一种玄武岩纤维浸润剂增强改性方法技术

本发明专利技术公开了一种玄武岩纤维浸润剂增强改性的方法，在传统玄武岩纤维浸润剂体系中引入一类具备双边无机偶联能力的双硅烷，并引入经双硅烷表面改性的气相SiO2纳米粒子，以

【技术实现步骤摘要】
一种玄武岩纤维浸润剂增强改性方法


[0001]本专利技术涉及玄武岩纤维浸润剂
，特别涉及一种玄武岩纤维浸润剂增强改性方法。

技术介绍

[0002]玄武岩纤维是由天然的玄武岩矿石在熔融状态下经不同孔径铂铑合金漏板拉制而成的一种直径约7-13μm的无机材料，在生产过程中产生的废弃物少、对环境污染小，且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，是一种名副其实的绿色环保材料，是我国重点发展的四大纤维之一，也被认为是21世纪最具发展潜力的新型材料之一。与玻璃纤维和碳纤维相比，玄武岩纤维有着优异的阻燃性、优良的隔音性、良好的透波性、低吸湿性及绝佳的温度耐受性(-260～700℃)等优点。随着E-玻璃纤维被世卫组织列为2B类致癌物，碳纤维价格又长期居高不下，玄武岩纤维必将获得前所未有的机遇和市场前景。
[0003]由于纤维组成与玻纤类似，玄武岩纤维在拉丝成型后为避免严重磨损而造成飞丝、断丝，与玻纤一样，必须通过涂油器在表面均匀涂覆一定量多相结构的有机乳液，即浸润剂，一般由以下几类功能性组分构成：成膜剂、硅烷偶联剂、抗静电剂、pH调节剂及水/溶剂等。浸润剂在提升纤维增强型复合材料界面粘结性的同时还可以增强纤维的力学性能。
[0004]由于浸润剂是整个产业中的“黑匣子”技术，是决定纤维性能的关键因素，而国外企业对于增强型浸润剂仍处于技术封锁状态。当前我国的玄武岩纤维浸润剂依然主要沿用玻璃纤维上浆剂技术，同质化比较严重；按照玻纤上浆剂配方处理玄武岩纤维无法从根本上大幅提升纤维的力学性能。因此，针对浸润剂进行组分改性，对增强玄武岩纤维力学性能具有重要意义。
[0005]硅烷偶联剂是浸润剂中最为关键的组分之一，是连接无机相与有机相的“桥梁”，也是目前玄武岩纤维浸润剂改性中研究较多的组分之一。硅烷偶联剂通过分子链一端的烷氧-硅基团水解后形成的硅羟基，与玄武岩纤维表面的硅羟基发生脱水缩合反应，形成-Si-O-Si-共价键，分子链另一端的亲油基团则与树脂分子结合，从而实现树脂对纤维增强体的浸润。然而，这类两性硅烷中可水解的烷氧基团数目少，而且烷氧-硅结构仅分布在分子链一侧，纤维经传统浸润剂涂覆后，尽管可以提升与树脂的复合效果，但对于未经有机树脂复合的无捻粗纱、短切纱等制品，这类两性硅烷无法从根本上在纤维与纤维之间以共价键的形式建立直接、稳定的联系，无法有效增强无机纤维原丝间的集束性。
[0006]同时，由于玄武岩纤维在拉丝过程中表面不可避免会存在部分缺陷位，通过引入纳米粒子进行填充是有效的解决途径之一，然而由于浸润剂液膜的存在及传统两性硅烷对纳米粒子表面的疏水性修饰，不利于无机纤维与纳米粒子的表面偶联，纤维与粒子之间的界面结合作用弱，导致纳米粒子在后期加工过程中容易脱落，从而严重影响玄武岩纤维的力学性能。
[0007]本专利技术立足于传统浸润剂体系无法从根本上解决玄武岩纤维原丝集束性较差及无机纳米粒子易脱落的问题，利用两性有机硅烷进行分子结构设计，合成双硅烷，并作为增
强型组分用于浸润剂改性过程；该专利技术具有操作简便、改性成本低、对原有浸润体系影响小、环境友好等特点，玄武岩纤维力学性能提升效果明显，为玄武岩纤维浸润剂增强改性提供了新思路和新方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对传统两性硅烷在纤维集束性增强及无机相界面间结合作用提升等方面存在的结构劣势，提供了一种玄武岩纤维浸润剂增强改性方法，在传统浸润剂基础上引入一种“双边偶联”策略，可控制备一系列双硅烷，并将其用于气相SiO2表面改性，由于双硅烷在分子链两端均接枝有烷氧-硅基团，可分别与不同无机相(纤维、粒子)表面的硅羟基发生脱水缩合反应，增强纤维集束性，提升玄武岩纤维原丝的力学性能。
[0009]为了实现以上专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0010]一种玄武岩纤维浸润剂增强改性方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一，双硅烷制备，包括以下子步骤：
[0012]1.依据1mol伯胺硅烷与2mol环氧硅烷或1mol仲胺硅烷与1mol环氧硅烷的反应比例，根据所选定的反应物料，设定反应温度85-120℃，将200g环氧有机硅烷添加至反应釜中预热，并全程通入惰性保护气体；
[0013]2.上述反应可在微波反应器中进行，也可在常规油浴锅中进行；
[0014]3.将60-320g胺基有机硅烷分2-5批次地缓慢添加至反应釜中，持续搅拌或分散；
[0015]4.上述搅拌是指磁力搅拌或机械搅拌，搅拌速度为800-1200r/min；分散是指使用20-25KHz功率的浸入式超声探头进行分散作用；
[0016]5.反应物料每隔10-20min进行红外检测，对胺基团和环氧基团含量进行分析，反应1-3小时后，得到反应产物双硅烷。
[0017]步骤二，双硅烷的水解及气相SiO2的表面改性，按照如下子步骤进行：
[0018]1.按照去离子水：双硅烷的质量比为20:1，称取双硅烷和去离子水，调节溶液pH为4-6，pH调节剂为冰醋酸；
[0019]2.采用含有仲胺基团的胺基有机硅烷为原料所制备的双硅烷在水解时还需额外添加甲醇或乙醇，即原料分子结构中官能团若为甲氧-硅基团则添加甲醇，若为乙氧-硅基团则添加乙醇；按照去离子水：双硅烷：醇的质量比为40:2:1，称取双硅烷、去离子水和醇，调节溶液pH为4-6，pH调节剂为冰醋酸；
[0020]3.在300-500r/min下搅拌2-4小时，即得双硅烷水解液；
[0021]4.按照1g气相SiO2/100mL双硅烷的添加比例，称取气相SiO2，并将其加入第1或2步溶液中，继续在300-500r/min下搅拌3-4小时，即得气相SiO2分散的双硅烷水解液。
[0022]步骤三，增强型浸润剂的配制，按照如下子步骤进行：
[0023]1、根据不同厂家所用的不同类型的浸润剂配方，按照体积比为3:1-5:1，使用去离子水将除有机硅烷外的其它所有组分按要求分别在预配釜中稀释配制好，然后依次加入配制釜内并不断搅拌(添加顺序无要求)，搅拌速度为20-30r/min；
[0024]2、有机硅烷为γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种，按照去离子水：有机硅烷的体积比为5:1-15:1，冰醋酸调节pH为4-6，分别在预配釜内水解，然后加入配制釜中并不断搅拌，搅
拌速度与第1步相同；
[0025]3、将步骤二中制备得到的双硅烷水解液或气相SiO2分散的双硅烷水解液，全部加入配制釜中并继续搅拌，搅拌速度与第1步相同；
[0026]4、在配制釜中加入去离子水至配制量，调节pH值至4-6，即得增强型浸润剂。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0028]1.双硅烷的结构多样，制备方法简单，重复性好，易实现产业化生产；
[0029]2.不会替代原有浸润剂配方中各有效组分，可以有效改善并增强玄武岩纤维集束性，提升玄武本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种玄武岩纤维浸润剂增强改性方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，双硅烷制备，包括以下子步骤：1.依据1mol伯胺硅烷与2mol环氧硅烷或1mol仲胺硅烷与1mol环氧硅烷的反应比例，根据所选定的反应物料，设定反应温度85-120℃，将200g环氧有机硅烷添加至反应釜中预热，并全程通入惰性保护气体；2.上述反应可在微波反应器中进行，也可在常规油浴锅中进行；3.将60-320g胺基有机硅烷分2-5批次地缓慢添加至反应釜中，持续搅拌或分散；4.上述搅拌是指磁力搅拌或机械搅拌，搅拌速度为800-1200r/min；分散是指使用20-25KHz功率的浸入式超声探头进行分散作用；5.反应物料每隔10-20min进行红外检测，对胺基团和环氧基团含量进行分析，反应1-3小时后，得到反应产物双硅烷；步骤二，双硅烷的水解及气相SiO2的表面改性，按照如下子步骤进行：1.按照去离子水：双硅烷的质量比为20:1，称取双硅烷和去离子水，调节溶液pH为4-6，pH调节剂为冰醋酸；2.采用含有仲胺基团的胺基有机硅烷为原料所制备的双硅烷在水解时还需额外添加甲醇或乙醇，即原料分子结构中官能团若为甲氧-硅基团则添加甲醇，若为乙氧-硅基团则添加乙醇；按照去离子水：双硅烷：醇的质量比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋国强，陈文婷，
申请(专利权)人：贵州理工学院，
类型：发明
国别省市：