专利名称：用于脆性纤维力学测量的断裂端保护剂、制备及用途的制作方法
技术领域：
本发明是用于脆性纤维力学测量时纤维断裂端的完整保留技术，进一步说是一种用于脆性纤维力学测量的断裂端保护剂、制备及用途。
背景技术：
柔性纤维的力学测量，包括拉伸、弯曲、剪切、扭转，其破坏第一不易发生，因为变形损耗能量；第二即使断裂破坏，其断裂端能够完好的保留下来，便于人们了解或认识其断裂机制。因此，根本不存在断裂端保留的问题。而脆性纤维，如碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、矿物纤维，其拉伸，弯曲，剪切，扭转则不仅会在小变形下发生断裂破坏，而且由于冲击振动，还会导致第二次断裂破坏，尤其是在常规的拉伸实验中(Hayes Gary J.，Analysis of the singlefilament recoil test，Clemson University，1993 Ph.D.Dissertation)。因此，要分析、研究此类纤维的断裂机理，保留其原始断裂端成为至关重要的条件。
现有的脆性纤维力学测量中，一般只测纤维的力学强度、伸长和模量值，这些特征值受纤维形态，尤其是断裂部位形态的影响。但由于各种测量条件和纤维形态原位测量的限制，特征量采取平均值的方式表达，这种测量根本无法正确地表征纤维力学性能离散的本质特征，更无法揭示纤维弱节的特征和产生原因(于伟东.纤维弱节的和力学特征与判定，东华大学学报，2003，29(2)29-33)。而纤维弱节又是纤维性能的唯一、直接的影响因素，即纤维的力学性质不取决于纤维的整体或平均性质，而取决于它的弱节。实践证明，纤维弱节的表征只有通过纤维断裂端的分析才能获得(YU Weidong，Ron Postle，YANHaojing，The Weak-Link Morphology and Tensile Behaviour of Wool and High-Modulus Polyethylene Terephthalate Fibres in Situ，Proceedings of The Institute 83rdWorld Conference(83rdTIWC)，May 23-27，2004，Shanghai，China，163～168)。所以，在实用测量中，保留纤维的原始断裂端，规避其二次断裂引起的伪像，是脆性纤维力学测量中的关键技术。
纤维断面分析是指将纤维因受力而发生断裂的两个断裂端完整地保留下来，并将此断裂端用于显微术观察，尤其是扫描电子显微术(SEM)观察，通过纤维断面的形貌分析纤维断裂发生初始结构及该结构在受力状态下的反应。现有碳纤维的拉伸研究(姚江薇，于伟东.碳纤维单丝强伸实验的影响因素，材料科学与工程学报，2005，23(5)1-4)已有所证明脆性纤维拉伸断裂瞬间两个纤维断裂端会因为弹性势能的瞬间释放而发生由断裂面向夹持点方向的高速回弹(recoil)，最终导致纤维断裂端在高速回复中受到破坏而无法完整保留，从而导致脆性纤维拉伸断面分析无法进行的情况。为此产生的保护方法也有报道(S.C.Bennett.D.J.Johnson.Strength-structure relationships in PAN-based carbonfibers.Journal of materials science，1983，183337-3347；B.J.Jnice，B.B.John，S.Roberte.Analysis of flaws in high-strength carbon fibers from mesophase pitch.Journal of materials science，1980，152455-2465)，但是否确实能有保留效果及保护剂产生的保留率的定量值缺乏数据支持，且无专利报道。
因此，实用和理论研究中都有必要研究和开发一种脆性纤维的保护剂，能够真实、完整地保留脆性纤维的断裂端对脆性纤维断面分析，了解脆性纤维的弱节结构和在生产和加工环节提高脆性纤维的使用性能都有着极其深远的意义。
发明内容
本发明的目的是提供用于脆性纤维力学测量的断裂端保护剂。提出一种油包水乳胶作为脆性纤维力学测量中断裂端高比例真实保留的保护剂，以减小脆性纤维断裂端在力学作用时，瞬间断裂因高速回弹而遭受再次破坏，并大幅提高脆性纤维真实断裂端的保留率。
本发明的另一个目的是提供这种保护剂的制备及用途。
本发明的用于脆性纤维力学性能测量的保护剂是一种油包水乳胶，由占组合物质重量60％～70.2％的水相、占组合物质重量28％～39％的油相和占组合物质重量0.8％～2％的油包水乳化剂组成。
水相由占组合物总重的55％～60％的水、占组合物总重的5％～9.5％的润湿剂组成及微量水溶性防腐剂和抗氧化剂组成。其中，水是蒸馏水或纯净水；润湿剂可选自下列物质甘油、山梨醇、聚乙二醇、丙二醇、玉米糖浆、谷氨酸单钠、天然蜜、乳酸钠及其衍生物中的1种或它们的2～3种混合物；防腐剂占油包水乳胶物质重量的0.01％～0.3％，可选自下列物质甲基二溴戊二腈、苯氧乙醇、咪唑烷基脲、二羟甲基二甲基已内酰脲、对氯间二甲苯酚、双咪唑烷基脲、双咪唑烷基脲、碘丙炔基氨基甲酸丁酯、乙醛双酰脲、羟甲基甘氨酸钠、1，3-二羟甲基-5，5-二甲基海因、2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮、5-氯-2-2甲基-4-异噻唑啉-3-酮、二甲基二羟甲已内酰脲、2，4，4-三氯-2-羟基二苯醚、对羟基苯甲酸甲酯、对羟基苯甲酸丙酯和六亚甲基四胺衍生物中的1种或它们的2～3种混合物；抗氧化剂占油包水乳胶物质重量的0.01％～0.4％，可选自下列物质生育酚、特丁基羟基小茴香脑、特丁基羟基甲苯、没食子酸丙脂中的1种或它们的2～3种混合物。
油相由占组合物总重20％～25％的白矿油和占组合物总重的8％～14％的植物油组成。其中，白矿油为一般市售的7#～60#的白矿油；植物油可选自下列物质大豆油、花生油、菜籽油、葵花籽油、油茶籽油、米糠油、棉籽油、玉米油、杏仁油、麦芽油中的1种或它们的2～3种混合物。
油包水乳化剂可选自下列物质聚乙二醇-2倍半硬脂酸酯、C16-18的烷基葡糖苷、C16-18的醇硬脂酸甘油酯、甲基葡萄糖苷、聚乙二醇-20醚倍半硬脂酸酯，C16-18的醇/聚乙二醇-20、C16-18的醇醚、月桂基葡糖苷聚甘油-2二聚羟基硬脂酸酯/甘油、鲸蜡硬脂基醚-20、鲸蜡硬脂醇醚-21、脂肪醇醚-6、硬脂醇、聚甘油基-2二聚羟基硬脂酸酯、聚甘油基-3二异硬脂酸酯、聚氧乙烯醚磷酸三酯中的1种或它们的2～3种混合物。
本发明的主要制备方法可分为3步水相的配制；油相的配制；水相与油相混合。
水相的配制方法为取适量的蒸馏水或纯净水，在高速搅拌的状态下向液体中加入润湿剂，然后加入微量的水溶性防腐剂和抗氧化剂，持续搅拌并加热，使混合溶液清澈均匀，并达到70℃水温。所述的水、润湿剂的组份和重量比如前所述。
油相的配制方法为取适量的白矿油和适量的植物油，搅拌均匀，并在搅拌的状态下向油液中加入所述量的油包水乳化剂，继续搅拌并将油相加热70℃。所述的白矿油、植物油和乳化剂的组份和重量比如前所述。
高速搅拌油相并缓缓将水相加入油相，注意通风排气，持续搅拌30分钟后将得到的乳胶用均质机均质15～30分钟即可。所述的水相和油相的重量比如前所述。
本发明的保护剂不仅制备方便、成本低廉，而且还具有三个明显的优点其一，可以大大提高拉断纤维断裂端保留率。将此混合后的油包水乳胶均匀地涂在脆性纤维表面，即可形成脆性纤维力学测量时的减振保护层。以碳纤维的拉伸实验为例，使用本保护剂后，拉伸断裂端保留率由10％以下大幅上升至60％以上。
其二，本发明可在不影响纤维力学性能测试的前提下，真实、完整地保留脆性纤维力学破坏中的断裂端。保护剂对脆性纤维力学性能测试的影响与保护剂粘度有关。以碳纤维的拉伸实验为例，油包水乳胶的粘度约为100±10泊，实际测量中，加保护剂合不加保护剂的结果对比发现，一般前者略高于后者，但增加量小于5×10-2cN(厘牛)，这相对碳纤维本身的拉伸强力值平均13cN(厘牛)来说仅为千分之几的误差，完全可以忽略不计。
其三，本发明适用于碳纤维，玻璃纤维，陶瓷纤维和其他矿物纤维等脆性纤维的力学测量。无需对力学测量实验仪器进行改装，具有操作方便、不污染脆性纤维断裂端、不影响实验结果、效果明显等优点。
具体实施例方式通过实施例将有助于理解本发明，但不限制本发明的内容。
本发明将适量的水、适量的润湿剂和微量的水溶性防腐剂和抗氧化剂搅拌均匀后加热至70℃，再将适量的白矿油和适量的植物油搅拌均匀，在搅拌的状态下向液体中加入适量的油包水乳化剂，将油相加热至70℃。高速搅拌油相并缓缓将水相加入油相，持续搅拌30分钟，再均质15～30分钟即可使用。具体组份见实施例。本发明的使用方法是将保护剂均匀地涂抹在被测脆性纤维的外表面，然后夹持脆性纤维进行力学测量。测量结束后，将纤维头端及黏附在纤维头端表面的保护剂放在酒精或乙醚中清洗，直至保护剂被清洗掉，得到干净的脆性纤维断裂端。
实施例1成份 Weight％(重量百分比)白矿油23.5％大豆油14％甘油 5％水55％聚甘油基-2二聚羟基硬脂酸酯2％对羟基苯甲酸甲酯 0.2％生育酚0.3％为检测保护剂对纤维断面保留率的影响，进行一组对比实验。实验结果证明，由于纤维拉断瞬间的急速回弹，无保护的脆性纤维拉伸时几乎无法保留纤维的真实拉伸断面，但涂覆保护剂后，纤维拉伸断面的保留情况得到明显改善。以下实施例的检测方法相同。
表1碳纤维拉断残留纤维段的有效性分析
实施例2成份 Weight％(重量百分比)白矿油 20％花生油 9.3％山梨醇(70％溶液) 9.5％水 60％聚乙二醇-2倍半硬脂酸酯 1％对羟基苯甲酸丙酯 0.1％特丁基羟基甲苯 0.1％表2碳纤维拉断残留纤维段的有效性分析
实施例3成份 Weight％(重量百分比)白矿油 25％麦芽油 14％甘油 5％水 55％聚氧乙烯醚磷酸三酯 0.8％苯氧乙醇 0.1％生育酚 0.1％表3陶瓷拉断残留纤维段的有效性分析
实施例4成份Weight％(重量百分比)白矿油 20％杏仁油 8.5％聚乙二醇9.5％
水65％聚甘油基-3异硬脂酸酯 1.8％二羟甲基二甲基已内酰脲0.1％没食子酸丙脂 0.1％表4玻璃拉断残留纤维段的有效性分析
实施例5成份 Weight％(重量百分比)白矿油 20％玉米油 8％杏仁油 4％甘油 5％山梨醇(70％溶液) 3％水 58％聚甘油基-2聚羟基硬脂酸酯 1.5％对羟基苯甲酸丙酯 0.3％特丁基羟基甲苯 0.2％表5碳纤维拉断残留纤维段的有效性分析
实施例6成份 Weight％(重量百分比)白矿油20％大豆油4.6％玉米油3％麦芽油2％天然蜜5％甘油 6％水57％聚氧乙烯醚磷酸三酯2％二羟甲基二甲基已内酰脲0.2％没食子酸丙脂 0.2％表6玻璃拉断残留纤维段的有效性分析
实施例7成份 Weight％(重量百分比)白矿油 23％大豆油 13％甘油 5.5％水 56％聚甘油基-2二聚羟基硬脂酸酯 2％对羟基苯甲酸甲酯 0.1％对羟基苯甲酸丙酯 0.1％苯氧乙醇 0.1％生育酚 0.2％表7陶瓷拉断残留纤维段的有效性分析
实施例8成份 Weight％(重量百分比)白矿油 20％花生油 14％甘油 7.5％水 56％聚甘油基-2二聚羟基硬脂酸酯 2％苯氧乙醇 0.2％二羟甲基二甲基已内酰脲 0.1％特丁基羟基甲苯 0.1％没食子酸丙脂 0.1％表8碳纤维拉断残留纤维段的有效性分析
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权利要求
1.一种用于脆性纤维力学性能断裂端保护剂，其特征是由水相和油相组成的油包水乳胶，水相占保护剂重量的60％～70.2％；油相占保护剂重量的28％～39％；油包水乳化剂占保护剂重量的0.8％～2％；所述的水相是由占保护剂总重55％～60％的水、占保护剂总重5％～9.5％的润湿剂及微量(0.02％～0.7％)的防腐剂和抗氧化剂组成；所述的油相是由占保护剂总重20％～25％的白矿油和占保护剂总重8％～14％的植物油组成。
2.按照权利要求1所述的保护剂，其特征在于所述的乳化剂可选自下列物质聚乙二醇-2倍半硬脂酸酯、C16-18的烷基葡糖苷、C16-18的醇硬脂酸甘油酯、甲基葡萄糖苷、聚乙二醇-20醚倍半硬脂酸酯，C16-18的醇/聚乙二醇-20、C16-18的醇醚、月桂基葡糖苷聚甘油-2二聚羟基硬脂酸酯/甘油、鲸蜡硬脂基醚-20、鲸蜡硬脂醇醚-21、脂肪醇醚-6和硬脂醇、聚甘油基-2二聚羟基硬脂酸酯、聚甘油基-3二异硬脂酸酯、聚氧乙烯醚磷酸三酯中的1种或2～3种的混合物。
3.按照权利要求1所述的保护剂，其特征在于所述的白矿油为一般市售的7#～60#的白矿油。
4.按照权利要求1所述的保护剂，其特征在于所述的润湿剂可选自下列物质甘油、山梨醇、聚乙二醇、丙二醇、玉米糖浆、谷氨酸单钠、天然蜜、乳酸钠及其衍生物中的1种或2～3种混合物。
5.按照权利要求1所述的保护剂，其特征在于所述的植物油可选自下列物质大豆油、花生油、菜籽油、葵花籽油、油茶籽油、米糠油、棉籽油、玉米油、杏仁油、麦芽油中的1种或它们的2～3种混合物。
6.按照权利要求1所述的保护剂，其特征在于所述水相中，防腐剂为保护剂重量的0.01％～0.3％，可选自下列物质甲基二溴戊二腈、苯氧乙醇、咪唑烷基脲、二羟甲基二甲基己内酰脲、对氯间二甲苯酚、双咪唑烷基脲、双咪唑烷基脲、碘丙炔基氨基甲酸丁酯、乙醛双酰脲、羟甲基甘氨酸钠、1，3-二羟甲基-5，5-二甲基海因、2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮、5-氯-2-2甲基-4-异噻唑啉-3-酮、二甲基二羟甲己内酰脲、2，4，4-三氯-2-羟基二苯醚、对羟基苯甲酸甲酯、对羟基苯甲酸丙酯和六亚甲基四胺衍生物中的1种或它们的2～3种混合物。
7.按照权利要求1所述的保护剂，其特征在于所述水相中，抗氧化剂为保护剂重量的0.01％～0.4％，可选自下列物质生育酚、特丁基羟基小茴香脑、特丁基羟基甲苯、没食子酸丙脂中的1种或它们的2～3种混合物。
8.按照权利要求1所述的保护剂，其特征在于所述水相中，所述的水为蒸馏水或纯净水。
9.按照权利要求1所述的保护剂的制备方法，其特征在于在搅拌下润湿剂加入到蒸馏水或纯净水，然后加入微量的水溶性防腐剂和抗氧化剂，持续搅拌并加热，使混合溶液清澈均匀，并达到70℃水温，配制成油包水乳胶的水相；取白矿油和适量的植物油，并在搅拌的状态下再加入乳化剂，继续搅拌并将油相加热至70℃，配制成油相；在高速搅拌和油包水乳化剂的作用下，水相与油相两相混合成油包水乳胶；上述的化合物及其重量比如权利要求1所述；其中乳化剂、白矿油、润湿剂、植物油、防腐剂和抗氧化剂依次如权利要求2、3、4、5、6和7所述。
10.按照权利要求1所述的保护剂的用途，其特征在于用于脆性纤维的保护层，所述的脆性纤维选自于碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或其他矿物纤维。
全文摘要
本发明涉及一种用于脆性纤维力学测量的断裂端保护剂、制备及用途。该保护剂是一种油包水乳胶，适用于脆性纤维力学性能测量时的断裂头端的保留，这些脆性纤维包括碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维和其他矿物类纤维。是以白矿油、植物油、水、润湿剂和乳化剂为主要成分，通过油包水乳胶水相的配制，油相的配制，以及两相的混和乳化制成。涂覆这种保护剂，可在不影响纤维力学性能的前提下，使脆性纤维力学测量中断裂端的保留率达到60％以上。
文档编号C09D191/00GK1793822SQ200510111088
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月2日 优先权日2005年12月2日
发明者于伟东, 姚江薇 申请人:东华大学