[發(fā)明專利]一種表面改性玻璃纖維和制備方法及其應(yīng)用

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310076321.5
• 申請(qǐng)日: 2013-03-11
• 公開（公告）號(hào): CN103183844A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王景昌;劉春明;王文煥;董旭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連大學(xué)
• 主分類號(hào): C08K9/04
• 分類號(hào): C08K9/04;C08K9/06;C08K7/14;C08F220/18;C08F212/08;C08F222/08;C03C25/28;C08J5/08;C08L23/06;C08L23/12
• 代理公司: 大連智慧專利事務(wù)所 21215
• 代理人: 周志艦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于表面改性纖維及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種表面改性玻璃纖維和制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

在纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中，纖維與基體界面的粘結(jié)程度是決定其界面強(qiáng)度的重要標(biāo)志。因此，改善界面粘合性能是復(fù)合材料界面控制技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。纖維與基體界面層的形成通常經(jīng)歷纖維與基體的接觸和潤(rùn)濕過程。由于纖維對(duì)基體分子中和各種基團(tuán)或?qū)w系中各種組份的吸附能力不同，在界面形成過程中，潤(rùn)濕或不潤(rùn)濕取決于纖維與基體或其它組分的吸引力大小。要產(chǎn)生潤(rùn)濕現(xiàn)象，纖維總是要吸附那些能降低其表面能的物質(zhì),尤其是優(yōu)先吸附那些能較大地降低其表面能的物質(zhì)。對(duì)玻璃纖維表面進(jìn)行改性劑處理的目的一方面是改善纖維與樹脂之間的潤(rùn)濕，另一方面是提高界面的粘劑強(qiáng)度。玻璃纖維是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的主要增強(qiáng)材料，它能與各種樹脂結(jié)合，形成多種具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料。但玻璃纖維是極性礦物質(zhì)，當(dāng)它和大部分非極性熱塑性樹脂復(fù)合時(shí)，由于界面粘結(jié)不好，復(fù)合材料的力學(xué)性能較差,迫切需要改善玻璃纖維的表面性能，使其能與熱塑性樹脂很好的粘合。為了改善玻璃纖維與樹脂之間的界面粘合，很多學(xué)者做了大量研究。常見的方法有：1、用小分子偶聯(lián)劑處理玻璃纖維；2、用大分子嵌段共聚物處理玻璃纖維；3、通過共聚物涂層改善玻璃纖維表面。

目前，小分子偶聯(lián)劑處理玻璃纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，大多采用浸潤(rùn)劑配方處理玻璃纖維。2001年，上海杰事杰新材料股份有限公司申請(qǐng)了玻璃纖維表面處理劑的專利（CN1386714），該處理劑包括成膜劑、偶聯(lián)劑、乳化劑和溶劑，各組分的重量百分比為：成膜劑0．5％～1％，偶聯(lián)劑2．5％～3％，乳化劑0．2％～0．8％，溶劑95．2％～96．8％，其中成膜劑為低極性或非極性物質(zhì)，偶聯(lián)劑為硅烷類偶聯(lián)劑，乳化劑為烷基二苯醚類，溶劑由非極性溶劑、弱極性溶劑和水組成。2011年1月，黃淮學(xué)院申請(qǐng)了一種經(jīng)表面處理的玻璃纖維、制備方法及應(yīng)用的專利（CN102173602A），該玻璃纖維經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理和重金屬螯合劑處理制得，方法是將硅烷偶聯(lián)劑處理后的玻璃纖維用重金屬螯合劑處理，重金屬螯合劑與硅烷偶聯(lián)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鍵合，制得經(jīng)表面處理的玻璃纖維。易長(zhǎng)海等研究了玻璃纖維經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH550、KH560、KH570處理之后的表面能、形態(tài)及表面活化機(jī)理，其結(jié)果顯示處理過的玻璃纖維表面有活性官能團(tuán)產(chǎn)生，并且與玻璃纖維表面的結(jié)合屬化學(xué)結(jié)合。這些方法雖然改變了玻璃纖維的表面能，但都采用的是小分子物質(zhì)，由于熱塑性樹脂如PP、PS分子鏈上不含有活性基團(tuán)，不能與常規(guī)小分子偶聯(lián)劑處理后的玻璃纖維形成很好的結(jié)合，難以發(fā)揮玻璃纖維的增強(qiáng)效果。

隨著原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）技術(shù)的發(fā)展，制備可控嵌段共聚物成為許多學(xué)者研究的重點(diǎn)，嵌段共聚物可具有設(shè)定的結(jié)構(gòu)能最佳的改善玻璃纖維表面，提高復(fù)合材料的界面性能。，周曉東(功能高分子學(xué)報(bào)，2004，17(3):417～420)合成了苯乙烯與丁二烯及含C=C雙鍵硅烷的嵌段共聚偶聯(lián)劑，采用該嵌段共聚物對(duì)玻璃纖維進(jìn)行了表面處理，其改性效果優(yōu)于普通小分子偶聯(lián)劑，玻璃纖維與聚丙烯復(fù)合后，其界面剪切強(qiáng)度由2.97MPa增大到3.71MPa。高燕(華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,32(10):1201～1205)采用ATRP技術(shù)，用苯乙烯(St)、甲基丙烯酸十四酯(TMA)與3～甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)合成了三嵌段共聚物(PSTK)，用一定濃度的該嵌段共聚物的甲苯溶液浸泡玻璃纖維氈，然后再烘烤以形成牢固的化學(xué)鍵，然后再模壓成板材。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PP/玻璃纖維的力學(xué)性能全面提高，其沖擊強(qiáng)度由5.49kJ/m²增大到18.49kJ/m²。高燕等認(rèn)為由于大分子偶聯(lián)劑中的硅氧烷能夠水解生成硅羥基,能與玻璃纖維表面的羥基反應(yīng)形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵或者氫鍵；另一方面,顯然大分子偶聯(lián)劑中的烷基鏈能更有效地與基體樹脂纏結(jié),從而使力學(xué)性能改善較大。但是該嵌段共聚物的合成方法ATRP嚴(yán)格要求反應(yīng)環(huán)境無水無氧，因此該方法很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

采用共聚物涂層的方法處理玻璃纖維表面可以彌補(bǔ)以上兩類方法的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種表面改性玻璃纖維和制備方法及其應(yīng)用，本發(fā)明的表面改性玻璃纖維是采用涂層的方法處理玻璃纖維表面，使得玻璃纖維和基體之間界面結(jié)構(gòu)的控制和優(yōu)化，既增加兩相間的界面結(jié)合，也增加了界面在應(yīng)力作用下的形變能力，從而使復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量和韌性可以同時(shí)提高。