一种纳米微米多级结构复合玻璃纤维的制备方法与流程

本发明涉及功能材料的制备技术领域，更具体的说是一种采用纳米材料、微米材料对玻璃纤维表面进行功能化处理的方法。

背景技术：

玻璃纤维是一类以无机物为原料制成的化学纤维，其化学组成主要是二氧化硅、三氧化硼，具有原料来源丰富、拉伸强度高、断裂伸长低、弹性模量高、防火、访霉、耐热、耐腐蚀和尺寸稳定性好的优点，是一种常用的性能优良的增强材料，在日常生活中应用非常广泛，产品覆盖交通运输、建筑工程、隔热吸声、航空航天、电磁屏蔽等领域。玻璃纤维在拥有优良性能的同时，也存在着一些缺陷，例如硬度过高、材料易磨损，表面光滑与基体的结合作用力弱等等。特别是作为一些复合材料增强体的玻璃纤维表面性能的局限性在一定程度上限制了其应用，换言之，对玻璃纤维的某些性能提出了新的更高要求。而开发一种全新的纤维需要大量的资金和较长的时间，对现有材料进行改性处理则可赋予纤维材料全新的甚至特殊的性能，大大提高其工业应用价值。

纤维增强混凝土是通过引入纤维来改善混凝土自身的脆性特点，使混凝土结构的任性、抗冲击性及耐久性得到提高，成为现代高性能混凝土的重要发展方向，为轻质、高强、高韧当代高性能混凝土的设计实现与工程应用提供了坚实的保障。由于混凝土环境呈现碱性，因此发展耐碱玻璃纤维是纤维增强混凝土的一个重要研究方向。

研究发现利用纳米微米材料来包裹纤维也可以有效保护高强度纤维并可以提高纤维复合材料的抗劣、耐腐蚀性能。因此，在玻璃纤维表面构筑纳米微米多级结构复合材料将有利于提高玻璃纤维抗劣性、耐腐蚀性，进而有利于提高玻璃纤维与基体的界面结合力。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种纳米微米多级结构复合玻璃纤维的制备方法，该方法制备的玻璃纤维可以有效提高玻璃纤维的比表面积和耐碱性能，与混凝土基体的界面结合作用力得到增强。

一种纳米微米多级结构复合玻璃纤维的制备方法具体包括如下制备步骤：

（1）采用文献报道的Hummers方法制备氧化石墨烯固体，并借助超声波细胞破碎仪制备0.2-1.0 mg/mL的氧化石墨烯溶液；

（2）采用移液枪量取100-800μL聚二烯丙基二甲基氯化铵置于盛有200 mL的二次水中，超声处理使其均匀分散于二次水中；

（3）称取10-50 g玻璃纤维加入步骤（2）得到的溶液中，放置于水浴振荡器中于20℃环境下，振荡反应24 h后用二次水进行洗涤；

（4）取200 mL步骤（1）制备的氧化石墨烯溶液加入步骤（3）得到的产品中，在振荡环境下反应12 h；用二次水对产品进行洗涤；将洗涤后得到的产物置于真空干燥箱中于50-70℃环境烘干后置于干燥器中备用，所得到的氧化石墨烯修饰后的玻璃纤维扫描电镜图如附图2所示；

（5）配制KMnO₄溶液10 mL；配置Mn(CH₃COO)₂的溶液20 mL；

（6）取5-20 g步骤（4）得到的氧化石墨烯修饰后的玻璃纤维加入步骤（5）得到的KMnO₄溶液中，加入二次水使得溶液的总体积为200 mL；

（7）在振荡条件下，向步骤（6）得到的溶液中滴加步骤（5）得到的Mn(CH₃COO)₂溶液，滴加速度为5-10秒/滴，所滴加的KMnO₄与Mn(CH₃COO)₂的物质的量之比为2:3；

（8）将步骤（7）得到的产品用二次水进行洗涤后，于60℃的环境烘干即可得到纳米微米多级结构复合玻璃纤维，其扫描电镜图如附图3所示。

本发明步骤（3）中所述的玻璃纤维为长切玻璃纤维、短切玻璃纤维或者玻璃纤维网格布中的任一种或其多种组合。

本发明步骤（5）中所述的KMnO₄溶液浓度为0.005-0.02 M，所述的Mn(CH₃COO)₂溶液浓度为0.005-0.02 M。

本发明的有益效果

（1）在制备的过程中先在玻璃纤维表面包覆了一层氧化石墨烯，可以对纤维结构进行有效的保护，避免了强氧化环境、强碱性环境等对玻璃纤维结构、性能的破坏。

（2）该制备方法是在室温条件下进行，既节省了能源，也避免了高温环境对玻璃纤维本身性能的破坏。

（3）该制备方法充分利用了微米氧化石墨烯材料对玻璃纤维的保护作用，同时利用纳米材料增加了玻璃纤维表面粗超度，比表面积也得到了提高。

（4）在包覆氧化石墨烯的制备过程中，不仅借助了传统的物理吸附作用，更采用了正负电荷之间的静电作用，使得氧化石墨烯对玻璃纤维的包覆更加牢固。

附图说明

图1 未修饰的玻璃纤维的扫描电镜图。

图2 氧化石墨烯包覆的玻璃纤维的扫描电镜图。

图3 纳米微米多级结构复合玻璃纤维扫描电镜图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施。

实施例1 一种纳米微米多级结构复合玻璃纤维的制备方法具体包括如下制备步骤：

（1）采用文献报道的Hummers方法制备氧化石墨烯固体，并借助超声波细胞破碎仪制备0.5 mg/mL的氧化石墨烯溶液；

（2）采用移液枪量取500μL聚二烯丙基二甲基氯化铵置于盛有200 mL的二次水中，超声处理使其均匀分散于二次水中；

（3）称取10 g短切玻璃纤维加入步骤（2）得到的溶液中，放置于水浴振荡器中于20℃环境反应24 h后用二次水进行洗涤；

（4）取150 mL步骤（1）制备的氧化石墨烯溶液加入步骤（3）得到的产品中，在振荡环境下反应12 h；用二次水对产品进行洗涤；将洗涤后得到的产物置于真空干燥箱中于50℃环境烘干后置于干燥器中备用，所得到的氧化石墨烯修饰后的玻璃纤维扫描电镜图如附图2所示；

（5）配制KMnO₄溶液10 mL，浓度为 0.01 M；配置Mn(CH₃COO)₂的溶液20 mL，浓度为 0.01 M；

（6）取10 g步骤（4）得到的氧化石墨烯修饰后的玻璃纤维加入步骤（5）得到的KMnO₄溶液中，加入二次水使得溶液的总体积为200 mL；

（7）在振荡条件下，向步骤（6）得到的溶液中滴加步骤（5）得到的Mn(CH₃COO)₂溶液，滴加速度为8秒/滴，所滴加的KMnO₄与Mn(CH₃COO)₂的物质的量之比为2:3；

（8）将步骤（7）得到的产品用二次水进行洗涤后，于60℃的环境烘干即可得到纳米微米多级结构复合玻璃纤维，其扫描电镜图如附图3所示。

实施例2 制备步骤同实施例1，不同之处是：步骤（5）中所述的KMnO₄溶液浓度为0.02 M，所述的Mn(CH₃COO)₂溶液浓度为0.02 M。

实施例3 制备步骤同实施例1，不同之处是：步骤（7）中所述的Mn(CH₃COO)₂溶液滴加速度为5秒/滴。