CN106757526A - 一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维及其制备方法，本发明玄武岩纤维是将玄武岩与磷酸钡共混熔融拉丝后经浸润剂改性处理得到的，所述浸润剂包括以下重量份组分：40‑60份的成膜剂、3‑5份的偶联剂、1‑5份润滑剂、30‑50份的溶剂、2‑5份的活化剂；该玄武岩纤维由于表面嵌有大量更容易与有机基团键接的磷酸钡，使玄武岩纤维与有机材料之间的化学键合能力更强，该玄武岩纤维与聚醚砜的相容性好，能在聚醚砜中大量添加和应用。

Description

一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及玄武岩纤维材料领域，具体涉及一种聚醚砜增强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，玄武岩在我国分布较广，价格便宜，而玄武岩纤维的制造成本低，相对化学纤维、玻璃纤维、碳纤维等有较为明显的综合优势，在耐高低温、力学、电学、声学性能及化学稳定性等方而均具有较大优势，替代潜力大，是高科技含量和高附加值的新产品。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。
聚醚砜是由4,4'-双磺酰氯二苯醚在无水氯化铁催化下，与二苯醚缩合制得，聚醚砜具有很好的综合性能，聚醚砜耐高温，耐腐蚀、抗冲击性好，成型尺寸稳定性好，在使用温度内具有优异的机械性能；但由于醚基具有较强的活性，导致聚醚砜存在耐紫外线性能差，耐水性差、成本高的缺陷，因此，对聚醚砜进行降低成本、保持性能等增强改性处理对聚醚砜的应用具有重要作用。现今对聚醚砜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，严重限制了改性聚醚砜的应用，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醚砜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醚砜的增强必将是今后提高聚醚砜性能的新趋势。但由于现有技术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醚砜化学键合和机械铆合形成统一的、稳定的整体，即玄武岩纤维与聚醚砜相容性差，对聚醚砜的改性增强作用减弱，增强效果不甚理想，且玄武岩纤维的添加量少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有玄武岩纤维与聚醚砜相容性差的缺陷，提供一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维及其制备方法；本发明玄武岩纤维是将玄武岩与磷酸钡共混熔融拉丝后经浸润改性处理得到的，该玄武岩纤维由于表面嵌有大量更容易与有机基团键接的磷酸钡，使玄武岩纤维与有机材料之间的化学键合能力更强，该玄武岩纤维与聚醚砜的相容性好，能在聚醚砜中大量添加和应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种聚醚砜增强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）在步骤1得到的玄武岩矿石粉体中添加磷酸钡粉体材料，混合后得混合粉体材料；
（3）将步骤2得到混合粉体材料加热，熔融，形成纺丝熔液；
（4）将步骤3得到的纺丝熔液进行拉丝，并用浸润剂进行浸润改性处理得玄武岩纤维原丝；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的玄武岩纤维原丝进行退解、并捻，得到聚醚砜增强专用玄武岩纤维。
其中，所述的磷酸钡中含有磷酸根，磷酸根与有机基团的键接能力强，能降低玄武岩纤维与有机材料的极性，增加与有机材料的相容性。
其中，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、3-5份的偶联剂、1-5份润滑剂、30-50份的溶剂、2-5份的活化剂；所述浸润剂能将玄武岩纤维表面在偶联剂的作用下与成膜剂键接的同时，能使成膜剂直接与玄武岩纤维中的磷酸钡键接，形成与玄武岩纤维双化学键合的有机物膜层，从而使玄武岩纤维与有机材料不易发生相分离，且该有机物膜层与聚醚砜材料相容性极好。
其中，所述的活化剂为磷酸乙二胺、磷酸丙二胺、氟硅酸钠中的一种或多种；其中所述的成膜剂为氯磺化聚乙烯乳液、磺化聚苯醚乳液、聚丙烯酸丁酯磺化聚苯乙烯复合乳液中的一种；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和硬脂酸锌中的一种。
其中，所述的溶剂为甘油的水溶液；所述溶剂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。
一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维材料的制备方法，本发明方法先在玄武岩中添加更容易与有机基团键接的磷酸钡，再通过浸润剂处理使成膜剂在偶联剂的作用下与磷酸钡化学键接，从而得到与聚醚砜相容性很好的玄武岩纤维；该玄武岩纤维能在聚醚砜中大量添加和应用，不易发生相分离。
上述一种聚醚砜增强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。
上述一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤2中所述的磷酸钡粉体材料添加量为玄武岩重量的0.1-2%；用量过大，对玄武岩纤维的性能影响大，用量过少，对玄武岩纤维的改性效果差；优选的，所述磷酸钡粉体材料添加量为玄武岩重量的0.3-0.8%。
上述一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤2中所述的磷酸钡粉体材料的粒径为1-20nm；磷酸钡粉体粒径越小，在玄武岩纤维表面分散越密集，能与成膜剂键合的点位越多，键合能力越强；优选的，所述的磷酸钡粉体材料的粒径为3-10nm。
上述一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤3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℃。
上述一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤4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。
上述一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维的制备方法，其中步骤4中所述的玄武岩纤维原丝直径控制在3-20μm，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。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维，所述聚醚砜增强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聚醚砜增强专用玄武岩纤维，与成膜剂之间的键合能力强，不易发生相分离，同时，与聚醚砜的相容性好，能在聚醚砜中大量添加和应用，对聚醚砜材料的增强作用显著。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明聚醚砜增强专用玄武岩纤维的制备方法，先在玄武岩中添加更容易与有机基团键接的磷酸钡，再通过浸润剂处理使成膜剂在偶联剂的作用下与磷酸钡化学键接，从而得到与聚醚砜相容性很好的玄武岩纤维。
2、本发明聚醚砜增强专用玄武岩纤维的制备方法，直接在玄武岩纤维生产过程中进行改性处理，将纤维的生产和改性合二为一，简化了生产步骤，节约了生产成本，缩短了生产周期。
3、本发明聚醚砜增强专用玄武岩纤维，与成膜剂之间的键合能力强，不易发生相分离，同时，与聚醚砜的相容性好，能在聚醚砜中大量添加和应用，对聚醚砜材料的增强作用显著。
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）将玄武岩矿石粉碎成粒径为0.5mm的粉体，得到玄武岩矿石粉体；
（2）在步骤1得到的玄武岩矿石粉体中添加0.3%的粒径为10nm的磷酸钡粉体材料，混合均匀后得混合粉体材料；
（3）将步骤2得到混合粉体材料加热到1250℃，完全熔融后，形成纺丝熔液；
（4）将步骤3得到的纺丝熔液以3000m/min的速度进行拉丝，并用浸润剂进行浸润改性处理得直径为10μm的玄武岩纤维原丝；所述浸润剂包括60份的氯磺化聚乙烯乳液、5份的硅烷偶联剂、5份硬脂酸甲酯、30份的甘油与水的体积比为2︰1的混合溶液、2份的磷酸乙二胺；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的玄武岩纤维原丝进行退解、并捻，得到聚醚砜增强专用玄武岩纤维。
实施例2
（1）将玄武岩矿石粉碎成粒径为1mm的粉体，得到玄武岩矿石粉体；
（2）在步骤1得到的玄武岩矿石粉体中添加0.8%的粒径为3nm的磷酸钡粉体材料，混合均匀后得混合粉体材料；
（3）将步骤2得到混合粉体材料加热到1350℃，完全熔融后，形成纺丝熔液；
（4）将步骤3得到的纺丝熔液以3000m/min的速度进行拉丝，并用浸润剂进行浸润改性处理得直径为5μm的玄武岩纤维原丝；所述浸润剂包括60份的聚丙烯酸丁酯磺化聚苯乙烯复合乳液、3份的硅烷偶联剂、1份硬脂酸锌、50份的甘油与水的体积比为1︰1的混合溶液、5份的磷酸丙二胺；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的玄武岩纤维原丝进行退解、并捻，得到聚醚砜增强专用玄武岩纤维。
实施例3
（1）将玄武岩矿石粉碎成粒径为0.1mm的粉体，得到玄武岩矿石粉体；
（2）在步骤1得到的玄武岩矿石粉体中添加0.1%的粒径为1nm的磷酸钡粉体材料，混合均匀后得混合粉体材料；
（3）将步骤2得到混合粉体材料加热到1100℃，完全熔融后，形成纺丝熔液；
（4）将步骤3得到的纺丝熔液以1500m/min的速度进行拉丝，并用浸润剂进行浸润改性处理得直径为10μm的玄武岩纤维原丝；所述浸润剂包括60份的磺化聚苯醚乳液、4份的硅烷偶联剂、3份硬脂酸甲酯、40份的甘油与水的体积比为3︰1的混合溶液、3份的氟硅酸钠；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的玄武岩纤维原丝进行退解、并捻，得到聚醚砜增强专用玄武岩纤维。
实施例4
（1）将玄武岩矿石粉碎成粒径为2mm的粉体，得到玄武岩矿石粉体；
（2）在步骤1得到的玄武岩矿石粉体中添加2%的粒径为20nm的磷酸钡粉体材料，混合均匀后得混合粉体材料；
（3）将步骤2得到混合粉体材料加热到1500℃，完全熔融后，形成纺丝熔液；
（4）将步骤3得到的纺丝熔液以3000m/min的速度进行拉丝，并用浸润剂进行浸润改性处理得直径为5μm的玄武岩纤维原丝；所述浸润剂包括50份的氯磺化聚乙烯乳液、3份的硅烷偶联剂、4份硬脂酸锌、30份的甘油与水的体积比为2︰1的混合溶液、2份的磷酸乙二胺；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的玄武岩纤维原丝进行退解、并捻，得到聚醚砜增强专用玄武岩纤维。
对比例1
（1）将玄武岩矿石粉碎成粒径为0.5mm的粉体，得到玄武岩矿石粉体；
（2）将步骤1得到玄武岩粉体材料加热到1250℃，完全熔融后，形成纺丝熔液；
（3）将步骤2得到的纺丝熔液以3000m/min的速度进行拉丝，并用浸润剂进行浸润改性处理得直径为10μm的玄武岩纤维原丝；所述浸润剂包括60份的氯磺化聚乙烯乳液、5份的硅烷偶联剂、5份硬脂酸甲酯、30份的甘油与水的体积比为2︰1的混合溶液、2份的磷酸乙二胺；
（4）将步骤3得到的经过浸润改性处理的玄武岩纤维原丝进行退解、并捻，得到玄武岩纤维。
对比例2
（1）将玄武岩矿石粉碎成粒径为0.5mm的粉体，得到玄武岩矿石粉体；
（2）在步骤1得到的玄武岩矿石粉体中添加3%的粒径为10nm的磷酸钡粉体材料，混合均匀后得混合粉体材料；
（3）将步骤2得到混合粉体材料加热到1250℃，完全熔融后，形成纺丝熔液；
（4）将步骤3得到的纺丝熔液以3000m/min的速度进行拉丝，并用浸润剂进行浸润改性处理得直径为10μm的玄武岩纤维原丝；所述浸润剂包括60份的氯磺化聚乙烯乳液、5份的硅烷偶联剂、5份硬脂酸甲酯、30份的甘油与水的体积比为2︰1的混合溶液、2份的磷酸乙二胺；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的玄武岩纤维原丝进行退解、并捻，得到玄武岩纤维。
对比例3
（1）将玄武岩矿石粉碎成粒径为0.5mm的粉体，得到玄武岩矿石粉体；
（2）在步骤1得到的玄武岩矿石粉体中添加0.3%的粒径为10nm的磷酸钡粉体材料，混合均匀后得混合粉体材料；
（3）将步骤2得到混合粉体材料加热到1250℃，完全熔融后，形成纺丝熔液；
（4）将步骤3得到的纺丝熔液以3000m/min的速度进行拉丝，并用浸润剂进行浸润改性处理得直径为10μm的玄武岩纤维原丝；所述浸润剂包括60份的氯磺化聚乙烯乳液、5份的硅烷偶联剂、5份硬脂酸甲酯、30份的甘油与水的体积比为2︰1的混合溶液；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的玄武岩纤维原丝进行退解、并捻，得到玄武岩纤维。
将上述实施例1-4和对比例1-3中制备得到的玄武岩纤维进行性能测试，同时进行聚醚砜树脂（拉伸强度89MPa，缺口冲击强度78J/m，断裂伸长率65%）增强（玄武岩纤维用量为聚醚砜质量的10%）实验，记录实验结果，记录数据如下：
编号 玄武岩纤维拉伸强度（MPa） 玄武岩纤维断裂伸长率（%） 改性后聚醚砜塑料缺口冲击强度（J/m） 改性后聚醚砜塑料拉伸强度（MPa） 改性后聚醚砜塑料断裂伸长率（%）
实施例1 3780 2.6 108 135 86
实施例2 3750 2.5 107 135 85
实施例3 3760 2.6 105 136 82
实施例4 3750 2.4 106 133 83
对比例1 3740 2.5 94 108 76
对比例2 3450 1.6 101 112 78
对比例3 3760 2.5 89 100 72
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制备得到的玄武岩纤维拉伸强度和断裂伸长率好，与聚醚砜塑料的相容性好，对聚醚砜塑料增强效果显著；而对比例1制备方法中未添加磷酸钡，制备得到的玄武岩纤维与聚醚砜材料相容性差，与聚醚砜材料的化学键合作用差，对聚醚砜材料增强作用显著降低；对比例2制备方法中使用的磷酸钡不是本发明中所保护的用量，磷酸钡用量过大，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；对比例3制备方法中使用的浸润剂中为添加无机酸，浸润剂对玄武岩纤维的键接能力变弱，玄武岩纤维与成膜剂易发生相分离，对聚醚砜材料增强作用显著降低。

Claims (10)

1.一种聚醚砜增强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）在步骤1得到的玄武岩矿石粉体中添加磷酸钡粉体材料，混合后得混合粉体材料；
（3）将步骤2得到混合粉体材料加热，熔融，形成纺丝熔液；
（4）将步骤3得到的纺丝熔液进行拉丝，并用浸润剂进行浸润改性处理得玄武岩纤维原丝；
（5）将步骤4得到的经过浸润改性处理的玄武岩纤维原丝进行退解、并捻，得到聚醚砜增强专用玄武岩纤维；
所述磷酸钡粉体材料用量为玄武岩矿石粉体重量的0.1-2%；所述浸润剂包括以下重量份组分：40-60份的成膜剂、3-5份的偶联剂、1-5份润滑剂、30-50份的溶剂、2-5份的活化剂；所述活化剂为磷酸乙二胺、磷酸丙二胺、氟硅酸钠中的一种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的成膜剂为氯磺化聚乙烯乳液、磺化聚苯醚乳液、聚丙烯酸丁酯磺化聚苯乙烯复合乳液中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂中甘油与水的体积比为1-3︰1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磷酸钡粉体材料添加量为玄武岩重量的0.3-0.8%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磷酸钡粉体材料的粒径为1-20nm。
6.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的磷酸钡粉体材料的粒径为3-10nm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中玄武岩矿石粉体粒径为0.1-2mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中熔融温度为1100-1500℃。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中玄武岩纤维原丝直径控制在3-20μm。
10.一种聚醚砜增强专用玄武岩纤维，其特征在于，是通过权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到的。
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