CN106366611B - 一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂及其制备方法，本发明浸润剂包括以下重量份组分：40‑60份的成膜剂、5‑15份的偶联剂、1‑5份润滑剂、10‑20份的改性剂、30‑50份的溶剂；所述改性剂包括质量比为3‑6︰2‑4︰1‑3的有机酸盐、强碱、羰基二咪唑；通过改性剂在浸润的同时对纤维表面进行改性，使纤维表面粗糙度增加并接枝大量活性基团，从而提高玄武岩纤维与聚碳酸酯材料之间的化学键合和机械铆合能力，提高了玄武岩纤维与聚碳酸酯材料的相容性，促进了玄武岩纤维在聚碳酸酯材料增强领域中的推广应用。

Description

一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及玄武岩纤维浸润剂领域，具体涉及一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂及其制备方法。

背景技术

玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，是未来我国重点发展的四大高性能纤维之一，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过纺丝工艺制备而成的。玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能，而且，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。

聚碳酸酯是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，聚碳酸酯材料具有较好的综合性能，聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃性好，成型尺寸稳定性好，在使用温度内具有良好的机械性能；但由于碳酸酯基具有较强的活性，导致聚碳酸酯材料存在耐高温性能差，耐磨性差的缺陷，因此，在某些特殊环境下，聚碳酸酯材料需要进行耐高温、耐磨等增强改性处理后才能进行应用。现今对聚碳酸酯材料的纤维增强改性主要采用玻璃纤维材料和碳纤维材料进行改性处理，改性效果显著，但玻璃纤维和碳纤维生产成本高、环境污染大，严重限制了改性聚碳酸酯材料的应用，开发一种成本低廉、绿色环保、性能优异的新型纤维材料替代玻璃纤维和碳纤维对聚碳酸酯材料进行改性处理的问题急需得到解决。因而，可以预见，将无毒、无污染、来源广泛、性能优异、稳定好的玄武岩纤维用于聚碳酸酯材料的增强必将是今后提高聚碳酸酯材料性能的新趋势。但由于采用现有浸润剂生产的玄武岩纤维自身结构和性能稳定，纤维表面光滑、表面活性位点少，造成玄武岩纤维在改性过程中难以与聚碳酸酯材料化学键合和机械铆合形成统一的、稳定的整体，即玄武岩纤维在聚碳酸酯材料中是独立存在，对聚碳酸酯材料的改性增强作用相对较弱，增强效果不甚理想，玄武岩纤维添加量少。

浸润剂作为纤维生产过程中用到的最重要的辅助试剂，不仅能对纤维进行物理包覆，增加纤维韧性和润滑性，还能对纤维表面进行化学处理，增加纤维功能性，因此，采用浸润剂对纤维材料进行改性处理，即将纤维的生产和改性合二为一，节简化了生产步骤，节约了生产成本，缩短了生产周期，还能赋予纤维新的性能以满足纤维在不同领域、不同环境中的应用，因此，利用专用浸润剂在玄武岩纤维生产过程中对玄武岩纤维表面进行改性以提高玄武岩纤维与聚碳酸酯材料的相容性是可行的，有利于促进玄武岩纤维在聚碳酸酯材料增强领域中的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有玄武岩纤维浸润剂不能提高玄武岩纤维与聚碳酸酯材料相容性的缺陷，提供一种聚碳酸酯增强玄武岩纤维专用浸润剂及其制备方法；本发明浸润剂中含有改性剂，通过改性剂在浸润的同时对纤维表面进行改性，使纤维表面粗糙度增加并接枝大量活性基团，从而提高玄武岩纤维与聚碳酸酯材料之间的化学键合和机械铆合能力，提高了玄武岩纤维与聚碳酸酯材料的相容性，促进了玄武岩纤维在聚碳酸酯材料增强领域中的推广应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，包括以下重量份组分：40-60份的成膜剂、5-15份的偶联剂、1-5份润滑剂、10-20份的改性剂、30-50份的溶剂。

上述一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，其中所述的改性剂包括有机酸盐︰强碱︰羰基二咪唑按质量比3-6︰2-4︰1-3混合而成的混合物；所述改性剂组成能快速对玄武岩纤维表面腐蚀、活化，形成粗糙表面，并接枝多种活性基团，使纤维表面形成大量活性位点和活性基团，从而使玄武岩纤维能与聚碳酸酯进行化学键合和机械铆合；所述的机械铆合是指基体材料通过收缩应力包紧粗糙表面的纤维而产生的摩擦结合；优选的，所述的改性剂包括有机酸盐︰强碱︰羰基二咪唑按质量比5︰3︰1混合而成的混合物。

上述一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，其中所述的有机酸盐为醋酸钠、醋酸钾、甲酸钠、甲酸钾中的一种或多种。

述一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，其中所述的强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的一种或多种。

一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，在改性剂中各组分的共同作用下，具有能快速对玄武岩纤维表面腐蚀形成粗糙表面并在纤维表面接枝大量能与聚碳酸酯化学键接的活性基团的作用，从而使玄武岩纤维在经过该浸润剂的处理后，不仅具有更好的韧性和润滑性，有利于玄武岩纤维的后期加工，还能提高玄武岩纤维与聚碳酸酯进行化学键合和机械铆合的能力，即提高了玄武岩纤维与聚碳酸酯的相容性；本发明浸润剂促进了玄武岩纤维在聚碳酸酯材料增强领域中的广泛应用。

上述一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，其中所述的成膜剂为聚碳酸酯型水性聚氨酯乳液；成膜剂能很好的在玄武岩纤维表面形成膜结构，增加玄武岩纤维韧性，并能提高玄武岩纤维与聚碳酸酯材料的相容性。

上述一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，其中所述的偶联剂为硅烷偶联剂；硅烷偶联剂既能与玄武岩纤维中硅原子偶联，又能与聚碳酸酯材料偶联，偶联效果最好。

上述一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，其中所述的润滑剂为硬脂酸甲酯和硬脂酸锌中的一种。

上述一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，其中所述的溶剂为甘油的水溶液；所述甘油的水溶液中甘油与水的体积比为1-3︰1；优选的，甘油的水溶液中甘油与水的体积比为2︰1。

优选的，一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，包括以下重量份组分：50份的成膜剂、10份的偶联剂、3份润滑剂、15份的改性剂、40份的溶剂。

为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将改性剂用溶剂溶解形成混合溶液A；将成膜剂用溶剂溶解后加入偶联剂和润滑剂形成混合溶液B；

（2）将步骤1得到的混合溶液A加入到混合溶液B中混合均匀形成混合溶液C；

（3）将步骤2得到的混合溶液C消泡处理得聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂。

上述一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂的制备方法，其中步骤3所述的消泡处理为物理消泡；避免杂质的引入或副反应的发生。

一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂的制备方法，将改性剂的稀释溶解与成膜剂、偶联剂、润滑剂的混合溶解分开处理，避免改性剂在稀释溶解时放出的大量热导致副反应的产生，且生产条理清晰、简洁；本发明方法简单、可靠，适合聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂的大规模、工业化生产。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂能快速对玄武岩纤维表面腐蚀，形成粗糙表面，提高了玄武岩纤维与聚碳酸酯材料之间的机械铆合能力。

2、本发明聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂浸润能快速在纤维表面接枝大量能与聚碳酸酯化学键接的活性基团，提高了玄武岩纤维与聚碳酸酯材料之间的化学键接能力。

3、本发明聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂能提高玄武岩纤维与聚碳酸酯材料之间的相容性，促进了玄武岩纤维在聚碳酸酯材料增强领域中的广泛应用。

4、本发明聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂的制备方法简单、可靠，适合聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂的大规模、工业化生产。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

（1）将15重量份含有醋酸钠︰氢氧化钠︰羰基二咪唑按质量比5︰3︰1混合而成的改性剂用15重量份的甘油和5重量份的水溶解形成混合溶液A；将50重量份的聚氨酯用15重量份的甘油和5重量份的水溶解后加入10重量份的硅烷偶联剂和3重量份的硬脂酸甲酯形成混合溶液B；

（2）将步骤1得到的混合溶液A加入到混合溶液B中混合均匀形成混合溶液C；

（3）将步骤2得到的混合溶液C消泡处理得聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂。

实施例2

（1）将10重量份含有醋酸钾︰氢氧化钾︰羰基二咪唑按质量比3︰2︰3混合而成的改性剂用5重量份的甘油和5重量份的水溶解形成混合溶液A；将60重量份的聚氨酯用20重量份的甘油和10重量份的水溶解后加入15重量份的硅烷偶联剂和1重量份的硬脂酸锌形成混合溶液B；

（2）将步骤1得到的混合溶液A加入到混合溶液B中混合均匀形成混合溶液C；

（3）将步骤2得到的混合溶液C消泡处理得聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂。

实施例3

（1）将20重量份含有甲酸钠︰氢氧化钙︰羰基二咪唑质量比6︰4︰2混合而成的改性剂用10重量份的甘油和10重量份的水溶解形成混合溶液A；将40重量份的聚氨酯用20重量份的甘油和10重量份的水溶解后加入5重量份的硅烷偶联剂和5重量份的硬脂酸甲酯形成混合溶液B；

（2）将步骤1得到的混合溶液A加入到混合溶液B中混合均匀形成混合溶液C；

（3）将步骤2得到的混合溶液C消泡处理得聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂。

对比例1

（1）将50重量份的聚氨酯用30重量份的甘油和10重量份的水溶解后加入10重量份的硅烷偶联剂和3重量份的硬脂酸甲酯形成混合溶液；

（2）将步骤1得到的混合溶液消泡处理得浸润剂。

对比例2

（1）将15重量份含有醋酸钠︰氢氧化钠︰羰基二咪唑按质量比5︰3︰4混合而成的改性剂用15重量份的甘油和5重量份的水溶解形成混合溶液A；将50重量份的聚氨酯用15重量份的甘油和5重量份的水溶解后加入10重量份的硅烷偶联剂和3重量份的硬脂酸甲酯形成混合溶液B；

（2）将步骤1得到的混合溶液A加入到混合溶液B中混合均匀形成混合溶液C；

（3）将步骤2得到的混合溶液C消泡处理得浸润剂。

对比例3

（1）将15重量份含有醋酸钠︰氢氧化钠︰羰基二咪唑按质量比5︰1︰1混合而成的改性剂用15重量份的甘油和5重量份的水溶解形成混合溶液A；将50重量份的聚氨酯用15重量份的甘油和5重量份的水溶解后加入10重量份的硅烷偶联剂和3重量份的硬脂酸甲酯形成混合溶液B；

（2）将步骤1得到的混合溶液A加入到混合溶液B中混合均匀形成混合溶液C；

（3）将步骤2得到的混合溶液C消泡处理得浸润剂。

将上述实施例1-3和对比例1-3中所制备得到的浸润剂分别用于浸润同种玄武岩纤维，将得到的玄武岩纤维进行性能测试和聚碳酸酯塑料（拉伸强度65MPa，缺口冲击强度60 KJ/m²，断裂伸长率80%）增强（玄武岩纤维用量为聚碳酸酯质量的10%）实验，记录实验结果，记录数据如下：

编号	拉伸强度（MPa）	断裂伸长率（%）	改性后聚碳酸酯塑料缺口冲击强度（KJ/m2）	改性后聚碳酸酯塑料拉伸强度（MPa）	改性后聚碳酸酯塑料断裂伸长率（%）
						实施例1	3830	2.6	86	78	116
实施例2	3850	2.4	85	77	114
						实施例3	3820	2.5	83	78	112
对比例1	3940	2.5	73	72	96
						对比例2	3350	1.9	65	68	83
对比例3	3620	2.3	71	70	95

对上述实验数据分析可知，实施例1-3中采用本发明技术方案得到浸润剂对玄武岩纤维进行浸润处理，得到的玄武岩纤维拉申强度和断裂伸长率好，对聚碳酸酯塑料增强效果显著；而对比例1中浸润剂没有添加改性剂，即为常规浸润剂，用该浸润剂处理后的玄武岩纤维为常规玄武岩纤维，纤维表面活性点位少和活性基团少，与聚碳酸酯材料相容性差，与聚碳酸酯材料的化学键合和机械铆合作用差，对聚碳酸酯材料增强作用显著减弱；对比例2中没有采用本发明中所保护的改性剂组分配比用量，羰基二咪唑用量过大，浸润剂对玄武岩纤维表面侵蚀过渡，对玄武岩纤维结构造成破坏，导致玄武岩纤维的拉伸强度和断裂伸长率显著降低，从而对聚碳酸酯纤维的增强作用也显著下降；对比例3中没有采用本发明中所保护的改性剂组分配比用量，氢氧化钠用量过小，浸润剂对玄武岩纤维表面活化作用减弱，玄武岩纤维表面活性点位少和活性基团少，与聚碳酸酯材料的化学键合和机械铆合作用差，对聚碳酸酯材料增强作用显著减弱。

Claims (8)

1.一种聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂，其特征在于，包括以下重量份组分：40-60份的成膜剂、5-15份的偶联剂、1-5份润滑剂、10-20份的改性剂、30-50份的溶剂；所述改性剂包括质量比为3-6︰2-4︰1-3的有机酸盐、强碱、羰基二咪唑；所述有机酸盐为醋酸钠、醋酸钾、甲酸钠、甲酸钾中的一种或多种；所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的浸润剂，其特征在于，所述改性剂包括质量比为5︰3︰1的有机酸盐、强碱、羰基二咪唑。

3.根据权利要求1所述的浸润剂，其特征在于，包括以下重量份组分：50份的成膜剂、10份的偶联剂、3份润滑剂、15份的改性剂、40份的溶剂。

4.根据权利要求1所述的浸润剂，其特征在于，所述成膜剂为聚碳酸酯型水性聚氨酯乳液。

5.根据权利要求1所述的浸润剂，其特征在于，所述偶联剂为硅烷系偶联剂。

6.根据权利要求1所述的浸润剂，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸甲酯和硬脂酸锌中的一种。

7.根据权利要求1所述的浸润剂，其特征在于，所述溶剂为甘油的水溶液。

8.一种权利要求1所述聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将改性剂用溶剂溶解形成混合溶液A；将成膜剂用溶剂溶解后加入偶联剂和润滑剂形成混合溶液B；

（2）将步骤1得到的混合溶液A加入到混合溶液B中混合均匀形成混合溶液C；

（3）将步骤2得到的混合溶液C消泡处理得聚碳酸酯材料增强玄武岩纤维专用浸润剂。