CN106435836B - 一种微生物载体专用玄武岩纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物载体专用玄武岩纤维及其制备方法，本发明利用采用特制的浸润剂对生产过程中的玄武岩纤维原丝进行处理，所述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份的水；所述的改性剂包括质量比为1‑3︰1‑3︰2‑4的可溶性磷酸盐、硝酸、有机酸；使纤维表面形成大量活性位点和亲水基团，从而得到具有大量能与微生物键合的活性位点和亲水基团的玄武岩纤维，该玄武岩纤维对微生物的附着力更强，负载量更大。
Description
技术领域
本发明涉及玄武岩纤维领域，具体涉及一种微生物载体专用玄武岩纤维及其制备方法。
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。
玄武岩纤维具有的优异耐水性、耐腐蚀性、生物亲和性、绿色无污染特点符合水质净化领域对载体材料性能的要求，因而玄武岩纤维作为微生物载体材料未来在水体净化领域具有广阔的应用前景；现今，玄武岩纤维作为水质净化的载体材料在治理水体污染领域已进行了大量的应用实验，也取得了良好的应用效果，对水体的净化具有促进作用，但由于玄武岩纤维表面光滑、表面能高，活性位点少，从而造成与微生物的机械联锁和化学键合能力差，微生物难以附着，因此，采用现有技术生产的玄武岩纤维作为微生物水体净化材料载体具有微生物负载量小、附着力弱、净化效率低的缺点，不利于玄武岩纤维在水体净化领域的大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于克服玄武岩纤维用于负载微生物具有负载量小，附着力弱的缺点，提供一种微生物载体专用玄武岩纤维及其制备方法；本发明利用采用特制的浸润剂对生产过程中的玄武岩纤维原丝进行处理，使纤维表面形成大量活性位点和亲水基团，从而得到具有大量能与微生物键合的活性位点和亲水基团的玄武岩纤维，该玄武岩纤维对微生物的附着力更强，负载量更大。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种微生物载体专用玄武岩纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝用浸润剂进行浸润改性处理；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体专用玄武岩纤维。
上述一种微生物载体专用玄武岩纤维的制备方法，步骤4中所述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份的水；其中所述的改性剂包括可溶性磷酸盐︰硝酸︰有机酸按质量比1-3︰1-3︰2-4混合而成的混合溶液；所述改性剂组成能快速对玄武岩纤维表面活化，并接枝多种活性基团，使纤维表面形成大量活性位点和亲水基团，从而增加纤维的微生物负载量和对微生物的附着力，使玄武岩纤维更适合作为微生物载体；优选的，所述的改性剂包括可溶性磷酸盐︰硝酸︰有机酸按质量比2︰2︰3混合而成的混合溶液；其中所述的可溶性磷酸盐为磷酸一铵、磷酸二铵、磷酸铵中的一种或多种；其中所述的有机酸为醋酸、酒石酸、草酸、柠檬酸中的一种或多种；其中所述的成膜剂为聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酸酯和聚氨酯中的一种或多种；其中所述的偶联剂为硅烷系偶联剂；其中所述的润滑剂为硬脂酸甲酯。
一种微生物载体专用玄武岩纤维材料的制备方法，本发明利用浸润剂对玄武岩纤维原丝快速进行改性处理，使纤维表面形成大量活性位点和亲水基团，从而制备得到具有大量能与微生物键合的活性位点和亲水基团的玄武岩纤维，该玄武岩纤维对微生物的附着力更强，负载量更大，更适用于微生物的负载；本发明方法简单、可靠，适合微生物载体专用玄武岩纤维材料的大规模、工业化生产。
上述一种微生物载体专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤1中所述的玄武岩矿石粉体粒径为0.1-2mm，粒径越小，加热熔融时速度越快，耗能越低，但粉碎成本增加优选的，所述玄武岩矿石粉体粒径为0.5-1mm。
上述一种微生物载体专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤2中所述的熔融温度为1100-1500℃，温度过低，熔融速度慢，耗时长，耗能高，温度过高，对设备要求高，设备成本增加；优选的，所述熔融温度为1250-1350℃。
上述一种微生物载体专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤3中所述的拉丝的速度为1500-3000m/min，拉丝速度过快，拉伸张力过大，会造成纤维断裂；拉丝速度过慢，得到的玄武岩纤维直径较大，不利于玄武岩纤维的应用。
上述一种微生物载体专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤3中所述的玄武岩纤维原丝直径控制在1-20μmm，原丝直径过大，冷却慢，造成纤维内外应力分布不仅，纤维缺陷大，不利于实际应用，原丝直径过小，拉丝工艺操作困难，容易断裂；优选的，所述的玄武岩纤维原丝直径控制在5-10μm。
上述一种微生物载体专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤4中所述的浸润剂温度控制在70-90℃，温度越高，反应速度越快，处理效果越好，但温度过高，表面处理程度控制困难，产品质量不稳定；优选的，所述的表面处理温度控制在75-85℃。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种微生物载体专用玄武岩纤维，所述微生物载体专用玄武岩纤维是通过上述制备方法制备得到的；通过上述制备方法制备的得到的微生物载体专用玄武岩纤维，具有微生物负载量大，微生物亲和性好，微生物生长繁殖速度快的特点，能提高微生物负载净化材料对水体的净化效率，有利于玄武岩纤维在水体净化领域的大规模利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明方法利用浸润剂对玄武岩纤维原丝进行快速改性处理，使纤维表面形成大量活性位点和亲水基团，从而制备得到的玄武岩纤维具有微生物负载量大、微生物亲和性好的优点。
2、本发明方法简单、可靠，适合微生物载体专用玄武岩纤维的大规模、工业化生产。
3、本发明微生物载体专用玄武岩纤维，具有微生物负载量大，微生物亲和性好，微生物生长繁殖速度快的特点，能促进玄武岩纤维在水体净化领域的应用。
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）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.5mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1250℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为5μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为75℃的浸润剂中进行浸润处理；浸润剂组成为：15重量份含有磷酸一铵︰硝酸︰醋酸按质量比2︰2︰3混合而成的改性剂、50重量份的聚乙烯醇、40重量份的水、10重量份的硅烷偶联剂和3重量份的硬脂酸甲酯；
（5）将步骤4得到的经过浸润处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体专用玄武岩纤维。
实施例2
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为1.0mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1350℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2500m/min的速度下进行拉丝，得到直径为10μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为85℃的浸润剂中进行浸润处理；浸润剂组成为：10重量份含有磷酸二铵︰硝酸︰酒石酸按质量比1︰3︰4混合而成的改性剂、60重量份的聚醋酸乙烯酯、40重量份的水、15重量份的硅烷偶联剂和1重量份的硬脂酸甲酯；
（5）将步骤4得到的经过浸润处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体专用玄武岩纤维。
实施例3
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.1mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1100℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在3000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为1μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为70℃的浸润剂中进行浸润处理；浸润剂组成为：20重量份含有磷酸铵︰硝酸︰草酸按质量比3︰1︰2混合而成的改性剂、、40重量份的聚丙烯酸酯和聚氨酯、50重量份的水、5重量份的硅烷偶联剂和5重量份的硬脂酸甲酯；
（5）将步骤4得到的经过浸润处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体专用玄武岩纤维。
实施例4
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为2mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1500℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在1500m/min的速度下进行拉丝，得到直径为20μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为90℃的浸润剂中进行浸润处理；浸润剂组成为：10重量份含有磷酸一铵、磷酸二铵︰硝酸︰醋酸、柠檬酸按质量比2︰3︰2混合而成的改性剂、40重量份的聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、30重量份的水、5重量份的硅烷偶联剂和5重量份的硬脂酸甲酯；
（5）将步骤4得到的经过浸润处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体专用玄武岩纤维。
对比例1
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.5mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1250℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为5μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为75℃的浸润剂中进行浸润处理；浸润剂组成为：50重量份的聚乙烯醇、40重量份的水、10重量份的硅烷偶联剂和3重量份的硬脂酸甲酯；
（5）将步骤4得到的经过浸润处理的原丝进行退解、并捻，得到玄武岩纤维。
对比例2
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.5mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1250℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为5μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为75℃的浸润剂中进行浸润处理；浸润剂组成为：15重量份含有磷酸一铵︰硝酸︰醋酸按质量比2︰4︰3混合而成的改性剂、50重量份的聚乙烯醇、40重量份的水、10重量份的硅烷偶联剂和3重量份的硬脂酸甲酯；
（5）将步骤4得到的经过浸润处理的原丝进行退解、并捻，得到玄武岩纤维。
对比例3
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到粒径为0.5mm的玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，在1250℃温度下进行熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液在2000m/min的速度下进行拉丝，得到直径为5μm的玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝在温度为75℃的浸润剂中进行浸润处理；浸润剂组成为：15重量份含有磷酸一铵︰硝酸︰醋酸按质量比1︰2︰5混合而成的改性剂、50重量份的聚乙烯醇、40重量份的水、10重量份的硅烷偶联剂和3重量份的硬脂酸甲酯；
（5）将步骤4得到的经过浸润处理的原丝进行退解、并捻，得到玄武岩纤维。
将上述实施例1-4和对比例1-3中所制备得到的玄武岩纤维进行性能检测，并分别进行枯草芽孢杆菌的负载实验，负载时间为12h，对负载的玄武岩纤维上的枯草芽孢杆菌数量进行检测，记录；记录数据如下：
| 编号 | 拉伸强度（MPa） | 断裂伸长率（%） | 负载细菌个数（×109个/g） |
| 实施例1 | 3460 | 2.7 | 56 |
| 实施例2 | 3450 | 2.5 | 55 |
| 实施例3 | 3460 | 2.6 | 55 |
| 实施例4 | 3450 | 2.7 | 54 |
| 对比例1 | 3440 | 2.6 | 25 |
| 对比例2 | 2780 | 1.8 | 53 |
| 对比例3 | 3390 | 2.4 | 27 |
对上述实验数据分析可知，实施例1-4中采用本发明技术方案得到的玄武岩纤维拉申强度和断裂伸长率好，与微生物亲和性好，对细菌的负载量大；而对比例1中使用的浸润剂为常规浸润剂，制备得到的玄武岩纤维表面活性点位少和亲水基团少，微生物附着能力差和亲和性差，对微生物的负载量显著降低；对比例2中使用的浸润剂不是本发明中所保护的改性剂配比用量，硝酸用量过大，浸润过程中浸润剂对玄武岩纤维表面结构造成破坏，导致玄武岩纤维的拉伸强度和断裂伸长率显著降低，而玄武岩纤维表面分布的活性位点和接枝的基团数量达到最大，微生物负载量达到最大，不再增加；对比例3中使用的浸润剂不是本发明中所保护的改性剂组分配比用量，磷酸盐用量过小，浸润过程中浸润剂不能对玄武岩纤维表面进行快速活化，即没有对纤维表面改性，玄武岩纤维微生物负载量没有增加。
Claims (10)
1.一种微生物载体专用玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到粉体加热，熔融，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；
（4）将步骤3得到的玄武岩纤维原丝用浸润剂进行浸润改性处理；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的原丝进行退解、并捻，得到微生物载体专用玄武岩纤维；
所述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份的水；所述的改性剂包括质量比为1-3︰1-3︰2-4的可溶性磷酸盐、硝酸、有机酸。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的玄武岩矿石粉体粒径为0.1-2mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中熔融温度控制在1100-1500℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中拉丝的速度控制在1500-3000m/min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中玄武岩纤维原丝直径控制在1-20μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性磷酸盐为磷酸一铵、磷酸二铵、磷酸铵中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机酸为醋酸、酒石酸、草酸、柠檬酸中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成膜剂为聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酸酯和聚氨酯中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中浸润剂温度控制在70-90℃。
10.一种微生物载体专用玄武岩纤维，其特征在于，是通过权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到的。
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