K）。

2.1.3 氨水的用量

堿催化劑氨水決定三羥基硅烷的縮合速率，影響油包水乳液的水包油分散液滴中親水物質(zhì)（未經(jīng)縮合的三羥基硅烷）與疏水物質(zhì)（部分縮合和完全縮合產(chǎn)物）的比例和它們?cè)谌橐褐械臄U(kuò)散狀態(tài)，同樣影響SiO2氣凝膠微球的分散性能。不同氨水用量下制得的SiO2氣凝膠微球的微觀形貌如圖4（a）-（f）所示。當(dāng)氨水用量較少時(shí)，微球的黏連較為嚴(yán)重；當(dāng)氨水用量較多時(shí)，微球的粒徑均一性較差。當(dāng)氨水用量為1.20 mL時(shí)，微球粒徑最均一、黏連較少。這是由于氨水用量較少時(shí)，三羥基硅烷縮合速度較慢，由于其具有較強(qiáng)的親水性，部分未反應(yīng)的三羥基硅烷可能從水包油分散液滴中溢出，進(jìn)入油包水乳液的水相，并在后續(xù)縮合過程中與水包油分散液滴油水界面的三羥基硅烷發(fā)生反應(yīng)，造成顆粒黏連。當(dāng)氨水用量過多時(shí)，三羥基硅烷縮合速度過快，使所制微球在粒徑上出現(xiàn)較大差別［16］。不同氨水用量下SiO2氣凝膠微球的導(dǎo)熱系數(shù)和堆積密度如圖4（g）所示，從中可以看出，當(dāng)氨水用量為1.20 mL時(shí)，SiO2氣凝膠微球的堆積密度最小、導(dǎo)熱系數(shù)最低，分別為0.0476 g/mL和0.0468 W/（m·K）。

2.1.4 Span-80的用量

乳化劑Span-80影響油包水乳液的穩(wěn)定性，為乳液中水包油乳滴中的縮合反應(yīng)提供穩(wěn)定的反應(yīng)微環(huán)境。不同Span-80用量下制得的SiO2氣凝膠微球的微觀形貌如圖5（a）-（f）所示。當(dāng)Span-80用量較少時(shí)，微球球形度不好、黏連嚴(yán)重，且粒徑大小不均；當(dāng)Span-80用量為0.80 g時(shí)，微球形貌最規(guī)整、黏連較少、粒徑相對(duì)均一；當(dāng)Span-80用量較多時(shí)，微球存在一定黏連，粒徑大小存在較為明顯的差異。這是由于Span-80用量較少時(shí)，正己烷/水混合體系中，油包水乳液穩(wěn)定性差，因而無法為三羥基硅烷的縮合提供穩(wěn)定的微環(huán)境，油包水乳液的水包油分散液滴可能溢出至正己烷中。由于環(huán)境親疏水性的變化，這些水包油分散液滴無法繼續(xù)穩(wěn)定存在、甚至被徹底破壞，造成顆粒的不成型和嚴(yán)重黏連；當(dāng)Span-80用量過多時(shí)，其包裹水分散液形成的油包水乳滴多，相互間碰撞增多，使整個(gè)反應(yīng)體系變得不穩(wěn)定，甚至造成水包油分散液滴中少量三羥基硅烷的溢出。這些溢出的三羥基硅烷可能在后續(xù)的縮合過程中，通過與不同水包油分散液滴油水界面的三羥基硅烷發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致微球粒徑的不均及部分黏連的產(chǎn)生［13］。不同Span-80用量下SiO2氣凝膠微球的導(dǎo)熱系數(shù)和堆積密度如圖5（g）所示，從中可以看出，Span-80用量為0.80 g時(shí)，SiO2氣凝膠微球的堆積密度最小、導(dǎo)熱系數(shù)最低，分別為0.0473 g/mL和0.0469 W/（m·K）。

2.1.5 老化時(shí)間

老化時(shí)間作為縮合過程的延伸，會(huì)直接影響SiO2氣凝膠微球的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交聯(lián)程度。不同老化時(shí)間下制得的SiO2氣凝膠微球的微觀形貌如圖6（a）-（f）所示。當(dāng)老化時(shí)間較短和較長時(shí)，微球球形度均不佳、易形成缺陷，且存在較嚴(yán)重的黏連。當(dāng)老化時(shí)間為3 h時(shí)，微球形貌最規(guī)整、黏連較少。這是由于老化時(shí)間較短時(shí)，顆粒的骨架強(qiáng)度不夠，由于毛細(xì)管效應(yīng)的存在，在干燥過程中極易發(fā)生塌縮，造成微球形貌的不規(guī)整及缺陷的產(chǎn)生；當(dāng)老化時(shí)間過長時(shí)，顆粒中膠體粒子的聚集黏連程度不斷增加，形成骨架強(qiáng)度更高的氣凝膠微球，這一結(jié)果雖有利于提升氣凝膠微球的強(qiáng)度，但也會(huì)造成微球孔隙的過度增加，致使氣凝膠微球的孔隙率過高，形成缺陷，影響球形度［17］。不同老化時(shí)間下SiO2氣凝膠微球的導(dǎo)熱系數(shù)和堆積密度如圖6（g）所示，從中可以看出，當(dāng)老化時(shí)間為3 h時(shí)，SiO2氣凝膠微球的堆積密度最小、導(dǎo)熱系數(shù)最低，分別為0.0469 g/mL和0.0465 W/（m·K）。

綜上所述，當(dāng)DTAB用量為0.10 g、醋酸用量為0.100 mL、氨水用量為1.20 mL、Span-80用量為0.80 g、老化時(shí)間為3 h時(shí)，可制得形貌規(guī)整、大小均勻、黏連較少的SiO2氣凝膠微球，其堆積密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低，分別為0.0469 g/mL和0.0465 W/（m·K）。

2.2 SiO2氣凝膠微球的性能分析

2.2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

硅源前驅(qū)體MTMS、水解產(chǎn)物三羥基硅烷和產(chǎn)物SiO2氣凝膠微球的紅外光譜如圖7所示。與MTMS相比，水解產(chǎn)物紅外譜圖中保留了疏水甲基的伸縮振動(dòng)峰（3000～2850 cm-1），出現(xiàn)了明顯的—OH伸縮振動(dòng)峰（3500～3200 cm-1）和Si—O—Si振動(dòng)峰（1042 cm-1），表明在醋酸催化下，MTMS水解產(chǎn)生大量硅羥基，且部分硅羥基已經(jīng)開始縮合。SiO2氣凝膠微球的紅外光譜中，歸屬于氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的Si—O—Si振動(dòng)峰（1200～1000 cm-1）和Si—C振動(dòng)峰（1270、785 cm-1）顯著增強(qiáng)，表明SiO2氣凝膠微球交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成和大量疏水性甲基的存在［18-19］。

2.2.2 孔徑大小及分布

SiO2氣凝膠微球的孔徑大小及分布是影響其隔熱性能的關(guān)鍵因素。SiO2氣凝膠微球的N2吸附脫附等溫曲線如圖8（a）所示，從中可以看出，氣凝膠微球N2吸附脫附等溫曲線屬于典型的IV型曲線：在P/P0較低時(shí)，吸附量上升緩慢；隨著P/P0的增加，由于毛細(xì)管凝聚作用，吸附量顯著增加。SiO2氣凝膠微球的孔徑分布如圖8（b）所示，SiO2氣凝膠微球的孔徑主要分布在3～18 nm，孔徑分布相對(duì)集中，具有良好的介孔結(jié)構(gòu)。

2.2.3 熱穩(wěn)定性

為保證SiO2氣凝膠微球在織物整理過程中高溫焙烘下的穩(wěn)定性，測試了氣凝膠微球的熱重（TG）分析曲線。SiO2氣凝膠微球在N2條件下的TG曲線如圖9所示，在升溫過程中，SiO2氣凝膠微球主要在164～372 ℃和462～785 ℃時(shí)出現(xiàn)部分質(zhì)量損失。前者失重為5.7%，主要為氣凝膠微球內(nèi)部結(jié)合的水以及部分小分子物質(zhì)的蒸發(fā)；后者失重為13.5%，主要為氣凝膠骨架上疏水基團(tuán)—CH3的熱氧化所致［20］，這一結(jié)果也與氣凝膠結(jié)構(gòu)中疏水甲基的理論含量相符。當(dāng)升溫至800 ℃時(shí)，SiO2氣凝膠微球總失重未超過20.0%，表現(xiàn)出出色的熱穩(wěn)定性。

2.2.4 疏水性

SiO2氣凝膠微球的水接觸角測試結(jié)果如圖10所示。水珠在微球表面的接觸角θ為142°，表明該氣凝膠具有較好的疏水性，可在后續(xù)織物整理中有效避免整理液進(jìn)入氣凝膠孔隙，為整理織物的隔熱性能提供了保障。同時(shí)，這一結(jié)果也表明了，以含有疏水基團(tuán)的硅源前驅(qū)體為原料，無需后續(xù)疏水改性，即可通過常壓干燥直接制備疏水SiO2氣凝膠微球，有效簡化了制備工藝、改善了制備條件。

2.3 SiO2氣凝膠在織物隔熱涂層中的應(yīng)用

SiO2氣凝膠微球在整理劑中的含量是影響整理織物隔熱效果的重要因素。當(dāng)WPU含量為20.0%、分散劑含量為1.5%、增稠劑含量為1.0%時(shí)，不同SiO2氣凝膠微球用量的涂層整理織物的隔熱性能如圖11（a）所示。從圖11（a）中可知，SiO2氣凝膠微球涂層織物正面溫度加熱至40.0 ℃時(shí)，隨著SiO2氣凝膠微球含量的增加，織物的正反面溫差呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且在整理劑中SiO2氣凝膠微球含量為4.5%時(shí)達(dá)到最佳，為3.2 ℃。這一結(jié)果與SiO2氣凝膠微球在織物上的含量及分布狀態(tài)直接相關(guān)，如圖11（b）-（g）所示，隨著整理劑中SiO2氣凝膠微球含量的增加，織物表面SiO2氣凝膠微球的含量也隨之提高。當(dāng)SiO2氣凝膠微球用量為4.5%時(shí)，織物涂層狀態(tài)較好，SiO2氣凝膠微球在織物表面數(shù)量較多、且分散均勻；若SiO2氣凝膠微球用量繼續(xù)增加，織物表面被大量微球覆蓋，出現(xiàn)微球團(tuán)聚、分布不均等現(xiàn)象，導(dǎo)致織物整體隔熱性能的下降。

綜上所述，當(dāng)SiO2氣凝膠微球含量4.5%、WPU含量20.0%、分散劑含量1.5%、增稠劑含量1.0%時(shí)，SiO2氣凝膠微球涂層織物具有較好的隔熱性能，SiO2氣凝膠微球涂層織物正面溫度加熱至40.0 ℃時(shí)，其正反面溫差可達(dá)3.2 ℃。

3 結(jié) 論

本文以DTAB為乳化劑、醋酸為催化劑，在水包油分散液中將硅源前軀體MTMS水解為硅醇；隨后以Span-80為乳化劑將上述水分散液分散于正己烷中，再以氨水為催化劑催化硅醇縮合，經(jīng)老化、常壓干燥制得SiO2氣凝膠微球。探究氣凝膠微球的制備條件對(duì)氣凝膠微球的堆積密度、導(dǎo)熱性能、熱穩(wěn)定性和疏水性能的影響，并將其直接應(yīng)用于棉織物涂層整理，測試所得涂層織物的隔熱性能。所得主要結(jié)論如下：

a）當(dāng)DTAB用量為0.10 g、醋酸用量為0.100 mL、氨水用量為1.20 mL、Span-80用量為0.80 g、老化時(shí)間為3 h時(shí)，SiO2氣凝膠微球形貌規(guī)整、大小均勻、黏連較少，具有較好的隔熱性能，其堆積密度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.0469 g/mL和0.0465 W/（m·K）。

b）制得的SiO2氣凝膠微球具有介孔結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性佳，并具有一定的疏水性能，水接觸角為142°。

c）當(dāng)整理液中SiO2氣凝膠微球含量為4.5%、WPU含量為20.0%、分散劑含量為1.5%、增稠劑含量為1.0%時(shí)，SiO2氣凝膠微球涂層整理織物具有較好的隔熱效果；加熱溫度為40.0 ℃時(shí)，織物正反面溫差可達(dá)3.2 ℃。

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（責(zé)任編輯：劉國金）

收稿日期： 2022-12-02? 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-03-01網(wǎng)絡(luò)出版日期

作者簡介： 姚利萍（1993- ），女，安徽阜陽人，碩士研究生，主要從事紡織品功能整理方面的研究。

通信作者： 王懿佳，E-mail：wangyijia@zstu.edu.cn