一种改性微短连续玄武岩纤维及其制备方法与应用与流程

本发明涉及纤维材料，具体的，涉及一种改性微短连续玄武岩纤维及其制备方法与应用。

背景技术：

1、连续玄武岩纤维兼具高温耐受性及耐化学腐蚀特性，是工程改性塑料、摩擦制动复合材料领域极具应用潜力的增强填料。但在注塑级工程塑料、摩擦成型材料的工业化加工中，市面常规短切连续玄武岩纤维裁切长度集中在3~12mm区间，该规格纤维在加工成型过程中，纤维在树脂基体内部分散均匀性差，硬质玄武岩纤维丝束易对挤出机螺杆、料筒造成磨蚀损耗，同时纤维团聚缠结会直接造成成型制件表面缺陷、光洁度不足和性能下降的问题。

2、目前行业普遍采用机械研磨方式对玄武岩纤维进行减长处理，该制备工艺存在以下问题：经研磨破碎后的玄武岩纤维长度离散度大，纤维长度整体呈现双峰分布或超宽幅连续分布，体系内生成大量微米级超细纤维粉末，超细纤维粉末丧失骨架增强作用，无法实现力学补强；同时纤维长度过长时，超长纤维极易相互缠绕抱团，进一步加剧填料分散问题。除此之外，玄武岩纤维本体表面化学惰性强，活性官能团匮乏，与高分子有机基体间界面粘接结合力偏低，界面易产生间隙、脱粘缺陷，最终造成复合材料整体力学性能、耐磨稳定性等性能难以达到高端制品使用要求。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明提供了一种改性微短连续玄武岩纤维及其制备方法与应用，本发明提供的改性微短连续玄武岩纤维长度呈正态分布，分布均匀，与有机材料基体结合优异，改善了有机材料基体的性能，解决了现有短切玄武岩纤维长度离散度大、易团聚且与有机材料基体的界面结合弱造成性能提升有限的问题。

2、本发明的技术方案具体如下：

3、根据本发明的一个方面，本发明提供了一种改性微短连续玄武岩纤维，包括微短玄武岩纤维和包覆在所述微短玄武岩纤维表面的有机改性层；所述微短玄武岩纤维的平均长度d50为50~800μm，长度分布呈正态分布，长度分布的标准差σ≤0.3d50；所述有机改性层的组分包括硅烷偶联剂和/或聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物。

4、在上述技术方案中，所述微短玄武岩纤维的长径比为5:1~50:1。

5、在上述技术方案中，当所述有机改性层的组分包括所述硅烷偶联剂时，所述硅烷偶联剂包括硅烷偶联剂i和硅烷偶联剂ii；所述硅烷偶联剂i的型号包括kh550、kh792、kh902和kh602中的至少一种；所述硅烷偶联剂ii包括kh580、kh581、kh132和kh330中的至少一种。

6、在上述技术方案中，当所述有机改性层的组分包括所述硅烷偶联剂和所述聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物时，所述硅烷偶联剂和聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物的质量比为2:0.5~0.8。

7、在上述技术方案中，所述有机改性层的质量为所述微短玄武岩纤维质量的0.5%~3.0%。

8、根据本发明的另一个方面，本发明还提供了上述改性微短连续玄武岩纤维的制备方法，包括以下步骤：

9、s1、对短切连续玄武岩纤维进行开松处理，得到松散状纤维棉团；

10、s2、对所述松散状纤维棉团进行烘焙，得到预处理短切纤维；

11、s3、采用辊切机与筛分机联用，对所述预处理短切纤维进行辊切和筛分，得到微短玄武岩纤维；

12、s4、制备有机改性层用有机改性液，将所述微短玄武岩纤维和所述有机改性液混合，干燥，得到所述改性微短连续玄武岩纤维。

13、所述辊切和筛分时：辊切单元包括动刀辊与定刀辊，筛分单元包括筛网；

14、在上述技术方案中，所述动刀辊与定刀辊的辊隙为0.1~1.0mm，所述动刀辊的转速为800~1600r/min；

15、所述筛网为双层筛，筛网与水平面夹角为7°~9°，振动频率为23~30hz，振幅为1.5~2.5mm；

16、所述双层筛中，上层筛网孔径为18~65目，下层筛网孔径为80~250目。

17、在上述技术方案中，所述短切连续玄武岩纤维的平均直径为9~21μm，平均长度为2~13mm。

18、根据本发明的又另一个方面，本发明还提供了上述的改性微短连续玄武岩纤维或上述的制备方法制得的改性微短连续玄武岩纤维在高分子复合材料中的应用。

19、在上述技术方案中，所述改性微短连续玄武岩纤维在高分子复合材料中的添加量为7.8wt%~38.5wt%。

20、与现有技术相比，本发明提供了一种改性微短连续玄武岩纤维，改性微短连续玄武岩纤维的长度分布严格呈正态分布，长度分布的标准差σ≤0.3d50，解决了离散度大的短切纤维存在的过长纤维导致缠绕团聚和过短纤维粉末增强效果差的问题，且本发明的改性微短连续玄武岩纤维可在高分子树脂中分散均匀；另外，本发明的改性微短连续玄武岩纤维上含有有机改性层（组分含有硅烷偶联剂和/或聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物），其中，硅烷偶联剂可通过其水解基团与玄武岩纤维表面的硅羟基缩合，一端固定于玄武岩纤维无机表面，构成有机改性层与无机纤维之间的结合界面，另一端的有机官能团能与高分子基体相互作用，在无机纤维与有机基体之间建立桥联结构，降低无机纤维与高分子基体的界面能，进而改善无机纤维与有机基体界面相容性；聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物为两亲性聚合物包覆于纤维表面后，可调节纤维与基体界面的极性分布，促进基体对纤维的浸润、包覆，因此，在微短玄武岩纤维外设置组分含有硅烷偶联剂和/或聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物的有机改性层，能提高玄武岩纤维与高分子基体的相容性，改善与高分子基体的界面结合，进而提高了含玄武岩纤维的高分子复合材料的性能。

1.一种改性微短连续玄武岩纤维，其特征在于，包括微短玄武岩纤维和包覆在所述微短玄武岩纤维表面的有机改性层；所述微短玄武岩纤维的平均长度d50为50~800μm，长度分布呈正态分布，长度分布的标准差σ≤0.3d50；所述有机改性层的组分包括硅烷偶联剂和/或聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物；

2.根据权利要求1所述的改性微短连续玄武岩纤维，其特征在于，所述微短玄武岩纤维的长径比为5:1~50:1。

3.根据权利要求1所述的改性微短连续玄武岩纤维，其特征在于，当所述有机改性层的组分包括所述硅烷偶联剂和所述聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物时，所述硅烷偶联剂和聚乙烯吡咯烷酮-醋酸乙烯共聚物的质量比为2:0.5~0.8。

4.根据权利要求1所述的改性微短连续玄武岩纤维，其特征在于，所述有机改性层的质量为所述微短玄武岩纤维质量的0.5%~3.0%。

5.一种改性微短连续玄武岩纤维的制备方法，用于制备权利要求1~4任一项所述的改性微短连续玄武岩纤维，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的改性微短连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述辊切和筛分时：辊切单元包括动刀辊与定刀辊，筛分单元包括筛网；

7.根据权利要求5所述的改性微短连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述短切连续玄武岩纤维的平均直径为9~21μm，平均长度为2~13mm。

8.根据权利要求1~4任一项所述的改性微短连续玄武岩纤维在高分子复合材料中的应用。

9.根据权利要求5~7任一项所述的制备方法制得的改性微短连续玄武岩纤维在高分子复合材料中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述改性微短连续玄武岩纤维在高分子复合材料中的添加量为7.8wt%~38.5wt%。