CN104927307A - 用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法，采用成膜剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2粒子和水制得的纳米改性浸润剂的混合乳液，以成膜剂为主，其制备步骤是使用水将粘结剂稀释后，加入偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2粒子等，混合充分后再搅拌得到纳米改性浸润剂成品，主要用于玄武岩纤维的涂层使用，除具有良好浸透性、稳定性外，还具有改善玄武岩纤维集束性、耐磨性的作用，能提高玄武岩纤维的力学性能，在断裂强力、拉伸性能和剪切强度上均有提高。
Description
技术领域
本发明属于复合材料的制备领域，具体的说，是用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法。
背景技术
在现有的复合材料领域，作为复合材料增强体的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、聚乙烯纤维等，但由于价格因素的限制，大部分纤维都只用于军事领域，只有玻璃纤维还广泛应用于民用领域，但在实际应用过程中，玻璃纤维作为复合材料增强体还存在一定的缺陷，如：
（1）玻璃纤维的生产过程能耗较大，不利于节能环保；
（2）玻璃纤维的制备工艺对对人体有害，尤其是玻璃纤维毛会对人体皮肤产生刺激作用，吸入人体后不能被分解或吸收，很可能引起肺部疾病甚至产生癌变；
（3）环境污染大，玻璃纤维复合材料废弃后不能回收利用或自然降解，不利于环境的保护，等等。
当然，为克服上述复合材料增强体的使用缺陷，人们提出了采用玄武岩纤维作为复合材料增强体的使用，对于玄武岩纤维我们知道，它是以天然火山喷出岩为原料，在1450～1500℃的高温下熔融后，通过铂锗合金拉丝漏板拉丝制造而成的连续纤维，具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、耐酸碱、抗辐射、电绝缘、绝热隔声、过滤性好、抗压强度高、减震和剪切强度高等诸多优良性能，同时，也是一种新型的环保纤维。
目前，常用的玄武岩纤维浸润剂有环氧乳液、聚氨酯乳液和聚酯乳液三种，研究表明，现有的三种玄武岩纤维浸润剂在实际应用时还存在一定局限性，如：聚氨酯乳液作为浸润剂在碱环境中溶液水解，聚酯乳液作为浸润剂则适用在纺织时使用。现有专利文献CN102432733.A（一种用于玄武岩纤维浸润剂的阳离子型乳液及其制备方法，2012.05.02）揭示了一种可用作玄武岩纤维浸润剂和玻璃纤维浸润剂中成膜剂使用的离子型乳液，具有合成成本低，能与浸润剂中的其他组份互溶，能使浸润剂表现良好的浸透性和稳定性。
为提高现有复合材料产品的特性，浸润剂的研制还在不断改进。
发明内容
本发明的目的在于提供用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法，采用成膜剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2粒子和水混合制得，主要用于玄武岩纤维的涂层使用，除具有良好浸透性、稳定性外，还具有改善玄武岩纤维集束性、耐磨性的作用，改性纳米SiO2粒子能充分的在浸润剂体系中分散，得到均匀稳定的纳米改性浸润剂，从而提高玄武岩纤维的力学性能，在断裂强力、拉伸性能和剪切强度上均有提高。
本发明通过下述技术方案实现：用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法，其特征在于：所述的纳米改性浸润剂是由成膜剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2粒子和水制得的混合乳液，其制备步骤如下：
A：由环氧树脂单体在乳化剂存在的情况下经聚合而制得成膜剂，备用，所述成膜剂的粒径控制在0.15～0.75μm，浓度控制在45～52%；
B：使用H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物作为偶联剂，备用；
C：使用脂肪酸酰胺、聚酯、合成酯、羧酸中的一种或两种以上组成的混合物作为润滑剂，备用；
D：使用水将步骤A制得的成膜剂用水稀释至40～55%浓度，搅拌均匀后，依次加入步骤B选择的H2N-硅烷偶联剂和步骤C制得的润滑剂，混合充分后再搅拌混合1～2h，得到浸润剂乳液，在该浸润剂乳液中添加改性纳米SiO2粒子，在高速搅拌器中以800～1200r/min的转度混合1～2h，得到纳米改性浸润剂。
本发明涉及的浸润剂是以成膜剂为主，再配以适当比例的偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2粒子和水制成，成膜剂由环氧树脂制备得到聚合乳液，该聚合乳液粒径适中，与其他助剂结合后，表现出来良好的铺展性，能够提高玄武岩纤维的表面性能、力学性能以及复合材料性能，适用性强。改性纳米SiO2粒子能充分分散在浸润剂的体系中，得到均匀稳定的纳米改性浸润剂。
按百分比计，所述的纳米改性浸润剂包含有45～58%的成膜剂、6～15%的偶联剂、1～3%的润滑剂、5～8%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
为更好的实现本发明，在所述的步骤A中，使用的乳化剂的结构式满足：
。
为方便与其他组份相混合，本发明涉及的偶联剂首先使用去离子水水解，醋酸调节PH值后，再加入与其他组份一并加入成膜剂中，用于制备浸润剂，因此，在所述的步骤B中，还包括对偶联剂的稀释：在H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物中依次加入去离子水和醋酸，混合搅拌后制得的PH值为4～6的水解溶液，按质量比计，去离子水：醋酸：偶联剂=（20～40）：（1～1.5）：（2～2.5）。
进一步的，在所述的步骤B中，按质量比计，H2N-硅烷偶联剂：H2NCONH-硅烷偶联剂=1：（0.5～1.8）。
本发明涉及的润滑剂具有良好的润滑效果，同时又兼具良好的有机抗静电性能，在所述的步骤C中，使用水将润滑剂配制而成的浓度为50～60%的混合液后，备用。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明涉及的浸润剂是以成膜剂为主，再配以适当比例的偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2粒子和水制成，用于玄武岩纤维的涂层使用，除具有良好浸透性、稳定性外，还具有改善玄武岩纤维集束性、耐磨性的作用，改性纳米SiO2粒子能充分的在浸润剂体系中分散，得到均匀稳定的纳米改性浸润剂，从而提高玄武岩纤维的力学性能，在断裂强力、拉伸性能和剪切强度上均有提高。
（2）本发明涉及的成膜剂是由环氧树脂为基料，与乳化剂缩合反应后制备得到聚合乳液，该聚合乳液粒径适中，与其他助剂结合后，表现出来良好的铺展性，能够提高玄武岩纤维的表面性能、力学性能以及复合材料性能，适用性强。
（3）本发明使用偶联剂的目的是做增粘剂使用，即可避免浸润剂体系中粒子集结及聚合物极具稠化，还可提高有机聚合物对强补填料的湿润性，通常使用H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂，浸润剂中所占成分为6～15%。
（4）本发明涉及的润滑剂具有良好的润滑效果，同时又兼具良好的有机抗静电性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本实施例涉及的纳米改性浸润剂的制备方法包括以下步骤：
A：由环氧树脂单体在乳化剂存在的情况下经聚合而制得成膜剂，备用，成膜剂的粒径控制在0.15μm，浓度控制在45%；
B：使用H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物作为偶联剂，备用；
C：使用脂肪酸酰胺作为润滑剂，备用；
D：使用水将步骤A制得的成膜剂用水稀释至40%浓度，搅拌均匀后，依次加入步骤B选择的H2N-硅烷偶联剂和步骤C制得的润滑剂，混合充分后再搅拌混合1h，得到浸润剂乳液，在该浸润剂乳液中添加改性纳米SiO2粒子，在高速搅拌器中以800r/min的转度混合1h，得到纳米改性浸润剂。
按百分比计，上述制备方法获得的纳米改性浸润剂包含有45%的成膜剂、6%的偶联剂、1%的润滑剂、5%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例2：
本实施例涉及的纳米改性浸润剂的制备方法包括以下步骤：
A：由环氧树脂单体在乳化剂存在的情况下经聚合而制得成膜剂，备用，成膜剂的粒径控制在0.75μm，浓度控制在52%；
B：使用H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物作为偶联剂，备用；
C：使用脂肪酸酰胺、聚酯、合成酯和羧酸组成的混合物作为润滑剂，备用，脂肪酸酰胺、聚酯、合成酯和羧酸的质量比为1：3：2：2；
D：使用水将步骤A制得的成膜剂用水稀释至55%浓度，搅拌均匀后，依次加入步骤B选择的H2N-硅烷偶联剂和步骤C制得的润滑剂，混合充分后再搅拌混合2h，得到浸润剂乳液，在该浸润剂乳液中添加改性纳米SiO2粒子，在高速搅拌器中以1200r/min的转度混合2h，得到纳米改性浸润剂。
按百分比计，上述制备方法获得的纳米改性浸润剂包含有58%的成膜剂、15%的偶联剂、3%的润滑剂、8%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例3：
本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例涉及的步骤A中，使用的乳化剂的结构式满足：
。
按百分比计，本实施例获得的纳米改性浸润剂包含有48%的成膜剂、8%的偶联剂、1.2%的润滑剂、5.5%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例4：
本实施例与实施例2的区别在于：在本实施例涉及的步骤A中，使用的乳化剂的结构式满足：
。
按百分比计，本实施例获得的纳米改性浸润剂包含有50%的成膜剂、12%的偶联剂、2%的润滑剂、5.8%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例5：
本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例涉及的步骤B中，还包括对偶联剂的稀释：在H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物中依次加入去离子水和醋酸，混合搅拌后制得的PH值为4的水解溶液，按质量比计，去离子水：醋酸：偶联剂=20：1：2。
按百分比计，本实施例获得的纳米改性浸润剂包含有50%的成膜剂、10%的偶联剂、2.2%的润滑剂、6%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例6：
本实施例与实施例2的区别在于：在本实施例涉及的步骤B中，还包括对偶联剂的稀释：在H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物中依次加入去离子水和醋酸，混合搅拌后制得的PH值为6的水解溶液，按质量比计，去离子水：醋酸：偶联剂=40：1.5：2.5。
按百分比计，本实施例获得的纳米改性浸润剂包含有55%的成膜剂、12%的偶联剂、2%的润滑剂、6.5%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例7：
本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例涉及的步骤B中，使用的H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂的质量比为1：0.5。
按百分比计，本实施例获得的纳米改性浸润剂包含有52%的成膜剂、11%的偶联剂、2.6%的润滑剂、6.8%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例8：
本实施例与实施例2的区别在于：在本实施例涉及的步骤B中，使用的H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂的质量比为1：1.8。
按百分比计，本实施例获得的纳米改性浸润剂包含有55%的成膜剂、12的偶联剂、1.8%的润滑剂、7%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例9：
本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例涉及的步骤C中，使用水将润滑剂配制而成的浓度为50%的混合液后，备用。
按百分比计，本实施例获得的纳米改性浸润剂包含有55%的成膜剂、12%的偶联剂、2.8%的润滑剂、5.5%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例10：
本实施例与实施例2的区别在于：在本实施例涉及的步骤C中，使用水将润滑剂配制而成的浓度为60%的混合液后，备用。
按百分比计，本实施例获得的纳米改性浸润剂包含有56%的成膜剂、11%的偶联剂、2%的润滑剂、6%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例11：
本实施例涉及的纳米改性浸润剂的制备方法包括以下步骤：
A：由环氧树脂单体在乳化剂存在的情况下经聚合而制得成膜剂，备用，成膜剂的粒径控制在0.35μm，浓度控制在50%，使用的乳化剂的结构式满足：
；
B：制备偶联剂，使用质量比为1：1.5的H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物作为偶联剂，在该偶联剂中依次加入去离子水和醋酸，混合搅拌后制得的PH值为5的水解溶液，备用，按质量比计，去离子水：醋酸：偶联剂=30：1：2.2；
C：使用脂肪酸酰胺和聚酯组成的混合物作为润滑剂，备用，脂肪酸酰胺和聚酯的质量比为2：1；
D：使用水将步骤A制得的成膜剂用水稀释至55%浓度，搅拌均匀后，依次加入步骤B选择的H2N-硅烷偶联剂和步骤C制得的润滑剂，混合充分后再搅拌混合1.5h，得到浸润剂乳液，在该浸润剂乳液中添加改性纳米SiO2粒子，在高速搅拌器中以900r/min的转度混合1.5h，得到纳米改性浸润剂。
按百分比计，上述制备方法获得的纳米改性浸润剂包含有48%的成膜剂、12%的偶联剂、2.5%的润滑剂、8%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例12：
本实施例涉及的纳米改性浸润剂的制备方法包括以下步骤：
A：由环氧树脂单体在乳化剂存在的情况下经聚合而制得成膜剂，备用，成膜剂的粒径控制在0.25μm，浓度控制在48%，使用的乳化剂的结构式满足：
；
B：制备偶联剂，使用质量比为1：1.5的H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物作为偶联剂，在该偶联剂中依次加入去离子水和醋酸，混合搅拌后制得的PH值为5.5的水解溶液，备用，按质量比计，去离子水：醋酸：偶联剂=35：1.2：2.3；
C：使用聚酯、合成酯和羧酸组成的混合物作为润滑剂，备用，聚酯、合成酯和羧酸的质量比为1：3：1；
D：使用水将步骤A制得的成膜剂用水稀释至45%浓度，搅拌均匀后，依次加入步骤B选择的H2N-硅烷偶联剂和步骤C制得的润滑剂，混合充分后再搅拌混合1h，得到浸润剂乳液，在该浸润剂乳液中添加改性纳米SiO2粒子，在高速搅拌器中以1000r/min的转度混合1.5h，得到纳米改性浸润剂。
按百分比计，上述制备方法获得的纳米改性浸润剂包含有48%的成膜剂、11%的偶联剂、1.5%的润滑剂、6.5%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
实施例13：
本实施例涉及的纳米改性浸润剂的制备方法包括以下步骤：
A：由环氧树脂单体在乳化剂存在的情况下经聚合而制得成膜剂，备用，成膜剂的粒径控制在0.33μm，浓度控制在50%，使用的乳化剂的结构式满足：
；
B：制备偶联剂，使用质量比为1：1.5的H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物作为偶联剂，在该偶联剂中依次加入去离子水和醋酸，混合搅拌后制得的PH值为5的水解溶液，备用，按质量比计，去离子水：醋酸：偶联剂=25：1.5：2；
C：使用合成酯作为润滑剂，备用；
D：使用水将步骤A制得的成膜剂用水稀释至45%浓度，搅拌均匀后，依次加入步骤B选择的H2N-硅烷偶联剂和步骤C制得的润滑剂，混合充分后再搅拌混合1.5h，得到浸润剂乳液，在该浸润剂乳液中添加改性纳米SiO2粒子，在高速搅拌器中以1100r/min的转度混合2h，得到纳米改性浸润剂。
按百分比计，上述制备方法获得的纳米改性浸润剂包含有56%的成膜剂、12%的偶联剂、2.5%的润滑剂、7.2%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法，其特征在于：所述的纳米改性浸润剂是由成膜剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2粒子和水制得的混合乳液，其制备步骤如下：
A：由环氧树脂单体在乳化剂存在的情况下经聚合而制得成膜剂，备用，所述成膜剂的粒径控制在0.15～0.75μm，浓度控制在45～52%；
B：使用H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物作为偶联剂，备用；
C：使用脂肪酸酰胺、聚酯、合成酯、羧酸中的一种或两种以上组成的混合物作为润滑剂，备用；
D：使用水将步骤A制得的成膜剂用水稀释至40～55%浓度，搅拌均匀后，依次加入步骤B选择的H2N-硅烷偶联剂和步骤C制得的润滑剂，混合充分后再搅拌混合1～2h，得到浸润剂乳液，在该浸润剂乳液中添加改性纳米SiO2粒子，在高速搅拌器中以800～1200r/min的转度混合1～2h，得到纳米改性浸润剂。
2.根据权利要求1所述的用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法，其特征在于：按百分比计，所述的纳米改性浸润剂包含有45～58%的成膜剂、6～15%的偶联剂、1～3%的润滑剂、5～8%的改性纳米SiO2粒子，其余为水。
3.根据权利要求1所述的用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法，其特征在于：在所述的步骤A中，使用的乳化剂的结构式满足：
。
4.根据权利要求1所述的用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法，其特征在于：在所述的步骤B中，还包括对偶联剂的稀释：在H2N-硅烷偶联剂和H2NCONH-硅烷偶联剂组成的混合物中依次加入去离子水和醋酸，混合搅拌后制得的PH值为4～6的水解溶液，按质量比计，去离子水：醋酸：偶联剂=（20～40）：（1～1.5）：（2～2.5）。
5.根据权利要求1所述的用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法，其特征在于：在所述的步骤B中，按质量比计，H2N-硅烷偶联剂：H2NCONH-硅烷偶联剂=1：（0.5～1.8）。
6.根据权利要求1所述的用于玄武岩纤维的纳米改性浸润剂的制备方法，其特征在于：在所述的步骤C中，使用水将润滑剂配制而成的浓度为50～60%的混合液后，备用。
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