[发明专利]一种短切纤维分散体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维织物材料领域，特别涉及一种短切纤维分散体及其制备方法。

背景技术

短切纤维增强复合材料不仅具有一般纤维增强复合材料的优点，如抗腐蚀、耐疲劳、高比强度和比模量、较好的热稳定性以及可设计性等特点，同时具有加工工艺简单，生产成本较低等优点，已经越来越受到工业界及学术界的广泛关注。

大部分短切纤维，包括碳纤维、玻璃纤维等其表面都具有较强的疏水性能，在生产制备短切纤维制品过程中有极强的絮聚倾向，因此，短切纤维在水中或分散介质中均匀分散是制备高性能短切纤维制品的前提和关键。

通常来说，提高短切纤维分散性主要通过以下两种途径实现：第一种是通过氧化、化学接枝或者等离子处理等手段对纤维表面进行改性处理，以改变纤维表面的化学惰性，改善纤维的润湿性，提高纤维分散性。但目前文献中报道的这些方法其改性过程中反应速度较快，难于控制，且极易损伤纤维表面结构，从而降低纤维本身力学性能。此外，在改性过程中使用的化学试剂污染环境，进而可能会造成生态环境的破坏。第二种途径是通过添加分散剂来提高纤维分散介质的黏度，降低纤维悬浮液的表面张力，提高纤维表面的润湿性，从而提高纤维在介质中的分散性。王虹等人(高科技纤维与应用，2010，35(4):35)采用聚氧化乙烯、阴离子聚丙烯酰胺和聚氨酯型三种不同的分散剂来研究对短切碳纤维在水中分散性的影响，研究发现，以阴离子聚丙烯酰胺和聚氨酯型分散剂复配使用分散效果最佳。但目前这种方法中使用的分散剂聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯等在使用过程中同样会引起环境严重污染，不利于生态环境的可持续发展。所以，开发一种简单、可控、高效、绿色环保的纤维表面改性方法，提高纤维表面活性，改善纤维表面润湿性，是实现短切纤维均匀分散及其进一步应用亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短切纤维分散体及其制备方法，采用生物基来源表面改性剂多巴胺与生物基增稠剂的共同作用，解决纤维表面呈化学惰性，亲水性较差，在水中易发生团聚，分散性较差的问题。

所述生物基来源表面改性剂为多巴胺，所述生物基增稠剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、明胶、木质素磺酸钠中的一种或多种。

本发明具体技术内容如下：

所述一种短切纤维分散体的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：

(一)表面改性过程：首先将短切纤维浸没与水中并超声，超声功率为200-600w，超声时间为5-40min，然后减小超声功率至50-300w,加入多巴胺改性剂，其加入量为短切碳纤维加入重量的5-50％，并用Tris-HCl调节溶液的pH值至8.0-10.0，在室温下(20-25℃)超声反应6-12h，最后经洗涤、干燥处理制得多巴胺改性短切纤维，其中多巴胺改性短切纤维表面的胺基含量为0.05-1.0％，羟基含量为0.1-4.5％，该表面改性过程中为防止超声对纤维表面的破坏以及防止表面改性过热反应的影响，超声过程均采用间歇式超声，每隔30-60秒超声5-10秒；

(二)分散过程：首先将分散剂加入水中，其加入量为5-20g/L(所有加入量都以水的体积为基准)，并搅拌至黏度为0.5-10.0Pa.s，其搅拌速度为100-300r/min，搅拌时间为10-100min至形成黏稠状分散液，然后加入改性后的短切纤维，其加入量为0.1g/L-20g/L，同时加入消泡剂，其加入量为0.001-0.01g/L,并调高搅拌速度至500-2000r/min，继续搅拌5-60min，制得短切纤维在分散介质中呈单丝状分散的分散液。

所述生物基来源表面改性剂为多巴胺，其在纤维表面形成一层聚多巴胺涂层，增强纤维表面活性，并提高其亲水性能，利于纤维在分散介质中的分散；所述生物基增稠剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、明胶、木质素磺酸钠中的一种或多种，用以提高水的黏度，提高在旋转搅拌过程中对短切纤维的剪切作用力，形成对团聚纤维的剥离作用，促进短切纤维的分散，同时，黏性液体能在一定程度上抑制纤维的运动，减少纤维之间的缠结机会，利于良好分散体的形成。

所述短切纤维为短切碳纤维、短切玻璃纤维、短切聚酰亚胺纤维、短切尼龙纤维、短切芳纶纤维、短切超高分子量纤维、短切丙纶纤维、短切涤纶纤维中的一种或多种，纤维长度为0.05-20mm；所述消泡剂为高级脂肪酸、高级脂肪醇、聚丙二醇、磷酸三丁酯中的一种或多种。消泡剂加入量以水的体积为基准为0.001-0.01g/L。