CN112342659B - 一种耐高温氧化铝连续纤维复合线材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温氧化铝连续纤维复合线材及其制备方法，属于无机非金属纤维材料领域。本发明所述的耐高温氧化铝连续纤维复合线材的制备方法包括如下步骤：(1)以一束国产氧化铝连续纤维为芯层纤维，一束耐高温纤维为内包缠纤维，一束耐磨纤维为外包缠纤维，制备得到制成包覆纱；(2)将包覆纱浸渍在聚乳酸乙烯酯溶液，取出，干燥，得到含有内密封层的包覆纱；(3)将含有内密封层的包覆纱浸渍聚乙二醇溶液，取出，干燥，得到所述的氧化铝连续纤维复合线材。本发明得到的复合线材整体耐受温度可达到2000℃左右，可以彻底解决防护编织件所用纤维耐受温度不高的问题。

Description

一种耐高温氧化铝连续纤维复合线材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温氧化铝连续纤维复合线材及其制备方法，属于无机非金属纤维材料领域。
背景技术
随着现代工业的发展，钢铁、冶金、微电子、原子能、航空航天等高尖端行业对结构材料提出了新的要求。这些行业能源的供给除了煤炭等化石能源，还需要电能的供给，而电的传输就需要线缆设备来保持其正常运行，普通的电线外皮都是塑料制成的，遇到高温环境就会很快融化，编织套管、编织线等防护用编织件可以实现对其保护的功能，因此对结构材料提出了耐高温、良好的热稳定性、良好的电绝缘性、高强度等高性能要求。
耐高温纤维即在高温环境下仍能保持不熔化，通常是指在250-300℃范围内可长期使用的纤维。目前，耐高温纤维在产业领域中的应用已经包括防护服装、高性能复合材料、绳索、编织套管等具体方面。热防护用纤维主要是玻璃纤维和石英纤维，但是玻璃纤维的最大耐受温度仅在300℃左右，石英纤维的最大耐受温度较高但是绝缘性能差。氧化铝基陶瓷连续纤维是一种高性能的新型无机陶瓷纤维，具有优异的耐高温性能(1700℃以上)并且柔性较好，与碳纤维、碳化硅等非氧化物纤维相比，氧化铝纤维不仅具有高强度、高模量、耐高温等优良性能，还具有很好的高温抗氧化性、耐腐蚀性，且表面活性高，但是氧化铝连续纤维脆性较大，在编织过程中容易产生断头，可织性不高。可见，传统防护编织件所用纤维耐受温度较差，无法满足现代工业防护对结构材料的耐高温的要求。
因此，如何通过工艺的改进制备得到一种耐高温、耐磨性优异的防护编织件是目前亟需要解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述至少一个问题，本发明以国产氧化铝纤维为芯，以一束耐高温纤维和一束耐磨性纤维为包缠纤维，以螺旋的方式对国产氧化铝纤维进行包覆合成一股纱，再在股纱上分别浸渍聚乳酸乙烯酯和聚乙二醇(PEG)作为密封层，从而实现耐高温氧化铝连续纤维复合线材的制备，彻底解决防护编织件所用纤维耐受温度不高、耐磨性较差等问题。
本发明的第一个目的是提供一种制备氧化铝连续纤维复合线材的方法，包括如下步骤：
(1)以一束国产氧化铝连续纤维为芯层纤维，一束耐高温纤维为内包缠纤维，一束耐磨纤维为外包缠纤维，制备得到制成包覆纱；
(2)将步骤(1)得到的包覆纱浸渍在聚乳酸乙烯酯溶液，取出，干燥，得到含有内密封层的包覆纱；
(3)将步骤(2)得到的含有内密封层的包覆纱浸渍聚乙二醇(PEG)溶液，取出，干燥，得到含有外密封层的包覆纱，即所述的氧化铝连续纤维复合线材。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的国产氧化铝连续纤维为赤羽氧化铝连续纤维，购自上海榕融新材料有限公司，芯层纤维束的细度的范围在100-400Tex，进一步优选为100Tex。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的耐高温纤维包括聚苯并咪唑纤维(PBI)、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA)、聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(PMIA)、碳纤维、聚酰亚胺纤维(PI)、聚四氟乙烯纤维(PTFE)、聚苯并咪唑纤维(PBI)、聚对苯撑苯并双恶唑纤维(PBO)、聚苯砜对苯二甲酰胺纤维(芳砜纶)、聚苯硫醚纤维(PPS)、聚醚醚酮纤维(PEEK)中的一种或几种；进一步优选为聚苯并咪唑纤维(PBI)。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的耐高温纤维束的细度为100-400D，进一步优选为300D。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的耐磨纤维包括涤纶纤维、锦纶纤维一种或两种；进一步优选为涤纶纤维。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的耐磨纤维束的细度为20-100D，进一步优选为50D。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的包覆纱在制备过程中内包缠纤维以S捻向及30°-40°的包覆角包覆在芯层纤维的外表面；其中包覆度为300-400圈/m。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的包覆纱在制备过程中外包缠纤维以Z捻向及35°-60°的包覆角包覆在内包缠纤维的外表面；其中包覆度为450-600圈/m。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)具体为：以一束国产氧化铝连续纤维为芯层纤维，将其喂入空心锭子纺纱机，以一束耐高温纤维为内包缠纤维，一束耐磨纤维为外包缠纤维，将内包缠纤维束、外包缠纤维束分别放置在上、下2个空心锭子上；在龙带带动下，以相反方向回转，控制牵伸倍率为2-4倍，空心锭子上的包覆纤维因回转被引出并包覆在芯层氧化铝纤维上，制成包覆纱。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的聚乳酸乙烯酯溶液是聚乳酸乙烯酯的丙酮溶液，聚乳酸乙烯酯的质量浓度为60-70％，进一步优选为65％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的浸渍得到的内密封层的厚度为0.25-1mm。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的浸渍时间为10-25min，浸渍温度为常温(20-30℃)。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的干燥是放入烘箱80℃-150℃保温2h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的聚乙二醇溶液是聚乙二醇的水溶液，聚乙二醇的质量浓度是40-60％，进一步优选为50％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的浸渍得到的内密封层的厚度为0.25-1mm，外密封层和内密封层的厚度保持一致。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的浸渍时间为10-25min，浸渍温度为常温(20-30℃)。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的干燥是放入烘箱80℃-150℃保温2h。
本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的氧化铝连续纤维复合线材。
本发明的第三个目的是提供一种采用本发明所述的氧化铝连续纤维复合线材制备得到的电线。
本发明的第四个目的是提供一种编织线，是采用本发明所述的氧化铝连续纤维复合线材编织而成。
本发明的第五个目的是本发明所述的氧化铝连续纤维复合线材在制备高性能防护编织件中的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述的高性能是指耐高温且耐磨性好。
本发明的有益效果：
(1)本发明以国产连续氧化铝纤维为芯，以一束耐高温纤维为内包覆纤维，一束耐磨纤维为外包覆纤维制成双层包覆纱结构，经高温测试，股线整体耐受温度可达到2000℃左右，彻底解决防护编织件所用纤维耐受温度不高的问题。
(2)本发明的包缠轴中耐磨纤维的加入可有效提高股线的耐磨性，能彻底解决防护编织件所用纤维可织性较差的问题。
(3)本发明采用的聚乳酸乙烯酯水解性差，聚乙二醇(PEG)热稳定性较好，作为密封层，保护纤维效果较好。
(4)本发明得到的氧化铝连续纤维复合线材的最高耐热温度达到2200℃以上；磨破时的转数达到4000转以上，断裂强力达到430cN以上。
附图说明
图1是双股包覆纱的包覆结构图；
图2是涂覆密封层后的氧化铝连续纤维复合线材的截面图；
图1-图2中，1为一束赤羽氧化铝连续纤维、2为一束聚苯并咪唑纤维(PBI)、3为一束涤纶纤维，4为聚乳酸乙烯酯涂层，5为聚乙二醇(PEG)涂层。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
测试方法：
热性能试验：任意选取一个已经制作完毕的包覆纱线放入热失重分析仪的陶瓷坩埚中，将陶瓷坩埚放于测试杆上，盖上炉盖。测试条件：从30℃升温至2200℃，升温速率10℃/min，N2气氛。实验数据处理得到DTG曲线，曲线峰值(初始分解温度)即为股线的最高耐热温度。
耐磨性试验：采用360号耐水砂纸，200克重锤，用剪刀剪取砂纸并分别安装在上、下砂纸架上，将纱线在一定张力下，均匀地绕在抱合力机的导纱钩上，放下砂纸架使纱线在上下纱纸之间，开机实验，速度120次往复/min，在纱线摩擦过程中，纱线周围短纤维被不断拔脱和磨断，当纱线承受不了重锤的张力时自动断裂时，关闭机器，记录计数器显示的转数。实验重复10次，取平均值。
纱线强度试验：将包覆纱一头放在上夹持器夹持面中，按“启动”按钮，上夹持器吸合将纱线的另一头置于下夹持面中，其中隔距长度为250mm，拉伸速度为250mm/min，按“启动”按钮吸合下夹持器，仪器自动进行拉伸试验。一次试验完成后得出的试验数据，记录纱线断裂强度值。实验重复10次，取平均值。
实施例1
一种制备氧化铝连续纤维复合线材的方法，包括如下步骤：
(1)将一束100Tex的赤羽氧化铝连续纤维喂入空心锭子纺纱机，将300D的聚苯并咪唑纤维束(PBI)、50D的涤纶纤维束分别放置在上、下2个空心锭子上；在龙带带动下，以相反方向回转，控制牵伸倍率为3倍，空心锭子上的包覆纤维因回转被引出并包覆在芯层氧化铝纤维上，制成包覆纱；所述PBI纤维为35°的S捻包覆度为350圈/m；所述涤纶纤维为50°的Z捻，包覆度为500圈/m；具体的编织结构如图1所示，1为一束100Tex的赤羽氧化铝连续纤维、2为一束300D的聚苯并咪唑纤维(PBI)、3为一束50D的涤纶纤维。
(2)将步骤(1)制备得到的包覆纱在浓度为65％的聚乳酸乙烯酯丙酮溶液中浸渍10min，然后放入烘箱中以100℃保温2h，得到的聚乳酸乙烯酯涂层厚度为0.8mm；
(3)将步骤(2)的包覆纱取出，室温下静置、冷却，再在浓度为50％的聚乙二醇(PEG)水溶液中浸渍10min，放入烘箱中以120℃保温2h，得到的PEG涂层厚度为0.8mm；取出静置、冷却，得到氧化铝连续纤维复合线材；具体结构如图2所示，1为一束100Tex的赤羽氧化铝连续纤维、2为一束300D的聚苯并咪唑纤维(PBI)、3为一束50D的涤纶纤维，4为聚乳酸乙烯酯涂层，5为聚乙二醇(PEG)涂层。
将得到的氧化铝连续纤维复合线材进行性能测试，测试结果为：DTG曲线峰值(初始分解温度)即氧化铝连续纤维复合线材的最高耐热温度为2400℃，耐高温性能良好；磨破时的转数为4578转，耐磨性较好；断裂强力为532cN。
将得到的氧化铝连续纤维复合线材制成编织密封绳，具体编织工艺为：用双头立式编织机制备二维编织绳，设计编织角为45°，花节长度2mm，等效直径6.4mm，使用氧化铝连续纤维复合线材25根，二维编织底盘上的携纱器分为两组，分别按照顺时针和逆时针方向运动，两个不同运动方向的编织纱相互交织形成管状编织密封绳，编织密封绳的耐受温度2300℃左右，断裂强力达到16000N(16KN)。
实施例2
一种制备氧化铝连续纤维复合线材的方法，包括如下步骤：
(1)将一束100Tex的赤羽氧化铝连续纤维喂入空心锭子纺纱机，将300D的聚苯硫醚纤维束(PPS)、20D的锦纶纤维束分别放置在上、下2个空心锭子上；在龙带带动下，以相反方向回转，控制牵伸倍率为3倍，空心锭子上的包覆纤维因回转被引出并包覆在芯层氧化铝纤维上，制成包覆纱；所述PPS纤维为35°的S捻包覆度为350圈/m；所述锦纶纤维为50°的Z捻，包覆度为500圈/m；
(2)将步骤(1)制备得到的包覆纱在浓度为65％的聚乳酸乙烯酯丙酮溶液中浸渍10min，然后放入烘箱中以100℃保温2h；得到的聚乳酸乙烯酯涂层厚度为0.8mm；
(3)将步骤(2)的包覆纱取出室温下静置、冷却，再在浓度为50％的聚乙二醇(PEG)水溶液中充分浸渍10min，放入烘箱中以100℃保温2h，得到的PEG涂层厚度为0.8mm；取出静置、冷却，得到氧化铝连续纤维复合线材。
将得到的得到氧化铝连续纤维复合线材进行性能测试，测试结果如下：DTG曲线峰值(初始分解温度)即得到氧化铝连续纤维复合线材的最高耐热温度为2200℃；磨破时的转数为4000转，断裂强力为430cN。
对照例1
一种制备氧化铝连续纤维复合线材的方法，包括如下步骤：
(1)将一束100Tex的赤羽氧化铝连续纤维喂入空心锭子纺纱机，将50D的涤纶纤维束、300D的聚苯并咪唑纤维束(PBI)分别放置在上、下2个空心锭子上；在龙带带动下，以相反方向回转，控制牵伸倍率为3倍，空心锭子上的包覆纤维因回转被引出并包覆在芯层氧化铝纤维上，制成包覆纱(赤羽氧化铝连续纤维为芯材纤维束，涤纶纤维为内包覆纤维束、聚苯并咪唑纤维为外包覆纤维束)；所述PBI纤维为35°的S捻包覆度为350圈/m；所述涤纶纤维为50°的Z捻，包覆度为500圈/m；
步骤(2)、(3)和实施例1保持一致，得到氧化铝连续纤维复合线材。
将得到的氧化铝连续纤维复合线材进行性能测试，测试结果为：DTG曲线峰值(初始分解温度)即氧化铝连续纤维复合线材的最高耐热温度为1500℃，纱线磨破时的转数为2000转，断裂强力378cN。
对照例2
一种制备氧化铝连续纤维复合线材的方法，包括如下步骤：
(1)将一束100Tex的赤羽氧化铝连续纤维喂入空心锭子纺纱机，将50D的涤纶纤维束分别放置在上、下2个空心锭子上；在龙带带动下，以相反方向回转，控制牵伸倍率为3倍，空心锭子上的包覆纤维因回转被引出并包覆在芯层氧化铝纤维上，制成包覆纱(赤羽氧化铝连续纤维为芯材纤维束，涤纶纤维为内包覆纤维束和外包覆纤维束；所述内层涤纶纤维束为35°的S捻包覆度为350圈/m；所述外层涤纶纤维束为50°的Z捻，包覆度为500圈/m；
步骤(2)、(3)和实施例1保持一致，得到氧化铝连续纤维复合线材。
将得到的氧化铝连续纤维复合线材进行性能测试，测试结果为：DTG曲线峰值(初始分解温度)即股线的最高耐热温度为1200℃，纱线磨破时的转数为2500转，断裂强力400cN。
对照例3
一种制备氧化铝连续纤维复合线材的方法，包括如下步骤：
(1)将100Tex的赤羽氧化铝连续纤维、300D的聚苯并咪唑纤维(PBI)、50D的涤纶纤维采取并捻处理，将赤羽氧化铝连续纤维束、PBI纤维束、涤纶纤维束分别放置在三只纱管上，并将三只纱管并排放置，三种纤维束分别通过各自的张力器以及导丝器后，再由网络喷嘴进行并网，设定网络数为55个/m，卷绕速度700m/min,卷绕张力45CN；开机，从纱管中引出的纤维束会通过导纱杆、张力装置、断头自停装置，导轮、导纱杆进入导纱瓷牙的小槽内，再通过滚筒的摩擦传动，三种纤维束并捻结束，卷绕在筒管上，得到纱线；
步骤(2)、(3)和实施例1保持一致，得到氧化铝连续纤维复合线材。
将得到的氧化铝连续纤维复合线材进行性能测试，测试结果为：DTG曲线峰值(初始分解温度)即氧化铝连续纤维复合线材的最高耐热温度为1300℃，纱线磨破时的转数为1500转，断裂强力200cN。
对照例4
一种制备氧化铝连续纤维复合线材的方法，包括如下步骤：
(1)步骤(1)和实施例1保持一致，得到包覆纱；
(2)将实施例1中的聚乳酸乙烯酯丙酮溶液、聚乙二醇(PEG)水溶液按照1：1的体积比例进行调配，得到混合溶液；将步骤(1)的包覆纱浸渍在混合溶液中10min，取出，然后放入烘箱中以100℃保温2h，取出静置、冷却，涂层的厚度为1.6mm，得到氧化铝连续纤维复合线材。
将得到的氧化铝连续纤维复合线材进行性能测试，测试结果为：DTG曲线峰值(初始分解温度)即氧化铝连续纤维复合线材的最高耐热温度为1000℃，纱线磨破时的转数为625转，断裂强力165cN。
对照例5
省略步骤(2)，其他和实施例1保持一致，得到氧化铝连续纤维复合线材。
将得到的氧化铝连续纤维复合线材进行性能测试，测试结果为：DTG曲线峰值(初始分解温度)即氧化铝连续纤维复合线材的最高耐热温度为923℃，纱线磨破时的转数为528转，断裂强力130cN。
对照例6
省略步骤(3)，其他和实施例1保持一致，得到氧化铝连续纤维复合线材。
将得到的氧化铝连续纤维复合线材进行性能测试，测试结果为：DTG曲线峰值(初始分解温度)即氧化铝连续纤维复合线材的最高耐热温度为856℃，纱线磨破时的转数为418转，断裂强力120cN。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的技术和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种制备氧化铝连续纤维复合线材的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）以一束国产氧化铝连续纤维为芯层纤维，一束耐高温纤维为内包缠纤维，一束耐磨纤维为外包缠纤维，制备得到制成包覆纱；
（2）将步骤（1）得到的包覆纱浸渍在聚乳酸乙烯酯溶液，取出，干燥，得到含有内密封层的包覆纱；
（3）将步骤（2）得到的含有内密封层的包覆纱浸渍聚乙二醇PEG溶液，取出，干燥，得到含有外密封层的包覆纱，即所述的氧化铝连续纤维复合线材；
其中，步骤（1）所述的耐高温纤维为聚苯并咪唑纤维PBI；所述的耐磨纤维为涤纶纤维；
步骤（1）所述的包覆纱在制备过程中内包缠纤维以S捻向及30°-40°的包覆角包覆在芯层纤维的外表面；其中包覆度为300-400圈/m；
步骤（1）所述的包覆纱在制备过程中外包缠纤维以Z捻向及35°-60°的包覆角包覆在内包缠纤维的外表面；其中包覆度为450-600圈/m；
步骤（2）所述的聚乳酸乙烯酯溶液是聚乳酸乙烯酯的丙酮溶液，聚乳酸乙烯酯的质量浓度为60-70%；
步骤（3）所述的聚乙二醇溶液是聚乙二醇的水溶液，聚乙二醇的质量浓度是40-60%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述的耐高温纤维束的细度为100-400D。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述的耐磨纤维束的细度为20-100D。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述的芯层纤维束的细度为100-400Tex。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（1）具体为：以一束国产氧化铝连续纤维为芯层纤维，将其喂入空心锭子纺纱机，以一束耐高温纤维为内包缠纤维，一束耐磨纤维为外包缠纤维，将内包缠纤维、外包缠纤维分别放置在上、下2个空心锭子上；在龙带带动下，以相反方向回转，控制牵伸倍率为2-4倍，空心锭子上的包覆纤维因回转被引出并包覆在芯层氧化铝纤维上，制成包覆纱。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述的浸渍得到的内密封层的厚度为0.25-1mm。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述的浸渍得到的外密封层的厚度为0.25-1mm，外密封层和内密封层的厚度保持一致。
8.权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的氧化铝连续纤维复合线材。
9.一种编织线，其特征在于，采用权利要求8所述的氧化铝连续纤维复合线材编织而成。
10.权利要求8所述的氧化铝连续纤维复合线材在制备高性能防护编织件中的应用。
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