CN109486120B - 一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法及其应用 - Google Patents

一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法及其应用 Download PDF

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Abstract

一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法及其应用，本发明要解决现有化学方法对玄武岩短切纤维进行分散时，有杂质引入的技术问题。本发明通过高温加热溶解玄武岩短切纤维表面的工业石蜡，初步分散玄武岩短切纤维；然后用筛子将单丝状的玄武岩短切纤维层层过滤；最后采用机械搅拌方法将玄武岩短切纤维以空间三维方式均匀分散于乙烯基树脂中。本发明采用高温处理、筛分分散与机械搅拌分散相结合的方法，将玄武岩短切纤维进行分散，使玄武岩短切纤维在三维空间内均匀分散于乙烯基树脂中，保证了玄武岩短切纤维分散的均匀性，制备出高性能玄武岩短切纤维/乙烯基树脂复合材料。本发明制备的复合材料用于航空航天、海洋工程、汽车、体育等行业。

Description

一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法及其应用
技术领域
本发明涉及高分子纤维复合材料领域。
背景技术
玄武岩纤维是将玄武岩石料在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，因此玄武岩纤维具有优异的耐高温性能。玄武岩短切纤维是用连续玄武岩纤维原丝经膨化处理短切而成的，是一种无机纤维，不仅具有强度高、模量高、断裂应变能高、稳定性高、耐高温、耐化学腐蚀性高等优点，还具有无毒、环保和低廉等优点，可制备成树脂基复合材料，应用于航空航天、海洋工程、汽车、体育等领域。将玄武岩短切纤维加入乙烯基树脂中，能够改善乙烯基树脂的性能，如力学强度(拉伸强度、弯曲强度和冲击强度)和韧性等。玄武岩短切纤维一般为束集状态，当其直接加入乙烯基树脂中时，玄武岩短切纤维一般以束集或团聚的方式存在。因此，玄武岩短切纤维加入乙烯基树脂中前，应对玄武岩短切纤维进行适当的分散处理。
针对玄武岩短切纤维的分散，大多数学者采用调配不同的分散剂，即通过化学分散的方法对其进行分散。杜强(专利名称：一种玄武岩短切纤维分散剂及其应用方法；专利号：CN201410717190.9)，研发了一种玄武岩短切纤维分散剂，该分散剂能够使无机纤维表面迅速润湿、表面势能降低，提高固体质点间的势能，从而达到分散的效果。李如燕(专利名称：一种发泡混凝土用玄武岩短切纤维的分散方法；专利号：CN201710024830.1)，采用阴离子表面活性剂改善了玄武岩短切纤维表面，降低了玄武岩短切纤维之间的结合力，进而促进了玄武岩短切纤维的分散。目前，尚未发现单纯用物理方法对玄武岩短切纤维进行分散的方法。
发明内容
本发明要解决现有化学方法对玄武岩短切纤维进行分散时，有杂质引入的技术问题，而提供的一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法。
一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法，具体按以下步骤进行：
一、将玄武岩短切纤维放入温度为150～200℃的高温炉中保持2～3h，冷却，得到去除表面工业石蜡的产物A；
二、将步骤一得到的产物A在无水乙醇中浸泡5～6h，然后在丙酮中进行超声清洗，烘干，得到产物B；
三、采用40目的筛子，将步骤二得到的产物B进行初次筛分，得到产物C；
四、采用50目的筛子，将步骤三得到的产物C进行二次筛分，得到产物D；
五、将步骤四得到的产物D与乙烯基树脂混合，机械搅拌均匀，得到玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的混合物E，完成所述乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法。
步骤三和步骤四筛分时在筛子下放个干净的小盆，用刷子将玄武岩短切纤维层层刷开，使其层层过滤到小盆中，每一层的短切纤维之间以任意角度互相交错排列、纤维分散均匀。
一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法的应用，具体按以下步骤进行：
A、依次将固化剂和促进剂加入到混合物E中，搅拌均匀，得到混合物F；
B、将贴有脱模纸的模具放入真空干燥箱中预热，然后将步骤A得到的混合物F倒入模具中，放入真空干燥箱，抽真空去除气泡，然后在室温中固化成型，得到玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂复合材料。
本发明采用一系列物理方法对玄武岩短切纤维进行分散。首先通过高温溶解玄武岩短切纤维表面的工业石蜡，使束集状的纤维变成单丝状，初步分散玄武岩短切纤维；然后分别利用40目和50目的筛子对单丝状的玄武岩短切纤维进行层层过滤，使玄武岩短切纤维以任意角度交错排列、均匀分散；最后将筛分分散后的玄武岩短切纤维加入到乙烯基树脂中，采用机械搅拌的方法将玄武岩短切纤维以空间三维方式均匀分散于乙烯基树脂中，制备出玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂复合材料。
本发明中所述乙烯基树脂可用环氧树脂、不饱和聚酯等常温下反应不剧烈的树脂替换，以达到均匀分散的目的。
本发明的有益效果是：
本发明采用高温处理、筛分分散与机械搅拌分散相结合的方法，将玄武岩短切纤维进行分散，使玄武岩短切纤维在三维空间内均匀分散于乙烯基树脂基体中，有效的保证了玄武岩短切纤维分散的均匀性。此分散方法首先通过高温加热溶解掉玄武岩短切纤维表面的工业石蜡，将纤维从束集状变成单丝状，使玄武岩短切纤维初步分散；然后分别利用40目和50目筛子将单丝状的玄武岩短切纤维层层过滤，使玄武岩短切纤维以任意角度交错排列、均匀分散；最后采用机械搅拌方法将玄武岩短切纤维以空间三维方式均匀分散于乙烯基树脂中。该方法有效的促进了玄武岩短切纤维的分散，避免了纤维成絮状或毛球状团聚。从玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂基复合材料的不同部位任意取样，测得纤维含量标准差稳定在1％以内，达到理想的分散效果。同时，采用一系列物理方法对玄武岩短切纤维进行分散，不会向复合材料中引入杂质，操作简便，分散效果好，具有很好的应用意义和前景。与传统的纯机械搅拌、超声分散和化学分散相比，本发明提出的玄武岩短切纤维分散方法既具有操作简便、未引入杂质、价格低廉、耗时短的特点，又具有分散效果好的优点。
本发明制备的复合材料用于航空航天、海洋工程、汽车、体育等行业。
附图说明
图1为具体实施方式一的工艺流程图；
图2为实施例一未处理玄武岩短切纤维的扫描电镜图；
图3为实施例一步骤一高温处理前的玄武岩短切纤维扫描电镜图；
图4为实施例一步骤一高温处理前的玄武岩短切纤维能谱图；
图5为实施例一步骤一高温处理后的玄武岩短切纤维扫描电镜图；
图6为实施例一步骤一高温处理后的玄武岩短切纤维能谱图；
图7为实施例一步骤四筛分分散后玄武岩短切纤维扫描的电镜图；
图8为实施例一步骤七制备的玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂复合材料的断面扫描电镜图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法，具体按以下步骤进行：
一、将玄武岩短切纤维放入温度为150～200℃的高温炉中保持2～3h，冷却，得到去除表面工业石蜡的产物A；
二、将步骤一得到的产物A在无水乙醇中浸泡5～6h，然后在丙酮中进行超声清洗，烘干，得到产物B；
三、采用40目的筛子，将步骤二得到的产物B进行初次筛分，得到产物C；筛分时在筛子下放个干净的小盆，用刷子将玄武岩短切纤维层层刷开，使其层层过滤到小盆中，每一层的短切纤维之间以任意角度互相交错排列、纤维分散均匀；
四、采用50目的筛子，将步骤三得到的产物C进行二次筛分，得到产物D；筛分时在筛子下放个干净的小盆，用刷子将玄武岩短切纤维层层刷开，使其层层过滤到小盆中，每一层的短切纤维之间以任意角度互相交错排列、纤维分散均匀；
五、将步骤四得到的产物D与乙烯基树脂混合，机械搅拌均匀，得到玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的混合物E，完成所述乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述的玄武岩短切纤维为市售常规产品，其长度为6mm，直径为13μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中超声清洗30min，控制超声波功率为150W，工作温度为45℃，工作频率为50kHz。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤五中产物D与乙烯基树脂的质量比为(1.0～5)∶100。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤五中机械搅拌转速为1200～1600r/min，搅拌时间为30～50min。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法应用于制备玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂复合材料。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：该应用方法具体按以下步骤进行：
A、依次将固化剂和促进剂加入到具体实施方式一得到的混合物E中，搅拌均匀，得到混合物F；
B、将贴有脱模纸的模具放入真空干燥箱中预热，然后将步骤A得到的混合物F倒入模具中，放入真空干燥箱，抽真空去除气泡，然后在室温中固化成型，得到玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂复合材料。其它与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤A中固化剂为过氧化甲基乙基酮，促进剂为硫代氨基甲酰次磺酰胺。其它与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤B中脱模纸为聚四氟乙烯薄膜，厚度为0.1mm。其它与具体实施方式六至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：步骤B中预热温度为140℃，预热时间为2h。其它与具体实施方式六至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十之一不同的是：步骤B中抽真空的绝对压力≥0.98atm。其它与具体实施方式六至十之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法，具体按以下步骤进行：
一、将玄武岩短切纤维放入氧化铝坩埚中，然后放入温度为150℃的高温炉中保持2h，冷却，得到去除表面工业石蜡的产物A；
二、将步骤一得到的产物A在无水乙醇中浸泡5h，然后在丙酮中进行超声清洗30min，控制超声波功率为150W，工作温度为45℃，工作频率为50kHz，在60℃的干燥箱中烘干1h，得到产物B；
三、采用40目的筛子，将步骤二得到的产物B进行初次筛分，得到产物C；筛分时在筛子下放个干净的小盆，用刷子将玄武岩短切纤维层层刷开，使其层层过滤到小盆中，每一层的短切纤维之间以任意角度互相交错排列、纤维分散均匀；
四、采用50目的筛子，将步骤三得到的产物C进行二次筛分，得到产物D；筛分时在筛子下放个干净的小盆，用刷子将玄武岩短切纤维层层刷开，使其层层过滤到小盆中，每一层的短切纤维之间以任意角度互相交错排列、纤维分散均匀；
五、将3g步骤四得到的产物D与100g乙烯基树脂混合，控制搅拌转速为1200r/min，机械搅拌30min，得到玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的混合物E；
六、依次将3g固化剂过氧化甲基乙基酮和2g促进剂硫代氨基甲酰次磺酰胺加入到步骤五中得到的混合物E中，搅拌均匀，得到混合物F；
七、将贴有厚度为0.1mm的脱模纸聚四氟乙烯薄膜的模具放入温度为140℃真空干燥箱中预热2h，然后将步骤六得到的混合物F倒入模具中，放入真空干燥箱，抽真空去除气泡，然后在室温中固化成型，得到玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂复合材料，完成一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法。
从本实施例过程中得到的玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的混合物E，中任取5处样品，分别称量其初始质量m0，接着依次采用丙酮、酒精和去离子水对样品进行处理，分离出玄武岩短切纤维，并将其置于60℃的干燥箱中干燥，待纤维干燥至衡重后称其质量md。经计算，试验所选取的5处样品中玄武岩短切纤维质量分数分别为2.87％、3.07％、2.94％、3.31％、3.19％，其标准差为0.18％，小于1％，说明玄武岩短切纤维在乙烯基树脂中分散较为均匀。
图2所示为未处理玄武岩短切纤维的扫描电镜图，经观察，玄武岩短切纤维初始状态为束集状，纤维彼此紧密簇拥，并沿同一方向排列，说明未经过分散的玄武岩短切纤维呈有序状紧密排列。
图3为步骤一高温处理前的玄武岩短切纤维扫描电镜图，图4为步骤一高温处理前的玄武岩短切纤维能谱图，图5为步骤一高温处理后的玄武岩短切纤维扫描电镜图，图6为步骤一高温处理后的玄武岩短切纤维能谱图，由图3和图4可知，高温处理前，玄武岩短切纤维表面有白色颗粒，经高温处理后，玄武岩短切纤维表面光滑，无白色颗粒。由图5、图6可知，经过高温处理后，Na的含量由6.22％降低到3.95％，其他元素含量未发生明显变化，因此可推测图3中的白色颗粒为工业石蜡，说明150～200℃的温度仅仅除掉了玄武岩短切纤维表面的工业石蜡，对其其他成分和性能没有明显影响。
图7为步骤四筛分分散后玄武岩短切纤维扫描的电镜图，经观察，经过本实施例的两次筛分分散处理后，玄武岩短切纤维呈无序杂乱状排列，分散较均匀，说明经过本实施例中的分散处理，对玄武岩短切纤维的分散效果比较明显，基本符合实际要求。
图8为步骤七制备的玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂复合材料的断面扫描电镜图，经观察玄武岩短切纤维经机械搅拌后以空间三维方式均匀分散于乙烯基树脂中，说明机械搅拌能将玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中，进而说明此方法能够有效地对玄武岩短切纤维进行分散，并能够制备出玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的复合材料。
实施例二：
本实施例一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法，具体按以下步骤进行：
一、将玄武岩短切纤维放入氧化铝坩埚中，然后放入温度为180℃的高温炉中保持2.5h，冷却，得到去除表面工业石蜡的产物A；
二、将步骤一得到的产物A在无水乙醇中浸泡5h，然后在丙酮中进行超声清洗30min，控制超声波功率为150W，工作温度为45℃，工作频率为50kHz，在60℃的干燥箱中烘干1h，得到产物B；
三、采用40目的筛子，将步骤二得到的产物B进行初次筛分，得到产物C；筛分时在筛子下放个干净的小盆，用刷子将玄武岩短切纤维层层刷开，使其层层过滤到小盆中，每一层的短切纤维之间以任意角度互相交错排列、纤维分散均匀；
四、采用50目的筛子，将步骤三得到的产物C进行二次筛分，得到产物D；筛分时在筛子下放个干净的小盆，用刷子将玄武岩短切纤维层层刷开，使其层层过滤到小盆中，每一层的短切纤维之间以任意角度互相交错排列、纤维分散均匀；
五、将1g步骤四得到的产物D与100g乙烯基树脂混合，控制搅拌转速为1400r/min，机械搅拌40min，得到玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的混合物E，完成所述乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法。
在本实施例过程中步骤五得到的玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的混合物E中任取5处样品，分别称量其初始质量m0，再接着依次采用丙酮、酒精和去离子水对样品进行处理，分离出玄武岩短切纤维，并将其置于60℃的干燥箱中干燥，待纤维干燥至衡重后称其质量md。经计算，试验所选取的5处样品中玄武岩短切纤维质量分数分别为1.21％、0.98％、1.16％、0.94％、1.04％，其标准差为0.10％，小于1％，说明玄武岩短切纤维在乙烯基树脂中分散较为均匀。
实施例三：
本实施例一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法，具体按以下步骤进行：
一、将玄武岩短切纤维放入氧化铝坩埚中，然后放入温度为200℃的高温炉中保持3h，在空气中冷却，得到去除表面工业石蜡的产物A；
二、将步骤一得到的产物A在无水乙醇中浸泡5h，然后在丙酮中进行超声清洗30min，控制超声波功率为150W，工作温度为45℃，工作频率为50kHz，在60℃的干燥箱中烘干1h，得到产物B；
三、采用40目的筛子，将步骤二得到的产物B进行初次筛分，得到产物C；筛分时在筛子下放个干净的小盆，用刷子将玄武岩短切纤维层层刷开，使其层层过滤到小盆中，每一层的短切纤维之间以任意角度互相交错排列、纤维分散均匀；
四、采用50目的筛子，将步骤三得到的产物C进行二次筛分，得到产物D；筛分时在筛子下放个干净的小盆，用刷子将玄武岩短切纤维层层刷开，使其层层过滤到小盆中，每一层的短切纤维之间以任意角度互相交错排列、纤维分散均匀；
五、将5g步骤四得到的产物D与100g乙烯基树脂混合，控制搅拌转速为1600r/min，机械搅拌50min，得到玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的混合物E，完成所述乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法。
在本实施例过程中步骤五得到的玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的混合物E中任取5处样品，分别称量其初始质量m0，再接着依次采用丙酮、酒精和去离子水对样品进行处理，分离出玄武岩短切纤维，并将其置于60℃的干燥箱中干燥，待纤维干燥至衡重后称其质量md。经计算，试验所选取的5处样品中玄武岩短切纤维质量分数分别为5.21％、5.65％、4.91％、4.58％、5.37％，其标准差为0.37％，小于1％，说明玄武岩短切纤维在乙烯基树脂中分散较为均匀。

Claims (9)

1.一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、将玄武岩短切纤维放入温度为150～200℃的高温炉中保持2～3h，冷却，得到去除表面工业石蜡的产物A；
二、将步骤一得到的产物A在无水乙醇中浸泡5～6h，然后在丙酮中进行超声清洗，烘干，得到产物B；
三、采用40目的筛子，将步骤二得到的产物B进行初次筛分，得到产物C；
四、采用50目的筛子，将步骤三得到的产物C进行二次筛分，得到产物D；
五、将步骤四得到的产物D与乙烯基树脂混合，机械搅拌均匀，得到玄武岩短切纤维均匀分散于乙烯基树脂中的混合物E，完成所述乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法；
步骤一所述的玄武岩短切纤维为市售常规产品，其长度为6mm，直径为13μm。
2.根据权利要求1所述的一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法，其特征在于步骤二中超声清洗30min，控制超声波功率为150W，工作温度为45℃，工作频率为50kHz。
3.根据权利要求1所述的一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法，其特征在于步骤五中产物D与乙烯基树脂的质量比为(1.0～5)∶100。
4.根据权利要求1所述的一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法，其特征在于步骤五中机械搅拌转速为1200～1600r/min，搅拌时间为30～50min。
5.如权利要求1所述的一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法的应用，其特征在于该分散方法应用于制备玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法的应用，其特征在于具体按以下步骤进行：
A、依次将固化剂和促进剂加入到权利要求1得到的混合物E中，搅拌均匀，得到混合物F；
B、将贴有脱模纸的模具放入真空干燥箱中预热，然后将步骤A得到的混合物F倒入模具中，放入真空干燥箱，抽真空去除气泡，然后在室温中固化成型，得到玄武岩短切纤维增强乙烯基树脂复合材料。
7.根据权利要求6所述的一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法的应用，其特征在于步骤A中固化剂为过氧化甲基乙基酮，促进剂为硫代氨基甲酰次磺酰胺。
8.根据权利要求6所述的一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法的应用，其特征在于步骤B中脱模纸为聚四氟乙烯薄膜，厚度为0.1mm。
9.根据权利要求6所述的一种乙烯基树脂用玄武岩短切纤维的分散方法的应用，其特征在于步骤B中预热温度为140℃，预热时间为2h。
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