基于双网络相变气凝胶制备的调温保温织物性能.pdf

第 卷 第 期 年 月现代纺织技术 .:.基于双网络相变气凝胶制备的调温保温织物性能张 鸿车珺雯曾介祥汤 松张志强(大连工业大学纺织与材料工程学院辽宁大连)摘 要:为实现织物的调温保温改性赋予其良好的热管理能力以聚乙二醇为相变组份设计交联聚丙烯酰胺和石墨烯双网络载体采用原位溶液聚合法制备了相变气凝胶双功能材料 以自制相变气凝胶为改性剂采用涂层法对棉布进行后整理通过调节相变气凝胶与黏合剂质量比得到改性织物的最佳制备工艺采用扫描电子显微镜()、红外光谱仪()、差示扫描量热仪()、温度记录仪和红外热成像仪对改性织物的形貌、化学结构、相变性能和热管理能力进行表征 结果表明改性织物的最佳工艺是:黏合剂选用水性聚氨酯()相变气凝胶占整理液质量比为.相变气凝胶与织物分子间没有发生化学反应依靠物理黏合作用被整理到织物表面在织物表面形成功能膜整理后的织物熔融焓为.熔融温度在.区间结晶焓为.结晶温度在.区间相变调温能力显著制备的调温织物对升温有一定的延缓效果降温时有较好的保温能力显现良好的控温效果关键词:调温保温织物聚乙二醇相变气凝胶涂层法热管理中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:网络首发日期:基金项目:辽宁省重点攻关项目()作者简介:张鸿()女辽宁辽阳人教授博士主要从事相变气凝胶材料和纤维材料改性研究 极端天气下的酷暑和严寒通常会引起人体突然的热不适 严重的情况会导致皮肤损伤、中暑或冻僵甚至死亡 尽管供暖、通风和空调仍然是缓解热冷不适的最典型方法但他们很耗能占总能耗的以上 此外在营地和建筑工地的临时帐篷里安装空调系统很难实施 因此找到一种有效的方法来确保热舒适度同时降低能源消耗是至关重要的其中热管理纺织品无疑是一种有效的节能解决方案具有灵活性、可持续性和智能化的特点各种类型的相变材料()长期以来一直应用于织物中来进行温度调节以提高舒适度 如 等使用水性聚氨酯作为黏合剂通过垫干固化技术开发智能热调节涂层将纳米封装的芒硝()涂抹在棉制成的平纹织物上处理后的织物的低潜热存储量为.单独的气凝胶材料也应用于各种纺织品来进行温度调节如 等使用气凝胶代替了传统消防员服装的隔热衬里并对火焰()、辐射热()和火焰与辐射的混合热()进行了热防护性能测试发现气凝胶的添加增强了消防员服装的热防护性能 但将气凝胶与相变材料结合应用于温度调节是一个相对新的兴趣领域尚未充分探索其潜力相变材料具有温度调控的功能气凝胶材料具有保温隔热的性质将两者有机地融合制得的相变气凝胶是同时具有相变材料和气凝胶的双功能复合材料 这不仅可以改善相变材料因相态的转变而液化泄漏还可以弥补气凝胶仅能保温却没有主动调温的功能的缺点 目前常用的制备相变气凝胶的工艺为真空浸渍两步法与在气凝胶前驱体中直接共混相变微胶囊法一步法成型相变气凝胶双功能材料的研究少见报道 而真空浸渍两步法与相变微胶囊法所制备的相变气凝胶中 被定形在气凝胶内发生相变气凝胶的孔结构会因固载大量 而大量减少甚至消失削弱了其调温保温的效果本文中通过一步法制备的双网络相变气凝胶双功能材料可很好地解决上述问题 相变气凝胶以高导热的多层氧化石墨烯()为第一网络交联的聚丙烯酰胺()为第二网络两者互穿互锁形成了三维且连续的双网络结构在双网络生成过程中同步固载相变材料聚乙二醇()使得双网络相变气凝胶不仅具有良好的相变和热传导能力而且还保留丰富的孔结构 以双网络相变气凝胶作为功能改性剂即可实现织物的相变调温和气凝胶保温协效改性 研究选择功能材料加入量高、操作简单、成本低廉、对原有特性影响少的涂层整理法将相变气凝胶整理在棉织物表面可赋予布料优异的热管理效果有助于实现节能和提高能源利用率且在未来有望应用于消防服等专业服饰既满足了人类节能环保的发展需求又为消防服的性能提升提供了可行性有很好的研究意义 实 验.材料与仪器实验材料:聚乙二醇(分析纯国药集团化学试剂有限公司)、丙烯酰胺(分析纯上海阿拉丁生化科技有限公司)、亚甲基双丙烯酰胺(分析纯上海阿拉丁生化科技有限公司)、多层氧化石墨烯(分析纯江苏碳丰有限公司)、过硫酸钾(分析纯上海阿拉丁生化科技有限公司)、(台州宏得利树脂有限公司)、纯棉布(.厚度.辰思文化创意有限公司)实验仪器:超声波分散器(上海生析超声仪器有限公司)、恒温水浴锅(上海捷呈实验仪器有限公司)、电子天平(赛多利斯仪器公司)、电热鼓风干燥箱(上海鳌珍仪器有限公司)、集热式磁力搅拌器(郑州豫华仪器制造有限公司).实验过程.相变气凝胶的制备相变气凝胶的制备过程如图 所示:称取.倒入烧杯加入 去离子水将烧杯放入超声分散器中进行超声分散处理 再将.的丙烯酰胺单体()加入 分散液中继续超声分散称取.倒入三口烧瓶中将三口烧瓶置于 水浴锅中加热磁力搅拌使其熔融 加入 单体和 分散液的混合液磁力搅拌使其混合均匀 用推进器缓慢加入质量分数.亚甲基双丙烯酰胺()水溶液作为交联剂剧烈搅拌混合物.通 然后用推进器缓慢加入质量分数.过硫酸钾()水溶液将混合物在 下搅拌加热反应 反应结束将产物用去离子水反复清洗 次将凝胶液在 冰箱中冷冻 然后冷冻干燥 获得相变气凝胶.调温保温纺织品的制备调温保温纺织品的制备如图 所示使用水性聚氨酯作为黏合剂将相变气凝胶附着在棉织物表面使得棉织物具有调温保温功能研究相变气凝胶和黏合剂用量对调温保温织物的相变潜热的影响相变气凝胶占整理液(相变气凝胶与水性聚氨酯)总质量的百分比分别为 、和 图 双网络相变气凝胶的制备过程.第 期张 鸿 等:基于双网络相变气凝胶制备的调温保温织物性能图 调温保温纺织品的制备流程.性能表征.表面形貌表征采用扫描电子显微镜(日本电子株式会社)利用导电胶将样品固定在样品台对其进行表面镀金处理然后观察其形貌电场光束能量为 采用电子数显卡尺(精度.)测量样品的表观厚度采用高性能全自动压汞仪(美国麦克仪器有限公司)测量样品的比表面积、孔隙率及孔径分布.红外光谱表征用傅里叶红外光谱仪(美国铂金埃尔默公司)对样品的分子结构进行表征采用溴化钾压片法测定扫描波长范围 .相变性能表征采用差示热量扫描仪(美国 仪器公司)对样品的相变潜热和相变温度进行表征用氮气作为保护气测试温度范围为从 升温降温速率为 .热稳定性测试取少量样品放入试管中将试管放入 恒温水浴锅内加热 后取出使试管冷却至室温反复 次对调温保温织物的热循环稳定性进行表征.调温保温织物的升降温曲线使用温度记录仪(温度精度.江苏省精创电气股份有限公司)记录样品从 再从 的温度变化趋势记录间隔为.调温保温织物的红外热成像样品放置于 的电热板上使用红外热成像仪(前视红外光电科技有限公司)每隔 拍摄样品温度变化.调温保温织物的导热系数基于 标准采用瞬态平面热源法通过导热系数分析仪(瑞典 )对织物的导热系数进行表征测试温度为 结果与讨论.相变气凝胶的表征图 为相变气凝胶的形貌、孔结构、曲线以及热稳定性 图()为相变气凝胶表面扫描电镜图图()为相变气凝胶断面的扫描电镜图 从表面和断面图均可以看出相变气凝胶呈现出连续的三维蜂窝状多孔结构孔结构细密均匀孔径在 左右 这说明 与 互穿互锁后形成了三维连续的网孔结构使得相变气凝胶在固载 的情况下仍存在丰富的孔结构且孔结构并未因研磨而消失说明了相变气凝胶具有良好的可加工性现代纺织技术第 卷基于扫描电镜所观测的孔径信息选择压汞法对孔结构进行了表征 相变气凝胶的吸附脱附等温线如图()所示 相变气凝胶的孔径分布曲线如图()所示 根据 的吸附等温线分类相变气凝胶的吸附等温线为 型这表明相变气凝胶为大孔材料此外脱附过程中进入孔结构的汞没有完全脱附出来说明存在“瓶颈孔”阻碍了汞的脱附 根据测试报告得到的相变气凝胶比表面积为 孔隙率为 孔径分布在 之间平均孔径约为 在 温度下对相变气凝胶进行 次热循环实验从图()可以看出 次热循环后相变气凝胶的相变焓与循环前相差不大说明 与 互穿互锁形成的网络将 良好地固载在其中使其相变性能保持稳定 由图()()可知不同的温度下的相变气凝胶没有黏结形态稳定且 加热后相变气凝胶仍维持原状没有液体渗出说明热稳定性很好 第 期张 鸿 等:基于双网络相变气凝胶制备的调温保温织物性能图 相变气凝胶的形貌、孔结构、曲线和热稳定性.改性织物最佳制备工艺的确定.黏合剂用量对相变性能的影响图 为不同黏合剂用量下改性织物 曲线由图 可见织物的熔融焓、结晶焓随着黏合剂用量的增加而降低 这是由于黏合剂用量少时整理液中的相变气凝胶的占比会更高因此织物的相变焓也会更高而当黏合剂用量增加时整理液的黏度会变高流动性相对较差成型过程中容易导致复合不均且薄膜厚度增加导致导热变差 通过分析黏合剂占整理液总质量的.时黏度较好且焓值最高.相变气凝胶用量对相变性能的影响固定黏合剂质量改变相变气凝胶的用量分析织物的调温保温能力结果如图 所示当相变气凝胶含量增加相变气凝胶与黏合剂黏附机会增多整理成织物后织物焓值升高 但通过试验发现当相变气凝胶占整理液总质量的.以上时该情况下相变气凝胶量过多黏合剂量已经无法使相变气凝胶完全黏附在织物上不利于对织物进行刮涂 图 黏合剂占整理液总量的百分比对相变性能的影响.图 相变气凝胶占整理液总量的百分比对相变性能的影响.现代纺织技术第 卷.调温保温织物的表面形貌及表观厚度分析 图 为整理前后织物的实物与表观厚度以及扫描电镜照片 从图()、图()可看出未处理织物原本表面干净整洁经刮涂整理后相变气凝胶与黏合剂形成一层薄膜附着织物在表面膜厚仅为 图()、图()中整理后的织物表面依旧平整且在其表面仍能看到织物的纹路如 图()所示这表明经由涂层法处理后相变气凝胶被很好地整理到了织物上图 整理前后织物的实物与表观厚度以及扫描电镜照片.调温保温织物的红外分析未处理织物、相变气凝胶和调温保温织物的 谱图如图 所示 未处理织物的 光谱中 处的强宽峰是 的伸缩振动峰 处为 的伸缩振动峰 是缔合状态下的伯仲醇羟基面内变形和亚甲基、次甲基面外变形振动的共同结果 的强宽峰是 键的伸缩振动峰在相变气凝胶的 光谱中 与 分别为 的 拉伸振动与 的拉伸振动 为 上的信号峰在 出现的峰表明了 的 在 的 作为反离子的情况下被转化为且除静电作用外 的 与 的和 之间也存在着氢键 为 上的拉伸振动峰 这证实了 的成功复合在调温保温织物的 光谱中 为纤维素中缔合状态下的伯仲醇羟基面内变形和亚甲基、次甲基面外变形振动的共同结果与未处理织物的 光谱结果一致 相变气凝胶中 的的对称和非对称拉伸振动与 中 拉伸振动出现在 处 为 上的信号峰 上的伸缩振动出现在 处.为 中酰胺 模式里 的拉伸振动 相较于未处理织物与相变气凝胶的 谱图发现在、的峰向低频方向移动说明整理液与织物之间存在氢键作用 通过分析可得相变气凝胶与织物分子间没有发生化学反应仅依靠物理黏合作用被整理到织物的表面第 期张 鸿 等:基于双网络相变气凝胶制备的调温保温织物性能图 未处理织物、相变气凝胶和调温保温织物的 图.调温保温织物的相变性能分析最佳工艺下制得的调温保温织物、相变气凝胶、聚氨酯织物和未处理织物的 曲线如图()所示由图可见相变气凝胶的熔融相变焓在.而整理后的织物的熔融相变焓达.热效率接近 可见采用涂层法能够使相变气凝胶很好地整理到织物上且织物具有良好的调温保温功能图()()为调温保温织物和未处理织物在 水浴锅中的升温曲线以及取出后在冰水中冷却的降温曲线 从图()中可以看出在升温曲线中与未处理织物相比调温保温织物明显延缓了升温过程最大温差可达.温度上升至 左右有明显放缓趋势这是因为温度达到了相变气凝胶的熔点附近气凝胶熔融吸热因此温度上升缓慢 从图()可得在降温曲线中调温保温织物在 附近存在一个明显的缓冷平台因为此温度为相变气凝胶的结晶温度范围且在降温的过程中调温保温织物的降温速率明显慢于未处理织物最大温差可达.从升降温曲线及拟合斜率来看调温保温织物有明显的延缓升降温的作用由图()可见当未处理织物和调温保温织物与 的加热板同时接触时未处理织物的温度在 时就显著上升这时两块织物之间的温度差是.时基本整块未处理织物已完全加热调温保温织物的表面温度尚未完全加热均匀只有 左右 这表明调温保温织物有良好的控温能力现代纺织技术第 卷图 调温保温织物的热性能表征组.调温保温织物的热稳定性分析图 为在 温度下对调温保温织物进行了 次热循环实验的结果 从图 中可以看出 次热循环后调温保温织物的相变焓与循环前相差不大说明制备的织物的调温保温性能稳定在 加热后整理到织物上的相变气凝胶宏观上稳定没有熔化和脱落现象仍然维持原状调温保温织物的热稳定性很好 图 热循环前后调温保温织物的 曲线及实物照片.调温保温织物的导热性能分析基于 标准在 下采用瞬态平面热源法对织物的导热系数进行测试结果表明:未处理织物的导热系数为.()调温保温织物的导热系数为.()可见由于连续的石墨烯导热骨架的引入本研究与气凝胶材料引入会明显减少热传导的规律不同既调温保温织物的导热系数相较未改性织物略有增加这为相变材料相变焓的快速传导增强织物的调温性能奠定了基础 但相较于其他相变气凝胶制备的织物其导热系数较小证明了其仍具有良好的保温性能 结 论用自制的相变气凝胶通过涂层法将其与黏合剂混合液整理到织物上使制备调温保温织物不仅具有良好的保温能力还具有控温效果 相变气凝胶被整理到织物的表面在织物表面形成一层膜整理后的织物熔融焓值.结晶焓值.具有较好的调温能力在升温过程中有一定的延缓效第 期张 鸿 等:基于双网络相变气凝胶制备的调温保温织物性能果在降温过程中具有较好的保温能力 调温保温织物在 次热循环后热稳定性良好通过红外热成像发现调温保温织物有良好的控温效果 通过测量其导热系数证明了其具有良好的保温性能参考文献:.:.:.:.孙玲卢业虎.新型调温材料在服装中的应用.现代纺织技术():.():.():.():.:.():.:.周建华周梦园李燕等.改性胶原气凝胶复合相变材料的制备及性能.精细化工():.():.:.方强单夏梦刘玲等.相变气凝胶的设计合成及其微环境调控性能研究.高分子学报():.():.陈云博朱翔宇李祥等.相变调温纺织品制备方法的研究进展.纺织学报():.():.刘国金石峰陈新祥等.聚氨酯相变蜡蓄热调温功能整理剂的制备及其在棉织物上的应用.纺织学报():.():.张莉赵修文李博等.浅谈相变材料的应用研究进展.化学推进剂与高分子材料():.():.欧志华.纤维素与纤维素醚的傅里叶变换红外光谱比较中国硅酸盐学会房屋建筑材料分会中国建筑学会建筑材料分会中国硅酸盐学会水泥分会.第七届全国商品砂浆学术交流会.北京:中国建材工业出版社:.:.刘扬王琛冯伟忠等.复合夹层结构纳滤膜的制备及其性能.现代纺织技术():.():.()().现代纺织技术第 卷:.:.():.:.():.:第 期张 鸿 等:基于双网络相变气凝胶制备的调温保温织物性能