CN108842459A - 一种利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的装置及方法。该处理过程分为：预处理、流水线处理、二次高温固化、机械切割四个过程。现有的利用硅烷对钢材进行表面处理的对象大多为板材、单根钢纤维或者者钢筋等，且现在的利用硅烷对金属进行表面处理的方式，大多为浸渍涂覆的方式。本发明所采用的大批量处理方式，与单根纤维的处理方式相比，主要是在涂覆阶段，采用流水线式处理方式代替浸渍的处理方式，且在高温固化后，增加机械切割的步骤。本发明提供的流水线式处理方式，实现对钢纤维的批量处理，效率较高，节省人力。

Description

一种利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的装置及方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，是一种对钢纤维实现批量处理的装置和工艺。
背景技术
硅烷已被证明是一种优异的偶联剂，可加强两种不同材料之间的界面。特别是硅烷偶联剂的应用，显着提高了各种纤维的结合强度，从而提高了纤维增强复合材料的力学性能。
硅烷涂层不仅确保了钢基材与涂层之间的附着力，而且为化学腐蚀提供了有效的屏障。硅烷已被广泛应用于工业中，并被证明对于处理镀锌钢、不锈钢、铝材等多种金属材料非常有效。纤维的表面处理研究，一般还是采用浸渍的处理方式，如图1(a)所示。当对大量的钢纤维同时进行浸渍处理时，其通常是预先将钢丝切割成大量钢纤维，然后将其同时放置在容器中浸渍，如图1(b)所示。但此种方式会造成钢纤维之间在浸渍过程中相互粘结。虽然可以在处理完成后，采用机械将粘结的纤维打散，然而这导致纤维表面涂层分布不均，且大量的粘结部位并未被涂层包裹。因此，有必要针对钢纤维批量表面处理提供一种新的解决方法。
发明内容
本发明提供了一种利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的方式。现有的利用硅烷对钢材进行表面处理的对象大多为板材、钢筋或单根的钢纤维，且现在的利用硅烷对金属进行表面处理的方式，大多为浸渍涂覆的方式。本发明提供的流水线式处理方式，实现对钢纤维的批量处理，效率较高，节省人力。
本发明具体采用的技术方案如下：
利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的装置，其包括卷轴、收线器、第一酸洗槽、第二酸洗槽和管式炉；所述的卷轴、收线器、第一酸洗槽、第二酸洗槽和管式炉顺次放置，形成连续的流水线；待处理的钢纤维一端缠绕于卷轴上，另一端在辊轴的导向下依次穿过第一酸洗槽和第二酸洗槽的槽腔，然后穿过管式炉的炉膛，最终收卷于收线器上。
作为优选，所述的第一酸洗槽和第二酸洗槽的槽腔中盛有硅烷水解液作为表面处理剂。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置对钢纤维进行批量表面处理的方法，其包括预处理、流水线处理、二次高温固化、机械切割四个过程，具体的流程如下：
1)对钢丝进行预处理；
2)将预处理后的钢丝缠绕于卷轴，以流水线处理方式完成钢丝的批量表面处理；处理过程中，钢丝在收线器的收卷力带动下，依次在第一酸洗槽和第二酸洗槽中利用硅烷水解液对钢丝进行硅烷涂覆处理，然后在管式炉中高温固化；
3)将高温固化处理后的钢丝进行二次高温固化；
4)对二次高温固化后的钢丝进行机械切割，批量得到预设长度的钢纤维。
作为优选，所述的硅烷水解液由硅烷偶联剂或混合硅烷偶联剂在含醇水溶液中水解得到。
进一步的，所述的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的1种或多种。
进一步的，所述的醇为甲醇和乙醇中的一种或二者的混合液。
作为优选，所述的预处理包括对钢丝依次进行酸洗、去离子水清洗、碱洗、去离子水清洗和甲醇清洗。
作为优选，所述的二次高温固化采用可通风的恒温烘箱进行。
作为优选，所述管式炉中的高温固化以及二次高温固化的处理温度均为90℃-150℃。
作为优选，所述的机械切割采用针对管材、板材和钢丝的专用切割机，切割机可自动送料，精确控制切割长度。
本发明采用流水线的方式对钢丝进行硅烷涂覆处理，然后再用切割机对处理好的钢丝进行裁剪，最终得到经表面改性的钢纤维。此种方法填补了用硅烷对钢纤维进行大批量处理的技术空白，效率高，节省人力。相对于将大量钢纤维同时进行浸渍处理的方法，本发明能够使纤维表面涂层分布更为均匀，涂层更为完整。
附图说明
图1是不同处理的流程图；其中(a)是常用的采用硅烷对单根钢纤维进行表面处理的流程简图；(b)是现有的采用硅烷对大量钢纤维进行表面处理的流程简图；(c)是本发明采用硅烷对钢纤维进行流水线式的大批量处理的流程简图。
图2是本发明采用硅烷对钢纤维进行流水线式的大批量处理的平面示意简图。
图3是酸洗槽的三视图，依次为正视图，左视图和俯视图。
图4是管式高温炉的三视图，依次为正视图，左视图和俯视图。
图5是是采用两种表面方式对钢纤维表面进行表面处理后的SEM对照图，其中，(a)为采用先大批量浸渍处理，后机械离散的处理方式，为对照组实验结果，(b)为采用本发明所提供的处理方法，为实验组实验结果。
图中附图标记：卷轴1、收线器2、第一酸洗槽3、第二酸洗槽4、管式炉5、上部辊轴6、下部辊轴7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。本实施实例只是对本发明的说明，并不是对本发明做出任何限定。
本发明所采用的利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的方法，与单根纤维的处理方式相比，主要区别是在涂覆阶段，采用流水线式处理方式代替浸渍的处理方式，且在高温固化后，增加机械切割的步骤。该处理方法的处理流程如图1(c)所示，其处理过程包括：预处理、流水线处理、二次高温固化、机械切割四个过程，由最初的钢丝制得经过表面处理的钢纤维。下面详细描述本发明的处理过程：
1)对钢丝进行预处理，其中预处理过程包括酸洗、去离子水清洗、碱洗(例如氢氧化钠溶液清洗)、去离子水清洗和甲醇清洗等多个步骤，去除钢丝表面的油污和氧化层等杂质。
2)对预处理后的钢丝进行流水线处理，本发明中用于实现该流水线处理的装置如图2所示，包括卷轴1、收线器2、第一酸洗槽3、第二酸洗槽4和管式炉5。卷轴1、收线器2、第一酸洗槽3、第二酸洗槽4和管式炉5顺次放置，形成连续的流水线。卷轴1架设于支架上，收线器2的辊筒由电机驱动旋转，电机保持转速恒定且适中，提供整个流水线式处理方式的动力。流水线处理过程为：将预处理后的钢丝缠绕于卷轴1，另一端在辊轴的导向下依次穿过第一酸洗槽3和第二酸洗槽4的槽腔，在第一酸洗槽3和第二酸洗槽4中利用硅烷水解液对钢丝进行硅烷涂覆处理；然后穿过管式炉5的炉膛，在管式炉5中高温固化，最终收卷于收线器2上。通过不断放卷，就可以以流水线处理方式完成钢丝的批量表面处理。
因此，第一酸洗槽3和第二酸洗槽4的槽腔中应预先盛有硅烷水解液作为表面处理剂。硅烷水解液由硅烷偶联剂或混合硅烷偶联剂在含醇水溶液中水解得到。硅烷偶联剂可以是γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的1种或多种组合。醇可以是甲醇和乙醇中的一种，或二者的混合液。
如图3所示，两个酸洗槽的槽腔顶部两侧设置两个上部辊轴6，槽腔底部设置两个下部辊轴7，钢纤维穿过四个导向辊轴后，能够完全浸没在硅烷水解液中，实现硅烷涂覆处理。而且，由于钢纤维是以连续形式穿过硅烷水解液的，能够实现最大程度的涂覆，表面均匀性较好，不会出现传统钢纤维批量处理时相互粘结的现象。设置两个酸洗槽的目的是为了通过多次涂覆，保证涂覆的可靠性、完整性。如图4所示，管式炉5中具有轴向设置的炉膛，涂覆了硅烷水解液的钢丝经过该炉膛后，可以实现水解液的初步干燥，使其沉积于钢丝表面，在后续收卷过程中不同钢丝之间不会相互粘结。
3)将管式炉5高温固化处理后的钢丝，再次将其送入可通风的恒温烘箱中进行二次高温固化，保证硅烷偶联剂在钢纤维表面固化成薄膜。
两次的高温固化过程中，其温度处理范围均可以在90℃-150℃之间。
4)根据需要的长度，对二次高温固化后的钢丝进行机械切割，批量得到预设长度的钢纤维。机械切割采用专门针对管材、板材和钢丝设计的可以自动送料的切割机，能够精确控制切割长度。
为了展示本发明的批量处理方法与传统方法之间的效果差异，本发明设计了两个对比试验。
实验组：采样本发明的上述批量表面处理方法进行钢纤维表面处理，其中原始钢丝采用直径0.2mm的高碳素钢丝，表面处理剂中，所采用硅烷为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，牌号Z6040，硅烷水解液由硅烷Z6040，无水甲醇和去离子水组成，其体积配合比例硅烷：醇：水为1:1:6，两次的高温固化的温度均为110℃，钢丝最后机械切割长度为20mm。
对照组：先将与实验组相同的钢丝切割成长度为20mm的大量钢纤维，然后将其同时放置在盛有与实验组相同的硅烷水解液的容器中浸渍涂覆。浸渍完成后，钢纤维之间存在相互粘结现象。因此将粘结的纤维机械打散，最终得到经过表面处理的钢纤维。
对两组不同做法得到的钢纤维进行电镜扫描，其结果如图5所示。结果表明：实验组的钢纤维表面涂层相对较完整且均匀。对照组的钢纤维表面涂层出现局部过厚，有淤积现象；此外，涂层表面局部被破坏，出现剥离及撕裂等现象。

Claims (10)

1.一种利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的装置，其特征在于，包括卷轴(1)、收线器(2)、第一酸洗槽(3)、第二酸洗槽(4)和管式炉(5)；所述的卷轴(1)、收线器(2)、第一酸洗槽(3)、第二酸洗槽(4)和管式炉(5)顺次放置，形成连续的流水线；待处理的钢纤维一端缠绕于卷轴(1)上，另一端在辊轴的导向下依次穿过第一酸洗槽(3)和第二酸洗槽(4)的槽腔，然后穿过管式炉(5)的炉膛，最终收卷于收线器(2)上。
2.如权利要求1所述的利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的装置，其特征在于，所述的第一酸洗槽(3)和第二酸洗槽(4)的槽腔中盛有硅烷水解液作为表面处理剂。
3.一种利用权利要求1所述装置对钢纤维进行批量表面处理的方法，其特征在于，处理流程如下：
1)对钢丝进行预处理；
2)将预处理后的钢丝缠绕于卷轴(1)，以流水线处理方式完成钢丝的批量表面处理；处理过程中，钢丝在收线器(2)的收卷力带动下，依次在第一酸洗槽(3)和第二酸洗槽(4)中利用硅烷水解液对钢丝进行硅烷涂覆处理，然后在管式炉(5)中高温固化；
3)将高温固化处理后的钢丝进行二次高温固化；
4)对二次高温固化后的钢丝进行机械切割，批量得到预设长度的钢纤维。
4.如权利要求3所述的利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的方法，其特征在于，所述的硅烷水解液由硅烷偶联剂或混合硅烷偶联剂在含醇水溶液中水解得到。
5.如权利要求4所述的利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的方法，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的1种或多种。
6.如权利要求4所述的利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的方法，其特征在于，所述的醇为甲醇和乙醇中的一种或二者的混合液。
7.如权利要求3所述的利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的方法，其特征在于，所述的预处理包括对钢丝依次进行酸洗、去离子水清洗、碱洗、去离子水清洗和甲醇清洗。
8.如权利要求3所述的利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的方法，其特征在于，所述的二次高温固化采用可通风的恒温烘箱进行。
9.如权利要求3所述的利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的方法，其特征在于，所述管式炉(5)中的高温固化以及二次高温固化的处理温度均为90℃-150℃。
10.如权利要求3所述的利用硅烷对钢纤维进行批量表面处理的方法，其特征在于，所述的机械切割采用针对管材、板材和钢丝的专用切割机，切割机可自动送料。
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