一种表面处理剂及用其制备彩色玻璃纤维的方法与流程

文档序号:23068301发布日期:2020-11-25 17:55阅读:215来源:国知局
一种表面处理剂及用其制备彩色玻璃纤维的方法与流程
本发明属于玻璃纤维制造领域,具体涉及一种表面处理剂及用其彩色玻璃纤维制备方法。
背景技术
:玻璃是一种优异的无机非金属材料,具有原料易得、强度高、模量高、耐腐蚀、绝缘性好等优点。玻璃制成纤维后,克服了玻璃性脆、易折断的缺点,是树脂基复合材料主要的增强材料,也广泛用作电绝缘材料、绝热保温材料等。目前,玻璃纤维通常是先制得所需的玻璃,然后在适宜的温度拉丝,再经退纱、并纱工艺制得;玻璃拉丝过程中需在玻璃纤维表面涂覆的一种专用表面处理剂(玻纤行业称浸润剂),其具有表面改性、粘接集束、润滑、抗静电的作用,是决定玻璃纤维是否能够满足后续加工及制品要求的关键因素之一。玻璃纤维行业使用的浸润剂主要有增强型浸润剂和纺织型浸润剂。经增强型浸润剂处理的纱,含有的浸润剂烘干后随着玻璃纤维直接进入到复合材料基体中,最终作为复合材料的一部分而存在,直径11μm以上的粗纱大多使用这类浸润剂。经纺织型浸润剂处理的纱,浸润剂是为了在拉丝、捻线和织造过程中保护纤维,在生产复合材料前要对纱进行热清洗,将浸润剂烧掉,直径10μm以下的电子纱一般使用这类浸润剂。增强纺织浸润剂即能在拉丝、捻线和织造过程很好地保护玻璃纤维,又可以与基体树脂很好地结合,是近年来发展比较快的第三类玻璃纤维浸润剂,经其处理的细纱,可以用于生产各类工业织物,生产复合材料前不需要热清洗。中国专利文献cn103833235a公开了一种在线涂覆制备彩色玻璃纤维的方法,包括如下步骤:(1)在室温下,将冰醋酸、硅烷偶联剂、固色剂和水溶性环氧分别用水稀释,然后依次混合并搅拌均匀,再加入纳米级或更细的无机着色物质颗粒,最后加入余量的水,得到含有着色物质的浸润剂;(2)将上述含有着色物质的浸润剂添加到玻璃纤维生产线上的设备中,通过在线拉丝制备玻璃纤维原丝,最后烘干即得彩色玻璃纤维。此方法限定仅使用无机颜料,且要求无机颜料是水溶性或本身能稳定分散于水中的。中国专利文献cn109485275a公开了一种浸润剂及彩色玻璃纤维及其制备方法和应用,该方法是在纺织型浸润剂基础上,使用超声波将无机颜料分散到浸润剂中,在浸润剂涂覆同时将颜色也涂覆到玻璃纤维表面,最终制得彩色玻璃纤维。使用这种方法生产的彩色玻璃纤维,在生产复合材料前,需要在400℃下热清洗,烧去淀粉、植物油等成分,工序复杂,而且在热清洗过程中纤维强度也有很大损失。目前现有技术中虽然也开发出了使用浸润剂对彩色玻璃纤维着色,并得到了一定的效果,但是也存在以下不足:热清洗过程对着色成分的破坏。由于彩色玻璃纤维本身存在染色不均匀或不牢固的情况而易导致热清洗后的织物表面发暗,或出现明显条纹,进而造成彩色玻璃纤维的强度以及着色性能差,而限制了纤维的应用范围。技术实现要素:本发明致力于提供一种简单、原料易获得的生产彩色玻璃纤维的方法,通过使用预分散处理办法,先将颜料微粉均匀分散于水中,制成稳定的悬浮液,再用这种悬浮液与硅烷、粘接剂、润滑剂和抗静电剂复配制得玻璃纤维表面处理剂,经其处理的玻璃纤维烘干后具有一定的颜色,可进行捻线、织造操作,生产复合材料前也不需要热清洗。现有技术中,玻璃纤维着色方法,为了提高颜料的附着力,都是需要高温热处理或清洗过程,但这样特征了强度,同时也会对颜料本身冷却后的固定产生不利影响。本发明提供合适的方法使玻璃纤维永久着色而不依赖于加热处理过程。发明人发现,玻璃纤维在加入特定的本发明的表面活性剂后而永久着色。在本发明的表面活剂中,加入抗静电剂后,消除溶液中的静电离子或基团的反向作用力的影响;分散剂的加入,使得颜料粒子在溶液中的分散均匀,在玻璃纤维表面不会形成明显的色差;润滑剂的加入,能使得颜料中的着色粒子优先在玻璃纤维表面形成亲水层;而粘结剂和偶联剂的加入,能最大限度的改变颜料中的着色粒子的排列,加强粒子表面活性,在着色过程中,形成类似沉积的反应,在玻璃纤维自由表面上形成分布均匀的胶体,从而宏观上出现了连续的、均匀颜色的色层薄膜。纤维表面上的颜料物质这样的均匀分布,是有利于着色反应产物的紧密结合、排列的,因为它会阻挡水分或其他污染物从玻璃纤维表面上介入。另外,着色反应产物的这种分布及性质使纤维受到的光、热、化学品或者盐雾侵蚀或影响的可能性降到最低。因此,在纤维上产生的颜色是稳定的。事实上,均匀分布在玻璃纤维表面的反应着色产物的存在赋予了本发明玻璃纤维更大程度的强度以及抗磨性。本发明提供一种玻璃纤维表面处理剂,其特征在于,包括如下重量比的组分:0.4-1.0wt%的硅烷偶联剂;4.0-5.0wt%的粘接剂;0.5-1.5wt%的润滑剂;0.05-0.3wt%的抗静电剂;1.0-4.5wt%的无机或有机颜料;0.15-0.5%的分散剂;余量为去离子水。所述粘接剂为环氧乳液和水溶性高分子化合中的一种或几种。所述润滑剂为聚乙二醇、合成蜡乳液和水溶性高分子化合物一种或几种。所述抗静电剂为阳离子表面活性剂。所述分散剂为有机嵌段聚合物。本发明还提供一种上述的表面处理剂的制备方法,包括如下步骤:(1)将硅烷偶联剂加入去离子水中,经水解,制得硅烷偶联剂水解液;(2)将粘接剂用2倍的去离子水稀释,搅拌均匀,制得粘接剂稀释液;(3)将润滑剂加入到50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得润滑剂溶液;(4)将抗静电剂加入到50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得抗静电剂溶液;(5)将分散剂加入到去离子水中,搅拌均匀,再加入颜料微粉,继续搅拌至颜料在水中分散均匀,制得颜料的悬浮液;(6)将上述硅烷偶联剂水解液、粘接剂稀释液、润滑剂溶液、抗静电剂溶液和颜料悬浮液混合,搅拌均匀,制得玻璃纤维表面处理剂。本发明还提供一种彩色玻璃纤维的制备方法,采用上述制得的表面处理剂,在玻璃纤维拉丝时涂覆于纤维表面,将玻璃纤维单丝粘接集束、着色,烘干后制得彩色玻璃纤维,然后经捻线、织造,得到彩色玻璃纤维产品。在所述表面涂覆步骤中,纤维的表面处理剂含量为0.3-1.5wt%(烘干后计)。在所述烘干步骤中,烘干温度115-130℃,烘干时间为8-10小时;烘干后水分为不大于0.3wt%。本发明获得的表面处理剂及制备的彩色玻璃纤维,相比现有技术,获得的技术效果包括:彩色玻璃纤维着色时不需要加热处理,消除了加热对纤维强度以及冷却时着色附着力的不利影响。同时,表面活性剂加入粘结剂、抗静电剂、偶联剂、润滑剂、分散剂等改性剂,使颜料在玻璃纤维表面上形成了致密的胶体颗粒,加强了纤维的着色效果以及强度。附图说明图1为本发明单根彩色玻璃纤维的示意图。图2为单根彩色玻璃纤维的横截面示意图。具体实施方式下述实施例是为了进一步说明本发明,并不局限于最佳实施方式,也不对本发明的内容和保护范围构成限制。实施例1表面处理剂的制备按如下步骤:(1)用预溶罐取30kg去离子水,搅拌,加入适量冰酸酸,将ph值调节到4-6,称取0.5kg偶联剂kh-560,缓慢加入到预溶罐中,加完后继续搅拌10分钟至预溶罐中液体变清澈,制得偶联剂水解液;(2)称取4.5kg粘接剂epikoteresin5520-w-60a和0.5kg的p70,用2倍的去离子水稀释,搅拌均匀,制得粘接剂稀释液;(3)称取1.2kg润滑剂peg1000,加入8-10kg的50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得润滑剂溶液;(4)称取0.2kg抗静电剂katax092,加入2-3kg的50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得抗静电剂溶液;(5)称取0.4kg分散剂byk190加入到20kg去离子水中,搅拌均匀,再加入4kg红色无机颜料,继续搅拌至颜料在水中分散均匀,制得无机颜料的悬浮液;(6)将上述偶联剂水解液、粘接剂稀释液、润滑剂溶液、抗静电剂溶液和颜料悬浮液混合,用去离子水补足100kg,搅拌均匀,用冰醋酸将ph值调节到4-6,制得玻璃纤维表面处理剂。在拉丝时通过胶辊涂油器,将上述玻璃纤维表面处理剂涂覆在玻璃纤维表面,使纤维含表面处理剂(烘干后计)0.7±0.15wt%,拉丝丝饼重4-8kg,将丝饼在120℃的热风烘干炉中烘干8-10小时,烘干后的纱经捻线、并捻后制得红色玻璃纤维。实施例2表面处理剂的制备按如下步骤:(1)用预溶罐取30kg去离子水,搅拌,加入适量冰酸酸,将ph值调节到4-6,称取0.6kg偶联剂kh-550,缓慢加入到预溶罐中,加完后继续搅拌10分钟至预溶罐中液体变清澈,再用冰醋酸将溶液ph值调节至4-6,制得偶联剂水解液;(2)称取4kg粘接剂epikoteresin5520-w-60a和1公斤30%的pvpk60,分别用2倍的去离子水稀释,搅拌均匀,制得粘接剂稀释液;(3)称取0.9kg润滑剂peg1000,加入6-8kg的50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得润滑剂溶液;(4)称取0.15kg抗静电剂katax092,加入2-3kg的50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得抗静电剂溶液;(5)称取0.35kg分散剂dispers670加入到20kg去离子水中,搅拌均匀,再加入4kg黄色有机颜料微粉,继续搅拌至颜料在水中分散均匀,制得有机颜料的悬浮液;(6)将上述偶联剂水解液、粘接剂稀释液、润滑剂溶液、抗静电剂溶液和颜料悬浮液混合,用去离子水补足100kg,搅拌均匀,用冰醋酸将ph值调节到4-6,制得玻璃纤维表面处理剂。在拉丝时通过胶辊涂油器,将上述玻璃纤维表面处理剂涂覆在玻璃纤维表面,使纤维含表面处理剂(烘干后计)0.7±0.15wt%,拉丝丝饼重4-8kg,将丝饼在120℃的热风烘干炉中烘干8-10小时,烘干后的纱经捻线、并捻后制得黄色玻璃纤维。实施例3表面处理剂的制备按如下步骤:(1)用预溶罐取30kg去离子水,搅拌,加入适量冰酸酸,将ph值调节到5,称取0.5kg偶联剂kh-550,缓慢加入到预溶罐中,加完后继续搅拌10分钟至预溶罐中液体变清澈,制得偶联剂水解液;(2)称取4.5kg粘接剂epikoteresin5520-w-60a和0.5kg的p70,用2倍的去离子水稀释,搅拌均匀,制得粘接剂稀释液;(3)称取1.3kg润滑剂peg1000,加入8-10kg的50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得润滑剂溶液;(4)称取0.2kg抗静电剂katax092,加入2-3kg的5060℃去离子水中,搅拌分散,制得抗静电剂溶液;(5)称取0.4kg分散剂byk190加入到20kg去离子水中,搅拌均匀,再加入3.9kg白色无机颜料,继续搅拌至颜料在水中分散均匀,制得无机颜料的悬浮液;(6)将上述偶联剂水解液、粘接剂稀释液、润滑剂溶液、抗静电剂溶液和颜料悬浮液混合,用去离子水补足100kg,搅拌均匀,用冰醋酸将ph值调节到4-6,制得玻璃纤维表面处理剂。在拉丝时通过胶辊涂油器,将上述玻璃纤维表面处理剂涂覆在玻璃纤维表面,使纤维含表面处理剂(烘干后计)0.7±0.15wt%,拉丝丝饼重4-8kg,将丝饼在120℃的热风烘干炉中烘干8-10小时,烘干后的纱经捻线、并捻后制得红色玻璃纤维。实施例4表面处理剂的制备按如下步骤:(1)用预溶罐取30kg去离子水,搅拌,加入适量冰酸酸,将ph值调节到4-6,称取0.5kg偶联剂kh-550,缓慢加入到预溶罐中,加完后继续搅拌10分钟至预溶罐中液体变清澈,制得偶联剂水解液;(2)称取4.5kg粘接剂epikoteresin5520-w-60a和0.5kg的p70,用2倍的去离子水稀释,搅拌均匀,制得粘接剂稀释液;(3)称取1.2kg润滑剂peg1000,加入9kg的50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得润滑剂溶液;(4)称取0.2kg抗静电剂katax092,加入2-3kg的50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得抗静电剂溶液;(5)称取0.4kg分散剂dispers67加入到20kg去离子水中,搅拌均匀,再加入4.3kg黑色无机颜料,继续搅拌至颜料在水中分散均匀,制得无机颜料的悬浮液;(6)将上述偶联剂水解液、粘接剂稀释液、润滑剂溶液、抗静电剂溶液和颜料悬浮液混合,用去离子水补足100kg,搅拌均匀,用冰醋酸将ph值调节到4-6,制得玻璃纤维表面处理剂。在拉丝时通过胶辊涂油器,将上述玻璃纤维表面处理剂涂覆在玻璃纤维表面,使纤维含表面处理剂(烘干后计)0.7±0.15wt%,拉丝丝饼重4-8kg,将丝饼在120℃的热风烘干炉中烘干8-10小时,烘干后的纱经捻线、并捻后制得红色玻璃纤维。实施例5表面处理剂的制备按如下步骤:(1)用预溶罐取30kg去离子水,搅拌,加入适量冰酸酸,将ph值调节到4-6,称取0.5kg偶联剂kh-560,缓慢加入到预溶罐中,加完后继续搅拌10分钟至预溶罐中液体变清澈,制得偶联剂水解液;(2)称取4.4kg粘接剂epikoteresin5520-w-60a和0.5kg的p70,用2倍的去离子水稀释,搅拌均匀,制得粘接剂稀释液;(3)称取1.2kg润滑剂peg1000,加入8-10kg的50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得润滑剂溶液;(4)称取0.2kg抗静电剂katax092,加入2-3kg的50-60℃去离子水中,搅拌分散,制得抗静电剂溶液;(5)称取0.4kg分散剂dispers67加入到20kg去离子水中,搅拌均匀,再加入4kg黄色无机颜料,继续搅拌至颜料在水中分散均匀,制得无机颜料的悬浮液;(6)将上述偶联剂水解液、粘接剂稀释液、润滑剂溶液、抗静电剂溶液和颜料悬浮液混合,用去离子水补足100kg,搅拌均匀,用冰醋酸将ph值调节到4-6,制得玻璃纤维表面处理剂。在拉丝时通过胶辊涂油器,将上述玻璃纤维表面处理剂涂覆在玻璃纤维表面,使纤维含表面处理剂(烘干后计)0.7±0.15wt%,拉丝丝饼重4-8kg,将丝饼在120℃的热风烘干炉中烘干8-10小时,烘干后的纱经捻线、并捻后制得红色玻璃纤维。上述实施例中,kh-560和kh-550为国内通用偶联剂牌号;epikoteresin5520-w-60a为hexion化工公司的环氧乳液产品;p70为日本油墨化学(dic)的水性环氧产品;pvpk60为湖州神华高分子材料有限公司的聚乙烯吡咯烷酮产品;peg1000为美国陶氏化学的润滑剂产品;katax092为科凯精细化工(上海)有限公司的有机抗静电剂产品;byk190为毕克化学的分散剂产品;dispers670为tego公司的分散剂产品。本发明的方案中,有机颜料可选自偶氮颜料、酞菁颜料或多环颜料一种或多种;无机颜料可选自各种金属氧化物、铬酸盐、碳酸盐、硫酸盐和硫化物等,如铝粉、铜黄、碳黑、锌白、钛白、铁红一种或多种。[玻璃纤维强度性能测试]将实验例制得的彩色玻璃玻璃切割成标准样品尺寸,进行杨氏模量以及拉伸强度的测试。制备试样时,用薄刀片沿纤维布纵向小心裁取多根纤维束备用。将0.2mm厚铝片用圆齿压痕、居中对折,涂上环氧树脂胶,按所需标距(25,50,100,150,200和300mm)夹持在纤维束两侧,待胶固化后,将两端多余纤维去除,试件成型。利用mts万能试验机对不同标距(25,50,100,150,200和300mm)的玻璃纤维进行了准静态(应变率为1/600s-1)拉伸测试。单束纤维的准静态拉伸测试采用mts微机控制电子万能试验机(型号c43.304),试验时加载速度设定为2.5mm/min,采用1kn力传感器,采样频率设为20hz。动态拉伸测试采用国际先进的instron落锤冲击系统(型号ceast9340),本系统的冲击高度为0.03~1.10m,速度范围为0.77~4.65m/s,最大落锤重量为37.5kg,最大冲击能量为405j.冲击速度v可以自行设定,然后由落锤控制系统换算成相应的锤头下落高度h。测试得到结果如表1。表1杨氏模量gpa拉伸强度mpa实施例11236583实施例21446743实施例31476878实施例41507015实施例51537156对比例11284869[玻璃纤维耐磨测试]采用rca耐磨测试仪检验样品着色的抗磨擦性能的可靠性。测试环境条件:温度23±2℃,湿度40%~50%;荷重:175g;标准转数:对于纤维着色效果测定时,计数测试仪负荷加载的标准转圈次数,每30圈检查彩色纤维表面的颜料脱落情况,判断要求要求样品在标准转数内未露底材。参考标准为国际标准astmdesignationf2112-2002。得到各实施例的测试结果为表2所示。表2耐磨性实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5对比例1转圈次数321285313298305168其中性能测试中所使用的对比例的样品,是根据现有技术cn109485275a《一种浸润剂及彩色玻璃纤维及其制备方法和应用》的实施例3方案制备得到彩色玻璃纤维样品。图1为本发明单根彩色玻璃纤维的示意图,可以看出其表面均匀的着上一层光亮的色彩。图2为本发明彩色玻璃纤维的横截面示意图。本发明的表面活性剂,能使颜料在玻璃纤维自由表面上形成均匀致密的胶体覆盖,同时加入的粘结剂、偶联剂可能使得颜料胶体粒子与玻璃纤维的附着力增强。表1,表2的性能测试也表明了本发明彩色玻璃纤维取得了意料不到的技术效果。在拉伸强度以及耐磨性等性能上得到加强。发明人声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,所属
技术领域
的技术人员应该明了,任何属于本
技术领域
的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。当前第1页12
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