[发明专利]一种耐腐蚀高韧性高强度复合纤维及其生产工艺

说明书

技术领域

本发明属于复合纤维及其制备领域，尤其涉及一种耐腐蚀高韧性高强度复合纤维及其生产工艺。

背景技术

聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一，除熔融碱金属、三氟化氯、五氟化氯和液氟外，能耐其它一切化学药品，在王水中煮沸也不起变化，广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的场合。同时，其柔顺的长链结构使其具有优异的柔韧性。摩擦系数极低，使其具有优异的自润滑性能。另外，其还有优良的密封性、电绝缘性和良好的抗老化能力，能在-190℃至+250℃的温度下长期工作，能够承受骤冷骤热。通常PTFE纤维可以制作成高耐腐蚀空气过滤材料用于垃圾焚烧电厂的过滤除尘系统中。但是氟树脂材料较软，强度低，而且和其它材料的相容性比较差。PTFE的纤维制备过程极为繁琐，通常需要将PTFE材料熔融挤压成薄膜，再将薄膜进行切割、拉伸等等工艺才能制备出来PTFE纤维。这种工艺产品成品率低，成本很高。

以玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、金属纤维等为代表的无机纤维通常具有很好的强度和耐高温性能。但是纤维的脆性较大，后道加工(如加捻、纺丝、织布)性能不太好，耐腐蚀性和PTFE等含氟树脂相比还有很大差距。其中玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料。其连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗燃烧、耐高温(可长期在760℃温度环境下使用)等多种优异性能。此外，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维列为我国重点发展的四大纤维。

将含氟树脂与无机纤维两者结合制成复合纤维材料，以高强度、高耐热的无机纤维为芯材，外面包裹一层致密的高耐腐蚀、高韧性的含氟树脂，这样既可以提高PTFE的耐高温性与机械强度，又可以改善玄武岩纤维的柔韧性与耐腐蚀性能。

通常，制作其复合纤维材料的方法是在室温下用PTFE的分散液浸渍玄武岩纤维成品，然后烘干、热定型以除去浸润剂中多余的水分与挥发性成分，热定型的温度未达到PTFE的熔融温度，这种方法在CN 101856577 A、CN 101947401 A、CN 103921503 A可见。该方法有两个缺点：(1)由于PTFE分散液的实质是PTFE树脂微粒在水中的稳定悬浮液，且只有当温度达到PTFE的熔融温度时微粒之间才能相互粘接，否则其微粒之间始终处于相互独立、分散的状态，那么，该方法不能使PTFE在纤维制品表面形成连续完整的层状结构，纤维表面仍有较多位置处于暴露状态而未被PTFE包覆。PTFE这样的分布结构对玄武岩纤维的柔韧性与耐腐蚀性能不可能起到明显的改善作用，因为折损或腐蚀会从暴露的纤维处优先发生；(2)该方法是用PTFE分散液处理纤维制品而非纤维原丝，而纤维制品的表面已经涂有一层树脂浸润剂，由于PTFE的表面能极低，与其它树脂的粘接力较低，而PTFE自身又没有形成连续相，因此，在受到外力作用时，PTFE微粒很容易从纤维表面脱落。

另有一种工艺方法，在CN 101869789 A、CN 102527157 A、CN 103987449 A可见。该方法在前一种工艺的基础上，进一步用330℃以上的高温对PTFE进行烘焙、烧结，使PTFE熔融以后在纤维表面结膜。但是该方法同样存在两个缺点：(1)其基本上可以使PTFE在纤维表面形成完整包覆的涂层，但是由于纤维制品在高温下各处的实际温度不一致，同时由于重力作用，使得处于熔融状态的PTFE在纤维表面形成的涂层必然出现厚薄均匀的现象，该现象虽然不影响复合纤维的耐碱性，但是会使复合纤维材料各处的力学性能不均一，存在各向异性而容易产生局部应力，同时也造成PTFE原料有效利用率较低；(2)在生产过程中，额外的烘焙、烧结工艺会产生较高的能耗，也不可避免的延长了生产周期：(3)长时间过高温度处理还会造成无机纤维本体结构发生变化，从而造成纤维力学性能的变化。对于耐高温性能不太好的纤维，比如玻璃纤维等，会造成纤维强度的大幅度降低。

所有这些方法都有一个共同的问题是纤维已经成束、成型后再进行表面处理。成膜材料很难渗透纤维束缝隙中最每一根纤维单丝进行表面处理。因而不可能在所有纤维单丝表面形成致密的保护层。这样在高腐蚀的环境中，腐蚀首先发生在这些没有保护的脆弱之处而造成材料的破坏、解体。

发明内容