CN108751748A - 一种玄武岩短切纤维浸润剂 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种纤维浸润剂，尤其涉及一种玄武岩短切纤维浸润剂。使用该浸润剂生产得到的短切纤维成品具有更好的外观，完全不会出现散丝、结团成球现象，并且可以优化当前生产工艺，降低生产成本，同时，可以大幅改善短切纤维对水泥、沥青等基体材料的增强效果。

Description

一种玄武岩短切纤维浸润剂

技术领域

本发明涉及无机材料表面改性技术领域，尤其涉及一种玄武岩短切纤维浸润剂。

背景技术

连续玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石为原料，在1500℃左右的高温中形成熔融态，通过铂铑合金漏板成型，再由拉丝机高速拉制而成的数万米连续不断的纤维。它是一种新型环保无机纤维材料，具有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、防辐射、绝热隔音等优异性能，是继碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维之后的新型高性能纤维，在航天航空、汽车船舶、土建交通、能源环境、化工消防、国防军工等领域具有广泛用途。尤其是在建筑交通领域，由于其与水泥、混凝土、沥青均具有很好的相容性，可有效提高这三种基体材料的强度与抗裂性能，因而玄武岩纤维短切纱被广泛用作添加剂加入这些基材之中。

相比其他基体增强材料，比如普通玻纤，PET纤维，木质素纤维，玄武岩短切纤维的性能虽然优于其它同类材料，但不足以弥补其市场价格较高，这在较大程度上削弱了玄武岩纤维的的市场竞争力，限制了其应用范围。众所周知，短切纤维浸润剂对短切纤维的应用性能具有决定性作用，而当前普通浸润剂不仅没有充分发挥玄武岩短切纤维的基体增强作用，而且在一定程度上甚至起到抑制作用，配方在设计时也没有结合短切纤维在实际使用过程中的操作工艺。

由普通短切纤维浸润剂配方可见，为了提高短切纤维对基体材料的增强效果，设计思路一般为2个方向：(1)提高浸润剂固化成膜后的强度与集束性，以减小其包裹的纤维芯材在受力时发生损伤或断裂，使短切纤维成品比较美观，不容易出现散丝而产生结团、成球；(2)提高浸润剂与纤维基材、浸润剂与水泥、沥青等基体材料的结合强度，以减小在受力时浸润剂与内外两种基材之间发生滑移的程度。该设计思路的出发点没有问题，但是这么设计尤其是方向(1)忽略了一个重要的实际情况，即短切纤维的生产过程。它是由较长的连续纤维经过短切机切断而来，而连续纤维是经过将纤维原料经过熔炉高温熔融、经过漏板流出炉体、经过拉丝机牵引、经过涂油器涂覆浸润剂、经过集束轮合股、经过排线器排线再缠绕在收丝筒上而得，由此可见，单股短切纤维实际上是由数百根(具体数量取决于漏板孔数，一般为400孔，对应400根纤维单丝)纤维单丝集合而成，而普通浸润剂将这些纤维单丝集束并固结成为一股，相比数百根纤维单丝而言，单股纤维的比表面积被大幅减小，即实际能与被增强的基体材料接触的纤维数量与表面积被大幅减少；而从比强度角度考虑，纤维单丝的比强度远远大于单股纤维的比强度。综上所述，普通浸润剂的集束作用使得大量纤维单丝被包埋，实际能接触到被增强基材的纤维数量被大幅减少，导致大量纤维单丝的高比强度特性无法体现，因而从宏观测量结果反映出单股形态的短切纤维对基体的增强效果比较一般。

另外，“一种玄武岩短切纤维分散剂及其应用方法”(CN201410717190)、“一种短切纤维分散体及其制备方法”(CN201610140942)均提出了改善短切纤维分散性的技术方法，但需要注意的是，它们所改善的是单股短切纤维在基体材料中的分散性，减少单股短切纤维之间发生结团，而非改善由单股纤维分散成若干更小单股甚至成单丝状态的性能以及该状态下的分散性，与本发明技术方案没有交集。而且，单股短切纤维之间的分散性本来就在设计普通浸润剂时的考虑范围内，但是当单股短切纤维分散成若干更小单股甚至单丝状态时，使用普通浸润剂无法避免严重的结团与成球现象。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种玄武岩短切纤维浸润剂，使用其生产得到的短切纤维成品具有更好的外观，完全不会出现散丝、结团成球现象，并且可以优化当前生产工艺，降低生产成本，同时，可以大幅改善短切纤维对水泥、沥青等基体材料的增强效果。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种玄武岩短切纤维浸润剂，所述浸润剂按质量百分比，由以下组分组成：成膜剂0.5～25％，偶联剂0.1～1.5％，润滑剂0.01～1.5％，抗静电剂0.1～1.5％，纤维单丝分散剂0.1～5％，其它为去离子水；其中纤维单丝分散剂为脂肪醇磷酸酯、烷基甜菜碱、炔醇、硼酸酯表面活性剂的混合物，质量比为0.5～2.5:1～4:1～3.5:1～4.5。

进一步的，成膜剂为环氧树脂乳液、水溶性环氧树脂、聚氨酯乳液、不饱和聚酯树脂乳液、饱和聚酯树脂乳液、聚丙烯酸树脂乳液、苯丙树脂乳液、硅丙树脂乳液、酚醛树脂、石蜡乳液、聚四氟乙烯乳液中的一种或多种；

偶联剂为氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、乙烯基硅烷偶联剂、硼酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种或多种；

润滑剂为多烯酚聚氧乙烯醚、多元醇聚氧乙烯醚、脂肪醇嵌段聚醚、脂肪醇嵌段聚醚磷酸酯中的一种或多种；

抗静电剂为聚季铵盐、聚氧乙烯的衍生物、多元醇、烷基醇酰胺、脂肪酸多元醇酯、烷基咪唑啉、硝酸锂、氯化锂、氯化铵中的一种或多种。

进一步的，纤维为玄武岩纤维、岩棉、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的一种或多种。

进一步的，成膜剂20％，偶联剂0.5％，润滑剂0.2％、抗静电剂0.8％、纤维单丝分散剂3％，去离子水75.5％；其中纤维单丝分散剂采用肌醇六磷酸酯、椰油酰胺丙基甜菜碱、炔二醇和硼酸烷基醇酰胺酯混合液，其配比为＝0.5:4:1:4.5。

进一步的，成膜剂采用聚氨酯乳液，偶联剂采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷，润滑剂采用丙二醇前段聚醚、抗静电剂采用硝酸锂。

本发明相比现有技术优点在于：本发明技术方案具备普通浸润剂的所有基本性能，比如较高的拉伸强度，与纤维基材、水泥或沥青基材之间都具有较好的亲和性与结合力；与当前生产工艺完全匹配，不会额外增加生产成本。

同时，本发明还具备一些普通浸润剂没有的特性，使得本发明对于短切纤维的应用具有较大的实用价值。首先，本发明集束性更好，且不依赖于浸润剂的成膜强度，而是通过改善浸润剂成膜以后的对剪切力的承受度，这得益于本发明成膜剂良好的柔韧性与成膜连续性，还得益于纤维单丝分散剂良好的增韧效果、迅速润湿与润滑性能，可以有效缓冲纤维与短切机之间的刚性碰撞，减小纤维与短切机之间的摩擦力，使得单股纤维在短切机快速且较大的剪切力作用下不会从一股分散成数十甚至数百份质量极小的纤维单丝，从而在源头上避免了出现飞丝的状况。操作人员无需全身防护，而只用穿戴平常的工作服操作即可，由于不存在大量飞丝的排放与搜集问题，使生产更便捷，成本更低。

更具体地表现为，短切纤维无论是用于水泥、沥青还是树脂等基体材料增强，都需要预先使短切纤维在基材中均匀分布，当使用本发明生产的短切纤维以单股纤维状态进入基材以后，可以借助纤维与基材共同混合搅拌过程中所产生的机械剪切作用力，使短切纤维较容易的从单股纤维分散成纤维单丝，并且可以防止纤维单丝之间发生结团、成球等现象。反观普通浸润剂，一味地追求单股纤维的集束性，不具备使单股纤维在基材中自我分散的能力，而其中一个重要原因是使用普通浸润剂生产的短切纤维一旦发生散丝或在基材中自我分散，就会不可避免地发生严重的结团、成球现象。

本发明所具有的纤维单丝分散性所表现出的宏观效果就是大幅度改善短切纤维对水泥、沥青等基体材料的增强效果。普通浸润剂对水泥、沥青等基材抗折、抗压增强幅度在10％左右，而本发明可以达到25～40％。获得本发明有益效果的原因，在于本发明充分利用了短切纤维与基材混合过程中的剪切作用力，并在纤维单丝的集束性与分散性之间找到了一个平衡区间，既具备普通浸润剂的所有基本性能，又赋予短切纤维在基材中进一步自我分散且不结团的能力，而这一能力使得每一根纤维单丝都能发挥作用，使纤维单丝远高于单股纤维的高比强度得以充分体现，因而对基材的增强效果得以大幅提升。更深层地分析，在于本发明通过对所用纤维单丝分散剂进行种类筛选、添加量控制，避开了集束性、成膜强度、浸润剂与纤维或基材界面结合强度与分散性之间的冲突区间，找到了各个性能之间的平衡共存区间，进而使短切纤维的增强效果倍增。

附图说明

图1为本发明的对比试验数据图表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1

配制100kg玄武岩短切纤维浸润剂：向配制罐中加入75.5kg去离子水，搅拌速度60r/min，依次加入0.5kg偶联剂(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、0.2kg润滑剂(丙二醇前段聚醚)、0.8kg抗静电剂(硝酸锂)、3kg纤维单丝分散剂(肌醇六磷酸酯:椰油酰胺丙基甜菜碱:炔二醇:硼酸烷基醇酰胺酯＝0.5:4:1:4.5)、20kg成膜剂(聚氨酯乳液)。搅拌均匀后转移到涂油器中用于生产玄武岩短切纤维。

将短切纤维成品分别加入到水泥混凝土与沥青混凝土中，添加量为0.3wt％。其对水泥混凝土与沥青混凝土在韧性、抗压性、拉伸性上都有好的提升，并且提高了软化点。尤其在对水泥混凝土与沥青混凝土的抗压强度和抗折强度上有着极大的提高。具体数据如图1。

实施例2

配制100kg玄武岩短切纤维浸润剂：向配制罐中加入98.5kg去离子水，搅拌速度60r/min，依次加入0.1kg偶联剂(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、0.1kg润滑剂(丙二醇前段聚醚)、0.1kg抗静电剂(硝酸锂)、0.2kg纤维单丝分散剂(肌醇六磷酸酯:椰油酰胺丙基甜菜碱:炔二醇:硼酸烷基醇酰胺酯＝1:3.5:3:2.5)、1kg成膜剂(聚氨酯乳液)。搅拌均匀后转移到涂油器中用于生产玄武岩短切纤维。

将短切纤维成品分别加入到水泥混凝土与沥青混凝土中，添加量为0.3wt％。此时其对水泥混凝土与沥青混凝土都也有着较好的抗压强度和抗折强度。但没有实施例1来的那么好。具体数据如图1。

实施例3

配制100kg玄武岩短切纤维浸润剂，其中纤维单丝分散剂添加量改为0.05kg。其余方式和加入量同实施例1一样。本实施例由于纤维单丝分散剂的添加量小于本发明技术方案，导致单股短切纤维在水泥或沥青混凝土中只有少量分散成纤维单丝状态，因而使增强效果大打折扣，但仍有一定效果。

实施例4

配制100kg玄武岩短切纤维浸润剂，其中纤维单丝分散剂添加量为6kg。其余方式和加入量同实施例1一样。本实施例由于纤维单丝分散剂的添加量大于本发明技术方案，使单股纤维过于容易地分散成纤维单丝，因而短切后出现更多的散丝，短切时飞丝严重，打破了在集束性、成膜强度、浸润剂与纤维或基材界面结合强度与分散性之间的平衡关系，对成膜强度、界面性能都产生了一定的负作用，效果就较弱。

对比实施例1

在涂油器中盛装普通浸润剂如SDX－34，用于生产玄武岩短切纤维。将短切纤维成品分别加入到水泥混凝土与沥青混凝土中，添加量同样为0.3wt％。

综上所述结合图1。以实施例1为最佳，实施例2效果也较好，但因为实施例2所用的浸润剂浓度小于本发明技术方案，故成膜强度相对较弱，为短切纤维单丝分担的力作用较小。实施例1和实施例2对水泥混凝土、沥青混凝土的抗折、抗压强度均有大幅提高。实施例3由于纤维单丝分散剂的添加量较小，导致单股短切纤维在水泥或沥青混凝土中只有少量分散成纤维单丝状态，因而使增强效果大打折扣，但仍明显优于对比例。实施例4由于纤维单丝分散剂的添加量大于本发明技术方案，使单股纤维过于容易地分散成纤维单丝，因而短切后出现比对比例更多的散丝，短切时飞丝严重。由于容易分散对增强效果有利，故实施例4的增幅也较大，但因为过多的纤维单丝分散剂打破了在集束性、成膜强度、浸润剂与纤维或基材界面结合强度与分散性之间的平衡关系，对成膜强度、界面性能都产生了一定的负作用。

对比例由于采用普通浸润剂，在基材中成单股分散状态，故增强效果不明显；又由于缺乏纤维单丝分散剂改善迅速润湿与润滑性能、成膜后的耐剪切与缓冲性能，故短切后会有少量散丝，又由于短切纤维已被热处理，表面极为干燥，导致散丝几乎全部被短切机产生的气流吹散到空气中，进而产生严重飞丝。

玄武岩短切纤维浸润剂应用如下：

步骤一，将玄武岩纤维原料经过熔炉1500℃熔融，熔融状态的纤维原料经过漏板流出炉体，漏板温度1390℃，经过拉丝机牵引，拉丝机线速度1000m/min，经过涂油器涂覆浸润剂，涂油器的线速度为50m/min，经过集束轮合股、经过排线器排线、再牵引缠绕在收丝筒上得到连续纤维；

步骤二，将收丝筒从收丝辊上取下，转移到烘箱中热处理，加热温度130℃，加热时间12h；

步骤三，将连续纤维解缠绕，放入短切机，短切长度6mm；

步骤四，对短切纤维进行筛选，去除长度不符合设置或发生结团的短切纤维，将合格部分进行称重、包装。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种玄武岩短切纤维浸润剂，其特征在于：所述浸润剂按质量百分比，由以下组分组成：成膜剂0.5～25％，偶联剂0.1～1.5％，润滑剂0.01～1.5％，抗静电剂0.1～1.5％，纤维单丝分散剂0.1～5％，其它为去离子水；其中纤维单丝分散剂为脂肪醇磷酸酯、烷基甜菜碱、炔醇、硼酸酯表面活性剂的混合物，质量比为0.5～2.5:1～4:1～3.5:1～4.5。

2.根据权利要求1所述的一种玄武岩短切纤维浸润剂，其特征在于：

成膜剂为环氧树脂乳液、水溶性环氧树脂、聚氨酯乳液、不饱和聚酯树脂乳液、饱和聚酯树脂乳液、聚丙烯酸树脂乳液、苯丙树脂乳液、硅丙树脂乳液、酚醛树脂、石蜡乳液、聚四氟乙烯乳液中的一种或多种；

偶联剂为氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、乙烯基硅烷偶联剂、硼酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种或多种；

润滑剂为多烯酚聚氧乙烯醚、多元醇聚氧乙烯醚、脂肪醇嵌段聚醚、脂肪醇嵌段聚醚磷酸酯中的一种或多种；

抗静电剂为聚季铵盐、聚氧乙烯的衍生物、多元醇、烷基醇酰胺、脂肪酸多元醇酯、烷基咪唑啉、硝酸锂、氯化锂、氯化铵中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种玄武岩短切纤维浸润剂，其特征在于：纤维为玄武岩纤维、岩棉、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种玄武岩短切纤维浸润剂，其特征在于：成膜剂20％，偶联剂0.5％，润滑剂0.2％、抗静电剂0.8％、纤维单丝分散剂3％，去离子水75.5％；其中纤维单丝分散剂采用肌醇六磷酸酯、椰油酰胺丙基甜菜碱、炔二醇和硼酸烷基醇酰胺酯混合液，其配比为＝0.5:4:1:4.5。

5.根据权利要求4所述的一种玄武岩短切纤维浸润剂，其特征在于：成膜剂采用聚氨酯乳液，偶联剂采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷，润滑剂采用丙二醇前段聚醚、抗静电剂采用硝酸锂。