李珍珍， 支 超， 余靈婕， 朱 海， 杜明娟

(1. 西安工程大學 紡織科學與工程學院， 陜西 西安 710048； 2. 西安工程大學 功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室， 陜西 西安 710048； 3. 東華大學 紡織學院， 上海 201620)

隨著全球經濟的飛速發(fā)展以及紡織品應用領域的不斷擴大，紡織品的生產和消費穩(wěn)步增長，使得原材料成本逐步走高的同時產生了大量的廢舊紡織品。棉纖維及其織物受到廣大消費者的青睞，廢舊棉紡織品約占廢舊紡織品總量的三分之一[1]，現有針對廢舊棉的處理手段對環(huán)境造成了嚴重污染，對廢舊棉的回收再利用問題亟待解決。氣凝膠是一種具有三維網絡結構的材料，具有高孔隙率、低密度的特點，被稱為“凍住的煙”，在建筑節(jié)能、保溫集熱、節(jié)能環(huán)保、航空航天等領域具有很大的應用潛力[2]。與傳統(tǒng)的二氧化硅氣凝膠相似，纖維素氣凝膠(CFA)的孔隙率為84%～99%，密度為0.000 5～0.35 g/cm3，比表面積為10～975 m2/g，隔熱性能良好，導熱系數低于0.026 W/(m·K)，抗壓強度為5.2～16.67 MPa。目前CFA在生物、廢水處理、生物醫(yī)學傳感器、增強劑、可再生能源存儲等領域顯示出潛在的應用前景[3]。然而，由于CFA孔隙率高，力學性能較差，如韌性較差、低強度、高脆性，且彈性不佳，在高壓縮下會迅速變形且難以恢復，限制了其在眾多領域的應用[4]。

經編間隔織物(WKSF)是一種具有上下2 個面層及中間間隔絲層的特殊結構立體織物，其由3 個系統(tǒng)的紗線或單絲編織而成，即2 個系統(tǒng)的表層紗線和1 個系統(tǒng)的間隔紗線(單絲)[5]。經編間隔織物作為紡織材料所特有的結構整體性使得其適合作為各種復合材料的增強骨架[6]。Pan等[7]將經編間隔織物與聚氨酯泡沫塑料相互結合，制備的聚氨酯泡沫/間隔織物復合材料具有較高的強度。Zhi等[8-10]將經編間隔織物作為增強骨架加入復合材料中，明顯增強了材料的壓縮、沖擊、彎曲等力學性能。

本文利用廢舊棉花作為原料制備棉纖維素氣凝膠，向其中加入經編間隔織物作為增強骨架，研發(fā)了一種新型CFA/WKSF復合材料，結合形貌表征、壓縮性能測試及隔熱性能分析等研究了不同實驗參數下CFA/WKSF復合材料的性能特征，并探討了間隔織物面組織結構等參數對復合材料性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：廢舊棉花，西安工程大學功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室提供；去離子水，實驗室自制；氫氧化鈉、尿素，分析純，天津市大茂化學試劑廠；無水乙醇，分析純，成都市科隆化學品有限公司；經編間隔織物分別選用面組織結構為編鏈和襯緯(記為W1)、六角形網孔(記為W2)的2 種織物，面層組織紗線為33 tex(96 f)滌綸復絲，間隔絲直徑為0.2 mm滌綸單絲，常州五洋紡織有限公司。

儀器：FA2004型電子天平，上海良平儀器儀表有限公司；DHG-9075A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；LC-10N-50A型真空冷凍干燥機，上海力辰邦西儀器科技有限公司；ESFSL-I型實驗室乳化機，上海儀馳實業(yè)有限公司；85-2型磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；QUANTA-450-FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，英國FEI公司；UTM5000型電子萬能試驗機，深圳三思縱橫科技股份有限公司；XIATECH TC3000E型便攜式導熱系數儀，西安夏溪電子科技有限公司；0～150 mm游標卡尺，寧波得力工具有限公司；ILCE-TMI型相機，索尼集團公司。

1.2 試樣制備

1)原料制備。在室溫條件下，用電子天平稱取少量廢舊棉花，在去離子水中洗滌2～3次，然后在電熱恒溫鼓風干燥箱中于80 ℃條件下干燥12 h；配制100 g含有7% NaOH、12%尿素的水溶液，放入冰箱中預冷卻至-12 ℃，持續(xù)2 h；將2 g干燥的上述預處理后的棉纖維剪碎后立即加入到預冷的溶劑中，在25 ℃恒溫條件下機械攪拌0.5 h，并繼續(xù)將分散后的棉纖維溶液在磁力攪拌器上攪拌8 h；攪拌完成后放入冰箱，于-16 ℃條件下冷凍12 h；取出后按上述方法繼續(xù)攪拌纖維素溶液，重復2～3次，最終得到攪拌均勻的棉纖維素溶液。

2)化學處理。將所制得的棉纖維素溶液均勻分成3份，分別倒入3個培養(yǎng)皿中；第1份不做處理，記作CFA；第2份將面組織結構為編鏈和襯緯的經編間隔織物W1浸入到裝有一定量纖維素溶液的培養(yǎng)皿中，充分按壓，保證溶液完全浸入到間隔織物W1內部，記作CFA/WKSF1；第3份將面組織結構為六角形網孔的經編間隔織物W2同第2份做相同處理，直至溶液浸入到間隔織物W2中，記作CFA/WKSF2。將裝有3種樣品的培養(yǎng)皿放入無水乙醇中，于室溫條件下凝固12 h后，纖維素溶液形成水凝膠，用去離子水反復沖洗除去反應殘留物。

3)冷凍干燥。將經上述處理的3種樣品放入冰箱，于-18 ℃條件下冷凍24 h后，繼續(xù)放入真空冷凍干燥機中于-50 ℃條件下冷凍干燥48 h，分別得到直徑為7 cm,厚度為7 mm的CFA、CFA/WKSF1和CFA/WKSF2復合材料。CFA/WKSF復合材料的制備流程示意圖如圖1所示。

圖1 CFA/WKSF復合材料的制備流程示意圖Fig.1 Schematic illustration of preparation process for CFA/WKSF composite

1.3 測試與表征

1.3.1 密度測試

利用游標卡尺、電子天平分別測定樣品的體積和質量，然后計算氣凝膠的密度，即質量與體積的比值。每種樣品測試5次，結果取平均值。

1.3.2 壓縮性能測試

利用電子萬能試驗機測試樣品的壓縮性能，以2 mm/min的速率壓縮至樣品應變量達到50%時停止測試，記錄數據，每種樣品測5次，對數據進行處理得到樣品的壓縮應力-應變曲線，并計算彈性模量和屈服強度。同時，對樣品進行10次循環(huán)壓縮測試，記錄樣品分別壓縮1、5及10次時的循環(huán)壓縮應力-應變曲線。

1.3.3 形貌觀察

將樣品分別放在水平臺面上，用相機拍攝其宏觀形貌；然后，將3種試樣壓縮測試前后的橫截面朝上置于貼有導電膠的樣品臺上進行噴金處理，噴金電流為10 mA，噴金時間為30 s，然后放入場發(fā)射掃描電鏡中觀察樣品的微觀形貌。

1.3.4 隔熱性能測試

采用便攜式導熱系數儀測試氣凝膠的導熱系數，取同種2 個樣品分別放在熱線源金屬片的兩側，盡量使樣品和金屬片二者中間不留空隙，然后連接到電腦采集數據系統(tǒng)，打開儀器設置測試溫度為301.45 K，電壓為0.80 V，采集模式為慢速，采集時間為10 s，記錄在20 min內的溫度變化，最終得到試樣表面的溫度梯度。每種樣品測試5 次，結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 密度與表面形貌分析

經測試得到3種復合材料CFA、CFA/WKSF1和CFA/WKSF2的密度分別為0.055、0.064和0.070 g/cm3?？煽闯觯砑咏浘庨g隔織物W1和W2后，CFA/WKSF復合材料的密度相比CFA分別增加了16%和27%，但經編間隔織物加入后CFA/WKSF(CFA/WKSF1和CFA/WKSF2)復合材料密度仍不超過0.07 g/cm3，具備傳統(tǒng)氣凝膠密度低的特點。3種復合材料宏觀形貌如圖2所示?？煽闯?，3種復合材料表面平整，完整性較好。3種復合材料壓縮前后的微觀形貌如圖3所示。

圖2 3種復合材料實物圖Fig.2 Physical drawing of three kinds of composite materials

圖3 壓縮前后3種復合材料的掃描電鏡照片Fig.3 SEM images of three kinds of composite materials before and after compression

由圖3(a)可知，壓縮前CFA整體呈現均勻多孔結構，且孔隙較大，這是由于冷凍干燥過程中CFA中水分被氣體置換，可清楚地看到CFA具有典型的類蜂窩孔洞結構，而壓縮后CFA的孔洞變小，部分區(qū)域出現坍塌現象，CFA內部多孔結構在外力作用下受到一定破壞；由圖3(b)、(c)可看到，間隔絲被周邊纖維素氣凝膠包裹，經編間隔織物的加入沒有破壞CFA的內部結構，且能與周圍的纖維素氣凝膠形成較為緊密的結構；而從壓縮后的掃描電鏡照片可知，CFA/WKSF1和CFA/WKSF2中纖維素氣凝膠的結構在外力作用下被破壞，間隔絲與周圍氣凝膠的黏附作用變小，間隔絲部分區(qū)域脫離纖維素氣凝膠裸露在外。與CFA相比，復合材料CFA/WKSF1、CFA/WKSF2中由于經編間隔織物的加入，間隔絲對復合材料整體結構起到支撐作用，所以復合材料CFA/WKSF1、CFA/WKSF2經壓縮后仍保持較為良好的整體結構。

2.2 壓縮力學性能分析

CFA、CFA/WKSF1以及CFA/WKSF2的壓縮性能測試結果如圖4所示。

由圖4(a)可看出，CFA的壓縮應力-應變曲線分成2 個階段，即線彈區(qū)和上升區(qū)；由圖4(b)可看出，對于CFA/WKSF1、CFA/WKSF2而言，其壓縮應力-應變曲線可分為3 個階段，即線彈區(qū)Ⅰ、平臺區(qū)Ⅱ以及上升區(qū)Ⅲ，雖然間隔織物的面組織結構有所差別，但和CFA相比，復合材料CFA/WKSF1、CFA/WKSF2都出現了明顯的屈服階段。由圖4(c)可知，與CFA相比，CFA/WKSF1的壓縮彈性模量和屈服強度分別提高了180%和450%，CFA/WKSF2的壓縮彈性模量和屈服強度分別提高了70%和312%。CFA經1次壓縮已經被壓密實，無法實現多次循環(huán)壓縮，表明CFA沒有重復回彈性；由圖4(d)、(e)中CFA/WKSF1和CFA/WKSF2壓縮1、5、10次的循環(huán)壓縮應力-應變曲線可知，加入經編間隔織物的CFA/WKSF1、CFA/WKSF2具有良好的重復回彈性，壓縮10 次后復合材料仍具有穩(wěn)定的結構形態(tài)，沒有被壓密實，仍可保持一定的力學性能。這是因為經編間隔織物的加入可在氣凝膠基體中起到增強骨架的作用，在基體受到外界載荷作用時為基體提供支撐作用，并抵抗外界的壓縮載荷，從而使得整體材料的壓縮模量、屈服強度以及回彈性得到提高。

圖4 3種復合材料的壓縮性能曲線Fig.4 Compression performance of three kinds of composite materials. (a) Compression stress-strain curves of CFA; (b) Compression stress-strain curve of CFA/WKSF1 and CFA/WKSF2; (c) Compression elastic modulus and yield strength; (d) Cyclic compression stress-strain curves of CFA/WKSF1; (e) Cyclic compression stress-strain curves of CFA/WKSF2

同時，與CFA/WKSF2相比，CFA/WKSF1具有更好的壓縮性能。這是因為間隔織物W2的面組織結構為六角形網孔，具有較大的孔洞，因此，其面密度相較于采用編鏈和襯緯面組織結構的W1間隔織物明顯降低，相應的其單位面積的間隔絲根數也明顯低于W1，這就使得與CFA/WKSF1相比，CFA/WKSF2中可抵御壓縮載荷的間隔絲根數明顯減少，同時稀疏的面組織結構也削弱了間隔織物面層對間隔絲的保護，使得間隔絲直接受到外界載荷作用，較易被破壞，因此，與W1相比，W2型間隔織物的加入對氣凝膠壓縮性能的提升幅度相對較小。

2.3 隔熱性能分析

測得CFA的導熱系數為0.039 W/(m·K)，說明利用廢棉制備的纖維素氣凝膠具有傳統(tǒng)氣凝膠低熱導率的特點，顯示出優(yōu)異的隔熱性能。CFA/WKSF1、CFA/WKSF2的導熱系數分別為0.150、0.041 W/(m·K)，均高于CFA。這是因為材料的密度對其熱導率有較大影響，經編間隔織物的加入增加了復合材料的密度；同時，經編間隔織物以滌綸為原料，相比CFA導熱系數更高，因此，間隔織物的加入使得復合材料的導熱系數增加。

雖然復合材料CFA/WKSF1、CFA/WKSF2的導熱系數相比純CFA有所增加，但本文2種復合材料仍具有很好的隔熱性能，尤其是加入W2的CFA/WKSF2復合材料，其導熱系數僅增加5%和CFA接近。比較3 種樣品的導熱系數結果得出，經編間隔織物的面組織結構對復合材料的隔熱性能有著較大的影響，經編間隔織物面組織結構越稀疏，單位面積間隔絲分布越少，導熱系數更高的滌綸在復合材料中的體積分數越小，進而對復合材料的導熱系數影響越低，材料顯示出相對更好的隔熱性能。

3 結 論

本文以廢舊棉花為原材料，制備纖維素基氣凝膠，采用冷凍干燥法將棉纖維素氣凝膠(CFA)和經編間隔織物結合制備新型高性能復合材料，對其性能進行分析，并研究了經編間隔織物面組織結構對復合材料性能的影響，得到以下主要結論。

1)經編間隔織物(WKSF)的加入不會影響CFA的形貌特征，WKSF加入后，復合材料仍具有多孔網狀結構，仍保持氣凝膠高孔隙率的特點。

2)加入WKSF后，復合材料的力學性能得到了明顯改善，當加入的經編間隔織物面組織結構為編鏈和襯緯時，表現出更好的壓縮力學性能。

3)加入WKSF后復合材料的導熱系數均有增加，但增加較小，材料仍具有良好的隔熱性能，當加入的經編間隔織物面組織結構為六角形網孔時，復合材料表現出更好的隔熱性能。