CN109592912B - 一种玻璃纤维浸润剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃纤维浸润剂及其制备方法和应用，该玻璃纤维浸润剂含有固体组分和水；固体组分质量占浸润剂总质量的3～8％；固体组分含有以下成分，各成分的质量占固体组分总质量的比例如下：硅烷偶联剂3～10％、润滑剂1～10％、成膜剂A 20～70％、成膜剂B 20～70％、成膜剂A+成膜剂B 80～96％；其中，硅烷偶联剂为含氨基的硅烷偶联剂，成膜剂A和成膜剂B为相对分子量不同的聚氨酯。采用该浸润剂生产的玻璃纤维产品能够满足聚氨酯缠绕工艺高张力下毛羽少的要求，与聚氨酯基体树脂相溶性好、浸透速度快、后续所制产品机械性能高。

Description

一种玻璃纤维浸润剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于玻璃纤维浸润剂领域，尤其涉及一种用于增强聚氨酯树脂缠绕工艺的玻璃纤维浸润剂及其制备方法和用途，其中涉及到一种玻璃纤维热固性树脂技术。

背景技术

聚氨酯复合材料具有轻质高强、韧性好、耐腐蚀、电绝缘性优良及性能可设计和免维修等特点，是电杆结构材料较理想的选择，已经开始并日益受到国内外电力行业的高度关注。聚氨酯复合材料电杆与传统电杆(水泥杆和钢管塔)相比，具有重量轻、强度高、耐老化、韧性优异等特点，且其能够承受台风等恶劣天气，并可根据特定的天气条件进行优化，因此，在国外，聚氨酯电杆应用已经具有相当的规模；在国内，目前很多厂家也在逐步放量投产。

玻璃纤维作为增强材料，被广泛运用于聚氨酯复合材料的生产制备中，其主要应用于聚氨酯缠绕工艺中。由于聚氨酯的缠绕工艺相对于聚酯、环氧树脂的缠绕工艺更为复杂，其使用张力大、对环境温湿度也很敏感，且在此过程中，对于玻璃纤维也要求其毛羽少、含水低、可燃物含量迁移小、浸透速度快等，而现有市场玻璃纤维已经很难满足其要求。

鉴于此，研究开发一款能满足目前市场需求的玻璃纤维浸润剂，使经过其处理的玻璃纤维在后道加工过程中能够被保护免受摩擦起毛，并能够赋予复合材料优异的力学性能显得极为重要。

发明内容

本发明旨在提供一种玻璃纤维浸润剂及其制备方法和应用，该浸润剂用于聚氨酯缠绕工艺生产过程中，使生产的复合材料具有更好的机械性能。该浸润剂能够在玻璃纤维表面形成一层均匀的保护膜，不仅满足玻璃纤维的生产需要，还可使玻璃纤维在聚氨酯缠绕工艺生产过程中毛羽少，浸透速度快，与聚氨酯树脂相溶性好，为聚氨酯复合材料提供优异的力学性能，满足市场需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种玻璃纤维浸润剂，所述浸润剂含有固体组分和水；所述固体组分质量占所述浸润剂总质量的3～8％；

所述固体组分含有以下成分，各成分的质量占所述固体组分总质量的比例如下：

其中，所述硅烷偶联剂为含氨基的硅烷偶联剂；所述成膜剂A和所述成膜剂B为相对分子量不同的聚氨酯。

优选的，所述成膜剂A为相对分子量为400～1500的聚氨酯；所述成膜剂B为相对分子量为1500～3000的聚氨酯。

优选的，所述固体组分含有以下成分，各成分的质量占所述固体组分总质量的比例如下：

其中，所述硅烷偶联剂为含氨基的硅烷偶联剂；所述成膜剂A为相对分子量为400～1500的聚氨酯；所述成膜剂B为相对分子量为1500～3000的聚氨酯。

优选的，所述成膜剂A和成膜剂B的质量比为2:1～6:1。

更优选的，所述成膜剂A和成膜剂B的质量比为2:1～4:1。

优选的，所述硅烷偶联剂选用γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。

优选的，所述润滑剂选用阳离子表面活性剂。

优选的，所述成膜剂A为相对分子量为600～1200的聚氨酯；所述成膜剂B为相对分子量为1800～2500的聚氨酯。

优选的，所述固体组分含有以下成分，各成分的质量占所述固体组分总质量的比例如下：

其中，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种；所述润滑剂为阳离子表面活性剂；所述的成膜剂A和成膜剂B为相对分子量不同的聚氨酯。

优选的，所述浸润剂的pH值为7～11。

在浸润剂技术领域中，常用的偶联剂为不含氨基的硅烷偶联剂。发明人通过研究发现，与常用的硅烷偶联剂相比，含氨基的硅烷偶联剂与本发明提供的成膜剂、润滑剂相互配合，可有效提高玻璃纤维与聚氨酯树脂的相溶性，能够使玻璃纤维增强聚氨酯缠绕工艺的复合材料具有更好的机械性能。而且，本发明通过大量实验研究确定了科学合理的硅烷偶联剂用量。如果硅烷偶联剂用量过小，制备的浸润剂会影响复合材料的机械性能，难以使机械性能达到最佳效果，不能满足生产需求；而硅烷偶联剂用量过大，偶联效果呈饱和状态，不仅不会增加复合材料的机械性能，还会浪费原料，提高成本。本发明的硅烷偶联剂质量以其占固体组分总质量的百分比为3～10％、优选为4～9％，更优选为5～8％。

除此之外，本发明的浸润剂还配合使用了成膜剂和润滑剂，进一步提高玻璃纤维增强聚氨酯缠绕工艺中复合材料的机械性能。本发明的成膜剂作为浸润剂的主要成分起到保护纤维，并对最终产品的机械强度起着决定性的作用。为了提高与聚氨酯树脂的相溶性，本发明采用成膜剂A和成膜剂B两种组分，其中成膜剂A和成膜剂B均为聚氨酯，只是两者的相对分子量不同，可同时兼顾纱线的硬挺性、集束性以及浸透性。成膜剂A的相对分子量可以为400～1500，优选为600～1200，其可降低玻璃纤维纱线的硬度，加快浸透速度；成膜剂B的相对分子量可以为1500-3000，优选为1800-2500，使玻璃纤维的纱线不至于太软，集束性好，毛羽少。本发明成膜剂A的质量占固体组分总质量的20～70％，优选为30～60％；成膜剂B的质量占固体组分总质量的20～70％，优选为30～60％；成膜剂(成膜剂A和成膜剂B)的总质量占固体组分总质量的80～96％，优选为83～93％。成膜剂A和成膜剂B两者质量比为2:1～6:1，优选为2:1～4:1，成膜剂A和成膜剂B保持前述质量比，可以使玻璃纤维具有良好的集束性、合适的硬挺性、毛羽少、浸透快。

本发明中的润滑剂可使玻璃纤维在拉丝、后处理以及使用过程中具有良好的润滑效果。润滑剂的用量对润滑效果有至关重要的影响，润滑剂用量过大会影响原丝之间的粘结性，也会降低纱线与基体树脂的结合，从而降低聚氨酯产品的机械性能；而润滑剂用量过少，则起不到所需的润滑效果。因此，本发明中润滑剂的质量占固体组分总质量的1～10％，优选为3～8％，更优选为3～6％。

本发明的润滑剂优选阳离子表面活性剂，该润滑剂具有良好的可乳化性能或水溶性能，分子量不高，具有低表面张力，且不与本发明浸润剂中其它成分起反应；润滑剂优选脂肪族酰胺醋酸盐、多乙稀酸缩合物、烷基咪唑啉衍生物中的一种或多种的组合，特例性的，可以为脂肪族酰胺醋酸盐。

本发明的浸润剂具有以下有益效果：一是浸透速度快，二是和基体树脂相溶性好，使所生产的复合材料产品具有优异的机械性能。本发明的浸润剂用于增强聚氨酯树脂，根据高分子的相似相溶机理，相对于其他类成膜剂(如环氧类成膜剂)，聚氨酯类成膜剂与聚氨酯树脂有更好的相溶性，能提供更高的机械性能。而且本发明采用的两种相对分子量不同的聚氨酯成膜剂，同时兼顾纱线的硬挺性、集束性和浸透性，能够赋予玻璃纤维良好的集束性和快速的浸透性。

根据本发明的第二个方面，提供了一种玻璃纤维浸润剂的制备方法，包括以下步骤：

1)称取水总质量40～50％的水加入到制备容器中，再缓慢加入硅烷偶联剂，持续搅拌25～30分钟；

2)称取润滑剂质量3～10倍的水加热到50～60℃，然后将润滑剂加入到50～60℃的水中，充分搅拌制得润滑剂溶液后加入制备容器中；

3)将成膜剂A加入到质量为成膜剂A质量2～3倍的水中，充分搅拌制得成膜剂A乳液；将成膜剂B加入到质量为成膜剂B质量2～3倍的水中，充分搅拌制得成膜剂B乳液；将成膜剂A乳液和成膜剂B乳液加入制备容器中；

4)向制备容器中加入余量的水，搅拌均匀制备成玻璃纤维浸润剂。

优选的，制得的成膜剂A乳液的平均粒径为0.1-0.3μm。

优选的，制得的成膜剂B乳液的平均粒径为0.2-0.5μm。

本发明中成膜剂A乳液的平均粒径为0.1-0.3μm，成膜剂B乳液的平均粒径为0.2-0.5μm时，可燃物含量的迁移性小，玻璃纤维的浸透性波动降低，从而改善聚氨酯复合材料的性能。

根据本发明的第三个方面，提供了一种玻璃纤维浸润剂在增强聚氨酯缠绕工艺的聚氨酯复合材料生产中的应用。

本发明玻璃纤维的可燃物含量(即浸润剂涂覆在玻璃纤维上的量占玻璃纤维质量的比例)一般控制在0.3～0.8％，具体的值需要根据原料本身的性能，从产品需要达到的性能指标和实验测试结果来看，可燃物含量在0.4～0.7％生产的产品，使用性能和机械强度能够满足要求。

采用本发明浸润剂生产的玻璃纤维产品适用于缠绕生产工艺，具有纱线软、毛羽少、可燃物含量迁移小、浸透速度快，并且和聚氨酯树脂有良好的相溶性，有效提高了缠绕聚氨酯复合材料的力学强度，能够满足市场及应用的需求。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明的玻璃纤维浸润剂的实施例的具体配方如表1所示，表1中还记录了相应对比例的具体配方。

本发明实施例1～7以及对比例1中：硅烷偶联剂选用含氨基的硅烷偶联剂；润滑剂选用阳离子表面活性剂；成膜剂A选用相对分子量为400～1500的聚氨酯；成膜剂B为为相对分子量为1500～3000的聚氨酯；对比例2中：硅烷偶联剂选用不含氨基的硅烷偶联剂；成膜剂A选用环氧类成膜剂；不含成膜剂B。

表1实施例和对比例的具体配方

本发明实施例和对比例1的制备方法，包括以下步骤：

1)称取水总质量40～50％的水加入到制备容器中，再缓慢加入硅烷偶联剂，持续搅拌25～30分钟；

2)称取润滑剂质量3～10倍的水加热到50～60℃，然后将润滑剂加入到50～60℃的水中，充分搅拌制得润滑剂溶液后加入制备容器中；

3)将成膜剂A加入到质量为成膜剂A质量2～3倍的水中，充分搅拌制得成膜剂A乳液；将成膜剂B加入到质量为成膜剂B质量2～3倍的水中，充分搅拌制得成膜剂B乳液；将成膜剂A乳液和成膜剂B乳液加入制备容器中；

4)向制备容器中加入余量的水，搅拌均匀制备成玻璃纤维浸润剂。

对比例2的制备方法，包括以下步骤：

1)称取水总质量40～50％的水加入到制备容器中，再缓慢加入硅烷偶联剂，持续搅拌25～30分钟；

2)称取润滑剂质量3～10倍的水加热到50～60℃，然后将润滑剂加入到50～60℃的水中，充分搅拌制得润滑剂溶液后加入制备容器中；

3)将成膜剂A加入到质量为成膜剂A质量2～3倍的水中，充分搅拌制得成膜剂A乳液；将成膜剂A乳液加入制备容器中；

4)最后向制备容器中加入余量的水，搅拌均匀制备成玻璃纤维浸润剂。

本发明的玻璃纤维浸润剂用于玻璃纤维无捻粗纱的生产工艺，并检测玻璃纤维浸润剂的性能，表2中记录了本发明实施例1～7以及对比例1～2的玻璃纤维浸润剂的检测结果。其中，玻璃纤维无捻粗纱生产中的拉丝工艺为4000孔铂金漏板拉丝，线密度为2400tex，单纤维直径控制在24微米，烘干工艺采用隧道和微波热风烘干，烘干时间为14小时。

表2玻璃纤维浸润剂的检测结果

以上测试数据是按照通用的玻纤产品测试方法测试。从表2中记录的检测数据，可知，发明实施例的配方科学合理，实施例1～实施例7的拉伸强度高同时浸透性好、毛羽少，完全符合市场需求；而对比例1～2的浸透效果不好，而且毛羽多且强度低。

本发明的玻璃纤维浸润剂可应用在增强聚氨酯缠绕工艺的聚氨酯复合材料生产中，本发明实施例根据适用缠绕工艺的增强聚氨酯树脂的玻璃纤维的技术特点，通过浸润剂原料的选择，配方的优化，采用合适的玻璃纤维生产工艺，生产出满足该领域需求的玻璃纤维产品。

本发明的浸润剂不仅浸透速度快，而且和基体树脂相溶性好，使所生产的复合材料产品具有优异的机械性能，能够使所制备的玻璃纤维具有良好的集束性和快速的浸透性。采用本发明浸润剂生产的玻璃纤维产品用于增强聚氨酯缠绕生产工艺中，具有纱线软、毛羽少、可燃物含量迁移小、浸透速度快、提高缠绕聚氨酯复合材料的力学强度等优点，能够满足市场及应用需求。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种玻璃纤维浸润剂，其特征在于，所述浸润剂含有固体组分和水；所述固体组分质量占所述浸润剂总质量的3～8％；

所述固体组分含有以下成分，各成分的质量占所述固体组分总质量的比例如下：

其中，所述硅烷偶联剂为含氨基的硅烷偶联剂；所述成膜剂A和所述成膜剂B为相对分子量不同的聚氨酯；

所述成膜剂A为相对分子量为400～1500的聚氨酯；所述成膜剂B为相对分子量为1500～3000的聚氨酯；

所述成膜剂A和所述成膜剂B的质量比为2:1～6:1；

将所述成膜剂A制得成膜剂A乳液；将所述成膜剂B制得成膜剂B乳液；所述成膜剂A乳液的平均粒径为0.1-0.3μm；所述成膜剂B乳液的平均粒径为0.2-0.5μm；

所述硅烷偶联剂选用γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种；

所述润滑剂选用阳离子表面活性剂。

2.如权利要求1所述的玻璃纤维浸润剂，其特征在于，所述固体组分含有以下成分，各成分的质量占所述固体组分总质量的比例如下：

其中，所述硅烷偶联剂为含氨基的硅烷偶联剂；所述成膜剂A为相对分子量为400～1500的聚氨酯；所述成膜剂B为相对分子量为1500～3000的聚氨酯。

3.如权利要求1所述的玻璃纤维浸润剂，其特征在于，所述成膜剂A和成膜剂B的质量比为2:1～4:1。

4.如权利要求1所述的玻璃纤维浸润剂，其特征在于，所述成膜剂A为相对分子量为600～1200的聚氨酯；所述成膜剂B为相对分子量为1800～2500的聚氨酯。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的玻璃纤维浸润剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)称取水总质量40～50％的水加入到制备容器中，再缓慢加入硅烷偶联剂，持续搅拌25～30分钟；

2)称取润滑剂质量3～10倍的水加热到50～60℃，然后将润滑剂加入到50～60℃的水中，充分搅拌制得润滑剂溶液后加入制备容器中；

3)将成膜剂A加入到质量为成膜剂A质量2～3倍的水中，充分搅拌制得成膜剂A乳液；将成膜剂B加入到质量为成膜剂B质量2～3倍的水中，充分搅拌制得成膜剂B乳液；将成膜剂A乳液和成膜剂B乳液加入制备容器中；

4)向制备容器中加入余量的水，搅拌均匀制备成玻璃纤维浸润剂。

6.一种如权利要求1-4任一项所述的玻璃纤维浸润剂在增强聚氨酯缠绕工艺的聚氨酯复合材料生产中的应用。