CN105175594A - 一种光缆加强芯材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光缆加强芯材料，该加强芯材料由40-80重量份的连续玻璃纤维束与20-60重量份的复合树脂组成，复合树脂包括乙烯基树脂、自由基引发剂和石墨烯或氧化石墨烯纳米增强材料这三种物质。本发明关键在于使用表面功能化修饰的石墨烯或表面功能化的氧化石墨烯对乙烯基树脂进行增强增韧，得到高强度和韧性的玻纤-复合树脂加强芯，其优势在于石墨烯或氧化石墨烯的添加量低，增强增韧效果好，可大大地提高现有玻纤加强芯的品质，适用于高档光缆。

Description

一种光缆加强芯材料

技术领域

本发明涉及一种用于光缆加强芯的新材料，该材料属于光缆领域的关键材料，具有优异的强度和韧性，属于新材料科学与技术领域。

背景技术

光缆加强芯是光缆在施工和应用过程中不可或缺的关键材料，为光缆提供支撑和保护。光缆性脆，在实际应用过程中，需要有强度、韧性、抗弯性能等非常出色的材料提供支持。目前，市场上广泛使用加强芯来保护光缆，代表性的加强芯有两大类，一类是基于连续玻璃纤维的加强芯，一类是基于芳纶纤维的加强芯。

玻纤价格低廉，抗拉强度和模量高，但缺点是抗弯性能差，脆性大。因此，在实际应用当中，常将多股玻纤浸入树脂低聚物或预聚物，使树脂完全包覆玻纤后，加热固化，得到玻纤-树脂复合加强芯，这样的加强芯将玻纤的抗拉性能与树脂的抗弯韧性结合起来，被广泛地应用于光缆。常用的树脂包括双酚Ａ环氧树脂及其类似物。这里，决定加强芯强度和韧性的关键在于如何选择树脂。玻纤表面存在大量的羟基，可与树脂中的极性基团发生作用，对提高加强芯的性能有一定的帮助。但是，由于玻纤与树脂之间总体上不存在化学键，非共价作用对加强芯总体性能的贡献有限。而且，树脂固化后本身性质也比较脆，是导致此类加强芯总体上品质较低的根本原因。有些文献提出利用无机填料如纳米二氧化硅等对树脂进行增强和增韧，但总体效果不佳。根本原因在于无机填料所需要的添加量高，易团聚，或者纳米颗粒与基体树脂之间结合程度差，易发生分相，增强增韧效果有限，有些甚至会在树脂中形成缺陷，导致树脂性能下降。

玻纤加强芯的另一个问题是比重较大，长距离施工时，其自身重量很大，导致光缆弯曲度大，不利于长距离施工。

芳纶纤维具有强度大，比重轻的优势，是非常重要的高档加强芯材料，在光缆加强芯领域有逐步取代玻纤加强芯的优势。与玻纤加强芯的生产工艺相似，通常将多股芳纶（如凯夫拉）纤维浸入到树脂中，加热固化后，获得基于芳纶的加强芯。与玻纤加强芯相比，芳纶加强芯抗拉强度更大，拉伸模量高，抗弯性能更好，而且比重更低，特别适合长距离施工。但是芳纶纤维价格非常昂贵，其表面通常呈化学惰性，与树脂之间的结合力差，树脂性能与芳纶性能不匹配，导致无法充分发挥芳纶的优异性能。

将玻璃纤维与其它纤维复合，可提高纤维的强度和韧性。中国发明专利申请201410248684.7公开了一种电缆加强芯，将玄武岩纤维、玻璃纤维和碳纤维复合在酚醛树脂基体上，将玄武岩纤维和碳纤维的韧性与玻璃纤维的强度结合，得到适用于电缆的加强芯。该发明使用的酚醛树脂，是由邻苯二酚与甲醛以及其它化学试剂经高温缩合而成的热固性树脂，合成工艺复杂，固化时间长，而且大量使用甲醛等对人体有害的化学品，存在生产效率低、环保问题突出等问题。

综上所述，基体树脂的性能对于加强芯的综合性能至关重要，传统的无机复合技术无法进一步提高玻纤或芳纶加强芯材料的强度和韧性，无法满足实际应用中对高性能加强芯的需求。

因此，需要提供一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

针对现有加强芯材料的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种具有高强度和韧性的新型纳米复合加强芯材料。

为解决上述技术问题，本发明的一种光缆加强芯材料，该加强芯材料由40-80重量份的连续玻璃纤维束与20-60重量份的复合树脂组成，所述复合树脂包括乙烯基树脂、自由基引发剂和石墨烯或氧化石墨烯纳米增强材料这三种物质。

进一步的，所述的乙烯基树脂是双酚A-丙烯酸缩水甘油酯二醚、双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯二醚、双酚F-丙烯酸缩水甘油酯二醚或双酚F-甲基丙烯酸缩水甘油酯二醚。

进一步的，所述纳米增强材料为表面修饰的石墨烯或表面修饰的氧化石墨烯，石墨烯或氧化石墨烯与乙烯基树脂的质量比为1：10000至100：10000。

表面修饰的石墨烯，其表面由硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧乙氧基)-硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的一种修饰。

表面修饰的氧化石墨烯，其表面由硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧乙氧基)-硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的一种修饰。

进一步的，自由基引发剂为异丙苯过氧化氢、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢中的一种。

本发明的有益效果：本发明的加强芯材料由连续玻璃纤维束与复合树脂组成，复合树脂包括乙烯基树脂、自由基引发剂和石墨烯或氧化石墨烯纳米增强材料这三种物质，石墨烯或氧化石墨烯的添加量低，增强增韧效果好，可大大地提高现有玻纤加强芯的品质，适用于高档光缆。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。

本发明的一种光缆加强芯材料，该加强芯材料由40-80重量份的连续玻璃纤维束与20-60重量份的复合树脂组成，复合树脂包括乙烯基树脂、自由基引发剂和石墨烯或氧化石墨烯纳米增强材料这三种物质。

复合树脂中的乙烯基树脂是双酚A-丙烯酸缩水甘油酯二醚、双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯二醚、双酚F-丙烯酸缩水甘油酯二醚或双酚F-甲基丙烯酸缩水甘油酯二醚。

复合树脂中的纳米增强材料为表面修饰的石墨烯或表面修饰的氧化石墨烯，石墨烯或氧化石墨烯与乙烯基树脂的质量比为1：10000至100：10000。也就是说这里的乙烯基树脂占绝大多数（99%以上）。

表面修饰的石墨烯，其表面由硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧乙氧基)-硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的一种修饰。

表面修饰的氧化石墨烯，其表面由硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧乙氧基)-硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的一种修饰。

自由基引发剂为异丙苯过氧化氢、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢中的一种。

本发明所使用的加强芯纤维为连续玻璃纤维，树脂为双酚A-丙烯酸缩水甘油酯及其衍生物，或双酚F-丙烯酸缩水甘油酯及其衍生物。将这些树脂与自由基热引发剂，表面修饰石墨烯或表面修饰氧化石墨烯混合均匀，形成预浸树脂，其中，表面修饰石墨烯或表面修饰氧化石墨烯与树脂的质量比例为1：10000至100：10000。

石墨烯或氧化石墨烯是一种新型二维纳米材料，是由碳原子构成的厚度仅为一个原子的片状结构，具有极高的强度和模量，已经被广泛地应用于树脂的增强增韧。作为纳米增强材料，石墨烯或氧化石墨烯在树脂中的分散及其与基体树脂之间的相互作用是决定其复合材料增强增韧效果的关键因素。在良好分散的情况下，石墨烯对树脂的增强阈值远低于纳米氧化硅、碳纳米管等材料，也就是说，只需要添加极少量（如0.1~0.5wt%）的石墨烯，就可以达到显著的增强增韧效果。然而，由于石墨烯的比表面积大，二维尺寸远大于其厚度（单原子层），石墨烯极易团聚，而且不易在树脂基体中均匀分散，不仅会导致样品成色降低，而且不利于达到理想的增强增韧效果，成为应用过程中的一个重要难题。

本发明所使用的表面修饰石墨烯为氧化膨胀裂解法制备的高度剥离的石墨烯，为了确保石墨烯在树脂中均匀分散，将氧化裂解法获得的氧化石墨烯经充分还原后，与硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧乙氧基)-硅烷、或二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的一种反应，使偶联剂在表面发生水解后，化学接枝在石墨烯表面，这样，一方面，表面修饰的石墨烯与树脂性质相似，提高了相容性，经充分搅拌后，可实现稳定分散；另一方面，石墨烯表面含有双键官能团，经热引发后，可以与树脂发生自由基共聚合，与树脂成为一个整体。

本发明还可以使用表面修饰氧化石墨烯。所述的氧化石墨烯为氧化膨胀裂解法制备的高度剥离的石墨烯，为了确保氧化石墨烯在树脂中均匀分散，将氧化裂解法获得的氧化石墨烯与硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧乙氧基)-硅烷、或二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的一种反应，使偶联剂在表面发生水解后，化学接枝在氧化石墨烯表面，这样，一方面，表面修饰的氧化石墨烯与树脂性质相似，提高了相容性，经充分搅拌后，可实现稳定分散；另一方面，氧化石墨烯表面含有双键官能团，经热引发后，可以与树脂发生自由基共聚合，与树脂成为一个整体。

如上所述，氧化石墨烯或石墨烯在基体中均匀分散并且与基体树脂以共价键结合，只需要添加极少的量，就能够将加强芯的抗拉强度提高10-30%，拉伸模量提高13-36%，弯曲模量提高15-30%。由于石墨烯添加量极低，不影响加强芯的颜色和外观。

本发明的光缆加强芯材料，由连续玻璃纤维束与复合树脂组成，复合树脂包括乙烯基树脂、自由基引发剂和石墨烯或氧化石墨烯纳米增强材料这三种物质，其中，纳米增强材料使用表面功能化修饰的石墨烯或表面功能化的氧化石墨烯对乙烯基树脂进行增强增韧，增强增韧效果好，可大大地提高现有玻纤加强芯的品质，适用于高档光缆。

Claims (6)

1.一种光缆加强芯材料，其特征在于，该加强芯材料由40-80重量份的连续玻璃纤维束与20-60重量份的复合树脂组成，所述复合树脂包括乙烯基树脂、自由基引发剂和石墨烯或氧化石墨烯纳米增强材料这三种物质。

2.根据权利要求1所述的一种光缆加强芯材料，其特征在于：所述的乙烯基树脂是双酚A-丙烯酸缩水甘油酯二醚、双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯二醚、双酚F-丙烯酸缩水甘油酯二醚或双酚F-甲基丙烯酸缩水甘油酯二醚。

3.根据权利要求1所述的一种光缆加强芯材料，其特征在于：所述纳米增强材料为表面修饰的石墨烯或表面修饰的氧化石墨烯，石墨烯或氧化石墨烯与乙烯基树脂的质量比为1：10000至100：10000。

4.根据权利要求3所述的一种光缆加强芯材料，其特征在于：表面修饰的石墨烯，其表面由硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧乙氧基)-硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的一种修饰。

5.根据权利要求3所述的一种光缆加强芯材料，其特征在于：表面修饰的氧化石墨烯，其表面由硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三-(2-甲氧乙氧基)-硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的一种修饰。

6.根据权利要求1所述的一种光缆加强芯材料，其特征在于：所述自由基引发剂为异丙苯过氧化氢、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢中的一种。