SUPERVISOR
Akbar Khoddami,Hassan Hadadzadeh,Mohammad Zarrebini
اکبر خدامی (استاد راهنما) حسن حداد زاده (استاد راهنما) محمد ذره بینی اصفهانی (استاد مشاور)
STUDENT
Zahra Mazrouei Sebdani
زهرا مزروعی سبدانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Investigation into the properties of Nano -structure Aerogel Integrated Fibrous Materials
Although there have been many attempts to fabricate aerogels in combination with other materials, research in the field of aerogel/fibrous assemblies is scares and therefore, studies in this field are needed. In this research, a sodium silicate based aerogel was synthesized through an ambient pressure drying method. The resultant material was powdered by a mild ball-milling process. The physical and chemical properties of the synthesized aerogel were studied by analytical methods such as FTIR, BET, BJH, TGA, and SEM, together with determination of the density, porosity and hydrophobicity. Excessive dusting of the aerogel/fibrous assemblies is of major concern. The main purpose of this research is to contemplate the feasibility of fabrication of two purposely designed aerogel/fibrous assemblies and their physical characteristics such as sound and thermal insulation capabilities, hydrophobic and structural properties. In all previous researches, the textiles used in conjunction with the aerogels were initially impregnated in the primary sol, prior to formation of aerogels on their surface. In this work contrary to the previous researches, in order to protect weak structure of the aerogel and to reduce dust releasing phenomenon, nano-structured aerogel filled electro-spun PET superfine fibers were fabricated. Thus, the micro-size nano-structured aerogel powder was used instead of small precursor molecules as filler and coated with a layer of PET polymer in form of superfine fibers. Modification in the insulation properties, air/water vapor permeability, hydrophobicity and dyeability of the fabricated materials in terms of aerogel particle content were investigated. Aerogel content of the fibers was proved by FTIR and EDX analysis methods. SEM and AFM micrographs indicated the successful fabrication of the bead-on-string structured superfine fibers with diameters of 176.2-400.0 nm. It was observed that the heat transfer percentage was decreased proportionally with increase in the aerogel content. The sample containing 4% aerogel exhibited the lowest heat transfer, which approximately corresponds to one third of the sample with no aerogel. It was found that addition of the aerogel to the electro-spinning solution enhanced the sound absorption coefficient (NAC) of the superfine fibers within a frequency range of 250 to 4000 Hz. The measured NACs for the superfine fibers containing high aerogel content were found to be more than those of other samples for the given frequencies. On the other hand, the superfine fibers with low aerogel contents exhibited high NACs at frequencies less than 1000 Hz. In general, it was found that addition of aerogels to the fibers not only leads to higher hydrophobicity (higher water contact angles) but also higher dyeability. Despite of the slight increase in the air permeability of the fibrous webs composed of the superfine fibers containing 2 and 4% aerogel, no significant differences in water vapor permeability was observed by addition of the aerogel to the fibers. In the next phase of the project, commercially available spun-bonded fabrics were coated with pigment printing and also, polyurethane foam printing pastes containing aerogel. Therefore, easily dispersion of aerogel powder in the pastes and limited penetration of the pastes in the aerogel pores were achieved. The effects of these two printing pastes were compared by SEM and digital microscope analysis. Thermal resistance, sound absorption coefficient, hydrophobicity, abrasion fastness and flexural modulus of the coated fibrous webs were also determined. Results showed that the sample coated with foam printing paste containing 6 and 10 pph aerogel exhibited higher thermal resistance in comparison with the other foam and pigment printing paste coated samples. It was found that addition of the aerogel to the printing pastes enhances the NAC of the coated samples within frequency range of 250 to 4000 Hz. In addition, samples coated with the printing pastes containing aerogel showed better hydrophobic properties. The results indicated better flexural properties for the samples coated with the pigment printing pastes in comparison with those coated with the foam printing pastes. Additionally, samples coated with the printing pastes containing aerogel powder showed less than 2-3% weight loss after abrasion. This was attributed to the presence of the polyurethane binder in the coatings.
با وجود انجام پژوهش¬های فراوان در زمینه تهیه آئروژل ها و ترکیب آن¬ها با مواد دیگر، مطالعات با هدف استفاده از این مواد با سازه¬های الیافی نادر بوده و نیاز مبرم به مطالعه بیش¬تر در این زمینه وجود دارد. در این پروژه، آئروژل سیلیس با استفاده از پیش ماده ارزان و در دسترس سدیم سیلیکات و روش خشک کردن تحت فشار محیط بدون نیاز به تجهیزات خاص، سنتز و با استفاده از آسیاب گلولهای، به پودر تبدیل شد. خواص فیزیکی و شیمیایی پودر آئروژل حاصل با روش¬های FTIR، BET، BJH، TGA و SEM و همچنین، اندازه¬گیری آب¬گریزی، چگالی و تخلخل مورد بررسی قرار گرفت. با وجود تجاری شدن نتایج برخی پژوهش¬ها، پدیده جدا شدن آئروژل از الیاف و رها شدن غبار آئروژلی بیانگر ضرورت دستیابی به روش¬های مناسب برای اتصال جدانشدنی آئروژل از الیاف است. هدف اصلی این پژوهش، بررسی امکان عملآوری دو نوع منسوج در ترکیب با آئروژل سیلیس و همچنین، بررسی خواص فیزیکی آن¬ها مانند عایقبندی گرمایی و صوتی، آب¬گریزی و تغییرات ساختاری است. در پژوهش¬های قبلی، ترکیب کردن آئروژل با منسوجات، با قرار دادن سازه الیافی در درون سل و سپس انجام مراحل سنتز آئروژل صورت گرفته است. در این پروژه، برای حفظ ساختار ضعیف آئروژل به صورت محبوس در مواد دیگر و کاهش پدیده جدا شدن آن از سازه الیافی، میکرو¬ذرات پودر آئروژل به محلول الکتروریسی پلی¬استر اضافه و الیاف فوق¬ظریف حاوی آئروژل الکتروریسی شدند. بنابراین، میکرو¬ذرات آئروژل نانو¬ساختار، به جای مولکول¬های کوچک، به عنوان پرکننده در درون الیاف فوق¬ظریف قرار گرفته و با یک لایه پلیمر پلیاستر پوشش داده شدند. خواص عایقبندی گرمایی و صوتی، نفوذپذیری هوا و بخار آب، آب¬گریزی و جذب رنگ با توجه به مقدار آئروژل موجود در الیاف بررسی شدند. طیف FTIR، EDX و TGA وجود و مقدار آئروژل با ساختار سیلیس را در الیاف تایید کردند. تصویرهای SEM و AFM، سنتز موفقیت¬آمیز الیاف فوق¬ظریف با ساختار دارای بیدز (قطر nm 400-176) را نشان دادند. نتایج نشان داد که با اضافه کردن 4% آئروژل به الیاف فوق ظریف پلیاستر درصد انتقال گرما به یک سوم وب متشکل از الیاف فوق¬ظریف فاقد آئروژل کاهش می¬یابد. وجود ذرات آئروژل در الکتروریسی، سبب افزایش ضریب جذب صوت وبهای متشکل از الیاف فوق¬ظریف در محدوده فرکانسی Hz 4000-250 شد. نمونههای حاوی درصد کم آئروژل در فرکانس¬های کم و نمونه¬های حاوی درصد زیاد آئروژل در فرکانس¬های کم و متوسط، جذب صوت بیش¬تری را نسبت به الیاف فاقد آئروژل نشان دادند. همچنین، خواص آب¬گریزی و جذب رنگ بیش¬تری در نمونههای حاوی آئروژل نسبت به نمونه فاقد آئروژل مشاهده شد. با وجود تفاوت نا¬محسوس از نقطه¬نظر نفوذپذیری بخار آب بین نمونه¬ها، نمونههای حاوی 2 و 4% آئروژل نفوذ هوای بیش¬تری را نسبت به نمونه فاقد آئروژل داشتند. برای ترکیب آئروژل با سازه الیافی در بخش بعدی پروژه، امکان اضافه کردن این میکروذرات به سازه الیافی در فرآیند تکمیل پوشش دهی و خواص فیزیکی منسوج حاصل بررسی شد. بنابراین، امکان استفاده از خمیر چاپ پیگمنت و خمیر چاپ فوم پلی-اورتان، برای سهولت پراکنده کردن ذرات آئروژل در خمیر و همچنین، محدود کردن نفوذ خمیر در حفره¬های آئروژل، بررسی شد. سپس، تاثیر پوشش¬دهی با این دو نوع خمیر حاوی آئروژل با روشهای SEM، EDX، میکروسکوپ دیجیتالی، انتقال گرما، ضریب جذب صوت، آب¬گریزی، مقاومت در برابر سایش و خمش با یکدیگر مقایسه شدند. نتایج نشانگر افزایش مقاومت گرمایی لایههای بی¬بافت پوشش دادهشده با خمیر چاپ فوم حاوی 6 و pph 10 آئروژل، نسبت به دیگر نمونه های پوشش دادهشده با خمیر چاپ فوم و خمیر چاپ پیگمنت بودند. وجود ذرات آئروژل در خمیر پوشش¬دهی، سبب افزایش ضریب جذب صوت لایههای پوشش دادهشده در محدوده فرکانسی Hz 4000-250 شد. همچنین، نمونههای پوشش دادهشده حاوی آئروژل، خواص آب¬گریزی بیش¬تری را نسبت به نمونه پوشش دادهشده فاقد آئروژل نشان دادند. نتایج نشانگر خواص خمشی بهتر نمونههای پوشش دادهشده با خمیر چاپ پیگمنت در مقایسه با چاپ فوم بودند. چسبندگی پوشش به الیاف به واسطه وجود بیندر در خمیر پوشش دهی، سبب پایداری پوشش در مقابل فرآیند سایش شد، به گونهای که نمونههای پوشش دادهشده تنها دارای 3-2% کاهش وزن بعد از فرآیند سایش بودند.