SUPERVISOR
Mohammad Zarrebini,Akbar Khoddami
محمد ذره بینی اصفهانی (استاد مشاور) اکبر خدامی (استاد راهنما)
STUDENT
Farzaneh Shams
فرزانه شمس قهفرخی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Improvement in the insulation properties of textiles using silica-aerogel
Nano-structured aerogels with very low density, high porosity and high surface area have found increased attention in the various fields such as thermal insulation and sound absorption. The silica aerogels have high production costs. Also, they are brittle and fragile due to their porous structure and can be damaged by a small force which limits their applications. One of the most effective routs to decrease the fragile behavior of the aerogels is to compose the aerogel with the polymeric materials such as rubber, cement, glass, and also, combination with natural and synthetic fibers. However, excessive dusting of the aerogel particles from the fiber assemblies is of important drawbacks expressing the need for the appropriate methods to resolve this problem. In many researches, synthesis of the aerogel/fiber composites involved impregnation of fibers with the sol which was followed by the solvent exchange, surface modification, and drying stages. This work for the first time aims to introduce a novel and facile coating procedure on a PET woven fabric with the silica aerogel micro-particles for engineering a flexible thermal and sound insulating material with the enhanced hydrophobic properties and reduced dusting behaviors. Thus, two coating methods of electro-spraying and pad-dry-cure were studied. In the first method, aerogel micro-particles were added to the polymeric solution containing of a fluorocarbon compound in a resulted optimized condition and then, electro-sprayed on the textile’s surface. In the second method, the possibility of textile coating with the paste containing different amount of silica aerogel particles in the fluorocarbon using the common method of pad-dry-cure to produce of multi-purpose insulation blankets were searched. The effect of coating with two various procedures of electro-spraying and pad-dry-cure were investigated by analysis methods such as FTIR, SEM, EDS, digital microscopy as well as measuring of thermal and sound insulation properties, hydrophobicity, abrasion and flexural resistance. The FTIR and EDS spectra indicated the existence of the silica aerogel in the coated textiles prepared in both electro-spraying and pad-dry-cure methods. SEM micrographs have shown the successful coating of micro-particles on the surface of the coated textiles. Also, the results showed that in the electro-spraying method, the performance of thermal and sound insulations have been improved by increasing time duration of the electro-spraying process and subsequently, the amount of the aerogel particles on the fibers surface. Evaluation of the coated sample properties in the pad-dry-cure method showed that the heat transfer percentage of the coated sample with the highest amount of aerogel particles has decreased by 56% in comparison with the control sample. The evaluation of the acoustic properties revealed a direct relation between the amount of aerogel micro-particles in the samples and the sound absorption coefficient in the frequency range of 1000-4000 Hz. Furthermore, the results indicated an enhancement in the samples hydrophobic properties due to the surface morphology changes via the aerogel micro-particles coupled with the low surface energy of the applied fluorochemical. Aerogel entrapment in the substrate via the formed fluorocarbon polymeric film resulted in the inseparability of the aerogel particles. Thus, it seems that these new aerogel-fluorochemical coated materials have a potential for application in the lightweight coated advanced materials with insulation and hydrophobic properties. Keywords : Silica aerogel; Fibrous structures; Electro-spraying; Pad-dry-cure; Coating; Physical properties
آئروژل های نانوساختار با چگالی بسیار پایین، تخلخل و مساحت سطح بسیار بالا دارای خواص ویژه مانند هدایت گرمایی و سرعت انتقال صوت پایینی هستند. بنابراین، کاربرد این مواد افزایش روزافزون خواهد داشت. آئروژلهای خالص برخلاف خواص منحصر به فردشان، دارای محدودیتهایی در کاربرد هستند. ترد و شکننده بودن آئروژل به واسطه ساختار متخلخل آن، سبب محدود شدن کاربرد آن میشود. برای رفع این مشکل، از کامپوزیت آئروژل به همراه مواد پلیمری مانند لاستیک، سیمان، شیشه و همچنین، ترکیب با الیاف طبیعی و مصنوعی استفاده میشود. با وجود پژوهشهایی در زمینه ترکیب آئروژلها با سازه های لیفی، هنوز هم ریزش و عدم ثبات ذرات آئروژل روی سطح الیاف، ضرورت دستیابی به روش های مناسب برای اتصال جدانشدنی ذرات آئروژل از سطح الیاف را تاکید می کند. هدف از این پژوهش، یافتن روش و بستر نساجی مناسب برای کاربرد پودر آئروژل سیلیس روی منسوج است به گونهای که مشکل ریزش و آزاد شدن غبار آئروژلی حل شود. در پژوهشهای قبلی، ترکیب کردن آئروژل با منسوجات به صورت قرار دادن سازه لیفی در درون سل و سپس انجام مراحل سنتز آئروژل، مورد بررسی قرار گرفته است. در این پروژه، امکان اضافه کردن میکروذرات آئروژل به منسوج بافتهشده پلیاستری با دو روش پوشش دهی که تاکنون بدین منظور استفاده نشده است، مورد بررسی و تحقیق قرار گرفت. به منظور حفظ ساختار ضعیف آئروژل به صورت محبوس در مواد دیگر، پوشش دهی منسوج پلی استری با دو روش الکترواسپری و پد-خشک-پخت تحقیق شد. در روش اول، میکروذرات پودر آئروژل به محلول پلیمری حاوی ترکیبات فلوئوروکربنی اضافه و پس از تعیین شرایط بهینه، عملیات الکترواسپری محلول روی سطح منسوج انجام شد. در روش دوم، امکان پوشش دهی منسوج با خمیر حاوی مقادیر متفاوت ذرات آئروژل سیلیس در فلوئوروکربن با استفاده از روش مرسوم پد-خشک-پخت به منظور تولید بلانکت های عایق چند منظوره تحقیق شد. تأثیر پوشش دهی به روش الکترواسپری و پد-خشک-پخت با روشهای FTIR ، SEM و EDS، میکروسکوپ دیجیتالی، اندازه گیری خواص عایق بندی گرمایی و صوتی، میزان آب گریزی، مقاومت در برابر سایش و خمش بررسی شد. طیف FTIR و EDS، وجود آئروژل سیلیس در منسوج پوشش داده شده با هر دو روش الکترواسپری و پد-خشک-پخت را تأیید کردند. تصویرهای SEM پوشش موفقیتآمیز میکروذرات روی سطح منسوج را نشان دادند. نتایج مشخص می سازند که در روش الکترواسپری عملکرد عایق بندی گرمایی و صوتی، با افزایش مدت زمان انجام عملیات الکترواسپری و در نتیجه افزایش مقدار آئروژل در پوشش بهبود یافت. نتایج ارزیابی خواص نمونه پوشش داده شده به روش پد-خشک-پخت بیانگر این نکته است که درصد انتقال گرمای نمونه پوشش دادهشده با بیش ترین مقدار پودر آئروژل نسبت به نمونه شاهد به میزان 56 درصد کاهش یافت. وجود ذرات آئروژل در خمیر پوشش دهی، سبب افزایش ضریب جذب صوت نمونه پوشش دادهشده در محدوده فرکانس 4000-1000 هرتز شد. همچنین، نمونههای پوشش دادهشده حاوی آئروژل، خواص آب گریزی بیشتری نسبت به نمونه پوشش دادهشده فاقد آئروژل نشان دادند. چسبندگی پوشش به واسطه تشکیل فیلم پلیمری فلوئوروکربن و محبوس شدن آئروژل در بستر ، عدم امکان جدا شدن ذرات آئروژل و بنابراین، ثبات پودر روی منسوج را به دنبال داشت. از این رو، استفاده از آئروژل سیلیس در محصولات نساجی، به علت ساختار متخلخل آن، می تواند تأثیر چشم گیری در برآورده کردن نیازهای اساسی در زمینه منسوجات داشته باشد. کلمات کلیدی: آئروژل سیلیس، سازههای الیافی، الکترواسپری، پد-خشک-پخت، پوشش دهی، خواص فیزیکی.