CN113789000B - 一种聚合玻璃纤维带及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种聚合玻璃纤维带，其是由玻璃纤维、原位聚合乳液和热塑性塑料为原料反应复合而成，所述复合带可承受拉力为15000‑25000N以上，所述玻璃纤维拉力保留率为95‑100％以上；其制备方法包括配制原位聚合的乳液、玻璃纤维预处理、玻璃纤维表面活化、原位聚合反应、烘干和复合成型等步骤；其有良好的社会效益和经济效益，应用环境友好。

Description

一种聚合玻璃纤维带及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新型增强材料领域，具体涉及一种聚合玻璃纤维带及其制备方法。
背景技术：
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。它是以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石六种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。但是玻璃纤维单丝之间的相互摩擦以及脆性等缺点使得其在做增强材料时强度损失较大，降低了材料的利用率。为了提高材料的利用率，在玻璃纤维表面进行原位聚合反应使其包上一层聚合物，聚合物与玻璃纤维之间形成一层弱界面，对每根玻璃纤维进行一定的保护，使玻璃纤维宏观上表现为柔性，提高材料的性能。
发明内容：
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种聚合玻璃纤维带及其制备方法，该聚合玻璃纤维带采用乳液对玻璃纤维进行表面浸渍处理，将处理后的玻璃纤维其表面在烘箱进行原位聚合反应生成聚合物包裹着玻璃纤维，再包覆上改性聚乙烯或其它热塑性塑料进行复合，拉压制成复合带，该玻璃纤维带具有聚合物耐腐蚀、拉伸强度高、质量轻等优点。
本发明涉及一种聚合玻璃纤维带，其是由玻璃纤维、原位聚合乳液和热塑性塑料为原料反应复合而成，所述复合带可承受拉力为15000-25000N以上，所述玻璃纤维拉力保留率为95-100％以上。
本发明涉及的玻璃纤维带的制备方法，其包括以下步骤：
(1)配制原位聚合的乳液
将水、乳化剂、助乳化剂、活化剂搅拌混合成混合溶剂，后将聚合单体在0-10℃低温下分散在混合溶剂中，同时加入引发剂、稳定剂和增溶剂，得到原位聚合乳液。
(2)玻璃纤维预处理
选用多根拉伸强度大于1100-1900MPa、直径为9-23μm玻璃纤维经过恒张力器进行处理，使得玻璃纤维的张紧度一致。
(3)玻璃纤维表面活化
将步骤(2)中预处理后的玻璃纤维放置在存有步骤(1)制得的原位聚合乳液的乳液槽中浸润15-30分钟，使玻璃纤维表面均匀包覆原位聚合乳液。
(4)原位聚合反应
步骤3中包覆有原位聚合乳液的玻璃纤维通过一级加热烘箱在45-60℃进行原位聚合反应，使得玻璃纤维表面的硅氧化学键与苯乙烯-醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚物基体相连，形成强度较大的界面层，并将两相间的缝隙分成相互独立的小泡孔，得到聚合玻璃纤维束。
(5)烘干
将步骤(4)中制得的聚合玻璃纤维束放入二级加热烘箱在120-130℃烘干10-15min，烘干其表面的水分。
(6)复合成型
将步骤(5)烘干后的聚合玻璃纤维束送入复合模具中，同时挤出机将热塑性塑料挤出到复合模具中，在复合模具中聚合物包覆在聚合玻璃纤维束上，然后经过冷却、牵引、卷取成卷得到成品。
本发明涉及的热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺中的一种或多种。
本发明涉及的步骤(1)中所述聚合单体为苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酸酯；所述乳化剂为油酸钾、烷基葡糖苷、甘油硬脂酸酯；所述助乳化剂为鲸蜡硬脂醇；所述活化剂为硅烷偶联剂；所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；所述稳定剂为甲氧基肉桂酸乙基己酯；所述增溶剂为三乙醇胺。
本发明涉及的步骤(4)中，原位聚合反应以醋酸乙烯为例，其反应式如下：
Figure BDA0003245133130000031
本发明涉及的步骤(4)中界面层受力时，小泡孔形变引发周围大量银纹和剪切带生成，吸收大量能量而达到增韧的效果。
本发明涉及用于制备上述聚合玻璃纤维带的装置，其主体结构包括：乳液配制系统、玻璃纤维聚合反应系统和复合成型系统。
所述乳液配制系统包括小储液罐、大储液罐、质量流量计、搅拌机、冷却水、循环水泵；小储液罐中的原料先后经质量流量计进入搅拌机中搅拌混合，进入冷却水中冷却后进入储液罐中存储备用。
所述玻璃纤维聚合反应系统包括锭子架、恒张力器、托辊、温度控制器、乳液槽和恒温水箱，所述恒张力器位于锭子架的后方，锭子架上可以放置多个玻璃纤维锭子，玻璃纤维经过恒张力器拉伸后通过托辊经温度控制器进入乳液槽中，上述乳液槽内设置有多个并排的滚轮，玻璃纤维可以在所述滚轮上依次通过，温度控制器控制乳液槽温度稳定在45-60℃，浸润15-20min得到聚合玻璃纤维束后进入恒温水箱清洗后进入后方连接一级加热烘箱。
所述复合成型机构包括复合模具、挤出机、双辊压延机、三辊压光机、牵引机和收卷机，所述复合模具位于二级加热烘箱的后方，所述复合模具的侧端连接挤出机，所述双辊压延机的侧端连接模温机，经过一级加热烘箱的玻璃纤维表面发生原位聚合反应，经过二级加热烘箱烘干的玻璃纤维与来自挤出机的熔融热塑性塑料复合成型，所述复合模具的后方连接双辊压延机，所述双辊压延机的后方连接三辊压光机，用于将复合成型的玻璃纤维聚合物复合进行冷却定型，所述三辊压光机的后方连接有牵引机，所述牵引机提供整套装置的牵引力，所述牵引机后方连接收卷机，所述收卷机将挤压成型的玻璃纤维带卷绕成卷。
本发明所带来的有益技术效果：此玻璃纤维带因其具有很高的拉伸强度可以用作捆扎带，也可将此玻璃纤维聚合物复合带缠绕在管道上，解决了钢丝、钢带缠绕带来的腐蚀问题和管体重量大等问题；将本发明玻璃纤维带缠绕在管道上，玻璃纤维束的间距均匀，纤维拉力均匀，增强效果明显。乳液槽内有设置有多个并排的滚轮，玻璃纤维可以在滚轮上依次通过，这样大大缩短了乳液槽的长度，节约了空间和成本，乳液槽内盛有原位聚合的乳液，当玻璃纤维通过乳液槽时，可以和乳液充分接触，使玻璃纤维表面活化；经过一级烘箱加热后，玻璃纤维表面进行原位聚合反应，原位聚合后的玻璃纤维通过其表面的硅氧化学键与苯乙烯-醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚物基体相连，形成强度较大的“界面节点”，并将两相间的缝隙分成相互独立的“小泡孔”，使得界面层类似于一层柔性的闭孔发泡材料层，柔性层中的“小泡孔”可以起到类似橡胶颗粒增韧增塑的作用，即当界面受力时，“小泡孔”变形引发周围大量银纹和剪切带生成，吸收大量能量而达到增韧的效果。复合模具将处理好玻璃纤维与来自挤出机的熔融热塑型塑料复合成型，并且复合模具可以控制玻璃纤维带的宽度及厚度。
附图说明：
图1为本发明聚合玻璃纤维带截面示意图。
图2为本发明涉及的乳液配制系统主体结构示意图。
图3为本发明涉及的玻璃纤维聚合反应系统主体结构示意图
图4为本发明制备聚合玻璃纤维带工艺流程图。
图1中，1界面层；2玻璃纤维束；3热塑性塑料。图2中，101小储液罐；102大储液罐；103质量流量计；104搅拌机；105冷却水；106循环水泵。图3中，201锭子架；202恒张力器；203托辊；204温度控制器；205乳液槽；206恒温水箱。
具体实施方式：
本发明提出了一种聚合玻璃纤维带及其制备方法，为了使本发明的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例涉及的聚合玻璃纤维带，其是由玻璃纤维、原位聚合乳液和热塑性塑料为原料反应复合而成，所述复合带可承受拉力为15000-25000N以上，所述玻璃纤维拉力保留率为95-100％以上。
本实施例涉及的玻璃纤维带的制备方法，其包括以下步骤：
(1)配制原位聚合的乳液
将水、乳化剂、助乳化剂、活化剂搅拌混合成混合溶剂，后将聚合单体在0-10℃低温下分散在混合溶剂中，同时加入引发剂、稳定剂和增溶剂，得到原位聚合乳液。
(2)玻璃纤维预处理
选用多根拉伸强度大于1100-1900MPa、直径为9-23μm玻璃纤维经过恒张力器进行处理，使得玻璃纤维的张紧度一致。
(3)玻璃纤维表面活化
将步骤(2)中预处理后的玻璃纤维放置在存有步骤(1)制得的原位聚合乳液的乳液槽中浸润15-30分钟，使玻璃纤维表面均匀包覆原位聚合乳液。
(4)原位聚合反应：步骤3中包覆有原位聚合乳液的玻璃纤维通过一级加热烘箱在45-60℃进行原位聚合反应，使得玻璃纤维表面的硅氧化学键与苯乙烯-醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚物基体相连，形成强度较大的界面层，并将两相间的缝隙分成相互独立的小泡孔，得到聚合玻璃纤维束。
(5)烘干
将步骤(4)中制得的聚合玻璃纤维束放入二级加热烘箱在120-130℃烘干10-15min，烘干其表面的水分。
(6)复合成型
将步骤(5)烘干后的聚合玻璃纤维束送入复合模具中，同时挤出机将热塑性塑料挤出到复合模具中，在复合模具中聚合物包覆在聚合玻璃纤维束上，然后经过冷却、牵引、卷取成卷得到成品。
本实施例涉及的热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺中的一种或多种。
本实施例涉及的步骤(1)中所述聚合单体为苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酸酯；所述乳化剂为油酸钾、烷基葡糖苷、甘油硬脂酸酯；所述助乳化剂为鲸蜡硬脂醇；所述活化剂为硅烷偶联剂；所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；所述稳定剂为甲氧基肉桂酸乙基己酯；所述增溶剂为三乙醇胺。
本实施例涉及的步骤(4)中，原位聚合反应以醋酸乙烯为例，其反应式如下：
Figure BDA0003245133130000071
本实施例涉及的步骤(4)中界面层受力时，小泡孔形变引发周围大量银纹和剪切带生成，吸收大量能量而达到增韧的效果。
本实施例涉及用于制备上述聚合玻璃纤维带的装置，其主体结构包括：乳液配制系统、玻璃纤维聚合反应系统和复合成型系统。
所述乳液配制系统包括小储液罐101、大储液罐102、质量流量计103、搅拌机104、冷却水105、循环水泵106；小储液罐中的原料先后经质量流量计进入搅拌机中搅拌混合，进入冷却水中冷却后进入储液罐中存储备用。
所述玻璃纤维聚合反应系统包括锭子架201、恒张力器202、托辊203、温度控制器204、乳液槽205和恒温水箱206，所述恒张力器位于锭子架的后方，锭子架上可以放置多个玻璃纤维锭子，玻璃纤维经过恒张力器拉伸后通过托辊经温度控制器进入乳液槽中，上述乳液槽内设置有多个并排的滚轮，玻璃纤维可以在所述滚轮上依次通过，温度控制器控制乳液槽温度稳定在45-60℃，浸润15-20min得到聚合玻璃纤维束后进入恒温水箱清洗后进入后方连接一级加热烘箱。
所述复合成型机构包括复合模具、挤出机、双辊压延机、三辊压光机、牵引机和收卷机，所述复合模具位于二级加热烘箱的后方，所述复合模具的侧端连接挤出机，所述双辊压延机的侧端连接模温机，经过一级加热烘箱的玻璃纤维表面发生原位聚合反应，经过二级加热烘箱烘干的玻璃纤维与来自挤出机的熔融热塑性塑料复合成型，所述复合模具的后方连接双辊压延机，所述双辊压延机的后方连接三辊压光机，用于将复合成型的玻璃纤维聚合物复合进行冷却定型，所述三辊压光机的后方连接有牵引机，所述牵引机提供整套装置的牵引力，所述牵引机后方连接收卷机，所述收卷机将挤压成型的玻璃纤维带卷绕成卷。
实施例2：一种玻璃纤维带的制备方法，包括以下步骤：配制原位聚合的乳液，其中原料有水、聚合单体、乳化剂、助乳化剂、活化剂、引发剂、稳定剂和增溶剂。所述聚合单体为苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酸酯，所述乳化剂为油酸钾、烷基葡糖苷、甘油硬脂酸酯，所述助乳化剂为鲸蜡硬脂醇，所述活化剂为硅烷偶联剂，所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，所述稳定剂为甲氧基肉桂酸乙基己酯，所述增溶剂为三乙醇胺。将醋酸乙烯、丙烯酸酯以及苯乙烯等共聚单体，在低温下分散在以水为主体的乳化液中，同时加入引发剂，得到原位聚合的乳液。优选的，水占乳液质量的50％，苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酸酯分别占乳液质量的20％、15％、10％；乳化剂占4.5％，助乳化剂占0.1％，活化剂占0.2％，引发剂占0.1％，稳定剂占0.05％，增溶剂占0.05％，搅拌温度为5℃。
对玻璃纤维进行预处理：选用高强度玻璃纤维长丝，本发明优选玻璃纤维型号为T911，2400Tex，其中每根玻璃纤维其拉伸强度为1500MPa左右、其直径为12μm，准备66个玻璃纤维锭子，并将其放置在锭子架上，玻璃纤维固定在锭子架上并向下经过恒张力器，经恒张力器处理后使得玻璃纤维的张紧度一致；
对玻璃纤维表面进行浸润：经过恒张力器处理后的玻璃纤维经托辊进入乳液槽浸润，乳液槽温度优选设定为5℃，玻璃纤维与乳液充分接触后，其表面均匀包覆乳液；
原位聚合反应：玻璃纤维经过一级加热烘箱，烘箱温度设定为55℃，浸润过的玻璃纤维经过加热后表面乳液开始聚合反应，原位聚合后的玻璃纤维通过其表面的硅氧化学键与苯乙烯-醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚物基体相连，形成强度较大的“界面节点”，并将两相间的缝隙分成相互独立的“小泡孔”，使得界面层类似于一层柔性的闭孔发泡材料层，柔性层中的“小泡孔”可以起到类似橡胶颗粒增韧增塑的作用，即当界面受力时，“小泡孔”变形引发周围大量银纹和剪切带生成，吸收大量能量而达到增韧的效果。
烘干：经过一级加热烘箱反应后进入二级加热烘箱，对玻璃纤维表面的水分进行烘干，优选的温度设定为130℃。
复合成型：烘干后的玻璃纤维进入复合模具，与复合模具侧端相连的挤出机将热塑性塑料熔融挤出，本发明优选的热塑性塑料为改性聚乙烯，本发明优选挤出机各区温度分别设定为110℃、130℃、150℃、170℃，模口温度设定在170℃，主机转速700r/min，在复合模具中熔融的改性聚乙烯包覆在聚合反应后的玻璃纤维上，复合模具设定将玻璃纤维带的宽设定为300mm、厚度设定为0.5mm，将上述复合成型的玻璃纤维带进行压延，冷却，定型，冷却定型器的后方连接有牵引机，牵引机后方连接卷取机，经过冷却和牵引，牵引机提供整套设备的动力，最后卷取成卷，每卷长度为2000m，得到成品玻璃纤维带。本实施例制备得到的复合带长度为2000m，宽度为300mm，厚度为0.5mm，经检测，该复合带可承受拉力大于15000N，玻璃纤维拉力保留率大于95％。
用于制备上述玻璃纤维带的装置，所述锭子架位于整套生产设备的开端，锭子架上可以放置多个玻璃纤维锭子，优选的，上述乳液槽与恒张力器之间设置有托辊，乳液槽与烘箱之间、烘箱与复合模具之间设置有导辊，上述乳液槽内设置有多个并排的滚轮，玻璃纤维可以在所述滚轮上依次通过，上述乳液槽周围设置有制冷循环水和温度控制器。

Claims (4)

1.一种聚合玻璃纤维带，由玻璃纤维、原位聚合乳液和热塑性塑料为原料反应复合而成，所述聚合玻璃纤维带可承受拉力为 15000-25000N，所述玻璃纤维拉力保留率为 95-100%；其特征在于，聚合玻璃纤维带的制备方法包括以下步骤 ：
（1）配制原位聚合的乳液
将水、乳化剂、助乳化剂、活化剂搅拌混合成混合溶剂，后将聚合单体在0-10℃低温下分散在混合溶剂中，同时加入引发剂、稳定剂和增溶剂，得到原位聚合乳液；
所述聚合单体为苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酸酯；
（2）玻璃纤维预处理
选用多根拉伸强度大于1100-1900MPa、 直径为9-23μm玻璃纤维经过恒张力器进行处理，使得玻璃纤维的张紧度一致；
（3）玻璃纤维表面活化
将步骤（2）中预处理后的玻璃纤维放置在存有步骤（1）制得的原位聚合乳液的乳液槽中浸润15-30分钟，使玻璃纤维表面均匀包覆原位聚合乳液；
（4）原位聚合反应
步骤 3中包覆有原位聚合乳液的玻璃纤维通过一级加热烘箱在45-60℃进行原位聚合反应，使得玻璃纤维表面的硅氧化学键与苯乙烯-醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚物基体相连，形成界面层，并将两相间的缝隙分成相互独立的小泡孔，得到聚合玻璃纤维束；
（5）烘干
将步骤（4）中制得的聚合玻璃纤维束放入二级加热烘箱在120-130℃烘干10-15min，烘干其表面的水分；
（6）复合成型
将步骤（5）烘干后的聚合玻璃纤维束送入复合模具中，同时挤出机将热塑性塑料挤出到复合模具中，在复合模具中聚合物包覆在聚合玻璃纤维束上，然后经过冷却、牵引、卷取成卷得到成品。
2.根据权利要求1所述的聚合玻璃纤维带，其特征在于，所述热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的聚合玻璃纤维带，其特征在于，所述步骤（1）中所述乳化剂为油酸钾、烷基葡糖苷、甘油硬脂酸酯；所述助乳化剂为鲸蜡硬脂醇；所述活化剂为硅烷偶联剂；所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；所述稳定剂为甲氧基肉桂酸乙基己酯 ；所述增溶剂为三乙醇胺。
4.根据权利要求1所述的聚合玻璃纤维带，其特征在于，聚合玻璃纤维带制备装置的主体结构包括 ：乳液配制系统、玻璃纤维聚合反应系统和复合成型系统；
所述乳液配制系统包括小储液罐、大储液罐、质量流量计、搅拌机、冷却水、循环水泵；小储液罐中的原料先后经质量流量计进入搅拌机中搅拌混合，进入冷却水中冷却后进入大储液罐中存储备用；
所述玻璃纤维聚合反应系统包括锭子架、恒张力器、托辊、温度控制器、乳液槽和恒温水箱，所述恒张力器位于锭子架的后方，锭子架上放置多个玻璃纤维锭子，玻璃纤维经过恒张力器拉伸后通过托辊经温度控制器进入乳液槽中，上述乳液槽内设置有多个并排的滚轮，玻璃纤维在所述滚轮上依次通过，温度控制器控制乳液槽温度稳定在45-60℃，浸润15-20min后，进入恒温水箱清洗后，进入后方连接一级加热烘箱；
所述复合成型机构包括复合模具、挤出机、双辊压延机、三辊压光机、牵引机和收卷机，所述复合模具位于二级加热烘箱的后方，所述复合模具的侧端连接挤出机，所述双辊压延机的侧端连接模温机，经过一级加热烘箱的玻璃纤维表面发生原位聚合反应，经过二级加热烘箱烘干的聚合玻璃纤维束与来自挤出机的熔融热塑性塑料复合成型，所述复合模具的后方连接双辊压延机，所述双辊压延机的后方连接三辊压光机，用于将复合成型的玻璃纤维聚合物复合进行冷却定型，所述三辊压光机的后方连接有牵引机，所述牵引机提供整套装置的牵引力，所述牵引机后方连接收卷机，所述收卷机将挤压成型的玻璃纤维带卷绕成卷。
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