基于气凝胶的高性能热防护纺织新材料的研究

摘要

热防护服是保护消防员的重要装备，其性能直接关系到消防员的生命、安全和健康。据统计59％的消防员死亡是由于心脏病及热应激所致。这表明传统热防护服存在很大弊端，主要是增加了热应激现象的发生，且过于厚重也显著降低了服装的舒适性能。SiO2气凝胶由于其纳米三维网络结构，具有很好的隔热性能。因此，本课题采用SiO2气凝胶、相变材料与纺织材料结合，开发出兼具功能性和舒适性的新型轻薄高性能隔热薄膜，将其与传统热防护面料结合，形成新型热防护面料系统。利用改进的热防护性能测试仪(Thermal Protective Performance Tester,TPP)，采用传统TPP/RPP(Radiation Protective Performance)法和最小暴露时间(Minimum Exposure Time，MET)法，分别对低、中、高三种强度下的新型热防护面料系统的热防护及热蓄积性能进行较为系统地研究和评价。采用锥形量热仪，探究了不同热防护系统的热降解性能。此外，探讨了新型热防护面料在水分存在（蒸汽及液态水）及其分布不同时对织物系统的热湿传递及防护性能的影响。采用了数值模拟方法，理论分析了新型隔热薄膜对热防护性能的影响;揭示了多层织物系统热传递过程的温度场、热流密度的分布及变化规律，特别是微胶囊相变材料与气凝胶的协同效应对薄膜及多层织物系统的温度场、热流密度分布的影响，预测了试验参数等因素对热防护性能的影响。
　　在轻薄型高性能隔热薄膜的制备中，研究了工艺、参数等因素对薄膜的导热性能和热防护性能的影响，确定了最佳工艺参数:相比于水性聚氨酯树脂，亲水性气凝胶与微胶囊相变材料（相变温度为40℃）的含量分别为12.5％，无水乙醇与蒸馏水配比为5∶3，薄膜理论厚度为500μm，刮刀速度为50mm/s，得到薄膜的导热性能、热防护性能、力学性能、表面性能以及透湿性能等相对最佳。
　　采用传统TPP/RPP和MET方法时，新型热防护系统的防护性能明显优于传统织物系统，但其内部的储存热也明显高于传统织物系统。经过锥形量热仪的热降解性能测试，新型隔热薄膜在织物系统的放置位置影响着薄膜的受热时间和受热温度，决定了其热释放率、烟气产生速率、质量损失等热降解性能参数。当织物系统不同程度润湿时，热防护性能发生明显变化。结合试验结果，建立相应的数值模型，并进行验证，理论与实际结果具有很好的一致性。揭示了新型隔热薄膜对多层织物系统热量传递过程的影响以及不同参数对热防护性能的影响规律，为新型热防护材料的研发和热防护性能预测奠定了理论基础并指明方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 热防护服及其性能评价

1．2．1 热防护服分类及材料

1．2．2 皮肤传热及烧伤评估

1．2．3 热防护性能的评价方法及标准

1．3 气凝胶

1．3．1 气凝胶及分类

1．3．2 SiO2气凝胶的特性及应用

1．4 相变材料

1．4．1 相变材料的分类

1．4．2 相变材料的封装

1．5 聚氨酯树脂

1．5．1 聚氨酯树脂概述

1．5．2 水性聚氨酯树脂特性

1．5．3 水性聚氢酯树脂的应用

1．6 国内外研究现状

1．6．1 热防护性能外在因素的研究

1．6．2 热防护性能内在因素的研究

1．7 课题的研究意义及内容

1．7．1 课题研究意义

1．7．2 课题研究内容

第二章 低辐射下气凝胶与相变材料协同增强热防护服性能的探究

2．1 引言

2．2．实验部分

2．3 结果与分析

2．3．1 相变材料对热防护性能的影响

2．3．2 气凝胶单独作用对热防护性能的影响

2．3．3 相变材料与气凝胶共同作用对热防护性能的影响

2．3．4 气凝胶、相变材料与传统隔热层三者共同作用对热防护性能的影响

2．4 理论分析模型

2．5 本章小结

第三章 高强度下气凝胶与相变材料对热防护性能——热蓄积性能影响探究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料

3．2．2 实验方案

3．2．3 热防护性能测试仪

3．2．4 热流量计算及皮肤模型烧伤评价

3．2．5 热防护性能测试步骤

3．3 结果与分析

3．3．1 相变材料对热防护性能的影响

3．3．2 气凝胶对热防护性能的影响

3．3．3 相变材料与气凝胶共同作用对热防护性能的影响

3．3．4 气凝胶、相变材料与传统隔热层三者共同作用对热防护性能的影响

3．4 理论分析模型

3．5 本章小结

第四章 轻薄型高性能隔热薄膜的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 仪器

4．2．3 轻薄型高性能隔热薄膜的制备

4．3 测试与表征

4．3．1 克重测试

4．3．2 厚度测试

4．3．3 热常数测试分析

4．3．4 热防护性能测试

4．3．5 红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer，FT-IR)分析

4．3．7 接触角测试分析

4．3．8 力学性能测试

4．3．9 透湿性能分析

4．3．10 全自动物理化学吸附(BET)分析

4．3．11 热稳定性分析

4．4 结果与讨论

4．4．1 不同厚度对薄膜性能的影响

4．4．2 刮刀速度对薄膜性毹的影响

4．4．3 相变温度对薄膜性能的影响

4．4．4 无水乙醇与蒸馏水配比对薄膜性能的影响

4．4．5 不同含量功能粒子对薄膜性能的影响

4．4．6 摩擦系数对性能的影响

4．4．7 不同薄膜的热稳定性分析

4．4．8 不同薄膜的表面性能

4．4．9 不同薄膜的透湿性能

4．5 本章小结

第五章 膜及膜材料对织物系统的热防护性能研究

5．1 引言

5．2．实验部分

5．2．1 材料

5．2．2 实验方案

5．2．3 实验仪器

5．2．4 实验步骤

5．3 测试与表征

5．3．1 透气性测试

5．4 结论与分析

5．4．1 TPP／RPP方法下织物系统的热流量曲线

5．4．2 TPP／RPP方法下织物系统的二级烧伤时间

5．4．3 MET方法下织物系统的二级烧伤时间

5．4．4 MET方法下织物系统的热流量曲线

5．4．5 TPP／RPP和MET两种方法下热防护性能对比

5．4．6 不同织物系统的热释放率

5．4．7 不同织物系统的烟气产生速率

5．4．8 不同织物系统的质量变化

5．4．9 不同织物系统其它热降解性能参数

5．4．10 热强度对外层化学结构的影响

5．5 本章小结

第六章 水分对热防护面料的防护性能研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 材料

6．2．2 蒸汽热防护性能测试方案

6．2．3 润湿方案

6．2．4 热防护性能测试方案

6．3 仪器介绍

6．3．1 蒸汽热防护测试仪

6．3．2 热防护性能测试仪

6．3．3 扫描电镜(SEM)

6．4 结果与讨论

6．4．1 蒸汽热防护性能测试

6．4．2 外层不同润湿程度下织物的变化

6．4．3 外层润湿对单层和双层织物热防护性能的影响

6．4．4 外层润湿对多层织物热防护性能的影响

6．4．5 隔热舒适层(内层)润湿对多层织物热防护性能的影响

6．4．6 双层润湿对多层织物热防护性能的影响

6．5 本章小结

第七章 新型隔热材料及多层织物系统热防护性能的数值模拟

7．1 引言

7．2 功能粒子对轻薄型高性能隔热薄膜导热性能的数值模拟

7．2．1 数值模拟方法

7．2．2 气凝胶粉末对隔热薄膜导热性能的影响

7．2．3 微胶囊相变材料对隔热薄膜导热性能的影响

7．2．4 气凝胶与微胶囊相变材料共同作用对隔热薄膜导热性能的影响

7．3 多层织物系统传热特性的数值模拟

7．3．1 建立多层织物复合材料传热特性的数值模型

7．3．2 数值模型的结果验证

7．3．3 多层织物系统的温度场和总体热流密度分布

7．3．4 含有气凝胶和微胶囊相变材料的薄膜对热防护性能的影响

7．3．5 辐射强度对多层织物系统热传递过程的影响

7．3．6 辐射距离对多层织物系统热传递过程的影响

7．3．7 对流换热系数对多层织物系统热传递过程的影响

7．4 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 主要研究结论

8．2 展望

参考文献

博士期间发表论文和参加科研情况说明

致谢