复合结构隔热材料的制备与性能研究

论文摘要

常见的纤维类隔热材料有石棉、岩棉、玻璃纤维、硅酸铝纤维、高硅氧纤维和氧化铝纤维等。这些材料具有低热导率、轻容重、高热容、易加工成型和良好的力学性能等特点。但单一的传统纺织材料不能满足高温下防火装备的耐高温隔热要求。SiO2气凝胶具有优异的隔热性能，但在高温时对传递热辐射能量的红外电磁波具有穿透性，其辐射热导率会随温度升高而迅速增加。此外，SiO2气凝胶的强度很低，限制了其实际应用。本论文采用具有热反射性能的材料为填料，对耐高温无机面料进行涂层，探讨了涂层面料的热性能；将SiO2气凝胶中掺杂遮光剂并填充到三维间隔织物中，研制了具有良好隔热性能和物理性能的SiO2气凝胶复合材料。然后将两种材料复合起来，制成具有良好隔热性能的复合材料。以六钛酸钾晶须和二氧化钛等红外反射材料为涂层填料，玄武岩织物和石英织物等无机织物为基布，制备了六钛酸钾晶须/玄武岩涂层、六钛酸钾晶须/石英涂层、二氧化钛/玄武岩涂层和二氧化钛/石英涂层等涂层面料。并对涂层面料进行了热性能测试和力学性能测试，同时，将涂层织物和铝箔镀层织物相互组合，测试组合面料的TPP值。研究结果显示，在涂层厚度保持一致的情况下，随着涂层中功能粒子含量增加，涂层织物的反热辐射性能、隔热性能逐渐增加，断裂强力和撕裂强力逐渐下降。随着涂层中功能粒子含量的逐渐增加，涂层织物热面的温度逐渐降低，主要是因为涂层中功能粒子具有反红外辐射的作用。随着功能粒子含量的增加，具有反红外辐射作用的粒子也增多,涂层织物表现出优良的反红外辐射特性。但是，当涂层中功能粒子的含量超过10%时,涂层织物的热面温度下降率几乎不变，是由于功能粒子含量较多，分子间范德华力增加，进而引起功能粒子团聚，起反射作用的粒子减少。当功能粒子含量为10%时,TiO2涂层织物表面的温度下降约20.8%,冷热面温差最高提高了约40%，K2Ti6O13晶须涂层织物表面的温度下降约23.1%，冷热面温差最高提高了约120%。因此，所制备的涂层织物具有良好的反热辐射隔热性能。TPP测试结果表明，以涂层面料为组合面料的外层时TPP值大于以铝箔镀层织物为组合面料外层时的TPP值，并且TPP值都大于28。说明涂层面料具有良好的反热辐射和隔热性能。以正硅酸乙酯（TEOS）为硅源，无水乙醇（EtOH）为溶剂，盐酸和氨水分别作为酸碱两步法中的酸性和碱性催化剂，N,N-二甲基甲酰胺为化学干燥控制剂（DCCA），三甲基氯硅烷为表面修饰剂，六钛酸钾晶须为遮光剂，三维间隔织物为复合材料骨架，制备SiO2干凝胶和掺杂六钛酸钾晶须SiO2干凝胶填充三维间隔织物（三维间隔复合材料）。然后对SiO2干凝胶进行扫描电镜分析、红外光谱分析、X射线衍射分析、差热-热重分析、比表面积测试、疏水性能测试、导热系数测试等组织性能和结构测试，对三维间隔复合材料进行热学性能测试和力学性能测试，如TPP测试、平压测试、侧拉测试和四点弯曲测试等。测试结果显示，所制备的SiO2干凝胶基本上为无序非晶二氧化硅，构成SiO2干凝胶的粒径大小为50nm左右。掺杂六钛酸钾晶须后SiO2干凝胶的隔热性能显著提高，有效降低了SiO2干凝胶在2-8m波段内的红外辐射透过率。经表面修饰后，SiO2干凝胶的接触角达到130.5288o，疏水性能优异。经溶剂替换后，SiO2干凝胶的比表面积显著提高。三维间隔复合材料具有良好的隔热性能和抗压强度、抗弯强度和抗拉强度。将涂层面料和三维间隔复合材料组合起来的复合材料具有优异的综合热防护性能，TPP值超过60。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外消防服用织物防护性能的研究现状
• 1.3 耐高温隔热材料概述
• 1.3.1 常见隔热材料
• 2气凝胶的隔热机理'>1.3.2 超级隔热材料—SiO₂气凝胶的隔热机理
• 1.4 隔热涂层概述
• 1.4.1 阻隔型隔热涂料
• 1.4.2 反射型隔热涂料
• 1.4.3 辐射型隔热涂料
• 1.5 常用的防热辐射涂层
• 1.5.1 镀铝防热辐射涂层
• 1.5.2 空心微珠防热辐射涂层织物
• 1.5.3 金红石型二氧化钛防热辐射涂层
• 1.6 课题研究的内容目的及意义
• 1.6.1 课题研究的目的及意义
• 1.6.2 设计思路
• 1.6.3 研究创新点
• 1.6.4 研究内容
• 第二章 反热辐射隔热涂层面料的制备
• 2.1 引言
• 2.2 无机基布的的选择
• 2.2.1 玄武岩纤维的成分及性能
• 2.2.2 石英纤维的成分及性能
• 2.3 反辐射隔热涂层材料的选择
• 2.3.1 金红石型二氧化钛
• 2.3.2 六钛酸钾晶须
• 2.4 实验材料与仪器
• 2.4.1 实验材料
• 2.4.2 实验仪器
• 2.5 隔热涂层的制备
• 2.6 涂层织物性能测试
• 2.6.1 反热辐射性能测试
• 2.6.2 隔热性能测试
• 2.6.3 综合热防护性能测试
• 2.6.4 断裂强力测试
• 2.6.5 撕破强力测试
• 2.7 测试结果与分析
• 2.7.1 涂层织物的反热辐射性能
• 2.7.2 涂层织物的隔热性能
• 2.7.3 涂层织物的综合热防护性能测试
• 2.7.4 涂层中功能粒子含量对涂层织物机械性能的影响
• 2.8 本章小结
• 2TI₆O₁₃晶须 SIO₂气凝胶的制备与研究'>第三章 掺杂 K₂TI₆O₁₃晶须 SIO₂气凝胶的制备与研究
• 3.1 引言
• 3.2 二氧化硅气凝胶的制备原理
• 3.3 凝胶干燥的基本原理
• 3.3.1 老化
• 3.3.2 溶剂替换
• 3.3.3 干燥
• 3.4 实验试剂
• 2气凝胶及其掺杂 K2TI6O13晶须 SIO₂气凝胶的制备'>3.5 SIO₂气凝胶及其掺杂 K2TI6O13晶须 SIO₂气凝胶的制备
• 2气凝胶的制备'>3.5.1 纯 SiO₂气凝胶的制备
• 2Ti₆O₁₃晶须 Si0₂气凝胶的制备工艺流程'>3.5.2 掺杂 K₂Ti₆O₁₃晶须 Si0₂气凝胶的制备工艺流程
• 3.6 结构表征
• 3.6.1 扫描电镜分析
• 3.6.2 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析
• 3.6.3 X 射线衍射分析
• 3.7 性能测试
• 3.7.1 差热－热重分析
• 3.7.2 比表面积测试
• 3.7.3 疏水性能测试
• 3.7.4 导热系数测试
• 2干凝胶的组织结构与性能'>3.8 SIO₂干凝胶的组织结构与性能
• 2干凝胶的表面形貌'>3.8.1 SiO₂干凝胶的表面形貌
• 2干凝胶红外光谱'>3.8.2 SiO₂干凝胶红外光谱
• 2干凝胶的相组成'>3.8.3 SiO₂干凝胶的相组成
• 2干凝胶热分析'>3.8.4 SiO₂干凝胶热分析
• 2干凝胶的导热系数测试分析'>3.8.5 掺杂六钛酸钾晶须前后 SiO₂干凝胶的导热系数测试分析
• 2干凝胶比表面积测试'>3.8.6 SiO₂干凝胶比表面积测试
• 2干凝胶接触角'>3.8.7 SiO₂干凝胶接触角
• 3.9 本章小结
• 2TI₆O₁₃晶须 SIO₂干凝胶填充三维间隔织物的制备与研究'>第四章 掺杂 K₂TI₆O₁₃晶须 SIO₂干凝胶填充三维间隔织物的制备与研究
• 4.1 引言
• 2TI₆O₁₃晶须 SIO₂干凝胶填充三维间隔织物的制备'>4.2 掺杂 K₂TI₆O₁₃晶须 SIO₂干凝胶填充三维间隔织物的制备
• 4.3 性能测试与分析
• 4.3.1 TPP 测试与分析
• 4.3.2 导热系数测试与分析
• 4.3.3 力学性能测试与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 复合材料的制备与综合热防护性能测试
• 5.1 引言
• 5.2 理论基础
• 5.2.1 复合材料叠加效应
• 5.2.2 热能传递基本理论
• 5.3 复合材料的制备与 TPP 测试分析
• 5.3.1 复合材料的制备
• 5.3.2 TPP 测试分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 论文结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢