CN104015414A - 一种使用水性粘结剂的气凝胶复合布料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用水性粘结剂的气凝胶复合布料及其制备方法，复合布料以纤维增强气凝胶材料为芯层，上下各覆盖一层面料，芯层与面料之间采水性粘结剂胶为粘结剂。将纤维增强气凝胶材料过黏胶清理和吹扫处理，在纤维增强气凝胶材料上、下覆盖水性粘结剂后，各覆盖一层布料，将气凝胶复合布料通过热辊加压之后裁边包装。本发明制备的气凝胶复合布料具有隔热性能优异、透湿性能好、柔软度好、无粉尘逸出等优点，可应用于防寒或防火的帐篷、睡袋、地垫、鞋子、鞋垫、衣服和帽子，以及汽车、飞机、轮船、列车的隔热内饰等，极大拓宽了气凝胶复合布料的应用领域，并且工艺简单，质量易控，适合批量生产。

Description

一种使用水性粘结剂的气凝胶复合布料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合布料及其制备方法，特别涉及以柔性纤维无纺布增强气凝胶材料为芯层，上下复合面料的气凝胶复合布料。

背景技术  

传统的防寒功能布料主要是三层结构，外层为有PU涂层或聚四氟乙烯膜的尼龙面料，中间为抓绒面料或膨体聚四氟乙烯材料，再加内层柔软衬布。但是，在南北级等极寒地区，普通防寒服往往不能很好的保护好科考人员，迫切需要开发一种性能更优的防寒布料。

传统的防火布料主要用于消防服装等高温领域，主要由外层、防水透气层、隔热层、舒适层多层织物复合而成的。消防员在进行灭火救援靠近火焰区受到强辐射热侵害时穿着的专用防护服，用来对其上下躯干、头部、手部和脚部进行隔热防护，包括消防上衣、消防裤、消防头套、消防手套以及防火脚套。外层和舒适层均为永久性阻燃纤维布料，其中外层多为高密度纺织腈氯纶阻燃纤维，舒适层多为无纺芳纶等阻燃纤维面料，隔热层为玻纤或陶瓷纤维材料。由于玻纤和陶瓷纤维的保温性能较差，需要较厚的保温材料才能满足防护要求，导致消防服比较笨重，十分不利于消防员快速开展营救灭火工作。

气凝胶是一种新型纳米绝热材料，1931年由美国Kistler.S.发明，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，被成为改变世界的神奇材料，列为20世纪90年代以来10大热门科学技术之一，是具有巨大应用价值的军民两用技术。

气凝胶具有以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，孔隙率高达80～99.8％，密度可低达0.003g/cm3，室温导热系数可低达0.013w/(m·k)，使用温度可达1300℃，是迄今为止最轻的固体材料和绝热性能最好的材料，被称为超级绝热材料，可广泛用于航空航天、石油化工、电力冶金、船舶车辆、精密仪器、冰箱冷库、建筑节能、服装鞋帽等领域的绝热保温。美国宇航局2013年已经确定，在2018年火星探险时，宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服。该宇航服中加入一个18毫米厚的气凝胶层，可以能帮助宇航员扛住1300℃的高温和零下130℃的超低温。

正是基于气凝胶的优异性能，近年来，针对气凝胶的复合布料开发非常活跃。

专利CN201010134265.2公开了一种用于防水隔热面料的防水隔热夹层，以解决了现有防水隔热面料的透气性差，保温能力差的问题。该发明防水隔热夹层从内至外由疏水性气凝胶粉体填料和聚四氟乙烯密封外层组成，疏水性气凝胶粉体填料均匀铺展于聚四氟乙烯密封外层中，控制防水隔热夹层的厚度为0.5～30mm。防水隔热夹层的导热系数为0.025～0.05W/m·K，具有很好的保温隔热效果；作为外层的聚四氟乙烯有好的防水功能;聚四氟乙烯微孔结构和气凝胶粉体的可流动性，使得防水隔热夹层具有良好的透气性。与现有的保温防水材料相比,在达到相同的保温效果的同时，本发明防水隔热夹层厚度小，质量轻,质地柔软,应用方便,应用领域广。

专利CN201310263901.5 公开了一种保温隔热型窗帘。所述窗帘本体包括表层面料和基层面料，层面料和基层面料之间设有二氧化硅气凝胶层。表层面料上涂有纳米银离子层，具备抗菌、防辐射效果。该发明所提供的保温隔热型窗帘，具有保温、隔热特点，产品可广泛运用于各种极端复杂的环境下，同时本产品具备一定的抗菌、防辐射效果。

专利CN201220504967.X公开了一种保温袜子。所述袜子本体底部设有一层自发热保暖远红外线面料布层，袜面和袜筒部分设有气凝胶保温层。通过自发热保暖远红外线面料布层产生热量，使得该袜子可以根据脚部温度自动调温，促进脚部的血液循环，气凝胶隔热层具有保温作用，可以有效的保持脚部的温度，不受外部环境的影响，在极其寒冷的情况下也能发挥保温的功能。

专利CN201120565824.5 和CN201110453220.6公开了一种具有隔热吸汗透气防水功能的衣料，包括外层、隔热层和内层。其中隔热层为含有纤维的气凝胶复合材料，并被包覆有多孔性薄膜。该发明易于制作，结构简单，外层能有效阻止面料遇明火发生的燃烧，并且可阻止化学腐蚀；隔热层能有效的阻隔高温热传导，防止高温灼伤皮肤，同时还能有效的阻止外部水分进入，吸收人体表面的汗液，防止织物内部湿润，提高人体热湿舒适性，内层能够提高使用者的穿着舒适度；该复合材料适用于制作消防服、防寒服、高温手套和头盔内衬等制品，隔热层确保了良好的隔热性、透气性、防水性和吸汗性，适于在高温或低温等恶劣环境下工作的人们穿着使用。  

专利CN201310295840.0公开一种二氧化硅气凝胶复合织物、制备方法及军用帐篷布。军用帐篷布，包括：外层、夹层和内层；外层为外部涂有乙烯基聚酯纤维的迷彩布；夹层为所述二氧化硅气凝胶复合织物；内层为军用涤纶布。本发明提供的二氧化硅气凝胶复合织物重量轻、保温性能好，对高强冲击力有极强吸收性能。该发明提供的军用帐篷，具有保温性能好、重量轻、防爆性能的特性。

专利CN201220618985.0公开了一种新型的鞋底夹层，包括底板以及与底板外周接合的盖。底板与盖之间设置有二氧化碳气凝胶，形成二氧化碳气凝胶层；同时在底板上设有多个支撑片，支撑片与盖接触。该发明所提供的具有新型鞋底夹层的鞋，其质地轻巧，穿着后能很好的保持脚部的暖和性。

专利CN201220011578.3公布了一种保温鞋垫，包括上层鞋垫和下层鞋垫。上层鞋垫与下层鞋垫之间有发热层，发热层外紧套有气凝胶保温层，发热层与上层鞋垫之间装有导热垫。该发明通过发热层内的发热试剂在脚部压力和空气的作用下产生热量，由于气凝胶隔热层的保温作用，发热层产生的热能绝大部分通过导热管传递到了导热垫，提高了保温效果，不受外部潮湿环境的影响，在极其寒冷的情况下也能发挥保温的功能。

上述专利的公开和实施将有利于气凝胶布料的开发的推进，但是仍然存在许多问题。

专利CN201010134265.2采用聚四氟乙烯包覆疏水性气凝胶粉体，气凝胶粉末并不能与聚四氟乙烯形成完整的一体，容易流动聚集，可能导致局部位置气凝胶粉末较少甚至完全没有，不能确保使用效果；专利CN201310263901.5 采用气凝胶做夹层的保温窗帘，但未说明气凝胶材料具体形态，是纯气凝胶块体、还是气凝胶粉体、还是纤维增强气凝胶，都没说清楚，同时里外两层布料如何复合也没有介绍清楚，不具备可实施性；专利CN201220504967.X采取底部设有一层自发热保暖远红外线面料布层，袜面和袜筒部分设有气凝胶保温层从而制成保温袜子。但是气凝胶材料因为主要成分是无机二氧化硅，基本不具备伸缩性能，用气凝胶材料做袜面还勉强可行，做袜筒是非常不适合的，其实是做袜底才是最好的；专利CN201120565824.5和CN201110453220.6 采用含有纤维的气凝胶复合材料作为隔热层，外包覆有使水分子只能由内往外运行的单向迁移的半透膜，再与上下面料复合制成衣料，并用于制作消防服。但没有提出解决气凝胶掉粉问题，也未提及半透膜与气凝胶如何包覆，与外部面料又如何复合，这些都是开发气凝胶面料最为关键的环节；专利CN201310295840.0用高强度合成纤维布增强气凝胶，然后再与上下面料复合，从而具备保温、防爆的特点。但是采用高强度合成纤维布复合气凝胶柔韧性较差，除非用缝制的办法，否则很难与上下面料复合。但是如果采用缝制的办法，将缝线的位置见形成热桥，气凝胶的保温性能较大大减弱；专利CN201220618985.0和CN201220011578.3主要是把气凝胶材料直接制备到鞋里或制成鞋垫，与之前讨论的三层结构的气凝胶布料差异较大，不再详细分析。

综上所述，气凝胶材料要作为一种布料应用于服装帐篷、衣服、鞋帽等领域，需要与上下层面料紧密牢固地复合，否则将严重影响气凝胶布的实际使用效果；复合方式非常重要，采用的粘结剂不能破坏气凝胶原有的纳米孔洞结构，否则气凝胶的超级绝热性能丧失，失去了作为保温夹层的意义；复合完成后形成气凝胶布料须有一定的柔韧性，否则只能用于鞋帮、鞋垫等小众领域，会大大限制气凝胶布料的市场推广；气凝胶布料必须克服气凝胶容易出现掉粉问题，这将直接影响客户的使用体验。这些问题在上述专利中都未能解决。

发明内容

为了解决气凝胶布料开发应用中出现的气凝胶材料与里外面料复合不牢固、气凝胶粉体容易逸出、复合后透湿性差、柔韧性差等问题，本发明提供了一种使用水性粘结剂的气凝胶复合布料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种使用水性粘结剂的气凝胶复合布料，所述复合布料以纤维增强气凝胶材料为芯层，上下各覆盖一层面料，所述芯层与面料之间使用水性粘结剂胶。

所述纤维增强气凝胶材料的导热系数小于0.025w/m·k，厚度为0.1~10mm，优选导热系数小于0.020w/m·k，厚度为0.1~2mm。

所述纤维增强气凝胶材料以柔性纤维无纺布作为增强材料。

所述柔性纤维无纺布以涤纶、锦纶、氨纶、腈纶、芳纶、聚酰胺纤维、聚丙烯腈预氧化纤维、凯夫拉纤维中的至少一种通过无纺布工艺制成。

所述面料至少一层是柔软有弹性面料。面料为无纺布或编织布。

所述水性粘结剂为水性丙烯酸树脂、水性有机硅树脂、水性聚丁二烯树脂、水性环氧树脂、水性醇酸树脂、水性氨基树脂、水性聚酯树脂、水性酚醛树脂、水性聚氨酯树脂、水性有机氟树脂中的至少一种。

在芯层与面料之间还使用热熔胶，所述热熔胶为TPU热熔胶、PTFE热熔胶、EVA热熔胶、PA热熔胶、PES热熔胶、PO热熔胶中的至少一种。

一种使用水性粘结剂的气凝胶复合布料的制备方法，包括以下步骤：

（1）    将纤维增强气凝胶材料过黏胶清理和吹扫处理；

（2）    在纤维增强气凝胶材料上、下覆盖水性粘结剂后，各覆盖一层布料；

（3）    将气凝胶复合布料通过热辊加压，热辊温度为50~200℃，压力为1~1000N，之后裁边包装。

所述在纤维增强气凝胶材料上、下覆盖水性粘结剂之前先覆盖一层热熔胶，过100摄氏度热风干燥；或者在在纤维增强气凝胶材料上、下覆盖水性粘结剂后过100摄氏度热风干燥，覆盖一层热熔胶。

   本发明中选择具体柔软性的无纺布做气凝胶的增强材料，是为了控制气凝胶材料的柔韧性，如果选择的是编织布，复合好的气凝胶材料将会比较硬，不利于后续的复合加工。同时选用无纺布做气凝胶的增强材料有利于获得导热系数优良的气凝胶材料。因为无纺布一般通过针刺、水刺或黏胶工艺获得，大部分纤维成二维平面分布，与气凝胶复合后热量不易穿透。如果是采用编织布，不仅制成的气凝胶材料比较硬，热量也容易顺着编织纤维的路径从上层穿透到下层，故而影响保温效果。

气凝胶复合面料要求一种一层柔软有弹性，这一方面是考虑如果上下面的纤维都是致密的低弹性面料，那么复合好的气凝胶布料同样会比较硬，不易弯曲，不利于后期的开发应用。而一面面料柔软有弹性可以改善气凝胶复合布料的柔韧性，还能获得比较舒适的体感。

气凝胶与面料复合之前做除尘处理，是为了减少粉尘对复合牢固程度影响，提高复合的强度，避免分层。同时也减少粉尘对外层复合面料的污染。

选用水性环保粘结剂主要是考虑到面料的环保性。

有益效果：与现有技术相比，本发明制备的气凝胶复合布料具有隔热性能优异（0.016~0.020w/m·k）、透湿性能好(3500~4500g/(m²·24h))、柔软度好（0.6~1.5mN·cm）、无粉尘逸出等优点，可应用于防寒或防火的帐篷、睡袋、地垫、鞋子、鞋垫、衣服和帽子，以及汽车、飞机、轮船、列车的隔热内饰等，极大拓宽了气凝胶复合布料的应用领域，并且工艺简单，质量易控，适合批量生产。

具体实施方式

下面提供了气凝胶复合布料的具体实施方式作对本发明进一步详细说明。

实施例1

选用涤纶纤维无纺布增强，导热系数为0.016w/m·k，厚度为2mm的气凝胶材料为芯层，将上述气凝胶材料通过毛刷清理和吹扫处理。然后在气凝胶材料上下表面涂覆水性丙烯酸树脂粘结剂，在上层覆盖克重为35g/m²，纱支密度为400T尼龙织造布，下层覆盖克重为120g/m²涤纶无纺布，过温度为85℃、压力为500N的热辊加压，再进行100℃热风干燥，裁边包装。所得复合气凝胶布料的导热系数系数为0.017w/m·k，透湿能力为4100g/(m²·24h))、抗弯刚度为0.9mN·cm，布表面无粉尘逸出。该布料可用于防寒帐篷、鞋垫等。 

实施例2

用聚丙烯腈预氧化纤维无纺布增强，导热系数为0.017w/m·k，厚度3mm的气凝胶材料为芯层，将上述气凝胶材料通过刮刀清理和吹扫处理。然后再气凝胶材料上下表面涂覆水性有机硅树脂粘结剂，在上层覆盖克重为40g/m²，纱支密度为380T凯夫拉织造布，下层覆盖克重为150g/m²芳纶无纺布，过温度为90℃、压力为400N的热辊加压，再进行100摄氏度热风干燥，裁边包装。所得复合气凝胶布料的导热系数系数为0.018w/m·k，透湿能力为3900g/(m²·24h))、抗弯刚度为1.2mN·cm，布表面无粉尘逸出。该布料可用于消防服、高温防护服、高温防护手套等。

实施例3

选用涤纶纤维无纺布增强，导热系数为0.017w/m·k，厚度为2mm的气凝胶材料为芯层，将上述气凝胶材料通过黏胶清理和吹扫处理。气凝胶材料上下表面覆盖水性聚氨酯树脂，过100摄氏度热风干燥，然后在上下表面覆盖EVA热熔胶，在上层覆盖克重120g的棉布，下层覆盖克重110g涤纶无纺布，过温度为85℃、压力为900N的热辊加压，裁边包装。所得复合气凝胶布料的导热系数系数为0.019w/m·k，透湿能力为3500g/(m²·24h))、抗弯刚度为1.4mN·cm，布表面无粉尘逸出。该布料可用于汽车和轮船的隔热内饰等。

本发明所采用的纤维增强气凝胶材料都可以从航天海鹰（镇江）特种材料有限公司购买获得。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。                                               

Claims (10)

1.一种使用水性粘结剂的气凝胶复合布料，其特征在于：所述复合布料以纤维增强气凝胶材料为芯层，上下各覆盖一层面料，所述芯层与面料之间使用水性粘结剂胶。

2.根据权利要求1所述的使用水性粘结剂的气凝胶复合布料，其特征在于：所述纤维增强气凝胶材料的导热系数小于0.025w/m·k，厚度为0.1~10mm，优选导热系数小于0.020w/m·k，厚度为0.1~2mm。

3.根据权利要求2所述的使用水性粘结剂的气凝胶复合布料，其特征在于：所述纤维增强气凝胶材料以柔性纤维无纺布作为增强材料。

4.根据权利要求3所述的使用水性粘结剂的气凝胶复合布料，其特征在于：所述柔性纤维无纺布以涤纶、锦纶、氨纶、腈纶、芳纶、聚酰胺纤维、聚丙烯腈预氧化纤维、凯夫拉纤维中的至少一种通过无纺布工艺制成。

5.根据权利要求1所述的使用水性粘结剂的气凝胶复合布料，其特征在于：所述面料至少一层是柔软有弹性面料。

6.根据权利要求5所述的使用水性粘结剂的气凝胶复合布料，其特征在于：所述面料为无纺布或编织布。

7.根据权利要求1所述的使用水性粘结剂的气凝胶复合布料，其特征在于：所述水性粘结剂为水性丙烯酸树脂、水性有机硅树脂、水性聚丁二烯树脂、水性环氧树脂、水性醇酸树脂、水性氨基树脂、水性聚酯树脂、水性酚醛树脂、水性聚氨酯树脂、水性有机氟树脂中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的使用水性粘结剂的气凝胶复合布料，其特征在于：在芯层与面料之间还使用热熔胶，所述热熔胶为TPU热熔胶、PTFE热熔胶、EVA热熔胶、PA热熔胶、PES热熔胶、PO热熔胶中的至少一种。

9.一种制备根据权利要求1至8任一种使用水性粘结剂的气凝胶复合布料的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将纤维增强气凝胶材料经过除尘清理和吹扫处理；

（2）在纤维增强气凝胶材料上、下覆盖水性粘结剂后，各覆盖一层布料；

（3）将气凝胶复合布料通过热辊加压，热辊温度为50~200℃，压力为1~1000N，之后裁边包装。

10.根据权利要求9所述的制备使用水性粘结剂的气凝胶复合布料的方法，其特征在于：所述在纤维增强气凝胶材料上、下覆盖水性粘结剂之前先覆盖一层热熔胶，过100摄氏度热风干燥；或者在在纤维增强气凝胶材料上、下覆盖水性粘结剂后过100摄氏度热风干燥，覆盖一层热熔胶。