[发明专利]一种纳米SiO2改性玻璃纤维成膜剂乳液的制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种玻璃纤维成膜剂乳液制备方法和应用，特别涉及一种含有纳米SiO₂粒子的玻璃纤维成膜剂乳液的制备方法和应用。 

背景技术

玻璃纤维具有耐高温，比重轻、绝缘好及延伸小等一系列优异特性，是复合材料中应用最广泛、最重要的增强材料，已在建筑、化工和尖端科学等各个领域取得广泛应用。 

在玻璃纤维生产中，浸润剂是必不可少的表面处理剂。其作用主要表现在两方面，一是对玻璃纤维的保护作用，另一个是赋予玻璃纤维与被增强材料的相容性，使玻璃纤维复合材料具有较高的强度与良好的外观。浸润剂是由成膜剂、偶联剂、润滑剂、抗静电剂等多种物质组成，其中成膜剂作为最主要的成分，用量最大，起到关键作用。成膜剂按照制备方法一般分为溶剂型和乳液型。溶剂型成膜剂使用时溶剂挥发易导致树脂残留在导辊上，玻璃纤维通过时会造成损伤，同时有机溶剂挥发污染环境。随着人们环保意识的日益增强，各国政府对使用的苯、甲苯等挥发性有机化合物(VOC)限制越来越严格，目前国外已较少使用。乳液型成膜剂一般不易在导辊上残留树脂，又无溶剂污染环境。因此成膜剂从溶剂型转变到水作为载体的乳液型是发展的必然趋势，从而备受重视。 

乳液的制备一般运用常规的表面活性剂乳化稳定，然而由于其为亚热力学不稳定状态，容易受温度和PH值等外部其他因素的影响而产生分层、沉淀等，并且乳化剂的存在可能会影响复合材料力学性能及耐水性能。而Pickering乳液是利用固体粒子作为类乳化剂制备的一种稳定乳液，利用固体颗粒吸附在油性液滴周围起到隔绝的作用，其吸附具有不可逆转性，制备的乳液稳定，可减少乳化剂的用量，对此国内外进行了广泛的研究。因此利用Pickering乳化原理，不仅可以减少乳化剂的用量，还可以将纳米粒子引入到乳液中。与此同时纳米SiO₂粒子具有尺寸效应、大的比表面积、强的相互作用以及改性后与基体树脂良好的相容性，可以形成非常理想的界面相，起到很好的引发微裂纹、吸收能量的作用。以往的研究者研制了许多其他纤维表面处理剂引入纳米粒子。例如中科院山西煤化所专利CN 1632217A 将纳米SiO₂粒子引入到碳纤维乳液上浆剂中，采用此上浆剂对碳纤维上浆后，碳纤维的强度得到提高，纤维复合材料的层间剪切强度也有大幅度提高。专利CN 1830861A发明了一种有机无机表面涂层与超声浸渍结合的技术应用于玄武岩纤维，可以提高纤维的拉伸强度和耐温性能，但其生产工艺繁琐，工艺中应用有机溶剂进行涂覆，污染环境。而专利CN 101704529A公布了一种制备两亲性纳米SiO2粉体的制备方法，并利用这种改性粉体制备了稳定的Pickering乳液，存放3个月未出现明显破乳现象，但只适用于油酸、二甲苯等油性小分子，并未应用于高分子聚合物树脂乳化中。现有资料文献中，关于有机无机杂化玻璃纤维浸润剂的研究较少。为此根据Pickering乳化原理开发一种含有纳米SiO₂颗粒的玻璃纤维成膜剂乳液，必定对玻璃纤维工业具有重要意义。本发明的目的是提供一种用于改善玻璃纤维性能并含改性纳米SiO₂颗粒的成膜剂乳液的制备方法，可以提高玻璃纤维断裂强度及其复合材料层间剪切强度（ILSS），达到增强增韧的效果。 

发明内容

为了克服单纯由乳化剂稳定制备的乳液稳定时间不长及乳化剂用量过多的不足，本发明公开了一种含有改性纳米SiO₂粒子的玻璃纤维稳定成膜剂乳液的制备方法。首先采用液相改性，通过控制硅烷偶联剂的加入量及分散液PH值，制备出具有两亲性的改性纳米SiO₂粉体，并利用上述改性纳米SiO₂粉体与乳化剂协同乳化制备成膜剂乳液，该方法操作简单，易于实施。 

本发明还提供了由本成膜剂乳液配制的浸润剂在玻璃纤维上的应用。 

本发明是通过以下措施实现的： 

一种纳米SiO₂粒子改性玻璃纤维成膜剂乳液，其特征是包括：主浆料、乳化剂、改性纳米SiO₂粒子、稀释剂和去离子水，其中，乳化剂的质量为主浆料质量的4%～8%，稀释剂的质量为主浆料质量的10%~50%，纳米SiO₂粒子的质量为主浆料质量的0.5%~3%，去离子水与主浆料的质量比为60～90:10～40；所述主浆料是乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂。

上述成膜剂乳液中，所述乙烯基树脂为酚醛环氧乙烯基酯树脂V-158、异氰酸酯改性的丙烯酸型乙烯基酯树脂V-3201；不饱和聚酯树脂为不饱和聚酯树脂V-196。