[发明专利]一种玄武岩纤维浸润剂增强改性方法

说明书

本发明公开了一种玄武岩纤维浸润剂增强改性的方法，在传统玄武岩纤维浸润剂体系中引入一类具备双边无机偶联能力的双硅烷，并引入经双硅烷表面改性的气相SiO₂纳米粒子，以‑Si‑O‑Si‑化学共价键的方式在无机玄武岩纤维原丝之间以及无机纳米粒子与无机纤维原丝之间建立牢固的粘结体系；以玄武岩纤维浸润剂为改性对象，以增强玄武岩纤维原丝力学性能为目的，将双硅烷水解液或气相SiO₂分散的双硅烷水解液作为增强型组分直接引入至传统浸润剂体系中。该方法中双硅烷可自主合成，实现双硅烷分子链中官能团种类、官能团数目及分子量大小等的调控；通过调变气相SiO₂纳米粒子的比表面积，满足不同浸润剂体系的使用需求，达到玄武岩纤维浸润剂增强改性的效果。

技术领域

本发明涉及玄武岩纤维浸润剂技术领域，特别涉及一种玄武岩纤维浸润剂增强改性方法。

背景技术

玄武岩纤维是由天然的玄武岩矿石在熔融状态下经不同孔径铂铑合金漏板拉制而成的一种直径约7-13μm的无机材料，在生产过程中产生的废弃物少、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，是一种名副其实的绿色环保材料，是我国重点发展的四大纤维之一，也被认为是21世纪最具发展潜力的新型材料之一。与玻璃纤维和碳纤维相比，玄武岩纤维有着优异的阻燃性、优良的隔音性、良好的透波性、低吸湿性及绝佳的温度耐受性(-260～700℃)等优点。随着E-玻璃纤维被世卫组织列为2B类致癌物，碳纤维价格又长期居高不下，玄武岩纤维必将获得前所未有的机遇和市场前景。

由于纤维组成与玻纤类似，玄武岩纤维在拉丝成型后为避免严重磨损而造成飞丝、断丝，与玻纤一样，必须通过涂油器在表面均匀涂覆一定量多相结构的有机乳液，即浸润剂，一般由以下几类功能性组分构成：成膜剂、硅烷偶联剂、抗静电剂、pH调节剂及水/溶剂等。浸润剂在提升纤维增强型复合材料界面粘结性的同时还可以增强纤维的力学性能。

由于浸润剂是整个产业中的“黑匣子”技术，是决定纤维性能的关键因素，而国外企业对于增强型浸润剂仍处于技术封锁状态。当前我国的玄武岩纤维浸润剂依然主要沿用玻璃纤维上浆剂技术，同质化比较严重；按照玻纤上浆剂配方处理玄武岩纤维无法从根本上大幅提升纤维的力学性能。因此，针对浸润剂进行组分改性，对增强玄武岩纤维力学性能具有重要意义。

硅烷偶联剂是浸润剂中最为关键的组分之一，是连接无机相与有机相的“桥梁”，也是目前玄武岩纤维浸润剂改性中研究较多的组分之一。硅烷偶联剂通过分子链一端的烷氧-硅基团水解后形成的硅羟基，与玄武岩纤维表面的硅羟基发生脱水缩合反应，形成-Si-O-Si-共价键，分子链另一端的亲油基团则与树脂分子结合，从而实现树脂对纤维增强体的浸润。然而，这类两性硅烷中可水解的烷氧基团数目少，而且烷氧-硅结构仅分布在分子链一侧，纤维经传统浸润剂涂覆后，尽管可以提升与树脂的复合效果，但对于未经有机树脂复合的无捻粗纱、短切纱等制品，这类两性硅烷无法从根本上在纤维与纤维之间以共价键的形式建立直接、稳定的联系，无法有效增强无机纤维原丝间的集束性。

同时，由于玄武岩纤维在拉丝过程中表面不可避免会存在部分缺陷位，通过引入纳米粒子进行填充是有效的解决途径之一，然而由于浸润剂液膜的存在及传统两性硅烷对纳米粒子表面的疏水性修饰，不利于无机纤维与纳米粒子的表面偶联，纤维与粒子之间的界面结合作用弱，导致纳米粒子在后期加工过程中容易脱落，从而严重影响玄武岩纤维的力学性能。

本发明立足于传统浸润剂体系无法从根本上解决玄武岩纤维原丝集束性较差及无机纳米粒子易脱落的问题，利用两性有机硅烷进行分子结构设计，合成双硅烷，并作为增强型组分用于浸润剂改性过程；该发明具有操作简便、改性成本低、对原有浸润体系影响小、环境友好等特点，玄武岩纤维力学性能提升效果明显，为玄武岩纤维浸润剂增强改性提供了新思路和新方法。

发明内容