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基于热膨胀微球的隔热聚酯织物性能印染（2024 No.3）基于热膨胀微球的隔热聚酯织物性能刘良1，2，程献伟1，2，姚海祥3，关晋平1，2 1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2.苏州大学 纺织行业纺织材料阻燃整理重点实验室，江苏 苏州 215021；3.苏州兆海纺织科技有限公司，江苏 苏州 215231摘要：采用热膨胀微球和聚丙烯酸酯黏合剂对聚酯织物进行涂层改性，并采用聚氨酯薄膜提高热膨胀微球在聚酯织物表面的黏附性能。对涂层聚酯织物的表面形貌、厚度、隔热性能等进行分析。研究结果表明：热膨胀微球在110 焙烘1.0 min后具有良好的膨胀发泡性能，无破损现象；经聚氨酯涂层整理后，隔热聚酯织物具有较好的耐摩擦性能。此外，聚酯织物的热传导性能显著降低，导热系数从涂层前的0.131 20 W/m K降低至0.060 98 W/m K。当涂层聚酯织物放置在 50 和 100 加热台上 5 min 时，其表面温度比未涂层的聚酯织物，分别降低了约 9.7 和23.1，表明热膨胀微球涂层聚酯织物具有良好的隔热性能。关键词：表面涂层；热膨胀微球；聚氨酯；隔热材料；聚酯织物中图分类号：TS195.597文献标志码：ADOI：10.3969/j.yinran.202403014Construction of thermal insulation polyester composite fabrics using thermal expansion microspheresLIU Liang1,2,CHENG Xianwei1,2,YAO Haixiang3,GUAN Jinping1,2 1.College of Textile and Clothing Engineering,Soochow University,Suzhou 215021,China;2.Key Laboratory of Flame Retardancy Finishing ofTextile Materials(CNTAC),Soochow University,Suzhou 215021,China;3.Suzhou Zhaohai Textile Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215231,ChinaAbstract:The thermal expansion microspheres（TEMs）and polyacrylate adhesive are bonded to polyethyleneterephthalate（PET）fabric using a coating technology,and then polyurethane is used to improve the adhesionperformance of thermal expansion microspheres on the surface of polyester fabric.The surface morphology,thickness and thermal insulation performance of coated PET are analyzed.The results show that TEMs displaygood expansion properties with no damage after drying at 110 for 1.0 min.The TEMs show good friction resistance on the fabric surface because of the protection of PU film.The thermal conductivity of polyester fabrics can be significantly reduced from 0.131 20 W/m K to 0.060 98 W/m K.When the coated polyester fabric isplaced on a heating table at 50 and 100 for 5 min,the surface temperatures are reduced by about 9.7 and 23.1 compared with the uncoated polyester fabric,indicating that the coated PET fabric has good thermal insulation properties.Key words:surface coating;thermal expansion microspheres;polyurethane;thermal insulation materials;polyester fabric温室效应很大程度上是由于化石燃料的过度使用引起的。化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量占二氧化碳总排放量的85%，占所有温室气体排放量的50%1。因此，对能源进行管理、开发低能源消耗的技术变得至关重要。隔热材料广泛应用于建筑2、航空3、运输4和军事5等领域，可以最大限度地减少热传递，从而降低能源消耗，提高能源的利用效率。在纺织领域，隔热纺织品在日常服饰和特种防护服中具有巨大的应用潜力。隔热材料能够有效地反射或辐射大部分热量，同时吸收一部分热量，从而可以产生良好的隔热效果。气凝胶6、中空玻璃微球7、膨胀蛭石8、膨胀珍珠岩9、海泡石粉末10和热膨胀微球11等材料，因其具有中空或多孔结构，所以具有较低的导热系数和优良的隔热性能，被广泛应用于隔热材料的开发。热膨胀微球（thermal expansion microspheres，TEMs）是由热塑性外壳包裹低沸点烷烃液体构成的微胶囊，于20世纪70年代首次通过悬浮聚合技术制得12。在特定温度下，低沸点烷烃液体迅速蒸发，产生内部压力。同时，外壳由于受热以及内部压力而软化膨胀，当外壳的热塑性与内部压力一致时，微球便会表现出良好的膨胀状态13。热膨胀微球膨胀后的体积在冷却之后保持稳定且不收缩14。因此，热膨胀微球具有低密度、隔音和隔热等优异特性15。本研究以聚丙烯酸酯和聚氨酯为黏合剂，采用热膨胀微球对聚酯织物进行涂层改性，研究了热膨胀微球的膨胀性能、涂层聚酯织物的表面形貌、物理性能以及隔热性能。收稿日期：2023-12-21；修回日期：2024-02-22基金项目：苏州市产业前瞻与关键核心技术项目（SYC2022017）。作者简介：刘良（1998），男，硕士研究生，主要研究方向为纺织品热管理。通信作者：关晋平（1976），女，工学博士，教授，博士生导师，主要研究方向为纺织品阻燃科学研究、纺织品可持续染整技术。E-mail：。11印染（2024 No.3）1试验部分1.1织物和药品织物聚酯防水织物（面密度为104 g/m2，安徽康思泰纺织科技有限公司，按欧洲标准评级防水等级为4级，可防止涂层剂渗透到织物背面）药品120DU15热膨胀微球（工业级，上海外电国际贸易有限公司），DISPERBYK-191分散剂（工业级，上海广百新材料有限公司），水性聚氨酯、聚丙烯酸乳液（工业级，苏州格瑞特医药技术有限公司）1.2织物的隔热整理工艺首先，将6.5 g热膨胀微球、6 g聚丙烯酸乳液、1 g分散剂和30 g去离子水混合，于500 r/min条件下机械搅拌10 min，使涂层溶液混合均匀。然后，使用自动涂布机将涂层溶液均匀涂覆在聚酯织物表面。将涂层聚酯织物于 90 预烘 2 min，再于不同温度（100、110、120）条件下焙烘一定的时间（0.5、1.0、1.5、2.0 min）。为了提高热膨胀微球在聚酯织物表面的黏附性，利用自动涂布机将聚氨酯溶液涂覆在涂有热膨胀微球的聚酯织物表面，并于90 干燥10 min，制得具有优异隔热性能的涂层聚酯织物。1.3性能测试1.3.1织物表面形貌采用FESEM S-4800型冷场发射扫描电子显微镜（日立公司）对样品表面的微观结构进行观察。1.3.2织物厚度参照GB/T 38201997 纺织品和纺织制品厚度的测定，采用YG141D-型数字式纺织品测厚仪（温州方圆仪器有限公司）测试样品的厚度。1.3.3傅里叶红外光谱采用 Nicolet 5700 型傅里叶全反射红外光谱仪（Thermo Fisher Scientific公司），在4 000500 cm-1波数范围对样品表面的基团进行分析。1.3.4断裂强力和断裂伸长率采用INSTRON 5967型万能材料试验机（美国Instron公司），参照GB/T 3923.12013 纺织品 织物拉伸性能 第1部分 断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）测试样品的拉伸性能。1.3.5隔热性能采用 T560 型红外热像仪（瑞典 FLIR 公司）和 LIANYI SH-24XL型多通道温度测试仪（东莞市联仪仪器仪表有限公司），对加热台上样品的表面温度进行测试与表征。1.3.6导热系数参照ISO 22007-2 塑料-热导率和热扩散率的测定第2部分：瞬态平面热源（热圆盘）法，采用Hot DiskTPS 2500S型导热系数测试仪（瑞典Hot Disk公司），在室温下对样品的导热系数进行测试。2结果与讨论2.1表面形貌热膨胀微球的膨胀发泡能力对涂层聚酯织物的隔热性能有较大的影响，也即热膨胀微球的尺寸粒径增大有助于提高涂层聚酯织物的隔热性能。图1所示为热膨胀微球涂层前后聚酯织物的表面形貌。766GPLQPLQPLQPLQ注：（a）未涂层聚酯织物，（b）未处理热膨胀微球，（c）90 预烘后的热膨胀微球，（d）（g）100 焙烘0.5、1.0、1.5、2.0 min后聚酯织物，（h）（k）110 焙烘0.5、1.0、1.5、2.0 min后聚酯织物，（l）（o）120 焙烘0.5、1.0、1.5、2.0 min后聚酯织物，（p）（r）110 焙烘1.0、1.5、2.0 min后聚氨酯涂层聚酯织物图1热膨胀微球、未涂层聚酯织物、涂层聚酯织物在不同焙烘温度和时间处理后的表面形貌Fig.1Surface morphology of TEMs,uncoated PET fabric andcoated PET fabrics treated with different drying temperature and time如图1（a）（c）所示：未涂层聚酯织物表面光滑；热膨胀微球未发泡膨胀前较为干瘪，呈现出皱缩的球形；聚酯织物表面的热膨胀微球经90 预烘后呈现出较为圆润的球体，但是体积没有明显变化，热膨胀微球均匀地分布在聚酯织物表面，可明显观察到聚酯织物的纤维结构。图1（d）（g）显示，在100 焙烘条件下，随着焙烘时间的延长，热膨胀微球的体积逐渐变大，当焙烘时间为2 min时，热膨胀微球表现出良好的膨胀状态。图1（h）（k）显示：在110 条件下焙烘0.5 min后的聚酯织物表面的热膨胀微球膨胀不够充分；在110 条件下焙烘1.0、1.5、2.0 min后的聚酯织物表面的热膨胀微球膨胀状态良好，所以对上述条件处理下的聚酯织物表面再进行聚氨酯涂层。如图1（l）（o）所示，在120 焙烘0.5 min条件下，热膨胀微球就出现不同程度的损伤，随着焙烘时间的延长，热膨胀微球的损伤程度加重。上述结果表明，热膨胀微球在110 焙烘1.0 min就可以具有良好的膨胀效果。然而，由于热膨胀微球膨胀后体积增大，导致聚丙12基于热膨胀微球的隔热聚酯织物性能印染（2024 No.3）烯膜被破坏，无法形成连续均匀的膜，热膨胀微球对聚酯织物的黏附性能降低。因此，本文利用聚氨酯对热膨胀微球涂层后的织物进行涂层，以提高热膨胀微球在聚酯织物表面的黏附性能。如图1（p）（r）所示，经聚氨酯涂层后，聚酯织物表面的热膨胀微球被一层连续的薄膜覆盖，同时也可以清楚地观察到微球的存在。2.2织物厚度图2所示为涂层整理前后织物的厚度。试样编号同图1。DFGHIJKLMNOPQRSTUB766GPP图2未涂层聚酯织物和涂层聚酯织物在不同焙烘温度和时间处理后的厚度Fig.2Thickness of uncoated PET and coated PET fabrics treatedwith different drying temperature and time从图2可知，经过110 焙烘1.0 min后，涂层聚酯织物的厚度明显增加。由于微球在持续高温下出现了损坏，使得织物厚度随着焙烘时间的延长而略有减小，聚氨酯涂层织物的厚度也呈现出类似的趋势。对比图2（i-k）和（p-r）试样厚度可知，再次经过聚氨酯涂层后聚酯织物的厚度无明显增加。此外，微球膨胀状态良好的织物厚度也相应较厚。2.3红外光谱分析和物理性能图3为热膨胀微球、未涂层聚酯织物和涂层聚酯织物的红外光谱图。#6G4(76*#6G4(#FP图3未涂层聚酯织物、热膨胀微球、涂层聚酯织物的红外光谱Fig.3 FT-IR spectra of TEMs,uncoated PET and coated PET fabrics如图 3 所示，在未涂层聚酯织物的红外光谱中，1 709、1 240 cm-1处的吸收峰分别对应于C=O和CO，720 cm-1处是CH2的吸收峰16。在热膨胀微球的红外光谱中，2 945、2 240 cm-1处的吸收峰是由烷烃中CH2CH2和构成单体丙烯腈的CN基团的伸缩振动引起的。1 709 cm-1处是酯键C=O的吸收峰。1 451 cm-1处是CH2的吸收峰17。在涂层聚酯织物的红外吸收光谱中出现以上所有吸收峰，并且在1 157 cm-1处有聚氨酯分子中COC的吸收峰18。2.4物理性能图4所示为聚氨酯涂层前后的聚酯织物相互摩擦10次后的数码照片。6G#6G#图4聚氨酯涂层前后织物相互摩擦后的数码照片Fig.4Digital photos of fabrics rubbing against each other before and after PU coating从图4可以观察到，聚氨酯涂层前后的聚酯织物均具有良好的弯曲能力，表明涂层后的聚酯织物仍然具有柔软的手感。并且，经过10次相互摩擦循环后，聚氨酯涂层前的聚酯织物表面的热膨胀微球已经脱落，而涂层后的织物表面仍然保持光滑，这是因为聚氨酯薄膜对热膨胀微球起到了保护作用。图5为未涂层聚酯织物和涂层聚酯织物的载荷-应变曲线，从中可以发现，涂层后的聚酯织物的断裂强力由945.2 N提高至977.6 N，断裂伸长率也由23.6%升高至27.3%，这是由于聚氨酯薄膜具有较好的弹性，对聚酯织物起到了保护作用。E91#6G4(#6G4(图5未涂层聚酯织物和涂层聚酯织物的载荷-应变曲线Fig.5Load-strain curves of uncoated PET and coated PET fabrics2.5隔热性能图6所示为利用多通道温度测试仪测得的放置在加热台上的未涂层聚酯织物和涂层聚酯织物的表面温度。13印染（2024 No.3）$LPLQ#6G4(#6G4(（a）50 加热台$LPLQ#6G4(#6G4(（b）100 加热台图6加热台上未涂层聚酯织物和涂层涤纶聚酯织物的升温曲线Fig.6The heating curves of uncoated PET and coated PET fabrics on heating plates从图6可知，未涂层聚酯织物与加热台接触后，其表面温度迅速上升，不久便达到了加热台的温度，证明其隔热性能很差。当加热台温度为50 时，涂层聚酯织物表面温度相较未涂层聚酯织物降低了6.7，且在100 时降低了17.9。同时，与未涂层聚酯织物相比，涂层聚酯织物的升温速率也较慢。涂层聚酯织物表面的热膨胀微球中低导热系数气体的存在使得其导热系数由0.131 20 W/mK降低至0.060 98 W/mK。上述结果表明，涂层聚酯织物中热膨胀微球的存在，使得织物表现出了优异的隔热性能。图 7 所示为未涂层聚酯织物和涂层聚酯织物在50 和100 加热台上5 min后的红外热成像图。#6G4(#6G4(图7未涂层聚酯织物和涂层聚酯织物的红外热成像图Fig.7 Infrared thermal images of uncoated PET and coated PET fabrics从图7可知：未涂层聚酯织物的隔热效果较差，其表面温度已经达到了加热台的温度；而在50 加热台上的涂层聚酯织物的表面温度已降至40.8，在100 加热台上降至76.0。此结果与图6的测试结果基本吻合，表明与未涂层聚酯织物相比，涂层聚酯织物具有优异的隔热性能。3结论本研究采用热膨胀微球作为隔热材料，开发出具有优异隔热性能的聚酯织物。热膨胀微球的膨胀状态将直接影响聚酯织物的隔热性能，在110 焙烘1.0 min条件下，热膨胀微球表现出良好的膨胀状态。随后，通过施加保护性的聚氨酯膜，增强热膨胀微球与聚酯织物之间的黏附性，且两者之间的摩擦阻力显著增加。此外，涂层聚酯织物的导热系数也由未涂层聚酯织物的0.131 20 W/mK降低到0.060 98 W/mK。当涂层聚酯织物放置在表面温度为50 和100 加热台上稳定后，其表面温度也远低于相同状态下的未涂层聚酯织物，证明了其优异的隔热性能。因此，开发的热膨胀微球涂层聚酯织物作为柔软隔热材料表现出了在热防护应用上的巨大潜力。参考文献：1LI J A.Evaluation of dynamic growth trend of renewable energy basedon mathematical modelJ.Energy Reports,2023（9）：48-56.2简松海，李尚辉.二氧化硅气凝胶在建筑围护结构应用中隔热特性的研究J.重庆科技学院学报（自然科学版），2023，25（4）：97-101.3吴大方，任浩源，王峰，等.航天飞行器轻质纳米材料高温隔热性能J.航空学报，2018，39（4）：153-164.4LISOWSKI E,LISOWSKI F.Study on thermal insulation of liquefiednatural gas cryogenic road tankerJ.Thermal Science,2019,23：S1381-S1391.5SHANLEY L A,SLATEN B L,SHANLEY P,et al.Thermal-propertiesof novel carbonaceous fiber battingsJ.Journal of Fire 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