CN115304281B - 一种高耐磨玻璃纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高耐磨玻璃纤维及其制备方法，涉及玻璃纤维改性技术领域。其中，高耐磨玻璃纤维的制备方法包括如下步骤：步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，熔融拉丝；步骤二、将拉出的玻璃纤维冷却成型，再进行水洗；步骤三、对水洗后的玻璃纤维进行热处理；步骤四、将热处理后的玻璃纤维置于酸液中，酸解结晶晶相，再洗涤除酸，烘干得到介孔玻璃纤维；步骤五、将介孔玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡后加入耐磨剂，搅拌均匀，在70‑95℃下浸泡20‑30min，过滤，烘干即得高耐磨玻璃纤维。由上述方法制备的玻璃纤维具有高耐磨性，可应用于多个领域。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃纤维改性技术领域，特别涉及一种高耐磨玻璃纤维及其制备方法。
背景技术
玻璃纤维(Fiberglass)，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。
随着复合材料制品尺寸的不断增加，人们对玻璃纤维的各项性能提出越来越高的要求。其中，由于玻璃纤维本身耐磨性较差，但是在多个应用场景中对于玻璃纤维的耐磨性有较高的要求，这导致了玻璃纤维在相关领域应用受到限制。因此，如何获得高耐磨的玻璃纤维产品，是市场的需求。
发明内容
为解决背景技术提到的问题，本发明提供一种高耐磨玻璃纤维，其制备方法包括如下步骤：
步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，熔融拉丝；
步骤二、将拉出的玻璃纤维冷却成型，再进行水洗；
步骤三、对水洗后的玻璃纤维进行热处理；
步骤四、将热处理后的玻璃纤维置于酸液中，酸解结晶晶相，再洗涤除酸，烘干得到介孔玻璃纤维；
步骤五、将介孔玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡后加入耐磨剂，搅拌均匀，在70-95℃下浸泡20-30min，过滤，烘干即得高耐磨玻璃纤维。
在实施上述实施例时，优选地，步骤一中，熔融的加热温度设定为1000-1100℃，先加热2-3h，然后将温度继续升高至1200-1400℃，加热8-12h。
在实施上述实施例时，优选地，步骤一中，拉丝机的速度设定为2.5-3.5m/min。
在实施上述实施例时，优选地，步骤二中，玻璃纤维采用水冷却成型，然后浸泡在清水中，并用热水泵辅助，在25-40℃温度下水洗。
在实施上述实施例时，优选地，步骤三中，玻璃纤维热处理的温度控制在500-700℃，时间为1-2h。
在实施上述实施例时，优选地，步骤五中，常温浸泡时间为0.5-1h。
在实施上述实施例时，优选地，以质量份数计，步骤一中的原料配比为SiO2 42-58份、Al2O3 10-15份、CaO 20-30份、Fe2O3 0.5-2份、CeO2 1.2-2.5份。
在实施上述实施例时，优选地，步骤五中，所述耐磨剂采用树枝状介孔二氧化硅，介孔内填充有棕榈蜡。
在实施上述实施例时，优选地，所述耐磨剂的制备步骤包括：
S1、将硅酸乙酯、烷基三甲基溴化铵和3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行反应制得树枝状介孔二氧化硅；
S2、将棕榈蜡放在容器中加热使得棕榈蜡融化，将S1步骤获得的树枝状介孔二氧化硅加入到融化的棕榈蜡中浸泡，之后冷却至棕榈蜡凝固。
由上述方法制备的玻璃纤维具有高耐磨性，可应用于多个领域。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明通过在原料组分中添加有Fe2O3、CeO2，与其他原料混合熔融拉丝后获得的玻璃纤维经过热处理，Fe2O3、CeO2会结晶，后序再将热处理后的玻璃纤维至于酸液中，使得Fe2O3、CeO2酸解，使得玻璃纤维带有孔洞。
2、本发明将含有孔洞的玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，并加入特殊处理的耐磨剂进行浸泡，使得耐磨剂随着聚硅氧烷在玻璃纤维表面缓慢迁移，能够有效分散到玻璃纤维表面，同时由于玻璃纤维还有若干孔洞，耐磨剂还会分散至其中，当烘干后，玻璃纤维表面不仅含有耐磨层，孔洞中也含有耐磨物质，大大提高了玻璃纤维的耐磨性。
3、本发明采用的耐磨剂采用树枝状介孔二氧化硅，介孔内填充有棕榈蜡，在70-95℃下，棕榈蜡部分慢慢融化使得二氧化硅与聚硅氧烷有良好的相同性，可在聚硅氧烷中有效分散。
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，下面将结合本发明实施例，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作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，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
一种高耐磨玻璃纤维，以质量份数计，步骤一中的原料配比为SiO2 42份、Al2O3 10份、CaO 20份、Fe2O3 0.5份、CeO2 1.2份。
其制备方法为：
步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，加热熔融，熔融的加热温度设定为1000℃，先加热3h，然后将温度继续升高至1200℃，加热8h，随后进行拉丝，拉丝机的速度设定为2.5m/min；
步骤二、将拉出的玻璃纤维水冷却成型，然后浸泡在清水中，并用热水泵辅助，在40℃温度下水洗；
步骤三、对水洗后的玻璃纤维进行热处理，热处理的温度控制在500℃，时间为2h。
步骤四、将热处理后的玻璃纤维置于酸液中，酸解结晶晶相，再洗涤除酸，烘干得到介孔玻璃纤维；
步骤五、将介孔玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡1h后加入耐磨剂，搅拌均匀，在80℃下浸泡30min，过滤，烘干即得高耐磨玻璃纤维。
其中，耐磨剂采用树枝状介孔二氧化硅，介孔内填充有棕榈蜡，其制备步骤为：将硅酸乙酯、烷基三甲基溴化铵和3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行反应制得树枝状介孔二氧化硅；将棕榈蜡放在容器中加热使得棕榈蜡融化，获得的树枝状介孔二氧化硅加入到融化的棕榈蜡中浸泡，之后冷却至棕榈蜡凝固。
实施例2
一种高耐磨玻璃纤维，以质量份数计，步骤一中的原料配比为SiO2 58份、Al2O3 10份、CaO 20份、Fe2O3 0.5份、CeO2 1.2份。
其制备方法为：
步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，加热熔融，熔融的加热温度设定为1000℃，先加热3h，然后将温度继续升高至1200℃，加热8h，随后进行拉丝，拉丝机的速度设定为2.5m/min；
步骤二、将拉出的玻璃纤维水冷却成型，然后浸泡在清水中，并用热水泵辅助，在40℃温度下水洗；
步骤三、对水洗后的玻璃纤维进行热处理，热处理的温度控制在500℃，时间为2h。
步骤四、将热处理后的玻璃纤维置于酸液中，酸解结晶晶相，再洗涤除酸，烘干得到介孔玻璃纤维；
步骤五、将介孔玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡1h后加入耐磨剂，搅拌均匀，在80℃下浸泡30min，过滤，烘干即得高耐磨玻璃纤维。
其中，耐磨剂采用树枝状介孔二氧化硅，介孔内填充有棕榈蜡，其制备步骤为：将硅酸乙酯、烷基三甲基溴化铵和3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行反应制得树枝状介孔二氧化硅；将棕榈蜡放在容器中加热使得棕榈蜡融化，获得的树枝状介孔二氧化硅加入到融化的棕榈蜡中浸泡，之后冷却至棕榈蜡凝固。
实施例3
一种高耐磨玻璃纤维，以质量份数计，步骤一中的原料配比为SiO2 42份、Al2O3 15份、CaO 20份、Fe2O3 0.5份、CeO2 1.2份。
其制备方法为：
步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，加热熔融，熔融的加热温度设定为1000℃，先加热3h，然后将温度继续升高至1200℃，加热8h，随后进行拉丝，拉丝机的速度设定为2.5m/min；
步骤二、将拉出的玻璃纤维水冷却成型，然后浸泡在清水中，并用热水泵辅助，在40℃温度下水洗；
步骤三、对水洗后的玻璃纤维进行热处理，热处理的温度控制在500℃，时间为2h。
步骤四、将热处理后的玻璃纤维置于酸液中，酸解结晶晶相，再洗涤除酸，烘干得到介孔玻璃纤维；
步骤五、将介孔玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡1h后加入耐磨剂，搅拌均匀，在80℃下浸泡30min，过滤，烘干即得高耐磨玻璃纤维。
其中，耐磨剂采用树枝状介孔二氧化硅，介孔内填充有棕榈蜡，其制备步骤为：将硅酸乙酯、烷基三甲基溴化铵和3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行反应制得树枝状介孔二氧化硅；将棕榈蜡放在容器中加热使得棕榈蜡融化，获得的树枝状介孔二氧化硅加入到融化的棕榈蜡中浸泡，之后冷却至棕榈蜡凝固。
实施例4
一种高耐磨玻璃纤维，以质量份数计，步骤一中的原料配比为SiO2 42份、Al2O3 10份、CaO 30份、Fe2O3 0.5份、CeO2 1.2份。
其制备方法为：
步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，加热熔融，熔融的加热温度设定为1000℃，先加热3h，然后将温度继续升高至1200℃，加热8h，随后进行拉丝，拉丝机的速度设定为2.5m/min；
步骤二、将拉出的玻璃纤维水冷却成型，然后浸泡在清水中，并用热水泵辅助，在40℃温度下水洗；
步骤三、对水洗后的玻璃纤维进行热处理，热处理的温度控制在500℃，时间为2h。
步骤四、将热处理后的玻璃纤维置于酸液中，酸解结晶晶相，再洗涤除酸，烘干得到介孔玻璃纤维；
步骤五、将介孔玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡1h后加入耐磨剂，搅拌均匀，在80℃下浸泡30min，过滤，烘干即得高耐磨玻璃纤维。
其中，耐磨剂采用树枝状介孔二氧化硅，介孔内填充有棕榈蜡，其制备步骤为：将硅酸乙酯、烷基三甲基溴化铵和3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行反应制得树枝状介孔二氧化硅；将棕榈蜡放在容器中加热使得棕榈蜡融化，获得的树枝状介孔二氧化硅加入到融化的棕榈蜡中浸泡，之后冷却至棕榈蜡凝固。
实施例5
一种高耐磨玻璃纤维，以质量份数计，步骤一中的原料配比为SiO2 42份、Al2O3 10份、CaO 20份、Fe2O3 2份、CeO2 1.2份。
其制备方法为：
步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，加热熔融，熔融的加热温度设定为1000℃，先加热3h，然后将温度继续升高至1200℃，加热8h，随后进行拉丝，拉丝机的速度设定为2.5m/min；
步骤二、将拉出的玻璃纤维水冷却成型，然后浸泡在清水中，并用热水泵辅助，在40℃温度下水洗；
步骤三、对水洗后的玻璃纤维进行热处理，热处理的温度控制在500℃，时间为2h。
步骤四、将热处理后的玻璃纤维置于酸液中，酸解结晶晶相，再洗涤除酸，烘干得到介孔玻璃纤维；
步骤五、将介孔玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡1h后加入耐磨剂，搅拌均匀，在80℃下浸泡30min，过滤，烘干即得高耐磨玻璃纤维。
其中，耐磨剂采用树枝状介孔二氧化硅，介孔内填充有棕榈蜡，其制备步骤为：将硅酸乙酯、烷基三甲基溴化铵和3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行反应制得树枝状介孔二氧化硅；将棕榈蜡放在容器中加热使得棕榈蜡融化，获得的树枝状介孔二氧化硅加入到融化的棕榈蜡中浸泡，之后冷却至棕榈蜡凝固。
对比例1
市售普通的玻璃纤维。
对比例2
一种玻璃纤维，以质量份数计，步骤一中的原料配比为SiO2 42份、Al2O3 10份、CaO20份、Fe2O3 2份、CeO2 1.2份。
其制备方法为：
步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，加热熔融，熔融的加热温度设定为1000℃，先加热3h，然后将温度继续升高至1200℃，加热8h，随后进行拉丝，拉丝机的速度设定为2.5m/min；
步骤二、将拉出的玻璃纤维水冷却成型，然后浸泡在清水中，并用热水泵辅助，在40℃温度下水洗；
步骤三、将玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡1h后加入耐磨剂，搅拌均匀，在80℃下浸泡30min，过滤，烘干即可。
其中，耐磨剂采用树枝状介孔二氧化硅，介孔内填充有棕榈蜡，其制备步骤为：将硅酸乙酯、烷基三甲基溴化铵和3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行反应制得树枝状介孔二氧化硅；将棕榈蜡放在容器中加热使得棕榈蜡融化，获得的树枝状介孔二氧化硅加入到融化的棕榈蜡中浸泡，之后冷却至棕榈蜡凝固。
对比例3
一种玻璃纤维，以质量份数计，步骤一中的原料配比为SiO2 42份、Al2O3 10份、CaO20份、Fe2O3 2份、CeO2 1.2份。
其制备方法为：
步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，加热熔融，熔融的加热温度设定为1000℃，先加热3h，然后将温度继续升高至1200℃，加热8h，随后进行拉丝，拉丝机的速度设定为2.5m/min；
步骤二、将拉出的玻璃纤维水冷却成型，然后浸泡在清水中，并用热水泵辅助，在40℃温度下水洗；
步骤三、对水洗后的玻璃纤维进行热处理，热处理的温度控制在500℃，时间为2h。
步骤四、将热处理后的玻璃纤维置于酸液中，酸解结晶晶相，再洗涤除酸，烘干得到介孔玻璃纤维；
步骤五、将介孔玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡1h后加入耐磨剂，搅拌均匀，在80℃下浸泡30min，过滤，烘干即得高耐磨玻璃纤维。
其中，耐磨剂采用二氧化硅。
取上述实施例1-5和对比例1-4得到的直径5μm的玻璃纤维拉伸强度测试，并取上述实施例1-5和对比例1-4的玻璃纤维在织布机上织出织物参照GB3960-83在MM-200型摩擦磨损试验机上评价材料的摩擦磨损性能，其测试结果如表1所示：
表1
通过表1的数据可看出，本发明实施例1-5的玻璃纤维磨损率相较于对比例1-3均有很大的下降，证明了本发明的玻璃纤维具有高耐磨性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (8)
1.一种高耐磨玻璃纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、按比例将原料SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、CeO2混合，熔融拉丝；
步骤二、将拉出的玻璃纤维冷却成型，再进行水洗；
步骤三、对水洗后的玻璃纤维进行热处理；
步骤四、将热处理后的玻璃纤维置于酸液中，酸解结晶晶相，再洗涤除酸，烘干得到介孔玻璃纤维；
步骤五、将介孔玻璃纤维浸入聚硅氧烷中，常温浸泡后加入耐磨剂，搅拌均匀，在70-95℃下浸泡20-30min，过滤，烘干即得高耐磨玻璃纤维；
步骤五中，所述耐磨剂采用树枝状介孔二氧化硅，介孔内填充有棕榈蜡；
所述耐磨剂的制备步骤包括：
S1、将硅酸乙酯、烷基三甲基溴化铵和3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行反应制得树枝状介孔二氧化硅；
S2、将棕榈蜡放在容器中加热使得棕榈蜡融化，将S1步骤获得的树枝状介孔二氧化硅加入到融化的棕榈蜡中浸泡，之后冷却至棕榈蜡凝固。
2.根据权利要求1所述的高耐磨玻璃纤维的制备方法，其特征在于，步骤一中，熔融的加热温度设定为1000-1100℃，先加热2-3h，然后将温度继续升高至1200-1400℃，加热8-12h。
3.根据权利要求1所述的高耐磨玻璃纤维的制备方法，其特征在于，步骤一中，拉丝机的速度设定为2.5-3.5m/min。
4.根据权利要求1所述的高耐磨玻璃纤维的制备方法，其特征在于，步骤二中，玻璃纤维采用水冷却成型，然后浸泡在清水中，并用热水泵辅助，在25-40℃温度下水洗。
5.根据权利要求1所述的高耐磨玻璃纤维的制备方法，其特征在于，步骤三中，玻璃纤维热处理的温度控制在500-700℃，时间为1-2h。
6.根据权利要求1所述的高耐磨玻璃纤维的制备方法，其特征在于，步骤五中，常温浸泡时间为0.5-1h。
7. 根据权利要求1所述的高耐磨玻璃纤维的制备方法，其特征在于，以质量份数计，步骤一中的原料配比为SiO2 42-58份、Al2O3 10-15份、CaO 20-30份、Fe2O3 0.5-2份、CeO21.2-2.5份。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的制备方法制得的高耐磨玻璃纤维。
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