王虹 许鲁 周小红

摘 要：以芳纶非织造布混杂SiO2气凝胶，并复合PTFE多孔膜制备了个体防护用材料，测试了孔径、厚度、重量等基本结构和压缩能量吸收功，导热系数和氧指数，隔声量等指标，采用激波管模拟冲击波，研究了试样抗冲击波性能。结果显示：SiO2气凝胶以不同大小的块状、颗粒状填充了芳纶非织造布纤维间的空隙；混杂SiO2气凝胶并复合PTFE多孔膜试样的各项防护性能均显著提高，压缩作用下能量吸收大，隔热性能、阻燃性能改善，对冲击波衰减作用明显，并提高对高频噪声的隔声作用。

关键词：SiO2气凝胶；非织造布；阻燃；隔声；压缩性能；抗冲击波

1 实验部分

1.1 SiO2气凝胶混杂芳纶非织布的试样制备

芳纶1313/1414非织造布（该试样标记为“试样MM”，将该试样重叠2层，标记为“试样MM*2”）用作混杂SiO2气凝胶的骨架材料（或称基材）。溶胶-凝胶法制备SiO2气凝胶过程中，在形成湿凝胶之前将试样MM浸渍在SiO2溶胶中，SiO2溶胶渗透到芳纶非织造布纤维间隙，然后形成湿凝胶。试样MM表面多余SiO2湿凝胶采用刮刀去除。经老化、醇水置换、疏水改性及CO2超临界干燥，制成SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布试样（标记为“试样SiMM”）。将试样MM、试样MM*2和试样SiMM分别与PTFE多孔膜复合，得到试样标记为“试样PMM”、“试样PMM*2”和“试样PSiMM”。

1.2基本结构测试

1.2.1厚度与重量

参照标准GB/T 4669-2008 和GB/T 3820-1997，实验测试了上述6个试样的厚度与重量，并计算试样的面密度和体积密度。

1.2.2形貌与孔径

本研究采用热场发射扫描电子显微镜（FESEM，德国）测试SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布的形貌。

采用孔径测试仪（TOPAS PSM165，德国制造）测试试样的孔径，最大孔径、最小孔径和平均孔径。

1.3熱学性能测试

1.3.1导热系数

导热系数是表征材料隔热性能的物理量。本研究采用德国耐驰HFM436/311稳态热流法导热仪测试材料的导热系数。

1.3.2 极限氧指数

采用H2C氧指数测试仪测试试样的极限氧指数。

1.4力学性能测试

参照标准GB/T24442.2-2009《纺织品压缩性能的测定》，采用instron3367型万能材料试验机对试样进行压缩性能测试。

1.5声学性能测试

采用VS302USB双通道声学分析仪，参照GB 3240-82 《声学测量中常用频率》标准、ISO R140-78 《建筑中及建筑构件的隔声测量》标准，采用90dB的粉红噪声对试样进行测试。

2.结果与讨论

2.1 厚度与重量

SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布的试样SiMM厚度与面密度均在1层芳纶非织造布试样MM与2层芳纶非织造布试样MM*2之间，试样MM、试样MM*2和试样SiMM的体积密度基本一致。复合PTFE多孔膜后的试样厚度、面密度和体积密度的规律完全相同。

2.2形貌与孔径

SiO2气凝胶以不同大小的块状、颗粒状填充进入芳纶1313/1414非织造布纤维间的空隙。

试样MM有较大的孔隙；试样PMM复合PTFE多孔膜后，测试的孔径以膜孔径为主，而芳纶非织造布纤维间的孔隙大部分因为PTFE多孔膜被封闭；SiO2气凝胶混杂芳纶非织造布，由于SiO2气凝胶填充进入芳纶非织造布纤维间的空隙，试样SiMM的孔径减小显著，且小于试样PMM的孔径，原因是SiO2气凝胶分布在纤维的孔隙，芳纶非织造布纤维间的多数开放孔隙被SiO2气凝胶堵塞。

2.3导热系数

试验数据表明混杂气凝胶的芳纶非织造布（样品SiMM和PSiMM）导热系数均比没有混杂气凝胶的芳纶非织造布（样品MM和PMM）明显降低；其次，复合PTFE多孔膜并没有显著改变材料的导热系数。

2.4 极限氧指数

试验结果表明，试样MM*2和试样PMM*2的极氧指数分别大于试样MM和试样PMM的极氧指数，这是受测试样品厚度影响之故；其次，复合PTFE多孔膜降低了实验材料的燃烧极限氧指数；此外，试样SiMM的极限氧指数是30.68%，PSiMM的极限氧指数是30.72%，均比未混杂气凝胶且厚度更厚的MM*2样（极限氧指数是29.68%）及PMM*2样（极限氧指数是28.52%）极限氧指数更高，表明混杂SiO2气凝胶对材料的阻燃性能有提高作用。

2.5 压缩性能

压缩功表示材料在压缩过程中所能缓冲的能量。能量吸收能力是表征单位体积的材料压缩至相应应变量时所吸收的能量。厚度影响实验材料的压缩性能，但SiO2气凝胶显著提高了实验材料的压缩功和能量吸收能力。

2.6抗冲击波性能

2.6.1试验段冲击波的压力-时间曲线

峰值超压发生时间为T1=20ms，P0=34036.2Pa，略低于0.08mm厚膜片计算的峰值超压。受冲击波在管道内单向传播的影响，存在较大的负压峰值，为-22569.45Pa，发生时间T2=30ms。

2.6.2模型球内冲击波的压力-时间曲线

试验段冲击波作用于模型球，经过试制样品的衰减作用，模型球内加速度传感器测试得到冲击波的压力-时间曲线。峰值超压发生在时间0.03s处。

厚度对冲击波峰值超压有影响，厚度大，材料对冲击波峰值超压的衰减量大；混杂了SiO2气凝胶、复合PTFE多孔膜均使芳纶非织造布对冲击波峰值超压的衰减效果明显，混杂SiO2气凝胶并复合PTFE多孔膜的试样PSiMM的冲击波峰值超压下降到最低，为2805.61 Pa。

2.7 声学性能测试

取中心频率125Hz至4000Hz的6个倍频程隔声量的算数平均数为平均隔声量，并提取低频500HZ、中频1000HZ和高频4000HZ各试样的最大隔声量。

混杂SiO2气凝胶、复合PTFE多孔膜均可显著增加试样的平均隔声量，而且频率越高，隔声效果越明显，芳纶非织造布混杂SiO2气凝胶并复合PTFE多孔膜的试样PSiMM在4000Hz高频时的隔声量最大，其隔声量为15.01dB.

3 结论

（1） 制备的芳纶非织造布混杂SiO2气凝胶并复合PTFE多孔膜试样的隔热性能、阻燃性能改善，压缩作用下能量吸收大，对冲击波衰减作用非常明显，并可提高对高频噪声的隔声作用，表明该材料用作个体防护装备材料时，在相同防护效果下，不仅可使个体防护装备的厚度和重量下降，而且各项防护性能均有提高，尤其是抗冲击波效果最明显。

（2） SiO2气凝胶以不同大小的块状、颗粒状填充了芳纶非织造布纤维间的空隙，块状与颗粒的尺寸差异大，导致填充均匀性稍差，混杂工艺有待进一步改进，并优化SiO2气凝胶的填充量。

参考文献：

[1] 张志华， 王文琴， 祖国庆，等. SiO2气凝胶材料的制备、性能及其低温保温隔热应用[J]. 航空材料学报， 2015， 35（1）：87-96.

[2]刘茜. 固体空气——气凝胶在服装和建筑中的应用[J]. 国外纺织技术， 2004（5）：13-13.

作者简介：

王虹，女1963，教授级高工，学士，从事纤维功能材料及气凝胶的研究。