CN105818398A - 一种短切纤维分散体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种短切纤维分散体及其制备方法属于纤维织物材料领域。采用生物基来源表面改性剂及生物基增稠剂协同作用促进短切纤维在水中的分散。生物基来源表面改性剂为多巴胺，所述生物基增稠剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、明胶、木质素磺酸钠中的一种或多种。本发明通过有效调控纤维表面羟基和胺基的含量范围，显著提高了纤维表面活性与亲水性，从而大大提高了纤维在水中的分散性；多巴胺及生物基增稠剂都是绿色环保，对环境友好的低成本材料，且其用于纤维表面改性时条件温和、易于控制，生产效率高。制备的短切纤维在水中的分散性优异，有利于制备结构均一的纤维纸或纤维毡等产品。

Description

一种短切纤维分散体及其制备方法
技术领域
本发明属于纤维织物材料领域，特别涉及一种短切纤维分散体及其制备方法。
背景技术
短切纤维增强复合材料不仅具有一般纤维增强复合材料的优点，如抗腐蚀、耐疲劳、高比强度和比模量、较好的热稳定性以及可设计性等特点，同时具有加工工艺简单，生产成本较低等优点，已经越来越受到工业界及学术界的广泛关注。
大部分短切纤维，包括碳纤维、玻璃纤维等其表面都具有较强的疏水性能，在生产制备短切纤维制品过程中有极强的絮聚倾向，因此，短切纤维在水中或分散介质中均匀分散是制备高性能短切纤维制品的前提和关键。
通常来说，提高短切纤维分散性主要通过以下两种途径实现：第一种是通过氧化、化学接枝或者等离子处理等手段对纤维表面进行改性处理，以改变纤维表面的化学惰性，改善纤维的润湿性，提高纤维分散性。但目前文献中报道的这些方法其改性过程中反应速度较快，难于控制，且极易损伤纤维表面结构，从而降低纤维本身力学性能。此外，在改性过程中使用的化学试剂污染环境，进而可能会造成生态环境的破坏。第二种途径是通过添加分散剂来提高纤维分散介质的黏度，降低纤维悬浮液的表面张力，提高纤维表面的润湿性，从而提高纤维在介质中的分散性。王虹等人(高科技纤维与应用，2010，35(4):35)采用聚氧化乙烯、阴离子聚丙烯酰胺和聚氨酯型三种不同的分散剂来研究对短切碳纤维在水中分散性的影响，研究发现，以阴离子聚丙烯酰胺和聚氨酯型分散剂复配使用分散效果最佳。但目前这种方法中使用的分散剂聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯等在使用过程中同样会引起环境严重污染，不利于生态环境的可持续发展。所以，开发一种简单、可控、高效、绿色环保的纤维表面改性方法，提高纤维表面活性，改善纤维表面润湿性，是实现短切纤维均匀分散及其进一步应用亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短切纤维分散体及其制备方法，采用生物基来源表面改性剂多巴胺与生物基增稠剂的共同作用，解决纤维表面呈化学惰性，亲水性较差，在水中易发生团聚，分散性较差的问题。
所述生物基来源表面改性剂为多巴胺，所述生物基增稠剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、明胶、木质素磺酸钠中的一种或多种。
本发明具体技术内容如下：
所述一种短切纤维分散体的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(一)表面改性过程：首先将短切纤维浸没与水中并超声，超声功率为200-600w，超声时间为5-40min，然后减小超声功率至50-300w,加入多巴胺改性剂，其加入量为短切碳纤维加入重量的5-50％，并用Tris-HCl调节溶液的pH值至8.0-10.0，在室温下(20-25℃)超声反应6-12h，最后经洗涤、干燥处理制得多巴胺改性短切纤维，其中多巴胺改性短切纤维表面的胺基含量为0.05-1.0％，羟基含量为0.1-4.5％，该表面改性过程中为防止超声对纤维表面的破坏以及防止表面改性过热反应的影响，超声过程均采用间歇式超声，每隔30-60秒超声5-10秒；
(二)分散过程：首先将分散剂加入水中，其加入量为5-20g/L(所有加入量都以水的体积为基准)，并搅拌至黏度为0.5-10.0Pa.s，其搅拌速度为100-300r/min，搅拌时间为10-100min至形成黏稠状分散液，然后加入改性后的短切纤维，其加入量为0.1g/L-20g/L，同时加入消泡剂，其加入量为0.001-0.01g/L,并调高搅拌速度至500-2000r/min，继续搅拌5-60min，制得短切纤维在分散介质中呈单丝状分散的分散液。
所述生物基来源表面改性剂为多巴胺，其在纤维表面形成一层聚多巴胺涂层，增强纤维表面活性，并提高其亲水性能，利于纤维在分散介质中的分散；所述生物基增稠剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、明胶、木质素磺酸钠中的一种或多种，用以提高水的黏度，提高在旋转搅拌过程中对短切纤维的剪切作用力，形成对团聚纤维的剥离作用，促进短切纤维的分散，同时，黏性液体能在一定程度上抑制纤维的运动，减少纤维之间的缠结机会，利于良好分散体的形成。
所述短切纤维为短切碳纤维、短切玻璃纤维、短切聚酰亚胺纤维、短切尼龙纤维、短切芳纶纤维、短切超高分子量纤维、短切丙纶纤维、短切涤纶纤维中的一种或多种，纤维长度为0.05-20mm；所述消泡剂为高级脂肪酸、高级脂肪醇、聚丙二醇、磷酸三丁酯中的一种或多种。消泡剂加入量以水的体积为基准为0.001-0.01g/L。
所述一种短切纤维分散体及其制备方法在抄造纤维纸、湿法制备短切纤维薄毡以及湿法制备短切纤维取向毡方面的应用。
发明效果
本发明具有如下优点及效果：(1)本发明通过有效调控纤维表面羟基和胺基的含量范围，显著提高了纤维表面活性与亲水性，从而大大提高了纤维在水中的分散性；(2)本发明中所采用的试剂多巴胺及生物基增稠剂都是绿色环保，对环境友好的低成本材料，且其用于纤维表面改性时条件温和、易于控制，生产效率高。(3)本发明制备的短切纤维在水中的分散性优异，有利于制备结构均一的纤维纸或纤维毡等产品。
附图说明
图1是短切碳纤维多巴胺改性前后其表面与水的接触角表征图；
图2是短切碳纤维分散体分散性照片；
图3短切碳纤维无规毡照片；
图4短切碳纤维取向毡照片；
具体实施方式：
通过以下实施例对本发明的实施方案进行详细说明，但本发明不限于以下实施例。本实施例中所有粘度均采用美国博勒飞DV-III旋转粘度仪进行测量，转子为21号转子，扭矩在75-80％，测试温度为30℃；所有表面接触角在室温条件下(22-27℃，相对湿度45％-50％)，采用躺滴法在OCA20型接触角测量仪(Dataphysics公司，德国)上进行测量，测量过程中待液滴稳定后，接触角分析采用切数法读数，测量误差在±2°，每个测试数据重复10次；分散度β根据变动系数来表示：
其中,xmi分散体第i个位置中单丝状纤维的数量占该位置总纤维数量百分比(i≥10)，为不同位置中单丝状纤维百分比的平均值，为变动系数,β为分散度，β越接近于1，分散度越好，β越接近于0，分散性越差。
实施例1：
本发明一种短切纤维分散体及其制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(一)表面改性过程：首先将短切碳纤维(纤维长度为4mm)浸没与水中并超声40min，超声功率为200w，每隔30秒超声10秒，然后减小超声功率至100w,每隔60秒超声10秒，并加入多巴胺改性剂，其加入量为短切碳纤维加入量的5％，并用Tris-HCl调节溶液的pH值至8.5，在室温下(25℃)超声反应6h，制得多巴胺改性短切碳纤维；其中，多巴胺改性短切碳纤维后其表面羟基含量为0.1％(质量百分比含量，以下实例同)，氨基含量为0.05％(质量百分比含量，以下实例同)；并对碳纤维以及多巴胺改性后的碳纤维接触角表征，碳纤维与水的接触角为143.5°，多巴胺改性后碳纤维的接触角为115.8°，提高了碳纤维表面的亲水性(如图1所示)；
(二)分散过程：首先将羟乙基纤维素分散剂加入水中，其加入量为5g/L，并搅拌至黏度为0.5-1.0Pa.s，其搅拌速度为200r/min，搅拌时间为10min，然后加入改性后的短切纤维，其加入量为1g/L，同时加入少量消泡剂磷酸三丁酯，其加入量为0.001g/L，并调高搅拌速度至400r/min，继续搅拌30min，制得分散性优异短切纤维分散体(如图2所示)，并测得其分散度β为0.96，分散性较好，同时利用此分散体制得的无规毡制品(如图3所示)结构均一，纤维在制品中均匀分散，此外利用此分散体制备的短切纤维取向毡，其取向性较好，沿取向方向±10°范围内具有96％的纤维取向程度。
实施例2：
本发明一种短切纤维分散体及其制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(一)表面改性过程：首先将短切玻璃纤维(纤维长度为8mm)浸没与水中并超声20min，超声功率为400w，然后减小超声功率至150w,加入多巴胺改性剂，其加入量为短切玻璃纤维加入量的50％，并用Tris-HCl调节溶液的pH值至9.0，在室温下(25℃)超声反应12h，制得多巴胺改性短切纤维，改表面过程中其超声过程均采用每隔50秒超声10秒；其中，多巴胺改性短切玻璃纤维后其表面羟基含量为4.5％，氨基含量为1.0％；并对短切玻璃纤维以及多巴胺改性后的短切玻璃纤维接触角进行表征，玻璃纤维与水的接触角为130.3°，多巴胺改性后玻璃纤维的接触角为87.9°，提高了短切玻璃纤维表面亲水性；
(二)分散过程：首先将甲基纤维素分散剂加入水中，其加入量为20g/L，并搅拌至黏度为9.0-10.0Pa.s，其搅拌速度为300r/min，搅拌时间为100min，然后加入改性后的短切玻璃纤维，其加入量为20g/L，同时加入少量消泡剂聚丙二醇，其加入量为0.005g/L，并调高搅拌速度至2000r/min，继续搅拌20min，制得分散性优异短切玻璃纤维分散体，并测得其分散度β为0.94。
实施例3：
本发明一种短切纤维分散体及其制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(一)表面改性过程：首先将短切聚酰亚胺纤维(纤维长度为0.05mm)浸没与水中并超声5min，超声功率为200w，每隔40秒超声10秒，然后减小超声功率至50w,每隔60秒超声10秒，然后加入多巴胺改性剂，其加入量为短切聚酰亚胺纤维加入量的10％，并用Tris-HCl调节溶液的pH值至8.0，在室温下(22℃)超声反应10h，制得多巴胺改性短切聚酰亚胺纤维；其中，多巴胺改性短切聚酰亚胺纤维后其表面羟基含量为0.23％，氨基含量为0.09％；并对短切聚酰亚胺纤维以及多巴胺改性后的短切聚酰亚胺纤维接触角进行表征，聚酰亚胺纤维与水的接触角为127.8°，多巴胺改性后聚酰亚胺纤维与水的接触角为100.4°，提高了聚酰亚胺纤维表面亲水性；
(二)分散过程：首先将羟丙基纤维素分散剂加入水中，其加入量为10g/L，并搅拌至黏度为2.5-3.5Pa.s，为搅拌速度为250r/min，搅拌时间为30min，然后加入改性后的短切聚酰亚胺纤维，其加入量为5g/L，同时加入少量消泡剂磷酸三丁酯，其加入量为0.01g/L，并调高搅拌速度至800r/min，继续搅拌5min，制得分散性优异短切纤维分散体,期测得分散程度β为0.985。
实施例4：
本发明一种短切纤维分散体及其制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(一)表面改性过程：首先将短切尼龙纤维(纤维长度为20mm)浸没与水中并超声40min，超声功率为600w，然后减小超声功率至300w,加入多巴胺改性剂，其加入量为短切碳纤维加入量的15％，并用Tris-HCl调节溶液的pH值至10.0，在室温下(26℃)超声反应10h，制得多巴胺改性短切尼龙纤维，该表面过程中采用的超声过程均采用间歇超声方式，每隔30秒超声5秒；其中，多巴胺改性短切尼龙纤维后其表面羟基含量为0.87％，氨基含量为0.23％；并对短切尼龙纤维以及多巴胺改性后的短切尼龙纤维接触角进行表征，短切尼龙纤维与水的接触角为131.4°，多巴胺改性后短切尼龙纤维与水的接触角为95.5°，提高了短切尼龙纤维表面亲水性；
(二)分散过程：首先将羧甲基纤维素钠分散剂加入水中，其加入量为8g/L，并搅拌至黏度为0.8-1.3Pa.s，其搅拌速度为200r/min，搅拌时间为50min，然后加入改性后的短切尼龙纤维，其加入量为0.1g/L，同时加入少量消泡剂聚丙二醇，其加入量为0.008g/L，并调高搅拌速度至700r/min，继续搅拌30min，制得分散性优异短切纤维分散体,并测得其分散程度β为0.908。
实施例5：
本发明一种短切纤维分散体及其制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(一)表面改性过程：首先将短切涤纶纤维(纤维长度为12mm)浸没与水中并超声30min，超声功率为500w，然后减小超声功率至100w,加入多巴胺改性剂，其加入量为短切涤纶纤维加入量的25％，并用Tris-HCl调节溶液的pH值至8.7，在室温下(25℃)超声反应12h，制得多巴胺改性短切涤纶纤维，表面改性过程中采用的超声方式是间歇超声，每隔40秒超声5秒；其中，多巴胺改性短切涤纶纤维后其表面羟基含量为2.8％，氨基含量为0.65％；并对短切涤纶纤维以及多巴胺改性后的短切涤纶纤维接触角进行表征，短切涤纶纤维与水的接触角为126.6°，多巴胺改性后短切涤纶纤维与水的接触角为87.7°，提高了短切涤纶纤维表面亲水性；
(二)分散过程：首先将木质素磺酸钠分散剂加入水中，其加入量为8g/L，并搅拌至黏度为1.0-1.5Pa.s，其搅拌速度为100r/min，搅拌时间为60min，然后加入改性后的短切涤纶纤维，其加入量为6g/L，同时加入少量消泡剂磷酸三丁酯，其加入量为0.003g/L，并调高搅拌速度至800r/min，继续搅拌40min，制得分散性优异短切涤纶纤维分散体，并测得其分散程度β为0.948。

Claims (7)

1.一种短切纤维分散体的制备方法，其特征在于采用生物基来源表面改性剂及生物基增稠剂协同作用促进短切纤维在水中的分散。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述生物基来源表面改性剂为多巴胺，所述生物基增稠剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、明胶、木质素磺酸钠中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(一)表面改性过程：首先将短切纤维浸没于水中并超声，超声功率为200-600w，超声时间为5-40min，然后减小超声功率至50-300w,加入多巴胺改性剂，并调节溶液的pH值至8.0-10.0，在20-25℃超声反应6-12h，最后经洗涤、干燥处理制得多巴胺改性短切纤维；
(二)分散过程：首先将分散剂加入水中搅拌分散，其搅拌速度为100-300r/min，搅拌时间为10-100min，搅拌至黏度为0.5-10.0Pa.s然后加入多巴胺改性短切纤维，其加入量以水体积为基准为0.1-20g/L，同时加入消泡剂，并调高搅拌速度至500-2000r/min，继续搅拌5-60min，制得短切纤维分散体。
4.根据权利要求3所述的制备方法，，其特征在于其超声过程均采用间歇式超声方式：每隔30-60s超声5-10s。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述短切纤维为短切碳纤维、短切玻璃纤维、短切聚酰亚胺纤维、短切尼龙纤维、短切芳纶纤维、短切超高分子量纤维、短切丙纶纤维、短切涤纶纤维中的一种或多种，纤维长度为0.05-20mm；所述消泡剂为高级脂肪酸、高级脂肪醇、聚丙二醇、磷酸三丁酯中的一种或多种。
6.应用如权利要求1-5任意一项所制备的短切纤维分散体。
7.应用如权利要求1-5任意一项所述的制备方法，在抄造纤维纸、湿法制备短切纤维薄毡或湿法制备短切纤维取向毡方面的应用。
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