改性SiO_2气凝胶隔热材料的制备及其性能_赵雷.pdf

第3 6卷第3期纺织高校基础科学学报V o l.3 6,N o.3 2 0 2 3年6月B A S I C S C I E N C E S J O U R N A L O F T E X T I L E U N I V E R S I T I E SJ u n.,2 0 2 3 引文格式:赵雷,王亮,董江涛,等.改性S i O2气凝胶隔热材料的制备及其性能J.纺织高校基础科学学报,2 0 2 3,3 6(3):7-1 3.Z HAO L e i,WAN G L i a n g,D ONG J i a n g t a o,e t a l.P r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e s o f m o d i f i e d S i O2 a e r o g e l t h e r m a l i n-s u l a t i o n m a t e r i a l sJ.B a s i c S c i e n c e s J o u r n a l o f T e x t i l e U n i v e r s i t i e s,2 0 2 3,3 6(3):7-1 3.收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 1 修回日期:2 0 2 3-0 4-0 4基金项目:陕 西 省 重 点 研 发 计 划 项 目(2 0 2 3-Y B NY-2 4 5,2 0 2 2 NY-0 5 7);中 国 纺 织 工 业 联 合 会 科 技 指 导 性 计 划 项 目(2 0 2 2 0 4 2);西安市纺织复合材料重点实验室科技指导性项目(x a f z f c-z d 0 9);陕西“四主体一联合”安全防护用纺织品工程技术研究中心科研项目(2 0 2 1 C X YH Z-0 0 9)第一作者:赵雷(1 9 8 2-),男,工程师。通信作者:王亮(1 9 8 5-),男,副教授,博士,研究方向为功能高分子材料。E-m a i l:w a n g l c o d y 1 6 3.c o m改性S i O2气凝胶隔热材料的制备及其性能赵 雷1,王 亮2,3,董江涛2,3,樊争科1,蔡普宁1,侯 琳1(1.陕西元丰纺织技术研究有限公司,陕西 西安 7 1 0 0 0 0;2.西安工程大学 材料工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 4 8;3.西安工程大学 西安市纺织复合材料重点实验室,陕西 西安 7 1 0 0 4 8)摘 要 为提高二氧化硅气凝胶材料的综合性能,采用酸-碱两步法成功制备改性二氧化硅气凝胶,并以芳纶纤维毡为骨架支撑体与二氧化硅气凝胶进行复合。利用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜及能谱等对其进行表征,测试并分析其疏水性能、整体热防护性能及阻燃性。结果表明,改性二氧化硅气凝胶属于疏水型材料(接触角为1 3 3.8 9),其热防护值(T P P)、辐射热传导指数(RHT I 2 4)和对流热传导指数(CHT I 2 4)依次为6 4 5.4 65 4.3 8 kWsm-2、1 2.5 s、9.1 s。阻燃性能测试结果显示试样的损毁长度为4 0 mm,未出现阴燃、续燃、熔融、滴落等现象。参照行业标准,改性二氧化硅气凝胶材料的关键指标达到隔热材料的要求,其在航空航天、化工、建筑、消防等领域具有潜在的应用前景。关键词 改性S i O2气凝胶;热防护性能;阻燃性;疏水性开放科学(资源服务)标识码(O S I D)中图分类号:T B 3 2 4 文献标志码:AD O I:1 0.1 3 3 3 8/j.i s s n.1 0 0 6-8 3 4 1.2 0 2 3.0 3.0 0 2P r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e s o f m o d i f i e d S i O2a e r o g e l t h e r m a l i n s u l a t i o n m a t e r i a l sZHA O L e i1,WANG L i a n g2,3,D ONG J i a n g t a o2,3,F AN Z h e n g k e1,C A I P u n i n g1,HO U L i n1(1.S h a a n x i Y u a n f e n g T e x t i l e T e c h n o l o g y R e s e a r c h C o.,L t d,X ia n 7 1 0 0 0 0,C h i n a;2.S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,X ia n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 4 8,C h i n a;3.X ia n K e y L a b o r a t o r y o f T e x t i l e C o m p o s i t e s X ia nP o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 4 8,C h i n a)A b s t r a c t I n o r d e r t o i m p r o v e t h e c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c e o f s i l i c a a e r o g e l m a t e r i a l,m o d i f i e d s i l i c a a e r o g e l w a s s u c c e s s f u l l y p r e p a r e d v i a a c i d-b a s e t w o-s t e p m e t h o d.T h e a r a m i d f i b e r f e l t w a s u s e d a s t h e s k e l e t o n s u p p o r t b o d y w h i c h c o m p o u n d e d w i t h s i l i c a a e r o g e l.T h e c o m p o s i t e w a s c h a r a c t e r i z e d b y i n f r a r e d s p e c t r u m,X-r a y d i f f r a c t i o n,s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e a n d e n e r g y s p e c t r u m.T h e h y d r o p h o b i c i t y,o v e r a l l t h e r m a l p r o t e c t i o n,a n d f l a m e r e t a r d a n c y o f t h e c o m p o s i t e w e r e t e s t e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e m o d i f i e d s i l i c a a e r o g e l b e l o n g s t o h y d r o p h o b i c m a t e r i a l.T h e c o n t a c t a n g l e i s 1 3 3.8 9 .T h e t h e r m a l p r o t e c t i o n v a l u e(T P P),r a d i a t i v e h e a t t r a n s f e r i n d e x(RHT I 2 4)a n d c o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r i n d e x(CHT I 2 4)a r e 6 4 5.4 65 4.3 8 kWsm-2,1 2.5 s a n d 9.1 s,r e s p e c t i v e l y.F l a m e r e t a r d a n t t e s t s h o w s t h a t t h e d a m a g e d l e n g t h o f t h e s a m p l e i s 4 0 mm,a n d t h e r e i s n o s m o u l d e r i n g,s e c o n d a r y c o m b u s t i o n,m e l t i n g,d r i p p i n g a n d o t h e r p h e n o m e n a.A c c o r d i n g t o i n d u s t r y s t a n d a r d,t h e k e y i n d i c a t o r s o f m o d i f i e d s i l i c a a e r o g e l m a t e r i a l m e e t t h e r e-q u i r e m e n t s o f h e a t i n s u l a t i o n m a t e r i a l.I t h a s p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i n t h e f i e l d o f a e r o-s p a c e,c h e m i c a l i n d u s t r y,c o n s t r u c t i o n,a n d f i r e p r o t e c t i o n.K e y w o r d s m o d i f i e d S i O2 a e r o g e l;t h e r m a l p r o t e c t i o n p e r f o r m a n c e;f l a m e r e t a r d a n t;h y d r o p h o-b i c i t y0 引 言 新型无机纳米材料二氧化硅气凝胶,又称“蓝烟”,是世界上最轻的固体材料之一,被称为改变世界的神奇材料,与石墨烯、碳纳米管等并称为本世纪最有潜力十大新材料的前三甲1-2。气凝胶是近年发展起来的新型超级隔热材料,它具有质轻、阻燃、绝热、环保等特点,将硅系气凝胶通过后整理或其他复合技术运用到隔热防护面料的开发中,可应用在消防服和防护服等纺织品上3-6。消防服是消防人员在面对火焰和热辐射等危害的个体防护装备,其防护性能的优劣直接关系着消防人员生命安全和执行救火任务的工作效率。而传统消防服仅通过增加隔热层重量及厚度来达到隔热标准要求,严重制约了消防员的操作灵活性进而影响工作效率7-8。在拥有防水、隔热、阻燃、透气等传统优良性能的基础上,一方面为了降低隔热层厚度及重量,另一方面还需要提高隔热材料的综合性能,使其满足消防员工效需求的同时使用更加方便高效。气凝胶虽然具有很多优异性能,但其高孔隙率和多孔网络结构决定了其强度较其他材料低、韧性差,难以作为单独材料应用于相应领域9-1 0。因此,很多学者针对气凝胶的性能缺陷进行了诸多改性研究1 1-1 5。但现阶段气凝胶普遍存在机械强度低、韧性差、骨架脆弱等缺点,同时制备工艺苛刻、效率低、成本高也限制了工业生产和大规模使用。目前气凝胶制备技术存在很多不足,如超临界干燥法制备工艺繁琐,具有一定的危险性,反应设备成本较高、时间较长、耗能较大、大规模的生产困难等;采用常温常压干燥法制备的气凝胶力学性能较低,亲水性、体系收缩率髙。基于此,学者们提出了一系列增强S i O2气