CN104711850B - 利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法，如下，首先将氧氯化锆晶体(ZrOCl2·8H2O)颗粒加入到浓度为0.5mol/L的盐酸中，制备纳米水合氧化锆胶体；然后将连续亚麻纤维束通过含有纳米水合氧化锆胶体的反应槽中进行表面接枝反应，在超声作用一定时间后，通过蒸馏水超声清洗；最后，烘干和收卷。利用本发明提出的方法处理亚麻纤维，其拉伸性能及其与环氧树脂的界面粘结性能均得到显著提高，有利于实现亚麻纤维增强树脂基复合材料的高性能化。

Description

利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法
技术领域
本发明涉及一种利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法。
背景技术
目前，制备纳米水合氧化锆的方法有很多，主要是溶胶-凝胶法、气相法等，其中以溶胶-凝胶法的应用范围最为广泛。该方法工艺简单、成本较低，是一种可以工业化推广的方法。同时值得注意的是，纳米水合氧化锆颗粒能否均匀分散是制备出稳定且致密的纳米水合氧化锆胶体材料的关键步骤。超声波分散是一种有效的分散方法，应用超声波可以改变胶体的结构，并在胶体中产生更多更小的颗粒，含有更少的活性水分子和羟基基团，这对制备出稳定的纳米水合氧化锆胶体材料至关重要。
在FRP复合材料的研发与推广中，纳米材料的应用起到了十分重要的作用，但研究主要集中于合成纤维的改性、处理与高性能化研究，对植物纤维的研究相对较少。麻纤维是人类历史上最早种植和利用的一类植物纤维经济作物，其广泛应用于轻工业、重工业和建筑业等各行各业中。植物纤维可以作为增强纤维用于制备各种纤维增强树脂基复合材料，但由于本身的力学性能较低，阻碍了其在结构工程领域中的使用和推广。
如果通过一定的工艺，采用具有较高强度的氧氯化锆晶体制备出颗粒均匀、分散性好、聚集体少且较致密的纳米水合氧化锆胶体。同时，利用该纳米水合氧化锆胶体表面改性亚麻纤维束，能够显著地改善纤维束的力学性能及其与环氧树脂的界面粘结性能，将显著拓宽植物纤维及其复合材料的应用领域，对促进材料的可持续发展具有重要的意义。基于上述问题，本专利提出一种纳米水合氧化锆胶体的制备及其对亚麻纤维束表面的改性方法，首先制备出稳定的纳米水合氧化锆胶体，并采用该纳米水合氧化锆对亚麻纤维束的表面进行改性，以期提高纤维的单丝拉伸强度等力学性能及其与环氧树脂的界面粘结性能，满足制备高性能植物纤维增强树脂基复合材料的要求。
发明内容
基于上不足之处，本发明的目的是提出一种利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法。
本发明所采用的技术如下：一种利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法，如下，首先将氧氯化锆晶体(ZrOCl2·8H2O)颗粒加入到浓度为0.5mol/L的盐酸中，氧氯化锆晶体(ZrOCl2·8H2O)与盐酸的质量比为1～10∶100，常温搅拌30分钟；再加入浓度为0.898g/ml～0.907g/ml的氨水，调整pH＝10，制备纳米水合氧化锆胶体；然后将连续亚麻纤维束通过含有纳米水合氧化锆胶体的反应槽中进行表面接枝反应，在超声作用一定时间后，通过蒸馏水超声清洗；最后，烘干和收卷。
本发明还具有如下技术特征：
1、采用如上所述的方法，连续亚麻纤维束通过含有纳米水合氧化锆胶体反应槽，处理时间为1分钟～10分钟，同时受到超声作用，超声功率为200W～1500W，温度为25℃～80℃。
2、采用如上所述的方法，连续亚麻纤维束通过蒸馏水超声清洗，清洗时间为1分钟～10分钟，蒸馏水温度为25℃～80℃。
3、采用如上所述的方法，烘干温度为80℃～110℃，烘干时间控制在5分钟～30分钟。
4、采用如上所述的方法，表面接枝反应的化学反应方程式，如下：
亚麻纤维+ZrOCl2·8H2O+HCl+NH4OH→亚麻纤维/ZrO2·nH2O(纳米水合氧化锆胶体)+NH4Cl。
6、采用如上所述的方法，表面接枝反应后的连续亚麻纤维束的分子结构，如下：
7、采用如上所述的方法，表面接枝反应后纳米氧化锆胶体与连续亚麻纤维束的质量之比为4.0～7.0∶100。
8、采用如上所述的方法，所述的亚麻纤维束为未经漂白处理的连续亚麻纤维粗纱，介于8支～24支之间，捻度小于等于15。
利用本发明提出的方法处理亚麻纤维，其拉伸性能及其与环氧树脂的界面粘结性能均得到显著提高，有利于实现亚麻纤维增强树脂基复合材料的高性能化。
附图说明
图1为本发明所述的利用水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法示意图。
具体实施方式
本发明采用具有较高强度的氧氯化锆晶体制备出颗粒均匀、分散性好、聚集体少且较致密的纳米水合氧化锆胶体。在氨水、超声波等的共同作用下，该纳米水合氧化锆胶体对亚麻纤维束的表面进行改性。下面根据说明书附图举例对本发明做进一步解释。
实施例1：
首先称取氧氯化锆晶体(天津市光复精细化工研究所，化学式ZrOCl2·8H2O，相对分子质量322.25，纯度＞99.0％)颗粒加入到浓度为0.5mol·L-1的盐酸(沈阳市华东试剂厂)中，两者的质量之比为1∶100，在常温下持续搅拌30分钟，使之混合均匀；加入浓度为0.898g/ml的氨水(沈阳市华东试剂厂)，调整pH值至10左右。
如图1所示，将连续8支亚麻纤维束(哈尔滨亚麻纺织有限公司，中支有捻湿纺纱线，捻度为15)通过纳米水合氧化锆胶体反应槽，根据纤维在反应槽内的牵拉经过的路径，控制在25℃反应10分钟。反应槽同时处于超声作用下(上海比朗仪器有限公司)。其中，超声功率为200W。
处理后的连续亚麻纤维束，通过蒸馏水的超声清洗10分钟，蒸馏水的温度控制在25℃。清洗后的连续亚麻纤维束，接着被牵拉进入烘干箱，烘干箱温度控制为80℃，根据纤维在烘干箱内的牵拉经过的路径，控制在烘干箱内的烘干时间为30分钟。
最后，将烘干后连续亚麻纤维束收卷。
采用XPS测试得到，纳米水和氧化锆胶体与连续亚麻纤维束的质量之比为4∶100。按照国际标准ISO 11566-1996测试纤维拉伸强度与单纤维拔出测试纤维与环氧树脂粘结性能，较未处理纤维，改性后亚麻纤维拉伸强度提高8％，与环氧树脂的界面粘结剪切强度提高35％。
实施例2：
首先称取氧氯化锆晶体(天津市光复精细化工研究所，化学式ZrOCl2·8H2O，相对分子质量322.25，纯度＞99.0％)颗粒加入到浓度为0.5mol·L-1的盐酸(沈阳市华东试剂厂)中，两者的质量之比为10∶100，在常温下持续搅拌30分钟，使之混合均匀；加入浓度为0.898g/ml的氨水(沈阳市华东试剂厂)，调整pH值至10左右。
如图1所示，将连续24支亚麻纤维束(哈尔滨亚麻纺织有限公司，中支有捻湿纺纱线，捻度为15)通过纳米水合氧化锆胶体反应槽，根据纤维在反应槽内的牵拉经过的路径，控制在80℃反应1分钟。反应槽同时处于超声作用下(上海比朗仪器有限公司)。其中，超声功率为1500W。
处理后的连续亚麻纤维束，通过蒸馏水的超声清洗1分钟，蒸馏水的温度控制在80℃。清洗后的连续亚麻纤维束，接着被牵拉进入烘干箱，烘干箱温度控制为110℃，根据纤维在烘干箱内的牵拉经过的路径，控制在烘干箱内的烘干时间为5分钟。
最后，将烘干后连续亚麻纤维束收卷。
采用XPS测试得到，纳米水和氧化锆胶体与连续亚麻纤维束的质量之比为6∶100。按照国际标准ISO 11566-1996测试纤维拉伸强度与单纤维拔出测试纤维与环氧树脂粘结性能，较未处理纤维，改性后亚麻纤维拉伸强度提高13％，与环氧树脂的界面粘结剪切强度提高43％。
实施例3：
首先称取氧氯化锆晶体(天津市光复精细化工研究所，化学式ZrOCl2·8H2O，相对分子质量322.25，纯度＞99.0％)颗粒加入到浓度为0.5mol·L-1的盐酸(沈阳市华东试剂厂)中，两者的质量之比为5∶100，在常温下持续搅拌30分钟，使之混合均匀；加入浓度为0.898g/ml的氨水(沈阳市华东试剂厂)，调整pH值至10左右。
如图1所示，将连续16支亚麻纤维束(哈尔滨亚麻纺织有限公司，中支有捻湿纺纱线，捻度为15)通过纳米水合氧化锆胶体反应槽，根据纤维在反应槽内的牵拉经过的路径，控制在50℃反应8分钟。反应槽同时处于超声作用下(上海比朗仪器有限公司)。其中，超声功率为1000W。
处理后的连续亚麻纤维束，通过蒸馏水的超声清洗5分钟，蒸馏水的温度控制在50℃。清洗后的连续亚麻纤维束，接着被牵拉进入烘干箱，烘干箱温度控制为80℃，根据纤维在烘干箱内的牵拉经过的路径，控制在烘干箱内的烘干时间为8分钟。
最后，将烘干后连续亚麻纤维束收卷。
采用XPS测试得到，纳米水和氧化锆胶体与连续亚麻纤维束的质量之比为5∶100。按照国际标准ISO 11566-1996测试纤维拉伸强度与单纤维拔出测试纤维与环氧树脂粘结性能，较未处理纤维，改性后亚麻纤维拉伸强度提高10％，与环氧树脂的界面粘结剪切强度提高38％。

Claims (5)

1.一种利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法，方法如下，首先将氧氯化锆晶体(ZrOCl2·8H2O)颗粒加入到浓度为0.5mol/L的盐酸中，氧氯化锆晶体(ZrOCl2·8H2O)与盐酸的质量比为1～10∶100，常温搅拌30分钟；再加入浓度为0.898g/ml～0.907g/ml的氨水，调整pH＝10，制备纳米水合氧化锆胶体；然后将连续亚麻纤维束通过含有纳米水合氧化锆胶体的反应槽中进行表面接枝反应，在超声作用一定时间后，通过蒸馏水超声清洗；最后，烘干和收卷；其特征在于：表面接枝反应的化学反应方程式，如下：
亚麻纤维+ZrOCl2.8H2O+HCl+NH4OH→亚麻纤维/ZrO2·nH2O(纳米水合氧化锆胶体)+NH4Cl，表面接枝反应后的连续亚麻纤维束的分子结构，如下：
或者
；
表面接枝反应后纳米氧化锆胶体与连续亚麻纤维束的质量之比为4.0～7.0∶100。
2.根据权利要求1所述的一种利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法，其特征在于：连续亚麻纤维束通过含有纳米水合氧化锆胶体反应槽，处理时间为1分钟～10分钟，同时受到超声作用，超声功率为200W～1500W，温度为25℃～80℃。
3.根据权利要求1所述的一种利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法，其特征在于：连续亚麻纤维束通过蒸馏水超声清洗，清洗时间为1分钟～10分钟，蒸馏水温度为25℃～80℃。
4.根据权利要求1所述的一种利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法，其特征在于：烘干温度为80℃～110℃，烘干时间控制在5分钟～30分钟。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种利用纳米水合氧化锆对亚麻纤维束表面处理的方法，其特征在于：所述的亚麻纤维束为未经漂白处理的连续亚麻纤维粗纱，介于8支～24支之间，捻度小于等于15。
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