一种提高玻璃纤维热导率的方法
阅读说明：本技术 一种提高玻璃纤维热导率的方法 (Method for improving thermal conductivity of glass fiber ) 是由 付继伟 王国辉 陈红波 荀飞 岳勇 高雅 林三春 胡苏珍 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高玻璃纤维热导率的方法,采用超临界二氧化碳处理玻璃纤维,使得玻璃纤维表面粗糙度和极性官能团显著增加,随后用化学镀法在玻璃纤维表面制作一层金属镍层,这些工作显著提高了玻璃纤维的热导率,该项技术发明属于化学镀领域,也属于高温热防护技术领域。(The invention relates to a method for improving the thermal conductivity of glass fiber, which adopts supercritical carbon dioxide to treat the glass fiber, so that the surface roughness and polar functional groups of the glass fiber are obviously increased, and then a metal nickel layer is manufactured on the surface of the glass fiber by a chemical plating method, and the work obviously improves the thermal conductivity of the glass fiber.)
技术领域
本发明涉及一种提高玻璃纤维热导率的方法，采用超临界二氧化碳处理玻璃纤维，使得玻璃纤维表面粗糙度和极性官能团显著增加，随后用化学镀法在玻璃纤维表面制作一层金属镍层，这些工作显著提高了玻璃纤维的热导率，该项技术发明属于化学镀领域，也属于高温热防护技术领域。
背景技术
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，其主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等，根据玻璃中碱含量的多少，可分为无碱玻璃纤维(氧化钠0％～2％，属铝硼硅酸盐玻璃)、中碱玻璃纤维(氧化钠8％～12％，属含硼或不含硼的钠钙硅酸盐玻璃)和高碱玻璃纤维(氧化钠13％以上，属钠钙硅酸盐玻璃)。玻璃纤维优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。它是叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石七种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域，其中，玻璃纤维因为具有很高的软化点(一般认为它的软化点为500～750℃)而广泛地应用在各种高温环境中。但是，玻璃纤维低的热导率(1.09w/m·k)使得玻纤很难传递热量，为了扩大玻璃纤维的应用范围而提高玻璃纤维的热导率。但是，玻璃纤维表面非常光滑，很多涂层材料无法与玻璃纤维表面形成稳定的界面结合，这导致很难在玻璃纤维表面制作涂层。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种提高玻璃纤维热导率的方法，该涂层为了提高玻璃纤维的热导率。
本发明的技术解决方案是：
一种提高玻璃纤维热导率的方法，该方法的步骤包括
第一步，采用超临界二氧化碳处理玻璃纤维表面；
第二步，配制化学镀溶液；
第三步，将第一步处理后的玻璃纤维放进第二步配制的化学镀溶液中进行处理，在玻璃纤维表面形成金属镍层；
第四步，测量玻璃纤维横截面金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。
本发明中的比例均为质量比，并且具体工艺步骤为：
第一步：玻璃纤维在超临界二氧化碳(温度为100～150℃，压力为100～120atm)中处理不同的时间(30～60分钟)；
第二步：化学镀溶液中：去离子水100～200份，主盐10～15份草酸镍、还原剂1～2份二甲胺基硼烷、络合剂5～10份草酸钙、缓冲剂5～10份过硫酸钠、加速剂1～5份2-羟基丙酸；
第三步：将超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维放进化学镀溶液中自然反应30～60分钟，为了保证溶液整体均匀，化学镀溶液始终采用机械搅拌并且转速10转/分钟～30转/分钟；
第四步：测量玻璃纤维横截面金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。为了证明本发明的优势，将普通玻璃纤维直接放进化学镀溶液中进行处理相同时间，并测试金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。每个数据的测量都是取10个测量值的平均值。采用激光法测量600℃、800℃和1000℃下的热导率，因为采用激光脉冲法测量，800℃和1000℃瞬间加热不能导致玻璃纤维表面镀镍层的融化。
另一方面，随着环境的温度和压力变化，任何一种物质都存在三种相态-气相，液相，固相，三相成平衡态共存的点叫三相点。液、气两相相界面消失的状态点叫超临界点。超临界二氧化碳是指温度和压力均高于二氧化碳临界点(临界温度为31.26℃，临界压力为72.9atm)的流体，超临界二氧化碳有很多特殊的性质，例如，能与多种物质的表面发生反应，在其表面形成羰基、羧基、羟基等极性基团；高的冲击和刻蚀能力，能将固体表面刻蚀出很多凸凹不平的结构，显著增加粗糙度。在当前工作中，首先采用超临界二氧化碳处理玻璃纤维，使得玻璃纤维表面粗糙度显著增加，同时，也增加一些极性基团，这些极性基团和粗糙度的增加能显著改善涂层与玻璃纤维之间的界面结合强度。
化学镀技术是在金属的催化作用下，通过可控制的氧化还原反应产生金属的沉积过程。与电镀相比，化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。化学镀需要的原材料有：主盐(通常采用硫酸镍、氯化镍、氨基磺酸镍、醋酸镍等)、还原剂(通常采用次亚磷酸钠、硼氢化钠、烷基胺硼烷及肼等)、络合剂(通常采用柠檬酸钠、酒石酸钠)、缓冲剂(通常采用醋酸钠、硼砂、焦磷酸钾等)、加速剂(通常采用丙二酸、丁二酸、氨基乙酸、丙酸、氟化钠等)等。
本发明为了提高玻璃纤维的热导率，首先，用超临界二氧化碳处理玻璃纤维，增加玻璃纤维表面粗糙度和极性基团，随后，采用化学镀在玻璃纤维表面镀一层金属镍。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明，本发明的应用不局限于所举的实施例。
一种提高玻璃纤维热导率的方法为：
第一步：玻璃纤维在超临界二氧化碳(临界温度为150℃，临界压力为100～120atm)中处理不同的时间60分钟；
第二步：去离子水100份，主盐15份草酸镍、还原剂2份二甲胺基硼烷、络合剂10份草酸钙、缓冲剂10份过硫酸钠、加速剂5份2-羟基丙酸；
第三步：将超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维放进化学镀溶液中自然反应60分钟，为了保证溶液整体均匀，化学镀溶液始终采用机械搅拌并且转速30转/分钟；
第四步：测量玻璃纤维横截面金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。为了证明本发明的优势，将普通玻璃纤维直接放进化学镀溶液中进行处理相同个时间，并测试金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。
测量结果表明：未处理的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为1.3kw/℃，1.2kw/℃和1.0kw/℃，玻璃纤维直径是15微米；未经超临界二氧化碳处理直接化学镀的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为5.7kw/℃，4.6kw/℃和4.1kw/℃，玻璃纤维直径是18微米，同时，采用扫描电子显微镜能清晰看到玻璃纤维表面有一些裸露的地方，不连续的镍层对热导率提高幅度有限；本发明的方法处理后的即超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维化学镀之后的600℃、800℃和1000℃下的热导率分别为67.6kw/℃和59.4kw/℃和51.1kw/℃，同时，测量玻璃纤维直径为28微米。热导率显著提高是因为玻璃纤维表面生成一层厚度接近纤维自身直径的高热导率的金属镍层。
实施例2
第一步：玻璃纤维在超临界二氧化碳(温度为100℃，压力为100atm)中处理不同的时间(30分钟)；
第二步：去离子水200份，主盐10份草酸镍、还原剂1份二甲胺基硼烷、络合剂5份草酸钙、缓冲剂5份过硫酸钠、加速剂1份2-羟基丙酸；
第三步：将超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维放进化学镀溶液中自然反应30分钟，为了保证溶液整体均匀，化学镀溶液始终采用机械搅拌并且转速10转/分钟；
第四步：测量玻璃纤维横截面金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。为了证明本发明的优势，将普通玻璃纤维直接放进化学镀溶液中进行处理相同个时间，并测试金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。
测量结果表明：未处理的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为1.3kw/℃，1.2kw/℃和1.0kw/℃，玻璃纤维直径是15微米；未经超临界二氧化碳处理直接化学镀的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为5.3kw/℃，4.9kw/℃和4.4kw/℃，玻璃纤维直径是18微米，同时，采用扫描电子显微镜能清晰看到玻璃纤维表面有一些裸露的地方，不连续的镍层对热导率提高幅度有限。超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维化学镀之后的600℃、800℃和1000℃下的热导率分别为53.9kw/℃，41.2kw/℃，34.6kw/℃，同时，测量玻璃纤维直径变22微米。热导率显著提高是因为玻璃纤维表面生成一层厚度接近纤维自身直径的高热导率的金属镍层。
实施例3
第一步：玻璃纤维在超临界二氧化碳(温度为110℃，压力为105atm)中处理不同的时间55分钟；
第二步：去离子水180份，主盐11份草酸镍、还原剂1份二甲胺基硼烷、络合剂10份草酸钙、缓冲剂10份过硫酸钠、加速剂5份2-羟基丙酸；
第三步：将超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维放进化学镀溶液中自然反应50分钟，为了保证溶液整体均匀，化学镀溶液始终采用机械搅拌并且转速15转/分钟；
第四步：测量玻璃纤维横截面金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。为了证明本发明的优势，将普通玻璃纤维直接放进化学镀溶液中进行处理相同个时间，并测试金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。
测量结果表明：未处理的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为1.3kw/℃，1.2kw/℃和1.0kw/℃，玻璃纤维直径是15微米；未经超临界二氧化碳处理直接化学镀的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为6.4kw/℃，5.7kw/℃和4.9kw/℃，玻璃纤维直径是18微米，同时，采用扫描电子显微镜能清晰看到玻璃纤维表面有一些裸露的地方，不连续的镍层对热导率提高幅度有限。超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维化学镀之后的600℃、800℃和1000℃下的热导率分别为57.1kw/℃，49.3kw/℃，36.1kw/℃，同时，测量玻璃纤维直径为24微米。热导率显著提高是因为玻璃纤维表面生成一层厚度接近纤维自身直径的高热导率的金属镍层。
实施例4
第一步：玻璃纤维在超临界二氧化碳(温度为140℃，压力为115atm)中处理不同的时间50分钟；
第二步：去离子水160份，主盐13份草酸镍、还原剂1份二甲胺基硼烷、络合剂7份草酸钙、缓冲剂9份过硫酸钠、加速剂4份2-羟基丙酸；
第三步：将超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维放进化学镀溶液中自然反应40分钟，为了保证溶液整体均匀，化学镀溶液始终采用机械搅拌并且转速20转/分钟；
第四步：测量玻璃纤维横截面金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。为了证明本发明的优势，将普通玻璃纤维直接放进化学镀溶液中进行处理相同个时间，并测试金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。
测量结果表明：未处理的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为1.3kw/℃，1.2kw/℃和1.0kw/℃，玻璃纤维直径是15微米；未经超临界二氧化碳处理直接化学镀的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为5.3kw/℃，4.5kw/℃和3.9kw/℃，玻璃纤维直径是18微米，同时，采用扫描电子显微镜能清晰看到玻璃纤维表面有一些裸露的地方，不连续的镍层对热导率提高幅度有限。超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维化学镀之后的600℃、800℃和1000℃下的热导率分别为59.1，kw/℃，50.6kw/℃和45.8kw/℃，同时，测量玻璃纤维直径为25微米。热导率显著提高是因为玻璃纤维表面生成一层厚度接近纤维自身直径的高热导率的金属镍层。
实施例5
第一步：玻璃纤维在超临界二氧化碳(温度为120℃，压力为120atm)中处理不同的时间45分钟；
第二步：去离子水150份，主盐14份草酸镍、还原剂2份二甲胺基硼烷、络合剂6份草酸钙、缓冲剂6份过硫酸钠、加速剂3份2-羟基丙酸；
第三步：将超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维放进化学镀溶液中自然反应35分钟，为了保证溶液整体均匀，化学镀溶液始终采用机械搅拌并且转速18转/分钟；
第四步：测量玻璃纤维横截面金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。为了证明本发明的优势，将普通玻璃纤维直接放进化学镀溶液中进行处理相同个时间，并测试金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。
测量结果表明：未处理的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为1.3kw/℃，1.2kw/℃和1.0kw/℃，玻璃纤维直径是15微米；未经超临界二氧化碳处理直接化学镀的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为5.7kw/℃，4.9kw/℃和4.2kw/℃，玻璃纤维直径是18微米，同时，采用扫描电子显微镜能清晰看到玻璃纤维表面有一些裸露的地方，不连续的镍层对热导率提高幅度有限。超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维化学镀之后的600℃、800℃和1000℃下的热导率分别为62.5kw/℃，53.1kw/℃和49.3kw/℃，同时，测量玻璃纤维直径为27微米。热导率显著提高是因为玻璃纤维表面生成一层厚度接近纤维自身直径的高热导率的金属镍层。
实施例6
第一步：玻璃纤维在超临界二氧化碳(温度为130℃，压力为105atm)中处理不同的时间38分钟；
第二步：去离子水170份，主盐12份草酸镍、还原剂1份二甲胺基硼烷、络合剂8份草酸钙、缓冲剂9份过硫酸钠、加速剂4份2-羟基丙酸；
第三步：将超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维放进化学镀溶液中自然反应36分钟，为了保证溶液整体均匀，化学镀溶液始终采用机械搅拌并且转速26转/分钟；
第四步：测量玻璃纤维横截面金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。为了证明本发明的优势，将普通玻璃纤维直接放进化学镀溶液中进行处理相同个时间，并测试金属镍层的厚度和化学镀后的玻璃纤维的热导率。
测量结果表明：未处理的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为1.3kw/℃，1.2kw/℃和1.0kw/℃，玻璃纤维直径是15微米；未经超临界二氧化碳处理直接化学镀的玻璃纤维在600℃、800℃和1000℃下的热导率为6.1kw/℃，4.7kw/℃和4.0kw/℃，玻璃纤维直径是18微米，同时，采用扫描电子显微镜能清晰看到玻璃纤维表面有一些裸露的地方，不连续的镍层对热导率提高幅度有限。超临界二氧化碳处理后的玻璃纤维化学镀之后的600℃、800℃和1000℃下的热导率分别为56.7kw/℃，42.4kw/℃和46.8kw/℃，同时，测量玻璃纤维直径为25微米。热导率显著提高是因为玻璃纤维表面生成一层厚度接近纤维自身直径的高热导率的金属镍层。
总结：
从上述6个实施例中可以看出：未经处理的玻璃纤维在600～1000℃下的热导率大约1.3～1.0kw/℃，没有经过超临界二氧化碳处理的玻璃纤维直接化学镀，无法形成连续的金属镍层，并且导致在600～1000℃下的热导率大约6.4～3.9kw/℃并且金属镍层的厚度几乎保持不变，而本发明中的技术优势非常明显在600～1000℃下的热导率大约67.6～34.6kw/℃玻璃纤维表面镍层的厚度约22～28微米。在当前发明中，热导率与镍层的厚度关系不大，主要是因为化学镀是一个非常复杂的过程，形成的镍层的致密性也不同，所以，热导率没有表现出与厚度有线性关系。另外，本发明简单、易行，易于工业生产和工程应用。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种高力学性能玻璃纤维浸润剂及其制备方法和应用