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CN111533952A - 用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法 - Google Patents

用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法 Download PDF

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CN111533952A CN202010499815.4A CN202010499815A CN111533952A CN 111533952 A CN111533952 A CN 111533952A CN 202010499815 A CN202010499815 A CN 202010499815A CN 111533952 A CN111533952 A CN 111533952A
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曹海波
杨国华
程友良
方兵华
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Kaihua Ruida Plastic Tech Co ltd
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Kaihua Ruida Plastic Tech Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法，具体步骤为：玄武岩纤维短切纱的改性处理：使用含活性基团的低分子量改性有机硅树脂溶液对玄武岩纤维表面进行包覆改性处理，得到改性玄武岩纤维。通过本方法制得的改性玄武岩纤维短切纱可代替玻璃纤维作为复合材料的增强型原料，绿色环保且得到的复合材料性能优异。同时，该方法还适用于处理玄武岩纤维无捻纱、轴向布等。

Description

用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法。
背景技术
玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成。玄武岩纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。此外，玄武岩纤维的生产工艺决定了产生的废弃物少，对环境污染小，且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，因此是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维（碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维）之一。与玻璃纤维相比，玄武岩纤维有更高抗拉强度和更高的弹性模量以及更高的使用温度，但由于玄武岩纤维与酚醛、环氧、不饱和聚酯、聚氨酯等树脂基体的结合力和相容性较差。与玻璃纤维相比，使用玄武岩纤维增强的复合材料性能优势并不明显，且成本高，性价比低，玄武岩纤维的性能优势没有得到充分的发挥，在复合材料领域玄武岩纤维的使用受到了极大的限制。传统的工艺是使用偶联剂类的浸润剂对玄武岩纤维的表面进行处理，以增加与树脂基体的粘结力和相容性，但长期以来并没有取得突破性的进展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法，通过本方法制得的改性玄武岩纤维短切纱可代替玻璃纤维作为复合材料的增强型原料，绿色环保。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：玄武岩纤维短切纱的改性处理：使用含活性基团的低分子量改性有机硅树脂溶液对玄武岩纤维表面进行包覆改性处理，得到改性玄武岩纤维。
在本发明中，进一步的，玄武岩纤维的改性处理具体操作为：将改性有机硅树脂溶液投入真空捏合釜中，开启捏合电机，在搅拌的状态下，缓慢的加入玄武岩纤维短切纱，开启加热装置和真空泵，控制物料的温度为40～60℃，真空度-0.05～-0.095MPa，捏合搅拌10～30min，调转捏合搅拌方向，再捏合搅拌10～30min，降温冷却，得到改性玄武岩纤维短切纱。
在本发明中，进一步的，在玄武岩纤维的改性处理之前，还包括以下步骤：制备改性有机硅树脂溶液（以固体份计）：将40-50份甲苯，40-55份二甲苯依次加入带有搅拌器的反应釜中，开动搅拌器，缓慢加入1～10份含活性基团的低分子量有机硅树脂和0.1～2份硅烷偶联剂，开启加热装置，按5～6℃/min的升温速度，升温至30～50℃，并在此温度下保温30～90min，得到改性有机硅树脂溶液。
在本发明中，进一步的，在玄武岩纤维的改性处理之后，还包括以下步骤：
为防止改性玄武岩纤维短切纱粘结成团，将捏合好的改性玄武岩纤维短切纱投入到卧式鼓风搅拌干燥桶中干燥和反应，热风从物料下往上吹，在搅拌的状态下干燥处理。
在本发明中，进一步的，搅拌器的转速为60～80r/min。
在本发明中，进一步的，搅拌干燥温度为50～70℃，搅拌器转速控制在20～40r/min，搅拌干燥时间为60～120min。
在本发明中，进一步的，捏合机的搅拌转速为40～60r/min。
本发明的有益效果是：有机硅树脂结构中既含有“有机基团”，又含有“无机结构”，无机部分能够与玄武岩纤维有很好的相容性，产生较强的物理吸附力，有机部分的官能团（羟基、醛基、羧基、酯基、氨酯基、环氧基等）能够与树脂基体相容并发生交联反应，亦能对玄武岩纤维产生吸附力。无机的玄武岩纤维部分与有机的树脂部分通过中间的有机硅树脂形成较强的粘结作用，在此基础上得以提高复合材料的综合性能，同时，有机硅树脂的引入，亦能提高环氧、不饱和聚酯、聚氨酯等树脂的耐热性、韧性和耐候性，对提高复合材料的综合性能有很大的帮助。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例（根据实施例），对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
制备方法（以固体份计）：
（1）将45份甲苯，44.5份二甲苯依次加入带有搅拌器的反应釜中，开动搅拌器，转速60-80r/min，缓慢加入5份丙烯酸改性有机硅树脂（分子量Mn 800-1200，固体含量50%，羟值280，酸值160，树脂含有羟基、羧基和酯基）和0.5份氨基硅烷偶联剂KH550。开启加热装置，按5-6℃/min的升温速度，升温至45±1℃，并在此温度下保温45min，得到固体份为5.5%的有机硅树脂溶液。
（2）将步骤（1）得到的丙烯酸改性有机硅树脂溶液投入真空捏合釜中，开动捏合电机，捏合机的搅拌转速的40-60r/min，在搅拌的状态下，缓慢的加入玄武岩纤维短切纱（长度6mm，单丝直径12mm），开启加热装置和真空泵，控制物料的温度为50±1℃，真空度-0.05～-0.095MPa，捏合搅拌15min，调转捏合搅拌方向，再捏合搅拌15min，降温冷却，得到改性玄武岩纤维短切纱。
（3）为防止改性玄武岩纤维短切纱粘结成团，将捏合好的改性玄武岩纤维短切纱投入到卧式鼓风搅拌干燥桶中干燥和反应，热风从物料下往上吹，在搅拌的状态下干燥处理，搅拌器转速为20-40r/min，搅拌干燥温度为50-70℃，搅拌干燥的时间为60-120min，得到干燥的改性玄武岩纤维短切纱。
得到的改性玄武岩短切纱可以用于制备酚醛模塑料、环氧模塑料、BMC团装模塑料等产品，在复合材料领域发挥玄武岩纤维高强度、高模量的性能优势。
将上述得到的改性玄武岩纤维短切纱15份、酚醛树脂粉35份、固化剂6份、木粉25份、固化促进剂3份、无机填料13份、润滑剂和脱模剂3份投入混合桶混合均匀，再使用往复式单螺杆挤出机挤出、压片、粉碎造粒得到注塑级酚醛模塑料。得到的注塑级酚醛模塑料性能如下：拉伸断裂应力（σB），115.3MPa；弯曲强度（σfm），179.7MPa；简支梁冲击强度（acu），14.6KJ/m2；简支梁缺口冲击强度（acA），2.89KJ/m2；负荷变性温度Tff 1.8 ，212℃；耐烘烤温度230℃ 2h 通过；阻燃性达到UL94 V-0级。
对比实施例1
将未经处理的玄武岩纤维短切纱15份、酚醛树脂粉35份、固化剂6份、木粉25份、固化促进剂3份、无机填料13份、润滑剂和脱模剂3份投入混合桶混合均匀，再使用往复式单螺杆挤出机挤出、压片、粉碎造粒得到注塑级酚醛模塑料。
得到的注塑级酚醛模塑料性能如下：
拉伸断裂应力（σB），97.2MPa；弯曲强度（σfm），125.8MPa；简支梁冲击强度（acu），10.6KJ/m2；简支梁缺口冲击强度（acA），2.09KJ/m2；负荷变性温度Tff 1.8 ，184℃；耐烘烤温度230℃ 2h 样品表面轻微起皱；阻燃性达到UL94 V-0级。
实施例2
制备方法（以固体份计）：
（1）将40份甲苯，53份二甲苯依次加入带有搅拌器的反应釜中，开动搅拌器，转速60r/min，缓慢加入3份（以固体份计）环氧改性有机硅树脂（分子量Mn 500-800，固体含量50%，环氧值0.21，树脂含有羟基、环氧基，溶剂为甲苯和二甲苯）和1.0份环氧硅烷偶联剂KH560。开启加热装置，按5-6℃/min的升温速度，升温至50±1℃，并在此温度下保温60min，得到固体份为4%的有机硅树脂溶液；
（2）将步骤（1）得到的环氧改性有机硅树脂溶液投入真空捏合釜中，开动捏合电机，捏合机的搅拌转速的55r/min，在搅拌的状态下，缓慢的加入玄武岩纤维短切纱（长度:3mm，单丝直径15mm）。开启加热装置和真空泵，控制物料的温度为60±1℃，真空度为 -0.095MPa，捏合搅拌15min，调转捏合搅拌方向，再捏合搅拌15min，降温冷却，得到改性玄武岩纤维短切纱。
（3）为防止改性玄武岩纤维短切纱粘结成团，将捏合好的改性玄武岩纤维短切纱投入到卧式鼓风搅拌干燥桶中干燥和反应，热风从物料下往上吹，在搅拌的状态下干燥处理，搅拌干燥温度为50±1℃，搅拌器转速控制在40r/min。搅拌干燥90min，得到干燥的改性玄武岩纤维短切纱。
得到的改性玄武岩短切纱可以用于制备酚醛模塑料、环氧模塑料、BMC团装模塑料等产品，在复合材料领域发挥玄武岩纤维高强度、高模量的性能优势。
将上述得到的改性玄武岩纤维短切纱25份、酚醛树脂粉36份、固化剂7份、木粉15份、固化促进剂3份、无机填料11份、润滑剂和脱模剂3份投入混合桶混合均匀，再使用往复式单螺杆挤出机挤出、压片、粉碎造粒得到注塑级酚醛模塑料。得到的注塑级酚醛模塑料性能如下：拉伸断裂应力（σB），121.2MPa；弯曲强度（σfm），205.1MPa；简支梁冲击强度（acu），15.8KJ/m2；简支梁缺口冲击强度（acA），3.52KJ/m2；负荷变性温度Tff 1.8 ，221℃；耐烘烤温度240℃ 2h 通过；阻燃性达到UL94 V-0级。
对比实施例2
将未经处理的玄武岩纤维短切纱25份、酚醛树脂粉36份、固化剂7份、木粉15份、固化促进剂3份、无机填料11份、润滑剂和脱模剂3份投入混合桶混合均匀，再使用往复式单螺杆挤出机挤出、压片、粉碎造粒得到注塑级酚醛模塑料。
得到的注塑级酚醛模塑料性能如下：
拉伸断裂应力（σB），105.MPa；弯曲强度（σfm），151.1MPa；简支梁冲击强度（acu），9.01KJ/m2；简支梁缺口冲击强度（acA），2.07KJ/m2；负荷变性温度Tff 1.8 ，195℃；耐烘烤温度240℃ 2h 样品表面轻微起皱；阻燃性达到UL94 V-0级。
对比实施例1与对比实施例1、实施例2与对比实施例2发现，通过对玄武岩纤维进行改性，可用于制备高性能的树脂基复合材料和模塑料等产品，在复合材料领域发挥玄武岩纤维高强度、高模量的性能优势。
原理：有机硅树脂是一类由硅原子和氧原子交替连结组成骨架，不同的有机基团再与硅原子连结的聚合物的统称。有机硅树脂结构中既含有“有机基团”，又含有“无机结构”，这种特殊的组成和分子结构使它集有机物特性与无机物功能于一身。其中，无机部分能够与玄武岩纤维纤维有很好的相容性，产生较强的物理吸附力，有机部分的官能团（羟基、醛基、羧基、酯基、氨酯基、环氧基等）能够与树脂基体相容并发生交联反应，亦能对玄武岩纤维产生吸附力。无机的玄武岩纤维部分与有机的树脂部分通过中间的有机硅树脂形成较强的粘结作用，在此基础上得以提高复合材料的综合性能，同时，有机硅树脂的引入，亦能提高环氧、不饱和聚酯、聚氨酯等树脂的耐热性、韧性和耐候性，对提高复合材料的综合性能有大的帮助。
本发明对玄武岩纤维的处理方式也可以用于处理玄武岩纤维无捻纱、轴向布等。
应当指出，上述描述了本发明的实施例。然而，本领域技术的技术人员应该理解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明范围的前提下本发明还会有多种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
玄武岩纤维短切纱的改性处理：使用含活性基团的低分子量改性有机硅树脂溶液对玄武岩纤维表面进行包覆改性处理，得到改性玄武岩纤维。
2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法，其特征在于，玄武岩纤维的改性处理具体操作为：
将改性有机硅树脂溶液投入真空捏合釜中，开启捏合电机，在搅拌的状态下，缓慢的加入玄武岩纤维短切纱，开启加热装置和真空泵，控制物料的温度为40～60℃，真空度-0.05～-0.095MPa，捏合搅拌10～30min，调转捏合搅拌方向，再捏合搅拌10～30min，降温冷却，得到改性玄武岩纤维短切纱。
3.根据权利要求1所述的一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法，其特征在于，在玄武岩纤维的改性处理之前，还包括以下步骤：
制备改性有机硅树脂溶液（以固体份计）：将40-50份甲苯，40-55份二甲苯依次加入带有搅拌器的反应釜中，开动搅拌器，缓慢加入1～10份含活性基团的低分子量有机硅树脂和0.1～2份硅烷偶联剂，开启加热装置，按5～6℃/min的升温速度，升温至30～50℃，并在此温度下保温30～90min，得到改性有机硅树脂溶液。
4.根据权利要求1所述的一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法，其特征在于，在玄武岩纤维的改性处理之后，还包括以下步骤：
为防止改性玄武岩纤维短切纱粘结成团，将捏合好的改性玄武岩纤维短切纱投入到卧式鼓风搅拌干燥桶中干燥和反应，热风从物料下往上吹，在搅拌的状态下干燥处理。
5.根据权利要求1所述的一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法，其特征在于：所述搅拌器的转速为60～80r/min。
6.根据权利要求4所述的一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法，其特征在于：搅拌干燥温度为50～70℃，搅拌器转速控制在20～40r/min，搅拌干燥时间为60～120min。
7.根据权利要求2所述的一种用于复合材料制备的改性玄武岩纤维短切纱的制备方法，其特征在于：所述捏合机的搅拌转速为40～60r/min。
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