高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維及其制備方法
【專利摘要】高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維及其制備方法，屬無機纖維【技術(shù)領(lǐng)域】。技術(shù)方案：將納米粒子植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層，使兩者結(jié)合在一起。制備方法是通過靜電植入工藝，使納米粒子植入。玄武巖纖維表層有許多斷裂，納米粒子植入使其變得緊密，加強晶態(tài)間的結(jié)合力；納米粒子還具增強材料作用，二者疊加使各種無機纖維的綜合力學(xué)性能和耐高溫性得到明顯提高。按理論計，本發(fā)明對無機纖維拉伸強度能提高30％以上，意義深遠。納米粒子以半島狀固定在表層，比表面積成幾何級擴大，加其量子隧道效應(yīng)，使無機纖維與樹脂的結(jié)合變得十分容易和牢固(玻纖尤明顯)，兩者復(fù)合時甚至可省去偶聯(lián)劑，以降低成本。
【專利說明】高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無機纖維【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及具有高強度以及與基體有極高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]玄武巖纖維的優(yōu)勢主要是在耐高溫和耐腐性上，而其拉伸強度僅介于S玻璃纖維和無堿E玻璃纖維之間，彈性模量也與玻纖差不多。玄武巖纖維的力學(xué)強度與碳纖維相比實在懸殊，這是制約其在更多領(lǐng)域替代碳纖維的最大障礙。故提高玄武巖纖維的力學(xué)強度，是迫切又意義重大的工作。
[0003]另一方面，無機纖維都有表面光滑的特點，致其與樹脂等基體的結(jié)合力不佳，導(dǎo)致復(fù)合增強材料不能發(fā)揮其應(yīng)有的力學(xué)強度和尺寸穩(wěn)定性，這一點在玻璃纖維上表現(xiàn)尤甚，當然玄武巖纖維等也無可避免。目前提高結(jié)合力的辦法，基本是衍用添加偶聯(lián)劑等方式，雖然有一定的效果，但無法滿足的現(xiàn)代工業(yè)的實際需求；并且，大多偶聯(lián)劑還會減損有機樹脂的抗沖擊強度。
[0004]專利200610034468.8改善玄武巖纖維性能的雜化漿料制備方法及改性方法，先配制有機-無機雜化漿料，再對玄武巖纖維成品的表面進行涂層處理，并采用的超聲連續(xù)強迫涂敷，后在50°C -150°C間烘干；雖然其中提到雜化漿料的配制中包括無機納米前驅(qū)液，但50°C -150°C間烘干是否會構(gòu)筑實質(zhì)性納米表象值得討論，就算有一部分也僅構(gòu)筑在雜化漿料的烘干層上；該發(fā)明人認為能使“纖維本體拉伸強度提高，耐高溫性能改善?！币詸C成份為主的涂層是否會影響玄武巖無機纖維固有的耐高溫性姑且不論，但要改善耐高溫性能肯定值得商榷。專利200810202626.5等離子體處理涂覆碳納米管溶膠玄武巖纖維表面改性方法，包括:(I)將碳納米管利用超聲波震蕩技術(shù)配制成有機溶劑或水的溶膠液或有機-無機納米顆粒的先驅(qū)液與碳納米管制得的溶膠液；(2)將溶膠液涂敷在纖維表面，可以使用噴涂，浸軋方法，然后烘干；(3)將上述烘干涂覆碳納米管溶膠玄武巖纖維置于等離子體處理設(shè)備的專用傳輸裝置上，將等離子體噴射到表面，處理功率為10W-15000W，時間為
0.5-300s，產(chǎn)生表面改性。該發(fā)明人認為“該方法可以有效改善纖維的性能，使其復(fù)合材料的成型工藝性和整體綜合性能得到改善，工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、成本低、不易引起環(huán)境污染，并且還可以降低能耗，適合工業(yè)化生產(chǎn)?！边@種方法的有效性應(yīng)該不用懷疑，但工藝或不算簡單，成本亦不低，尤是碳納米管等價格甚高；如果僅為玄武巖纖維表面改性后制成復(fù)合材料，未免有點奢侈。
[0005]而事實上，進一步獲得有效的、快速的、低耗的、低成本的纖維改良模式，一直是科技工作者孜孜以求的目標，只不過很多僅停留在一些美好的設(shè)想上，沒能真正符合實際生產(chǎn)的最基本要求，也就枉論工業(yè)化生產(chǎn)了。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的，就是要解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提供一種高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維及其制備方法。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:將納米粒子植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層，使兩者結(jié)合在一起。
[0008]本發(fā)明所述的高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維的制備方法，是通過靜電植入工藝，使納米粒子植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層，使兩者結(jié)合在一起。
[0009]優(yōu)選地，所述的高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維的制備方法，所說的靜電植入工藝，包括對應(yīng)極板式植入工藝、網(wǎng)型極板式植入工藝、靜電噴粉式植入工藝中的一種或幾種；所說的對應(yīng)極板式植入工藝的工作原理，與傳統(tǒng)的靜電植砂相同或相近，而植入方向由傳統(tǒng)的上下改為前后或左右；網(wǎng)型極板式植入工藝與一些靜電植絨的工作原理相同或相近，而植入方向亦由傳統(tǒng)的上下改為前后或左右；靜電噴粉式植入工藝的工作原理，與傳統(tǒng)的粉末靜電噴涂的工作原理相同或相近，包括可調(diào)式供粉系統(tǒng)、可調(diào)頻調(diào)壓的高壓靜電發(fā)生器、靜電噴槍，在尚未凝固的無機纖維初生條群的另一端，加設(shè)一塊電極板并接地，靜電噴槍的噴嘴的構(gòu)造，應(yīng)能保證所噴出的納米粒子混合氣流到達纖維初生條群時，完全覆蓋尚未凝固的無機纖維初生條的橫向排列群；以使納米粒子相對均勻地植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層；再者，所說的幾種靜電植入工藝，均可在尚未凝固的無機纖維初生條的上下，設(shè)置兩套靜電場方向相反向的植入設(shè)施，使尚未凝固的無機纖維初生條得到前后二面的植入；并且，植入方向可根據(jù)拉絲漏板的排列方式作適當?shù)恼{(diào)整，以避免前面的纖維初生條完全擋住后面的纖維初生條的情形；顯然，本發(fā)明的各種靜電植入工藝，均無需基材上膠和烘干工序。
[0010]所說的對應(yīng)極板式植入工藝，也就是前后二塊電極板將尚未凝固的無機纖維初生條夾在其中，接通高壓靜電發(fā)生器，一端不斷定量輸入納米粒子，利用靜電場使納米粒子累積電荷后沖向另一端，一部分在途中先碰上無機纖維初生條，其沖擊力便使它植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層；未植入的納米粒子到達另一端或收集再利用，或讓其直接參與下方的靜電場的再植入；雖然僅設(shè)一套靜電場也能滿足一些產(chǎn)品的要求，但下方再設(shè)一套靜電場就顯得更完美；下方靜電場前后二塊電極板的接線性質(zhì)與上方的反之，納米粒子的輸入與運動方向亦與上方的相反，這樣無機纖維初生條便有機會得到前后二面的植入；如此從理論上講，每根纖維條的植入機會基本均等。
[0011]所說的網(wǎng)型極板式植入工藝，輸入納米粒子的一端為網(wǎng)型高壓電極板，接通高壓靜電發(fā)生器，將納米粒子置于網(wǎng)型高壓電極板背面的夾層中并不斷定量輸入，使納米粒子接受沖電的時間相對延長，其中累積足夠電荷的納米粒子便迅速沖向另一端電極板，同樣一部分植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層；未植入的納米粒子到達另一端或收集再利用，或讓其直接參與下方的靜電場的再植入；雖然僅設(shè)一套靜電場也能滿足一些產(chǎn)品的要求，但下方再設(shè)一套靜電場就顯得更完美；下方靜電場前后二塊電極板的接線性質(zhì)與上方的反之，納米粒子的輸入與運動方向亦與上方的相反，這樣無機纖維初生條便有機會得到前后二面的植入。
[0012]對應(yīng)極板式植入工藝和網(wǎng)型極板式植入工藝，都是依靠靜電單一作用力來完成植入任務(wù)的，故只能從增大電壓電流等方式來增加植入量；因為無機纖維初生條的直徑是納米粒子粒徑的幾百倍，加上無機纖維初生條快速通過靜電場又處在中間，所累積電荷很少，故適當增大電壓電流等不足以明顯撼動它而致影響它的正常成絲；然而，同樣因為無機纖維初生條快速通過靜電場，故即使適當增大電壓電流致粒子運動密度有所增加，真正的植入量仍是有限的，尤其是無機纖維初生條排數(shù)較多的情況下；另外，靜電場的溫度和濕度等均會影響粒子運動密度和速度；因此，對植入量要求高的只能采取更強勁有效的方式；當然，這二種工藝納米粒子粉末的飛揚程度相對很低，這一點還是可取的。
[0013]優(yōu)選地，所述的高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維的制備方法，所說的靜電噴粉式植入工藝，包括可調(diào)式供粉系統(tǒng)、可調(diào)頻調(diào)壓的高壓靜電發(fā)生器，而相當于靜電噴槍膛體的是一個扁平腔體；在尚未凝固的無機纖維初生條群的另一端，加設(shè)一塊電極板并接地；扁平腔體的出粉端，平排設(shè)置多個噴嘴及電極針或其它形狀的電極，使之與另一端的接地電極板構(gòu)成一個多極針式的加強靜電場，靜電場的有效范圍亦有所擴大；靜電場的加強可相對調(diào)低空氣的沖擊力(推送力)，以免太大的空氣沖擊力影響尚未凝固的無機纖維初生條的正常成絲；而事實上，在供粉系統(tǒng)同等壓強的前提下，由傳統(tǒng)的一個噴嘴改成多個噴嘴后，其空氣沖擊力本身就會大幅削減，這一點應(yīng)提前加以考慮；而靜電強度的加強和范圍擴大，也能對納米粒子的雜亂飛散起到較好的約束作用；當然，合理的粉末回收設(shè)施還是必要的；實際運行時調(diào)節(jié)合適的電壓與頻率，以激發(fā)納米粒子加速、產(chǎn)生較大的沖擊力為原則，使相對足夠的納米粒子植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層；再者，設(shè)置兩套靜電場方向相反向的植入設(shè)施，使尚未凝固的無機纖維初生條得到前后二面的植入。
[0014]優(yōu)選地，所說的納米粒子包括起增強作用的無機納米材料，以及功能性納米材料。
[0015]本發(fā)明的有益效果，首先是與纖維生產(chǎn)完全同步，不占工序時間；亦無需烘干，不耗額外能源；而靜電植入又十分省電，單一靜電場耗電僅幾十瓦，相當于一只家用燈泡。
[0016]當然，其重點是在于改善了無機纖維的表層結(jié)構(gòu)，尤其是玄武巖纖維表層本身有許多斷裂(或是晶態(tài)間的斷裂)，納米粒子的植入使其變得緊密，加強了各晶態(tài)之間的結(jié)合力；其間納米粒子還具有增強材料的作用，如同混泥土中的鋼筋石子、復(fù)合材料中的短纖維等，這一點對玄武巖、玻璃纖維等所有無機纖維均有明顯的增強；二者疊加，使無機纖維的綜合力學(xué)性能得到明顯提高。相關(guān)研究還認為無機纖維的拉伸強度的關(guān)鍵在于其表層，如若如此，按理論計值，本發(fā)明對無機纖維拉伸強度的提高應(yīng)該能達到30%以上，這對于玄武巖纖維而言，意義就顯得十分重大。
[0017]另一重要方面，納米粒子的植入無機纖維表層，凝固后結(jié)合得非常牢固，其程度勢必遠遠超過一般有機無機材料的表面涂覆；納米粒子在無機纖維的表象相當于一個個半島，對無機纖維的表層起到一定的保護作用，而重點是顯現(xiàn)納米材料的特性，比表面積相比原纖成幾何級擴大，加上其量子隧道效應(yīng)等，使無機纖維與樹脂等基體的結(jié)合變得十分容易和牢固。這一點對玻璃纖維來說，意義更是非凡。其次，很多無機纖維增強復(fù)合材料，可以不用偶聯(lián)劑，以降低產(chǎn)品的整體成本。
[0018]再者，納米科技的迅猛發(fā)展，使獲得納米材料的成本越來越低，新法生產(chǎn)一噸納米二氧化硅已不足萬元，有的方法成本更低。即納米二氧化硅已遠遠低于玄武巖纖維的生產(chǎn)成本，加之納米材料細小用量很少，本身又可計入重量，故植以納米二氧化硅生產(chǎn)本發(fā)明的玄武巖纖維，實際生產(chǎn)成本并沒有增加，除非是生產(chǎn)功能性纖維。而維纖生產(chǎn)廠家自行加工納米材料，更可降低成本。尤其是工業(yè)廢料加工成納米材料的開發(fā)，更能獲得雙重效益。
[0019]就性價比而言，納米二氧化硅是一個不錯的選擇，它的分散顆粒本身也是樹脂優(yōu)良的增強材料，說明其與樹脂的結(jié)合是十分強勁的。二氧化硅的熔點為1720°C-1750°C，單一成份熔點遠高于玄武巖，加之又在纖維表層緊密結(jié)合，故對玄武巖纖維的耐高溫性能的提高會比較明顯；而對其它耐高溫性能一般的無機纖維，諸如玻璃纖維，其耐高溫性能的提高作用會更加明顯。
[0020]當然，本發(fā)明還為功能性無機纖維的生產(chǎn)開辟了一個新途徑，只需更換(或摻和)納米材料的種類，即可方便地生產(chǎn)各類功能性無機纖維。比如在納米二氧化硅中摻和部分納米二氧化鈦加以植入等等。

【具體實施方式】
[0021]下列實施例僅為本發(fā)明示意性的實施方案，并非限定本發(fā)明產(chǎn)品及其制備方法的范圍。在不脫離本發(fā)明精神和原則的前提下所作的一切改動甚至改進，均落在本發(fā)明保護范圍內(nèi)。
[0022]實施例1
[0023]附圖是本實施例的側(cè)面示意圖。
[0024]輸送管(I) 一端與可調(diào)式供粉系統(tǒng)(圖中未示出)相連，另一端與扁平腔體(2)相連或穿入扁平腔體⑵與噴嘴⑶相連；每個噴嘴⑶均帶有電極針，電極針連接高壓靜電發(fā)生器(圖中未示出)；在尚未凝固的無機纖維初生條(6)群的另一端，加設(shè)一塊電極板
(4)并接地，相比噴嘴(3)與無機纖維初生條(6)的距離，電極板(4)可更靠近無機纖維初生條￠)，使之與多根電極針式構(gòu)筑一個加強靜電場。電極板(4)上可選擇附設(shè)防止粉體積厚的清除裝置，如循環(huán)帶、刷子、集粉器等。如圖設(shè)置的上下兩套植入裝置系統(tǒng)，是為了使納米粒子更均勻地植入無機纖維初生條出)內(nèi)。
[0025]調(diào)試好空氣壓強、供粉量以及電壓等便可運行。運行時，納米粒子噴出的瞬間受電極針電離而帶上電荷，在空氣的余力及靜電場的推吸力作用下沖向電極板(4)，途中碰到從拉絲漏板(5)流下的尚未凝固的無機纖維初生條￠)，便植入纖維初生條的表層。未碰到或未植入的粒子繼續(xù)沖向電極板(4)，當電極板(4)上積累的一定數(shù)量納米粒子后，由于同性相斥，后續(xù)的沖到的納米粒子就會反彈飄落，或參與下方的植入系統(tǒng)，而本身在下方的植入系統(tǒng)的反彈粒子則繼續(xù)飄落為主。因此，電極板(4)上的清除裝置可視實際情況選擇設(shè)與不設(shè)，而合理的粉末回收設(shè)施還是必要的；另外，因為納米粒子粒微質(zhì)小而比表面積大，單位時間內(nèi)植粉量小，故上下兩套植入裝置系統(tǒng)，其中一部分供粉系統(tǒng)及高壓靜電發(fā)生器等可考慮共用，以降低設(shè)備投資，提高設(shè)備利用率。
[0026]實施例2
[0027]以實施例1為基礎(chǔ)，將電極針改成電極片或環(huán)狀電極，進一步增強電場。所說的電極片與接地電極板垂直，電極片的形狀可以是單片或多片組合。
[0028]實施例3
[0029]以實施例1或?qū)嵤├?為基礎(chǔ)，在扁平腔體內(nèi)設(shè)置內(nèi)靜電場，使納米粒子預(yù)先帶上電荷；或者改變內(nèi)部設(shè)施的材料結(jié)構(gòu)，使納米粒子在內(nèi)部輸送過程中先摩擦帶電。這樣，力口上噴嘴端口電極的電暈充電，令納米粒子一進入外靜電場就強勁地沖向接地極，提高植入力。相對進一步減少對空氣推送力的依賴，進一步減少空氣沖擊力影響尚未凝固的無機纖維初生條的正常成絲，同時約束納米粒子的雜亂飛散，利于生產(chǎn)效率和生產(chǎn)環(huán)境的改善。
[0030]實施例4
[0031]選擇上述實施例其中之一為基礎(chǔ)，在確保安全的前提下，將電極針或其它形狀的電極，從原來按傳統(tǒng)的接負高壓改成接正高壓，使納米粒子帶上正電荷沖向接地極，令納米粒子更容易植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層。并包括交流和直流兩種靜電高壓模式。也包括將此改革模式，在對應(yīng)極板式植入工藝和網(wǎng)型極板式植入工藝中的選擇應(yīng)用。
[0032]這個反傳統(tǒng)的方法雖然需嚴密設(shè)置好各種參數(shù)，也對電極針/片及噴嘴等周邊材料有極高的要求，但安全實現(xiàn)后，或能使無機纖維材料的性能產(chǎn)生奇跡般的提高?？萍嫉陌l(fā)展與科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，幾乎無不出自于多向探索，其中也包括風(fēng)險性的嘗試。本著求索精神，特將此方案亦一并奉上。
【權(quán)利要求】
1.高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維，其特征是:將納米粒子植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層，使兩者結(jié)合在一起。
2.高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維的制備方法，其特征在于通過靜電植入工藝，使納米粒子植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層，使兩者結(jié)合在一起。
3.如權(quán)利要求2所述的高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維的制備方法，其特征在于所說的靜電植入工藝，包括對應(yīng)極板式植入工藝、網(wǎng)型極板式植入工藝、靜電噴粉式植入工藝中的一種或幾種；所說的對應(yīng)極板式植入工藝的工作原理，與傳統(tǒng)的靜電植砂相同或相近，而植入方向由傳統(tǒng)的上下改為前后或左右；網(wǎng)型極板式植入工藝與一些靜電植絨的工作原理相同或相近，而植入方向亦由傳統(tǒng)的上下改為前后或左右；靜電噴粉式植入工藝的工作原理，與傳統(tǒng)的粉末靜電噴涂的工作原理相同或相近，包括可調(diào)式供粉系統(tǒng)、可調(diào)頻調(diào)壓的高壓靜電發(fā)生器、靜電噴槍，在尚未凝固的無機纖維初生條群的另一端，加設(shè)一塊電極板并接地，靜電噴槍的噴嘴的構(gòu)造，應(yīng)能保證所噴出的納米粒子混合氣流到達纖維初生條群時，完全覆蓋尚未凝固的無機纖維初生條的橫向排列群；以使納米粒子相對均勻地植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層；再者，所說的幾種靜電植入工藝，均可在尚未凝固的無機纖維初生條的上下，設(shè)置兩套靜電場方向相反向的植入設(shè)施，使尚未凝固的無機纖維初生條得到前后二面的植入；并且，植入方向可根據(jù)拉絲漏板的排列方式作適當?shù)恼{(diào)整，以避免前面的纖維初生條完全擋住后面的纖維初生條的情形；顯然，本發(fā)明的各種靜電植入工藝，均無需基材上膠和烘干工序。
4.如權(quán)利要求3所述的高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維的制備方法，其特征在于所說的靜電噴粉式植入工藝，包括可調(diào)式供粉系統(tǒng)、可調(diào)頻調(diào)壓的高壓靜電發(fā)生器，而相當于靜電噴槍膛體的是一個扁平腔體；在尚未凝固的無機纖維初生條群的另一端，加設(shè)一塊電極板并接地；扁平腔體的出粉端，平排設(shè)置多個噴嘴及電極針或其它形狀的電極，使之與另一端的接地電極板構(gòu)成一個多極針式的加強靜電場，靜電場的有效范圍亦有所擴大；靜電場的加強可相對調(diào)低空氣的沖擊力，以免太大的空氣沖擊力影響尚未凝固的無機纖維初生條的正常成絲；而事實上，在供粉系統(tǒng)同等壓強的前提下，由傳統(tǒng)的一個噴嘴改成多個噴嘴后，其空氣沖擊力本身就會大幅削減，這一點應(yīng)提前加以考慮；而靜電強度的加強和范圍擴大，也能對納米粒子的雜亂飛散起到較好的約束作用；當然，合理的粉末回收設(shè)施還是必要的；實際運行時調(diào)節(jié)合適的電壓與頻率，以激發(fā)納米粒子加速、產(chǎn)生較大的沖擊力為原貝U，使相對足夠的納米粒子植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層；再者，設(shè)置兩套靜電場方向相反向的植入設(shè)施，使尚未凝固的無機纖維初生條得到前后二面的植入。
5.如權(quán)利要求4所述的高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維的制備方法，其特征在于，在所說扁平腔體內(nèi)設(shè)置內(nèi)靜電場，使納米粒子預(yù)先帶上電荷；或者改變內(nèi)部設(shè)施的材料結(jié)構(gòu)，使納米粒子在內(nèi)部輸送過程中先摩擦帶電；這樣，加上噴嘴端口電極的電暈充電，令納米粒子一進入外靜電場就強勁地沖向接地極，提高植入力；相對進一步減少對空氣推送力的依賴，進一步減少空氣沖擊力影響尚未凝固的無機纖維初生條的正常成絲，同時約束納米粒子的雜亂飛散，利于生產(chǎn)效率和生產(chǎn)環(huán)境的改善。
6.如權(quán)利要求2-5任一項所述的高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維的制備方法，其特征在于，將所說電極針或其它形狀的電極，從原來按傳統(tǒng)的接負高壓改成接正高壓，使納米粒子帶上正電荷沖向接地極，令納米粒子更容易植入尚未凝固的無機纖維初生條的表層；并包括交流和直流兩種靜電高壓模式。
7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的高強度高結(jié)合力的玄武巖等無機纖維及其制備方法，其特征在于所說的納米粒子包括起增強作用的無機納米材料，以及功能性納米材料。
【文檔編號】C03C25/10GK104233780SQ201310254200
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月15日
【發(fā)明者】傅吾錄, 傅家楨 申請人:傅吾錄