CN107385919B - 用于pbo纤维表面改性的涂层材料；表面改性pbo纤维、制备及其应用 - Google Patents
用于pbo纤维表面改性的涂层材料；表面改性pbo纤维、制备及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于PBO纤维表面改性的涂层材料，包括紫外光吸收剂、十七氟癸基三甲氧基硅烷、脂环族环氧树脂、固化剂和有机溶剂。本发明还提供了一种表面改性PBO纤维的方法，以及通过所述的方法制得的表面改性PBO纤维。此外，本发明还提供了一种将所述的表面改性PBO纤维用于编织、加捻制得特高压带电作业工具软质材料。经处理后的PBO纤维克服了其不耐老化的缺点，且具有良好的绝缘性，可应用于特高压带电作业的绝缘绳。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的特高压带电作业工具软质材料，属于功能聚合物复合材料领域。
背景技术
特高压输电线路具有电压高、感应电场强、运行维护难度大，线路塔高、导线张力大、金具和绝缘子尺寸大等特点，相应的带电作业工具的尺寸大，重量也大。因此，带电作业用绳索要求具有高的抗拉强度、绝缘性和不易变形性等性能。目前，市场上特高压带电作业用的绝缘绳索主要由蚕丝或者合成纤维编织、加捻而成。现有的蚕丝绳及合成纤维的防潮性能较差，主要是因为现有的蚕丝绳及合成纤维的防潮处理采用的是在纤维表面进行防水剂涂覆，在洗涤一定次数后，纤维的防潮性能会大幅度下降，使用寿命也会变短。随着特高压输电线路的发展，在带电作业过程中，需要提吊的金具的体积和重量也随之增加，现有的蚕丝绳和合成纤维绳在抗拉强度上也不能满足带电作业的需要。因此，研制防潮性能更持久、稳定、强度更高的新型的带电作业用绝缘绳索材料的工作，已刻不容缓。
PBO纤维是一种高强度、高模量、低密度的合成纤维，其耐热、耐化学性以及抗拉抗压性能都十分优良，被誉为“21世纪的超级纤维”。PBO纤维在强度、密度上皆可以很好的满足特高压带电作业工作的要求。但PBO纤维在光照下极易老化，经紫外光照射后，纤维强度会大幅度下降。故提高PBO纤维的耐紫外光性能是PBO纤维应用于特高压带电作业的关键。
公开号为CN102277726A的中国专利文献公开了一种聚对苯撑苯并二噁唑纤维抗紫外光老化的方法，具体步骤为：1)在偶联剂和酸性介质的混合溶液中滴加乙醇，搅拌，得到溶液A；2)将促进剂溶于去离子水后滴加乙醇，搅拌混合均匀，加入沉淀剂，然后滴加酸性介质使沉淀全部溶解，得到溶液B；3)将步骤1)得到的溶液A滴加到步骤2)得到的溶液B中，滴加结束后，磁力搅拌0.5～3h，然后滴加相对分子质量为200～3500的聚乙二醇分散剂，继续搅拌10～60min，得到了稳定均匀的TiO2-ZnO复合水溶胶整理液；4)将步骤3)得到的TiO2-ZnO复合水溶胶整理液升温到50～80℃，在超声波振荡辅助下将PBO纤维浸入该TiO2-ZnO复合水溶胶整理液中，振荡0.5～1h后取出，使PBO纤维表面干燥后，再置于100～150℃的真空烘箱中干燥1～5h，在PBO纤维表面形成0.02～0.05mm的均匀抗紫外光老化凝胶涂层。该技术方案操作较为复杂，且PBO纤维表面光滑，惰性强，所得抗紫外光老化凝胶涂层又较薄极易破损，且涂层耐水洗性较差。
此外，公开号为CN102691207A的中国专利文献公开了一种兼具耐紫外光和耐湿热老化的PBO纤维的制备方法，具体步骤为：(1)分别取硅溶胶前驱物、乙醇(EtOH)以及盐酸(HCl)在25～30℃条件下加热混合，混合均匀后加入疏水性硅氧烷，继续在25～30℃条件下反应3～5h，得到均匀稳定的有机硅疏水溶胶；(2)将步骤(1)得到的有机硅疏水溶胶升温到40～80℃，加入紫外光吸收剂，并在超声波振荡辅助下将紫外光吸收剂与有机硅疏水溶胶混合均匀，振荡时间为0.5～2h，然后冷却至室温，并加入固化催化剂，得到均匀稳定的有机硅疏水溶胶复合整理液；(3)将PBO纤维浸入到步骤(2)得到的有机硅疏水溶胶复合整理液中，时间为0.5～2h，然后取出纤维，在室温下自然晾干12～48h，置于干燥箱中80～100℃下交联固化2～5h，得到表面有均匀疏水涂层的PBO纤维。该技术方案操作较为复杂，紫外光吸收剂在水溶液中溶解度极小，故该PBO纤维疏水性涂层中所含紫外光吸收剂的含量非常少，纤维的耐紫外光性能提升较小；若紫外光吸收剂含量过高，紫外光吸收剂颗粒很难在疏水性涂层中均匀分布，达不到大幅度提高纤维耐紫外光的效果。
发明内容
针对PBO纤维在紫外光照射下，纤维强度下降得非常快，使得PBO纤维的使用寿命短、成本高这一缺点，本发明公开了一种应用于PBO纤维表面的涂层材料，旨在延长PBO纤维的使用寿命，提升PBO纤维断裂强度保留率。
本发明第二目的在于，提供了一种采用所述的涂层材料处理得到的表面改性的PBO纤维以及该表面改性纤维的制备方法。
本发明第三目的在于，提供了一种制得的表面改性的PBO纤维在制备特高压带电作业工具中的应用。
一种用于表面改性PBO纤维的涂层材料，包括紫外光吸收剂、十七氟癸基三甲氧基硅烷、脂环族环氧树脂、固化剂和有机溶剂。
PBO纤维的表面光滑，化学惰性强，在其表面形成涂层的难度大。为探索一种可应用于PBO纤维的涂层材料，本发明人进行了大量研究探索。通过深入研究发现，通过紫外光吸收剂、十七氟癸基三甲氧基硅烷、脂环族环氧树脂以及其他组分的协同，可有助于协同提升PBO纤维的使用寿命，提升PBO纤维断裂强度保留率。
本发明人还发现，将各组分的重量百分比控制在合适的范围内，有助于进一步提升各组分的协同效果，进而进一步延长PBO纤维的使用寿命，提升PBO纤维断裂强度保留率。
通过大量研究发现，作为优选，以涂层材料重量为基准，各组分的重量百分数为：
作为优选，所述的紫外光吸收剂为紫外光吸收剂UV-284、UV-328、UV-360、UV-531中的至少一种。
进一步优选，所述的紫外光吸收剂为紫外光吸收剂UV-328。通过研究发现，采用UV-328，和其他组分的协同效果更优异，效果更优异。
本发明通过所述的紫外光吸收剂UV-328、十七氟癸基三甲氧基硅烷以及脂环族环氧树脂的协同，使改性处理后的PBO纤维具有优异的耐紫外光性能，同时有高的疏水性能以及耐候性。
作为优选，所述的涂层材料中，紫外光吸收剂所占的质量百分数为2.2～4.5％。
作为优选，所述的脂环族环氧树脂的环氧值为0.4～0.5；进一步优选为0.45～0.5。
作为优选，所述的脂环族环氧树脂的粘度为500-5000mpa.s；进一步优选为500-1000mpa.s。
作为优选，所述的涂层材料中，脂环族环氧树脂所占的质量百分数为13.0～13.7％；更进一步优选为13.3～13.7％。
作为优选，所述的固化剂为低聚聚酰胺。
所述的低聚聚酰胺的分子量优选为200～651。
进一步优选，所述的固化剂为聚酰胺200、聚酰胺400、聚酰胺650、聚酰胺651中的至少一种。
进一步优选，所述的涂层材料中，固化剂所占的质量百分数为2～2.45％。
理论上，可溶解本发明的各物料的溶剂均可应用至本发明中。
作为优选，所述的有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸异丙酯、异丙醇中的至少一种。
本发明中，作为优选，十七氟癸基三甲氧基硅烷预先采用溶剂稀释，所述的溶剂为异丙醇。
本发明所述的涂层材料，存储过程中，将固化剂和其他组分分开存储。
例如，所述的涂层材料包括A组分和B组分；其中，A组分包括紫外光吸收剂、十七氟癸基三甲氧基硅烷、脂环族环氧树脂以及有机溶剂，所述的B组分为固化剂以及有机溶剂。
本发明还提供了一种表面改性PBO纤维的方法，待处理的PBO纤维经偶联剂处理，进行表面活化；将活化后的PBO纤维浸泡在所述的涂层材料中；将浸泡后的PBO纤维固化、形成涂层，即得所述的表面改性PBO纤维。
作为优选，浸泡过程在超声辅助下进行。
作为优选，浸泡过程的温度为50～80℃。
作为优选，浸泡时间为10～30min。
本发明中，作为优选，重复进行所述浸泡过程3～5次。
作为优选，固化温度为60～80℃。通过本发明所述的涂层材料，在该较低温度下固化，有助于进一步保证处理后的材料的性能。
本发明制备方法，优选对待处理的PBO纤维清洗(清理)和表面活化，清洗和活化的手段可采用现有常规方法。
作为优选，所述的偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、KH-590中的至少一种。
本发明还包括一种所述方法制得的表面改性PBO纤维，该表面改性PBO纤维的表面包覆有抗紫外线涂层。
本发明所述的表面改性PBO纤维中，涂层与PBO纤维的结合力强，具有优异的性能。
本发明还提供了一种所述的表面改性PBO纤维的应用，将其用于编织、加捻制得特高压带电作业工具软质材料。
本发明中，采用所述的表面改性PBO纤维制得的特高压带电作业工具材料，除具有优异的绝缘性能外，还具有优异、持久的防潮性能，且稳定性、强度等性能也明显提升。
本发明中，所述的特高压带电作业工具软质材料也可为采用以下方法制备：将未处理的PBO纤维事先编织、加捻成待处理的特高压带电作业工具软质材料，随后将待处理的特高压带电作业工具软质材料经所述的偶联剂表面活化以及本发明所述的涂层材料的浸泡、固化步骤后，制得表面改性的特高压带电作业工具软质材料。
本发明还提供了一种优选的特高压带电作业工作软质材料，该材料包括以下步骤：
步骤(一)：将PBO纤维表面清理干净后并用偶联剂对纤维进行表面活化处理；
步骤(二)：将步骤(一)处理后的PBO纤维浸入含有脂环族环氧树脂、十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液、有机溶剂及固化剂的混合溶液中，浸泡时间为10～30min，浸泡晾干后，重复浸入晾干3～5次，加热固化即可；
所述的混合溶液中，紫外光吸收剂的质量百分数为2.2～4.5％；十七氟癸基三甲氧基硅烷的质量百分数为0.40～0.50％；脂环族环氧树脂的质量百分数为13.0～13.7％；固化剂的质量百分数为2～3％；余量为有机溶剂。
相对现有技术，本发明的有益效果：
经紫外光照射400h后，处理后的PBO纤维绝缘绳的抗拉强度远远高于未经处理的PBO纤维绳，极大地延长了PBO纤维绳的使用寿命。而与传统的特高压带电作业工具用的绝缘绳材料相比，PBO纤维在抗拉强度、绝缘疏水性等方面远远优于传统的蚕丝以及其他合成纤维。本发明中的PBO纤维应用于特高压带电作业领域，具有诱人的发展前景。
本发明中，仅需微量的十七氟癸基三甲氧基硅烷，即可达到出人意料地协同提升纤维保留率、改善疏水性等效果。研究表明，处理后的PBO纤维经400小时加速老化后，纤维强度保留率提高了近200％；此外，PBO纤维的疏水性也得到了极大地提高，其水接触角可达130°～140°。PBO纤维经该涂层处理后，其使用寿命和防水性能大大增加。
附图说明
图1为实施例1处理得到的PBO纤维与水的接触角图。
图2为不同样品PBO纤维断裂强度保留率的比较图。其中，样品1为未经处理PBO纤维；样品2为对比例1制备得到的PBO纤维；样品3为实施例1制备得到的PBO纤维；样品4为对比例2制备得到的PBO纤维；样品4为对比例3制备得到的PBO纤维。
具体实施方式
以下具体实施例旨在进一步说明本发明内容，而非限制本发明保护的范围。
以下实施例以及对比例的强度保留率，除特别声明外，均为在紫外400小时加速老化后的强度保留率。测试方法可参考现有方法。
紫外光加速老化的仪器为氙灯耐气候试验箱(型号SN-500，上海林频科技有限公司)，实验条件为辐照强度1100W/m2，温度54℃，相对湿度65％。
实施例1
1)将PBO纤维在酒精溶液中浸泡24h，用蒸馏水洗净并干燥；用含有质量分数为5％的偶联剂KH-560的乙醇溶液对PBO纤维进行超声振荡10min，120℃下固化1h；
2)将1g十七氟癸基三甲氧基硅烷与33.33g异丙醇混合超声处理1～2h，得3wt％的十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液；
3)将3g脂环族环氧树脂(JEW-0114，环氧值为0.478，常熟佳发化学有限公司)溶于15g乙酸乙酯溶液中，超声搅拌至脂环族环氧树脂完全溶于乙酸乙酯的溶液中；将0.5g紫外光吸收剂UV-328和3g步骤2)得到的十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液(十七氟癸基三甲氧基硅烷0.09g、异丙醇2.91g)均匀混合于脂环族环氧树脂的乙酸乙酯溶液中，再加入0.54g固化剂低分子聚酰胺650，超声搅拌至均匀，无沉淀。将步骤1)处理得到的PBO纤维浸泡在溶液中，在50℃温度下超声震荡10min，取出纤维在65℃温度下反应的时间为固化3h。
经400h紫外光加速老化后，PBO纤维的强度保留率由21.4％提高至60.2％。PBO纤维的水接触角为139.6°，经水洗50次后纤维水接触角基本保持不变。
实施例2
1)将PBO纤维在酒精溶液中浸泡24h，用蒸馏水洗净并干燥；用含有质量分数为5％的偶联剂KH-560的乙醇溶液对PBO纤维进行超声振荡10min，120℃下固化1h；
2)将质量为1g的十七氟癸基三甲氧基硅烷与33.33g异丙醇混合超声处理1～2h，得3wt％的十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液；
3)将3g脂环族环氧树脂(JEW-0114，环氧值为0.478，常熟佳发化学有限公司)溶于15g乙酸乙酯溶液中，超声搅拌至脂环族环氧树脂完全溶于乙酸乙酯的溶液中；将1g紫外光吸收剂UV-328和3g步骤2)得到的十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液(十七氟癸基三甲氧基硅烷0.09g、异丙醇2.91g)均匀混合于脂环族环氧树脂的乙酸乙酯溶液中，再加入0.45g固化剂聚酰胺650，超声搅拌至均匀，无沉淀。将步骤1)处理得到的PBO纤维浸泡在溶液中，在50℃温度下超声震荡10min，取出纤维在65℃温度下反应的时间为固化3h。
本实施例制备得到的PBO纤维强度保留率为54.2％，接触角为130.1°，经水洗50次后纤维水接触角基本保持不变。
对比例1
本对比例探讨不添加十七氟癸基三甲氧基硅烷和紫外吸收剂，具体如下：
1)将PBO纤维在酒精溶液中浸泡24h，用蒸馏水洗净并干燥；用含有质量分数为5％的偶联剂KH-560的乙醇溶液对PBO纤维进行超声振荡10min，120℃下固化1h；
2)将3g脂环族环氧树脂(JEW-0114，环氧值为0.478，常熟佳发化学有限公司)溶于15g乙酸乙酯溶液中，超声搅拌至脂环族环氧树脂完全溶于乙酸乙酯的溶液中；再加入0.52g固化剂聚酰胺650，超声搅拌至均匀，无沉淀。将步骤1)处理得到的PBO纤维浸泡在溶液中，在50℃温度下超声震荡10min，取出纤维在65℃温度下反应的时间为固化3h。
本对比例制备得到的PBO纤维强度保留率为25.7％，接触角为62.1°。
对比例2
本对比例探讨不添加十七氟癸基三甲氧基硅烷，具体如下：
1)将PBO纤维在酒精溶液中浸泡24h，用蒸馏水洗净并干燥；用含有质量分数为5％的偶联剂KH-560的乙醇溶液对PBO纤维进行超声振荡10min，120℃下固化1h；
2)将3g脂环族环氧树脂(JEW-0114，环氧值为0.478，常熟佳发化学有限公司)溶于15g乙酸乙酯溶液中，超声搅拌至有脂环族环氧树脂完全溶于乙酸乙酯的溶液中；将0.5g紫外光吸收剂UV-328均匀混合于脂环族环氧树脂的乙酸乙酯溶液中，再加入0.52g固化剂聚酰胺650，超声搅拌至均匀，无沉淀。将步骤1)处理得到的PBO纤维浸泡在溶液中，在50℃温度下超声震荡10min，取出纤维在65℃温度下反应的时间为固化3h。
本对比例制备得到的PBO纤维强度保留率为44.4％，接触角为128.1°。
对比例3
本对比例探讨不添加紫外吸收剂，具体如下：
1)将PBO纤维在酒精溶液中浸泡24h，用蒸馏水洗净并干燥；用含有质量分数为5％的偶联剂KH-560的乙醇溶液对PBO纤维进行超声振荡10min，120℃下固化1h；
2)将1g十七氟癸基三甲氧基硅烷与33.33g异丙醇混合超声处理1～2h；得3wt％的十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液；
3)将3g脂环族环氧树脂(JEW-0114，环氧值为0.478，常熟佳发化学有限公司)溶于15g乙酸乙酯溶液中，超声搅拌至脂环族环氧树脂完全溶于乙酸乙酯的溶液中；将3g步骤2)得到的十七氟癸基三甲氧基硅烷均匀混合于脂环族环氧树脂的乙酸乙酯溶液中，再加入0.52g固化剂聚酰胺650，超声搅拌至均匀，无沉淀。将步骤1)处理得到的PBO纤维浸泡在溶液中，在50℃温度下超声震荡10min，取出纤维在65℃温度下反应的时间为固化3h。
本对比例制备得到的PBO纤维强度保留率为21.6％，接触角为88.9°。
对比例4
本对比例探讨紫外光吸收剂投加量，具体如下：
1)将PBO纤维在酒精溶液中浸泡24h，用蒸馏水洗净并干燥；用含有质量分数为5％的偶联剂KH-560的乙醇溶液对PBO纤维进行超声振荡10min，120℃下固化1h；
2)将1g十七氟癸基三甲氧基硅烷与33.33g异丙醇混合超声处理1～2h；得3wt％的十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液；
3)将3g脂环族环氧树脂(JEW-0114，环氧值为0.478，常熟佳发化学有限公司)溶于15g乙酸乙酯溶液中，超声搅拌至脂环族环氧树脂完全溶于乙酸乙酯的溶液中；将1.1g紫外光吸收剂UV-328和3g步骤2)得到的十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液均匀混合于脂环族环氧树脂的乙酸乙酯溶液中，再加入0.45g固化剂聚酰胺650，超声搅拌至均匀，无沉淀。将步骤1)处理得到的PBO纤维浸泡在溶液中，在50℃温度下超声震荡10min，取出纤维在65℃温度下反应的时间为固化3h。
本对比例UV-328，4.8％，制备得到的PBO纤维强度保留率为32.6％，接触角为120.0°。
对比例5
本对比例探讨未采用脂环族环氧树脂作为涂层基体，具体如下：
1)将PBO纤维在酒精溶液中浸泡24h，用蒸馏水洗净并干燥；用含有质量分数为5％的偶联剂KH-560的乙醇溶液对PBO纤维进行超声振荡10min，120℃下固化1h；
2)将0.5g紫外光吸收剂UV-328和3g十七氟癸基三甲氧基硅烷异丙醇溶液(十七氟癸基三甲氧基硅烷的质量百分数为3％)均匀混合于乙酸乙酯溶液中，再加入0.45g固化剂聚酰胺，超声搅拌至均匀，无沉淀。将PBO纤维浸泡在溶液中，在50℃温度下超声震荡10min，取出纤维在65℃温度下反应的时间为固化3h。
本对比例制备得到的PBO纤维强度保留率为19.2％，接触角为106.9°。
对比例6
本对比例探讨采用一般环氧树脂(双酚A环氧树脂)作为涂层基体，具体如下：
1)将PBO纤维在酒精溶液中浸泡24h，用蒸馏水洗净并干燥；用含有质量分数为5％的偶联剂KH-560的乙醇溶液对PBO纤维进行超声振荡10min，120℃下固化1h；
2)将1g十七氟癸基三甲氧基硅烷与33.33g异丙醇混合超声处理1～2h；得3wt％的十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液；
3)将3g双酚A环氧树脂溶于15g乙酸乙酯溶液中，超声搅拌至脂环族环氧树脂完全溶于乙酸乙酯的溶液中；将0.5g紫外光吸收剂UV-328和3g步骤2)得到的十七氟癸基三甲氧基硅烷的异丙醇溶液(十七氟癸基三甲氧基硅烷0.09g、异丙醇2.91g)均匀混合于脂环族环氧树脂的乙酸乙酯溶液中，再加入0.54g固化剂低分子聚酰胺650，超声搅拌至均匀，无沉淀。将步骤1)处理得到的PBO纤维浸泡在溶液中，在50℃温度下超声震荡10min，取出纤维在65℃温度下反应的时间为固化3h。
本对比例制备得到的PBO纤维强度保留率为40.6％，接触角为127.7°。
Claims (9)
1.一种用于PBO纤维表面改性的涂层材料，其特征在于，包括紫外光吸收剂、十七氟癸基三甲氧基硅烷、脂环族环氧树脂、固化剂和有机溶剂；
以涂层材料重量为基准，各组分的重量百分数为：
余量为有机溶剂；
所述的脂环族环氧树脂的环氧值为0.4～0.5；粘度为500-5000mpa.s；
所述的固化剂为低聚聚酰胺；分子量为200～651。
2.根据权利要求1所述的用于PBO纤维表面改性的涂层材料，其特征在于，所述的紫外光吸收剂的种类为UV-284、UV-328、UV-360、UV-531中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于PBO纤维表面改性的涂层材料，其特征在于，
所述的有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸异丙酯、异丙醇中的至少一种。
4.一种表面改性PBO纤维的方法，其特征在于，待处理的PBO纤维经偶联剂处理，进行表面活化；将活化后的PBO纤维浸泡在权利要求1～3任一项所述的涂层材料中；将浸泡后的PBO纤维固化、形成涂层，即得所述的表面改性PBO纤维。
5.根据权利要求4所述的表面改性PBO纤维的方法，其特征在于，所述的偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、KH-590中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的表面改性PBO纤维的方法，其特征在于，浸泡过程在超声辅助下进行；浸泡过程的温度为50～80℃；浸泡时间为10～30min。
7.根据权利要求4所述的表面改性PBO纤维的方法，其特征在于，固化温度为60～80℃；时间为2～5h。
8.一种权利要求4～7任一项所述方法制得的表面改性PBO纤维，其特征在于，该表面改性PBO纤维的表面包覆有抗紫外线涂层。
9.一种权利要求8所述的表面改性PBO纤维的应用，其特征在于，将其用于编织、加捻制得特高压带电作业工具软质材料。
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