CN104233587A - 一种人造透光石材用增强型光纤垫布及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人造透光石材用增强型光纤垫布及其制备方法。人造透光石材用增强型光纤垫布，包括径向光纤片，径向光纤片上设有两道以上穿插于径向光纤片中、并将径向光纤片缝合为一体的纬向缝合玻璃纤维线；径向光纤片由两束以上的玻璃光纤束径向紧密连续排列而成，玻璃光纤束由两根以上的玻璃光纤单丝径向紧密连续排列而成，玻璃光纤单丝直径为30μm-70μm，玻璃光纤单丝表面设有化学增强层；径向光纤片至少一端的端部有长度不大于50mm的定型段。本发明光纤垫布可在制作透光石材时，直接剪裁使用，方便实际操作，透光性能好，发光造型自然连续，随意性好，且可增加石材抗压和冲击强度。

Description

一种人造透光石材用增强型光纤垫布及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种人造透光石材用增强型光纤垫布及其制备方法，属于光纤制造技术领域。 

背景技术

自上世纪末匈牙利人发明透光混凝土的制造技术以来，人造透光石材因具备可透自然光、传输近距物体图像、艺术展示天然纹理等优点，不断被世人青睐而应用于高档建筑与装饰领域。目前，应用于人造透光石材的透光材料主要有三种：石英光纤、塑料光纤和钠钙硅玻璃棒或碎块。如专利号CN102166780B提及的光纤为一种有机质多模石英光纤，其直径50μm/125μm，外层用聚乙烯或聚四氟乙烯涂敷，并通过2D或3D编织方法将光纤编成纤维布；专利号CN102848451A提及光纤为直径0.5—1.5mm的塑料光纤，并采用棉线将其编织成单层光纤布，光纤间距3-6mm；行业内还有人直接采用玻璃碎棒填充石材等等。分析以上提及的透光材料，在实际应用中存在一些问题，直接影响人造透光石材的性能和应用推广，表现在：1、石英光纤，数值孔径小(0.22-0.37)，其受光和发射光角度小，不利于光线采集，视觉效果不佳。且石英光纤通常直径粗(100um-1000um)，表层涂有机层，与人造石材不利于形成较高结合力。另石英光纤虽具有高透过率，但人造石材使用光纤短(10mm-300mm)，不易体现石英光纤低损耗的光学优势，且石英价格昂贵，不利于应用推广；2、塑料光纤为有机材质，长时间会老化，不仅影响光透过率，还会影响人造石材内部强度，出现裂砖或倒塌的安全隐患；3、为制作石材方便，虽考虑将光纤制成了光纤布，但其制造方法主要是将直径较粗的光纤直接或依托各种支架构成石材“龙骨”，或用棉线、纤维等固定较粗直径的光纤形成纤维布，存在光纤间距大，不可能形成连贯的线发光，发光造型机械局限，随意性差，不能很好展现人造透光石材的艺术或天然纹理。 

发明内容

为了克服现有技术中透光材料与人造石材结合力差、不利于光线采集、发光不连续、 不耐老化等缺陷，本发明提供了一种人造透光石材用增强型光纤垫布及其制备方法。 

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案： 

一种人造透光石材用增强型光纤垫布，包括径向光纤片，径向光纤片上设有两道以上穿插于径向光纤片中、并将径向光纤片缝合为一体的纬向缝合玻璃纤维线；径向光纤片由两束以上的玻璃光纤束径向紧密连续排列而成，玻璃光纤束由两根以上的玻璃光纤单丝径向紧密连续排列而成，玻璃光纤单丝直径为30μm-70μm，玻璃光纤单丝表面设有化学增强层；径向光纤片至少一端的端部有长度不大于50mm的定型段。 

上述定型段指通过胶粘剂或机械夹持或玻璃纤维线，将径向光纤片的某一段整体紧密定型、连为一体。上述人造透光石材用增强型光纤垫布可收卷至圆筒上，定型段的设置保证了收卷时光纤布不松散。 

上述人造透光石材用增强型光纤垫布耐老化、使用寿命长，与人造石材有着很好的结合力，发光自然连续，并可显著增强石材强度。 

优选，径向光纤片的两端及中间均有长度不大于50mm的定型段。这样不仅提高了垫布的连接强度，而且能增强石材的强度。 

优选，径向光纤片的宽为30-100cm，厚为1-5mm；纬向缝合玻璃纤维线的直径为0.8-2mm。这样既方便使用，又能保证垫布的强度。 

化学增强层由偶联剂和成膜剂的混合溶液喷涂或浸渍而成。 

上述偶联剂优选硅烷偶联剂，成膜剂优选为耐碱增强成膜剂。 

优选，纬向缝合玻璃纤维线与径向光纤片垂直，相邻两道纬向缝合玻璃纤维线之间的间距为4-8cm。 

进一步优选，化学增强层由KH-560和油类衍生物1140混合的酒精溶液制备而成，其中，酒精溶液中KH-560的质量含量为0.1-5％、油类衍生物1140的质量含量为0.1-10％。 

申请人经研究发现，上述化学增强层的设置不仅使玻璃光纤单丝的强度、耐碱性有了显著的提升，而且易与无机或有机物连接。 

上述纤垫布是由玻璃光纤经向紧密连续排列成一定厚度和宽度的光纤片，再经纬向缝合玻璃纤维线纬向间距性穿引固定而成，具体织造方法有人工织造和机械织造。 

人工织造方法是用纬向缝合玻璃纤维线纬向人工缝制固定光纤片，具体方法优选：包括顺序相接的如下步骤： 

①将玻璃光纤单丝径向紧密连续排列成玻璃光纤束，再将玻璃光纤束径向紧密连续排列成径向光纤片； 

②通过胶粘剂或机械夹持或玻璃纤线缝合的方式在径向光纤片至少一端的端部制备长度不大于50mm的定型段； 

③通过纬向缝合玻璃纤维线沿径向光纤片的纬向缝合径向光纤片，即得。 

在步骤③所得人造透光石材用增强型光纤垫布下垫一层包装纸或直接收卷到卷筒上待用。上述方法也可先进行步骤③在进行步骤②。 

机械织造分非连续光纤垫和连续光纤布和织造。 

非连续光纤垫织造方法，所用装置包括顺序相接的光纤放线装置、张力控制装置、排线装置和收卷装置，收卷装置包括收卷轮，收卷轮包括主体轮和沿主体轮外围轴向设置的光纤纬向分离器，光纤纬向分离器有两个以上，光纤纬向分离器包括分离器座体和分割针，分离器座体为起伏的台阶状、且沿主体轮外围的轴向设置，分割针分布在相邻两台阶之间； 

人造透光石材用增强型光纤垫布的制备方法，包括顺序相接的如下步骤： 

①将集束光纤丝筒固定于光纤放线装置的放丝架上； 

②光纤丝经过光纤放线装置放线后，依次经过张力控制装置和排线装置后缠绕在收卷装置的光纤纬向分离器上，完成人造透光石材用增强型光纤垫布的经向纺织，分割针使光纤纬向分离器上的光纤丝呈“梳状”，起伏的台阶使光纤丝之间形成多层孔位； 

③将引线杆固定好纬向缝合玻璃纤维线，分别引入多层孔位； 

④调整相邻纬向缝合玻璃纤维线的间距，并将纬向缝合玻璃纤维线的始端和终端分别收紧固定，完成人造透光石材用增强型光纤垫布的纬向编织； 

⑤在缺口槽处利用胶粘剂或机械夹持或玻璃纤线缝合的方式制备定型段。 

在相邻纬向缝合玻璃纤维线剪切形成片状人造透光石材用增强型光纤垫布。上述方法相对手工方法不仅效率高，而且有着更好的可控性，相对连续机械生产方法有着更好的可控性，降低了设备的损耗。 

上述分割针使主体轮上的光纤纬向分离器呈“梳状”，上述起伏的台阶状指台阶呈波浪状，逐渐上升后又逐渐下降，依次循环。 

上述在步骤①前先调试并开启光纤放线装置、张力控制装置、排线装置和收卷装置，光纤放线装置、张力控制装置和排线装置的具体结构参照现有技术。 

非连续光纤垫织造方法的工作原理如下：当装置开始工作时，收卷装置开始收卷光纤， 在排线装置作用下，光纤在收卷装置上排列呈光纤片，完成光纤经向编织，在光纤纬向分离器内相邻不同高度间隔台阶和分布于收卷轮四周各相邻分离器在同一径向方向(主体轮轴向)不同间隔台阶高度的双重作用下，光纤片在收卷轮圆周上形成高低交错起伏，在光纤纬向分离器处形成多层孔洞0位孔、1位孔、2位孔、3位孔、4位孔等，利用引线杆将纬向缝合玻璃纤维线引入孔洞，拉紧固定纬向缝合玻璃纤维线的始端和终端，即完成纬向编织，引线杆为常规刚性细杆。 

优选，主体轮的外围沿轴向设有缺口槽，缺口槽与光纤纬向分离器错开设置； 

人造透光石材用增强型光纤垫布的制备方法，步骤⑤在缺口槽处利用胶粘剂或机械夹持或玻璃纤线缝合的方式制备定型段。 

在缺口槽处裁剪形成片状人造透光石材用增强型光纤垫布，收卷待用。 

上述缺口槽用于剪裁光纤垫布或定型光纤垫布，缺口槽数量可一个以上。 

连续光纤布织造方法与常规织布行业不同之处是综框提落的不是线或粗纱而是具有宽度和厚度的光纤片。 

使用本发明垫布在制作透光石材时，直接剪裁使用，透光性能好，发光造型自然连续，并且可增加石材强度。 

优选，分离器座体呈周期性起伏，每两个相邻台阶之间均设有分割针。 

进一步优选，光纤纬向分离器有6个，等间距设在主体轮外围；分离器座体的一个起伏周期为逐渐上升4个台阶后又逐渐下降4个台阶。缺口槽的宽度为30-50mm，缺口槽的深度为40-70mm。 

优选，主体轮的外径为100-800mm，每个台阶的高度为0.6-2cm，宽为2-3cm。 

分离器座体的起伏周期的数量根据所需光纤垫布的宽度等决定。 

连续光纤布织造方法与常规织布行业不同之处是综框提落的不是线或粗纱而是具有宽度和厚度的光纤片，连续光纤布织造方法包括：放丝(纱)→喂入→织造→卷取，对应的设备为丝筒架→停经架→喂入装置→综框→钢筘→梭子→布卷，根据光纤布与常规布料不同，光纤布的厚度通常为≥1mm，且无需单股密织，故连续光纤布生产中的综框设计与常规不同：常规综框作用是将经纱在织机上提上或落下，以利纬纱穿过，常规综框提落的是纱或线，而本方法提落的是光纤片，该光纤片具有一定的宽度和厚度，故综框提纱区间距大，且相邻综框所提取的纱是错位的，相邻两综框分别为第一综框和第二综框，第一综框提取的光纤片为1区、3区、5区、7区等单数区，而第二综框提取的光纤片为2区、4区、6区、8区等偶数区，这样梭子即可完成纬向编织。 

制造时可根据需要将垫布织造成各种形状或在垫布上制备各种图案，以增加所得石材的美感。 

申请人经研究发现：本发明垫布能增强人造透光石材强度的原因为：①构成玻璃光纤的原料是以SiO₂为主，含有Na₂O，CaO等金属氧化物，主要成分与石材成分基本一致，不会破坏石材均相结构；②直径为30μm-70μm直径光纤即利于浆液或不饱和树脂在光纤间浸透，又可保证起粘接效果的浆液或不饱和树脂在石材中的最佳含量，因为光纤直径过粗，相对比表面积小，浆液或不饱和树脂相对量不足，石材内粘接强度降低；光纤直径过细，相对比表面积大，但浆液或不饱和树脂不易浸透，粘接效果不佳，且直径细光透光率下降；③玻璃光纤表面化学处理后，在光纤表面形成与有机或无机连接的官能键，保证连接牢固性。 

本发明未提及的技术均为现有技术。 

本发明人造透光石材用增强型光纤垫布可在制作透光石材时，直接剪裁使用，方便实际操作，透光性能好，发光造型自然连续，随意性好，且可增加石材抗压和冲击强度；耐老化、耐酸碱、强度高、使用寿命长，与人造石材有着很好的结合力，利于光线采集，发光自然连续，并可显著增强石材强度，能展现人造透光石材的艺术或天然纹理；成本低廉、随意性好；本申请制备方法所用设备简单、操作方便。 

附图说明

图1为本发明人造透光石材用增强光纤垫布结构示意图。 

图2为本发明人造透光石材用增强光纤垫布收卷示意图。 

图3为机械织造非连续制备装置示意图。 

图4为收卷轮结构示意图。 

图5为光纤纬向分离器中分隔台阶示意图。 

图6为光纤纬向分离器作用下纬向形成的多位空洞示意图。 

图7为连续机械制备装置示意图。 

图8为连续光机械制备用综框结构示意图。 

图中，0为径向光纤片，1为纬向缝合玻璃纤维线，2为定型段，3为圆筒，4为光纤放线装置，5为张力控制装置，6为排线装置，7为收卷装置，71为主体轮，72为光纤纬向分离器，721为分离器座体，722为分割针，73为缺口槽，8为丝筒架，9为停经架， 10为喂入装置，11为综框，111为第一综框，112为第二综框，12为钢筘，13为梭子，14为布卷。 

具体实施例

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。 

实施例1 

人造透光石材用增强型光纤垫布，包括径向光纤片，径向光纤片上设有两道以上穿插于径向光纤片中、并将径向光纤片缝合为一体的纬向缝合玻璃纤维线；径向光纤片由两束以上的玻璃光纤束径向紧密连续排列而成，玻璃光纤束由两根以上的玻璃光纤单丝径向紧密连续排列而成，玻璃光纤单丝直径为50μm，玻璃光纤单丝表面设有化学增强层，径向光纤片一起由380000根长度1400mm为玻璃光纤单丝紧密排列而成，相邻两道纬向缝合玻璃纤维线之间的间距为5cm，纬向缝合玻璃纤维线共有28根；径向光纤片两端的端部均有长度为20mm的定型段。 

径向光纤片的宽为500cm，厚为1.5mm；纬向缝合玻璃纤维线的直径为1mm。 

化学增强层由KH-560和油类衍生物1140混合的酒精溶液制备而成，其中，酒精溶液中KH-560的质量含量为1％、油类衍生物1140的质量含量为2％，采用喷涂方法直接处理，再烘干。 

手工制备时，上述人造透光石材用增强型光纤垫布的制备方法，包括顺序相接的如下步骤： 

①将380000根光纤均匀分成100股光纤束，按经向紧密排列成宽度×长度为1.5×500mm径向光纤片； 

②在光纤片两端E＝20mm处用硅胶705先定型光纤，定型部长度5mm，待固化后，再在硅胶前的光纤片端头浸环氧E-51胶，整个定型部位长度为20mm； 

③通过采取人工缝制办法将直径为1mm的纬向缝合玻璃纤维线纬向等间距性穿引固定径向光纤片，纬线间距为5cm； 

④在光纤片下垫一层包装纸或直接收卷到卷筒上待用。 

上述人造透光石材用增强型光纤垫布还可通过如下非连续方法制备： 

所用装置包括顺序相接的光纤放线装置、张力控制装置、排线装置和收卷装置，收卷 装置包括收卷轮，收卷轮包括主体轮和沿主体轮外围轴向等间距设置的光纤纬向分离器，光纤纬向分离器有6个，光纤纬向分离器包括分离器座体和分割针，分离器座体为起伏的台阶状，且呈周期性起伏，分离器座体的一个起伏周期为逐渐上升4个台阶后又逐渐下降4个台阶，分割针分布在每两个相邻两台阶之间；主体轮的外围沿轴向设有缺口槽，缺口槽与光纤纬向分离器错开设置，缺口槽宽度为40mm，缺口槽的深度为55mm，主体轮直径为450mm，宽度为500mm； 

光纤纬向分离器中的分离器座体有间隔台阶4a、3a、2a、1a、0a、1b、2b、3b、4b、3c、2c、1c、0d、1d、2d、3d、4d、3e、2e、1e，台阶宽度为25mm，每阶台阶高度为10mm，相邻逐级递增或递减，且有周期性； 

制备方法包括顺序相接的如下步骤： 

①调试并开启各装置，将集束光纤丝筒固定于光纤放线装置的放丝架上； 

②光纤丝经过光纤放线装置放线后，依次经过张力控制装置和排线装置后缠绕在收卷装置的光纤纬向分离器上，完成人造透光石材用增强型光纤垫布的经向纺织，分割针使光纤纬向分离器上的光纤丝呈“梳状”，起伏的台阶使光纤丝之间形成多层孔位； 

③将引线杆固定好纬向缝合玻璃纤维线，分别引入5层孔洞0位孔，1位孔，2位孔，3位孔，4位孔； 

④调整相邻纬向缝合玻璃纤维线的间距，并将纬向缝合玻璃纤维线的始端和终端分别收紧固定好光纤垫布，完成人造透光石材用增强型光纤垫布的纬向编织； 

⑤在缺口槽处利用胶粘剂制备定型段，并在缺口槽处裁剪光纤垫布，收卷、待用； 

上述人造透光石材用增强型光纤垫布采用连续光纤布织造方法与织布行业内的织布方法一致，流程包括：放丝(纱)→喂入→织造→卷取，对应的设备为丝筒架8→停经架9→喂入装置10→综框11→钢筘12→梭子13→布卷14，生产中的综框11提纱区间隔为50mm宽，包括第一综框111和第二综框112，第一综框提取的光纤片为1区、3区、5区、7区等单数区，而第二综框提取的光纤片为2区、4区、6区、8区等偶数区。 

实施例2 

与实施例1基本相同，所不同的是：玻璃光纤单丝直径为30μm；径向光纤片的宽为30cm，厚为1mm；纬向缝合玻璃纤维线的直径为0.8mm。相邻两道纬向缝合玻璃纤维线之间的间距为4cm；缺口槽的宽度为30mm，缺口槽的深度为40mm；每个台阶的高度为0.6cm，宽为2cm； 

化学增强层由KH-560和油类衍生物1140混合的酒精溶液制备而成，其中，酒精溶液 中KH-560的质量含量为0.1％、油类衍生物1140的质量含量为0.1％。 

实施例3 

与实施例1基本相同，所不同的是：玻璃光纤单丝直径为70μm；径向光纤片的宽为100cm，厚为3mm；纬向缝合玻璃纤维线的直径为2mm。相邻两道纬向缝合玻璃纤维线之间的间距为8cm；缺口槽的宽度为50mm，缺口槽的深度为70mm；每个台阶的高度为2cm，宽为3cm； 

化学增强层由KH-560和油类衍生物1140混合的酒精溶液制备而成，其中，酒精溶液中KH-560的质量含量为5％、油类衍生物1140的质量含量为10％。 

采用上述各实施例所得到的垫布(机械非连续制造)制备大理石，具体工艺为在大理石浇注模具中，浇注一层大理石原料浆料，然后铺一层垫布，相邻两层垫布间隔为2cm，凝固成型后切割，切割方向垂直与垫布平铺的面，即纵向切割，切割后的规格为1200mmx900mmx15mm，大理石原料浆料、浇注模具及其它工艺均参照现有技术，所制备大理石的性能如表1所示，并采用现有技术中规格为1200mmx900mmx15mm的人造大理石作为对比。 

表1 用各实施例所得垫布所制备的大理石的性能表 

Claims (10)

1.一种人造透光石材用增强型光纤垫布，其特征在于：包括径向光纤片，径向光纤片上设有两道以上穿插于径向光纤片中、并将径向光纤片缝合为一体的纬向缝合玻璃纤维线；径向光纤片由两束以上的玻璃光纤束径向紧密连续排列而成，玻璃光纤束由两根以上的玻璃光纤单丝径向紧密连续排列而成，玻璃光纤单丝直径为30μm-70μm，玻璃光纤单丝表面设有化学增强层；径向光纤片至少一端的端部有长度不大于50mm的定型段。

2.如权利要求1所述的人造透光石材用增强型光纤垫布，其特征在于：径向光纤片的两端及中间均有长度不大于50mm的定型段。

3.如权利要求1或2所述的人造透光石材用增强型光纤垫布，其特征在于：径向光纤片的宽为30-100cm，厚为1-5mm；纬向缝合玻璃纤维线的直径为0.8-2mm，相邻两道纬向缝合玻璃纤维线之间的间距为4-8cm。

4.如权利要求1或2所述的人造透光石材用增强型光纤垫布，其特征在于：化学增强层由偶联剂和成膜剂的混合溶液喷涂或浸渍而成。

5.如权利要求4所述的人造透光石材用增强型光纤垫布，其特征在于：化学增强层由KH-560和油类衍生物1140混合的酒精溶液制备而成，其中，酒精溶液中KH-560的质量含量为0.1-5％、油类衍生物1140的质量含量为0.1-10％。

6.权利要求1-5任意一项所述的人造透光石材用增强型光纤垫布的制备方法，其特征在于：包括顺序相接的如下步骤：

①将玻璃光纤单丝径向紧密连续排列成玻璃光纤束，再将玻璃光纤束径向紧密连续排列成径向光纤片；

②通过胶粘剂或机械夹持或玻璃纤线缝合的方式在径向光纤片至少一端的端部制备长度不大于50mm的定型段；

③通过纬向缝合玻璃纤维线沿径向光纤片的纬向缝合径向光纤片，即得。

7.权利要求1-5任意一项所述的人造透光石材用增强型光纤垫布的制备方法，其特征在于：所用装置包括顺序相接的光纤放线装置、张力控制装置、排线装置和收卷装置，收卷装置包括收卷轮，收卷轮包括主体轮和沿主体轮外围轴向设置的光纤纬向分离器，光纤纬向分离器有两个以上，光纤纬向分离器包括分离器座体和分割针，分离器座体为起伏的台阶状、且沿主体轮外围的轴向设置，分割针分布在相邻两台阶之间；

人造透光石材用增强型光纤垫布的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：

①将集束光纤丝筒固定于光纤放线装置的放丝架上；

②光纤丝经过光纤放线装置放线后，依次经过张力控制装置和排线装置后缠绕在收卷装置的光纤纬向分离器上，完成人造透光石材用增强型光纤垫布的经向纺织，分割针使光纤纬向分离器上的光纤丝呈“梳状”，起伏的台阶使光纤丝之间形成多层孔位；

③将引线杆固定好纬向缝合玻璃纤维线，分别引入多层孔位；

④调整相邻纬向缝合玻璃纤维线的间距，并将纬向缝合玻璃纤维线的始端和终端分别收紧固定，完成人造透光石材用增强型光纤垫布的纬向编织；

⑤用胶粘剂或机械夹持或玻璃纤线缝合的方式制备定型段。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：主体轮的外围沿轴向设有缺口槽，缺口槽与光纤纬向分离器错开设置；

上述步骤⑤在缺口槽处利用胶粘剂或机械夹持或玻璃纤线缝合的方式制备定型段。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：分离器座体呈周期性起伏，每两个相邻台阶之间均设有分割针。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：光纤纬向分离器有6个，等间距设在主体轮外围；分离器座体的一个起伏周期为逐渐上升4个台阶后又逐渐下降4个台阶；缺口槽的宽度为30-50mm，缺口槽的深度为40-70mm；每个台阶的高度为0.6-2cm，宽为2-3cm。