一种无机纤维防团聚处理方法及制备的防团聚无机纤维
阅读说明：本技术 一种无机纤维防团聚处理方法及制备的防团聚无机纤维 (Inorganic fiber anti-agglomeration treatment method and prepared anti-agglomeration inorganic fiber ) 是由 张崇印 郝冬冬 徐耀钟 华寅淞 王钰奉 堵同亮 连爱珍 李亚军 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无机纤维防团聚处理方法及制备的防团聚无机纤维,所述方法包括以下步骤：a)分散：在0～30℃温度下,将无机纤维和分散剂置于有机溶剂中、搅拌至充分分散；b)偶联：加入丙烯酰氧类硅烷和水解催化剂,继续搅拌0.1～5hr；c)聚合：再加入引发剂,升温至40～80℃,继续搅拌0.1～5hr,得到防团聚无机纤维。本发明具有如下优势：形成的低表面能保护层较为稳定、环境耐受力强、原料成本低且处理工艺简单。所制得的无机纤维具有非常好的防团聚作用,可达到在室温下静置10天仍未见团聚现象,在不同的涂料配方领域具有广阔的工程化应用前景。(The invention discloses an inorganic fiber anti-agglomeration treatment method and an anti-agglomeration inorganic fiber prepared by the same, wherein the method comprises the following steps: a) dispersing: placing inorganic fibers and a dispersing agent in an organic solvent at the temperature of 0-30 ℃, and stirring until the inorganic fibers and the dispersing agent are fully dispersed; b) coupling: adding acryloxy silane and hydrolysis catalyst, and continuing stirring for 0.1-5 hr; c) polymerization: and adding an initiator, heating to 40-80 ℃, and continuously stirring for 0.1-5 hr to obtain the anti-agglomeration inorganic fiber. The invention has the following advantages: the formed low surface energy protective layer is relatively stable, strong in environmental tolerance, low in raw material cost and simple in treatment process. The prepared inorganic fiber has a very good anti-agglomeration effect, can be kept still at room temperature for 10 days without agglomeration, and has a wide engineering application prospect in the fields of different coating formulas.)
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种无机纤维防团聚处理方法及制备的防团聚无机纤维。
背景技术
在建筑、航空、航天和能源领域，对耐高温涂料的需求量较大。而在这些耐高温涂料中，无机纤维是一个重要的耐高温助剂。无机纤维是以矿物质为原料按比例经高温熔融制成的化学纤维。常见品种有：玻璃、二氧化硅、石棉、氧化铝、氧化锆、莫来石、玄武岩和陶瓷等。无机纤维一般具有尺寸稳定性高、导热系数低、电绝缘性好、吸声性能好、过滤效率高等优良性能。
在无机纤维的涂料应用过程中，无机纤维在水中的分散性能是影响其配方整体性能的关键因素。由于无机纤维的表面含有大量的Si-OH和Al-OH，相互之间产生作用力较强的氢键，加上纤维较长易弯曲，纤维间会有自发聚集甚至缠绕成团，致使无机纤维难以分散。无机纤维试样直接浸于水中会出现分散不均匀的现象，即使在高剪切搅拌条件下往往只有少部分纤维能够分散成单根纤维。
张素风等【中国造纸,2013(08):37-40.】采用不同的有机溶剂，破坏玻璃纤维间分子作用力，使其易于解离为单根纤维分散态。但仅通过溶剂液处理后得玻璃纤维表面化学状态较处理前未发生变化，配方中加入其它助剂较容易影响其分散性。
胡福增等【复合材料学报,1989,6(1):7-13.】研究了硅烷偶联剂对玻璃纤维表面性能的影响，发现硅烷偶联剂可以明显降低玻璃纤维的表面自由能和极性，提高其分散稳定性。
CN103570255提供了一种玻璃纤维浸润剂组合物，组合物包括碳纳米材料、分散剂、聚合物乳液、偶联剂和溶剂，该浸润剂组合物借助聚合物乳液成膜剂和偶联剂共同在纤维表面形成涂层来改善纤维与基体树脂的相容性和桥连作用，并促进碳纳米材料在纤维表面的沉积。该方法原料成本较高且工艺复杂而难以工业推广。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供一种无机纤维防团聚处理方法及制备的防团聚无机纤维。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种无机纤维防团聚处理方法，包括以下步骤:
a)分散：在0～30℃温度下，将无机纤维和分散剂置于有机溶剂中、搅拌至充分分散；
b)偶联：加入丙烯酰氧类硅烷和水解催化剂，继续搅拌0.1～5hr；
c)聚合：再加入引发剂，升温至40～80℃，继续搅拌0.1～5hr，得到防团聚无机纤维；所述聚合步骤中，温度过低聚合速率太慢，温度过高聚合速率太快，易出现爆聚。
优选地，所述无机纤维的材质为玻璃、二氧化硅、石棉、氧化铝、氧化锆、莫来石、玄武岩和陶瓷中的一种或几种；无机纤维的直径为3～50μm，短切长度为0.1～50mm。
优选地，所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯烷基胺、聚氧乙烯烷基酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚合物中的一种或几种。
优选地，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯、甲乙酮、甲基异丁酮、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺和二氯甲烷中的一种或几种。
优选地，所述丙烯酰氧类硅烷为3-(丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷、3-(丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或几种。
优选地，所述水解催化剂为硫酸、盐酸、硝酸和氨水中的一种或几种；所述水解催化剂的质量百分数为0.1～30％。
优选地，所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、过氧化氢、异丙苯过氧化氢、过硫酸钾和过硫酸铵中的一种或几种。
优选地，以质量份数计，所述无机纤维、分散剂、有机溶剂、丙烯酰氧类硅烷、水解催化剂、引发剂的质量份数分别为1份、0.01～0.5份、10～500份、0.1～1份、0.1～1份、0.01～1份；
各所述搅拌的转速为2000～15000rpm；所述搅拌可以同时辅助以超声波。
本发明还提供了一种防团聚无机纤维，包括以下质量份数的各组分：
无机纤维1份、分散剂0.01～0.5份、有机溶剂10～500份、丙烯酰氧类硅烷0.1～1份、水解催化剂0.1～1份、引发剂0.01～1份。
优选地，所述无机纤维的材质为玻璃、二氧化硅、石棉、氧化铝、氧化锆、莫来石、玄武岩和陶瓷中的一种或几种；无机纤维的直径为3～50μm，短切长度为0.1～50mm；
所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯烷基胺、聚氧乙烯烷基酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚合物中的一种或几种；
所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯、甲乙酮、甲基异丁酮、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺和二氯甲烷中的一种或几种；
所述丙烯酰氧类硅烷为3-(丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷、3-(丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或几种；
所述水解催化剂为硫酸、盐酸、硝酸和氨水中的一种或几种；所述水解催化剂的质量百分数为0.1～30％；
所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、过氧化氢、异丙苯过氧化氢、过硫酸钾和过硫酸铵中的一种或几种。
优选地，所述防团聚无机纤维可以过滤后储存待用。
本发明所述的丙烯酰氧类硅烷，一方面可以起到偶联剂的作用，把原来无机纤维表面极性较强的羟基转变为极性较弱的醚键，使得表面能降低，减少纤维聚集趋势；另一方面，丙烯酰氧类硅烷分子结构上均带有可聚合双键，在引发剂和一定温度引发作用下产生聚合反应，使其形成较为稠密、稳定的的低表面能保护层，增强该无机纤维的防团聚能力。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的无机纤维防团聚处理方法所形成的低表面能保护层较为稳定、环境耐受力强、原料成本低且处理工艺简单。
2、本发明制得的无机纤维具有非常好的防团聚作用，可达到在室温下静置10天仍未见团聚现象。
3、本发明制备得到的防团聚无机纤维在不同的涂料配方领域具有广阔的工程化应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种玻璃纤维防团聚处理方法，按以下步骤:
a)分散：在20℃温度下，将1克玻璃纤维(直径为10μm，短切长度为2mm)和0.1克的烷基酚聚氧乙烯醚分散剂(OP-10)置于200克的乙醇中、以8000rpm转速搅拌至充分分散；
b)偶联：加入0.2克的3-(丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷和0.5克的硫酸水溶液(15％)，以8000rpm转速继续搅拌1hr；
c)聚合：再加入0.02克的偶氮二异丁腈引发剂，升温至60℃，以8000rpm转速继续搅拌1hr，得到防团聚玻璃纤维。室温静置10天未见团聚现象。
实施例2
一种石棉纤维防团聚处理方法，按以下步骤:
a)分散：在0℃温度下，将1克石棉纤维(直径为3μm，短切长度为0.1mm)和0.01克的聚乙烯吡咯烷酮分散剂置于10克的丙酮中、以2000rpm转速搅拌至充分分散；
b)偶联：加入0.1克的3-(丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和0.1克的硫酸水溶液(0.1％)，以2000rpm转速继续搅拌5hr；
c)聚合：再加入0.01克的过氧化苯甲酰引发剂，升温至40℃，以2000rpm转速继续搅拌5hr，得到防团聚石棉纤维。室温静置10天未见团聚现象。
实施例3
一种氧化铝纤维防团聚处理方法，按以下步骤:
a)分散：在30℃温度下，将1克氧化铝纤维(直径为50μm，短切长度为50mm)和0.5克的聚乙二醇分散剂置于500克的甲苯中、以15000rpm转速搅拌至充分分散；
b)偶联：加入1克的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷和1克的硫酸水溶液(30％)，以15000rpm转速继续搅拌0.1hr；
c)聚合：再加入0.1克的异丙苯过氧化氢引发剂，升温至80℃，以15000rpm转速继续搅拌0.1hr，得到防团聚氧化铝纤维。室温静置10天未见团聚现象。
实施例4
一种莫来石纤维防团聚处理方法，按以下步骤:
a)分散：在25℃温度下，将1克莫来石纤维(直径为10μm，短切长度为3mm)和0.3克的聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚合物(PEO-PPE)分散剂置于100克的乙酸乙酯中、超声波辅助下以10000rpm转速搅拌至充分分散；
b)偶联：加入0.3克的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和0.8克的氨水溶液(8％)，以10000rpm转速继续搅拌2hr；
c)聚合：再加入0.05克的过硫酸铵引发剂，升温至50℃，以10000rpm转速继续搅拌2hr，得到防团聚莫来石纤维。室温静置10天未见团聚现象。
实施例5
一种玄武岩纤维防团聚处理方法，按以下步骤:
a)分散：在15℃温度下，将1克玄武岩纤维(直径为12μm，短切长度为6mm)和0.2克的聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚合物(PEO-PPE)分散剂置于50克的N,N-二甲基甲酰胺中、以5000rpm转速搅拌至充分分散；
b)偶联：加入0.3克的3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和0.7克的硫酸溶液(8％)，以5000rpm转速继续搅拌2hr；
c)聚合：再加入0.05克的过氧化月桂酰引发剂，升温至70℃，以5000rpm转速继续搅拌2hr，得到防团聚玄武岩纤维。室温静置10天未见团聚现象。过滤、储存10天，再按a)条件进行分散，未见团聚现象。
对比例1
一种玻璃纤维分散体系制备方法，按以下步骤:
a)分散：在20℃温度下，将1克玻璃纤维(直径为10μm，短切长度为2mm)和0.1克的烷基酚聚氧乙烯醚分散剂(OP-10)置于200克的乙醇中、以8000rpm转速搅拌至充分分散；
b)偶联：加入0.2克的3-(丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷和0.5克的硫酸水溶液(15％)，以8000rpm转速继续搅拌1hr。
所得到玻璃纤维分散体系，室温静置1天即见明显团聚现象。
对比例2
一种玻璃纤维分散体系制备方法，与实施例1的方法相比，区别仅在于：本对比例的步骤b)中不添加3-(丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷。
所得到玻璃纤维分散体系，室温静置1天即见明显团聚现象。
对比例3
一种玻璃纤维分散体系制备方法，与实施例1的方法相比，区别仅在于：本对比例的步骤b)中不添加硫酸水溶液。
所得到玻璃纤维分散体系，室温静置2天即见明显团聚现象。
对比例4
一种玻璃纤维分散体系制备方法，与实施例1的方法相比，区别仅在于：本对比例的步骤b)中采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷代替3-(丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷。
所得到玻璃纤维分散体系，室温静置5天即见明显团聚现象。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
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