一种高强耐寒改性型玻璃棉纤维材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强耐寒改性型玻璃棉纤维材料的制备方法，属于保温材料技术领域。
背景技术
玻璃棉属于玻璃纤维中的一个类别，是一种人造无机纤维。玻璃棉是将熔融玻璃纤维化，形成棉状的材料，化学成分属玻璃类，是一种无机质纤维.具有成型好、体积密度小、热导率彽、保温绝热、吸音性能好、耐腐蚀、化学性能稳定的优点。
传统的玻璃棉的制备原料为石英砂、石灰石、长石、方解石等矿石原料，但是这些石英砂、石灰石、长石、方解石都是较难熔或不助熔组分，而且自然界中这些矿石材料都含有较多的杂质，对玻璃棉成分的稳定增加困难，造成在使用过程中变化大、影响熔化率，增加了生产能耗。
玻璃棉属于无机绝热材料，是绝热材料领域中重要的成员，它不仅具有不燃、导热系数小、化学稳定性好等优良性能，还可以采用与其他材料复合或深加工，扩大制品的应用领域。因玻璃棉制品已越来越广泛地应用于建筑、冶金、石油、化工、国防军工等行业和高新技术行业，在国民经济发展中发挥了重要作用。
CN201410853918.0公开了一种玻璃棉天花板，它包括玻璃棉板层、玻纤毡层、石膏涂料层，玻璃棉板层加有环保树脂粘结剂的离心玻璃棉纤维制得，离心玻璃棉纤维与环保树脂粘结剂、石膏涂料的质量比为：85-93：7-15：2-3；其制备方法为将环保树脂粘结剂以雾化状态均匀的喷射在离心玻璃棉纤维表面，再经集棉机集棉、压缩输送进入固化炉固化，得到玻璃棉板,然后对其进行玻纤毡贴面，再根据不同的装饰花纹进行压缩石膏涂料喷涂；
CN201010168427.4公开了一种超细玻璃棉制品的生产方法，其采用废旧玻璃、纯碱、长石、硼砂为主要原料来制备玻璃棉。但是其存在的问题是，无法完全消除玻璃棉中的渣球。
然而玻璃棉的脆性较大，机械强度一般较低，长时间使用容易出现纤维素断裂的情况。同时玻璃棉属于导热系数小的绝热材料也是相对于其他原料而言的，玻璃棉表面粘附有粘合剂，粘合剂受热容易产生发粘甚至导致玻璃棉变形的现象，因此，将玻璃棉作为绝热层进行使用时，为了不影响玻璃棉的使用效果和使用寿命，极大的降低玻璃棉的导热系数，进一步提高其在高温条件的稳定性，具有重要的价值。
但是，目前市场上的玻璃棉由于吸湿率和吸水率较大，在潮湿状态下，玻璃棉的保温效果、抗拉强度会大幅度衰退，导致其承重力变差，存在安全隐患。目前改善玻璃棉板夹层的防水透气性问题的通常做法是在玻璃棉板双面或单面粘贴一层铝箔纸或塑料薄膜，但是这些处理材料只是对水分进行强制性的阻挡，一旦破损后水分进入玻璃棉板内部，将大大降低玻璃棉板的保温性能和强度。现有玻璃棉板导热系数高，一般为0.038W/（m·k），保温效果不理想，难以满足建筑节能75%标准要求。另外，玻璃棉无法满足高寒地区、边海防地区等客户对产品的需求，同时存在一定的甲醛释放量，具有一定的安全隐患，不能满足当今世界对环境越来越高的要求，限制了传统工艺的玻璃棉在其它领域的推广应用。
因此，随着市场对玻璃棉质量要求的不断提高，开发一种具有较好的防水性，同时兼具优良的机械性能及保温性能的产品，已成为保温保温材料行业亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对目前市场上的玻璃棉在潮湿状态下，玻璃棉的保温效果、抗拉强度会大幅度衰退，导致其承重力变差的问题，提供了一种高强耐寒改性型玻璃棉纤维材料的制备方法。
为解决上述一种油水分离型铜基网膜材料的制备方法技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
（1）按重量份数计，分别称量45～50份二氧化硅、10～15份氧化钠、3～5份生石灰、1～2份氧化镁、3～5份氧化铝、0.5～1.0份氧化钾、3～5份氧化硼和0.01～0.05份氧化铁置于搅拌机中，搅拌混合并球磨过筛，收集球磨混合料并置于坩埚中，将坩埚置于电阻炉中，升温加热，保温熔融并收集熔融液，经漏板流出，收集一次纤维并用胶辊拉直，收集拉直纤维并二次熔融处理，收集得二次纤维并用集棉器收集处理，得基体玻璃棉纤维；
（2）按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、25～30份水玻璃和3～5份甲酰胺置于三角烧瓶中，在室温下密封水解，得改性液，再按重量份数计，分别称量45～50份正庚烷、3～5份司盘-80、1～2份吐温-80和10～15份正丁醇置于烧杯中，搅拌混合并收集得油相，按质量比1:5，将改性液滴加至油相中，搅拌混合处理，收集混合相并调节pH至6.0，搅拌混合并收集凝胶颗粒；
（3）按质量比1:25，将凝胶颗粒添加至无水乙醇中，搅拌混合并超声分散，收集分散浆液并干燥老化，收集干燥凝胶颗粒并按重量份数计，分别称量45～50份正己烷、6～8份三甲基氯硅烷和10～15份干燥凝胶颗粒置于三口烧瓶中，搅拌混合并用正己烷洗涤，真空干燥得改性气凝胶颗粒；
（4）按质量比1:15，将改性气凝胶颗粒添加至硅溶胶中，搅拌混合并超声分散，收集分散浆液并置于雾化机中，均匀雾化喷洒于基体玻璃棉纤维表面，待喷洒完成后，干燥即可制备得所述的高强耐寒改性型玻璃棉纤维材料。
所述的升温加热，保温熔融为按5℃/min升温加热至1280～1400℃，保温熔融处理。
所述的漏板为200孔漏板，孔径为25mm。
所述的一次纤维采用的是线速度为3～5m/min的胶辊进行拉直。
所述的二次熔融处理为控制胶辊牵引速率为250～300m/s，在1400～1500℃下保温牵引熔融处理。
所述的集棉器收集为在负压风频率40～45Hz下收集。
所述的水玻璃固含量为20％。
所述的搅拌混合处理搅拌速率为2500～3000r/min。
所述的调节pH至6.0采用的是质量分数10％氨水。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明技术方案采用气凝胶微球进行包覆改性，通过气凝胶微球负载于硅溶胶材料表面进行雾化颗粒包覆改性，由于根据格里菲斯的微裂纹缺陷理论，在玻璃纤维的表面存在着尺寸不同、数量不等的微裂纹，分布于整个玻璃纤维的区域内，施加外力作用时，不平衡区域和薄弱区域先被撕裂，形成微裂纹的胚，所以本发明技术方案采用硅溶胶材料包覆，当有力作用在玻璃纤维棉毡上时，这些微裂纹处不会产生应力集中效应，微裂纹处最大拉应力小于纤维的平均拉应力，而微裂纹在高温处理时热应力的作用下也不会进行扩张，从而进一步加强了力学性能，同时，有效改善现有玻璃纤维比表面积大，高温状态下在相界面处易生成结晶，进一步加速了结构的破坏的现象，通过包覆改性，进一步提高了材料的力学强度和性能，同时本发明技术方案采用的硅溶胶为包覆粘结剂材料，用长度较长的玻璃纤维制成的复合材料相较之于短玻璃纤维制成的复合材料通常有更大的刚度和强度，在粘结剂的作用下，这些纤维彼此融合，并且纤维之间存在摩擦。因此，玻璃棉毡的纤维受力通过粘结剂的粘结作用和纤维间的摩擦力传导横跨整个棉毡从而可以承受更大的拉伸载荷，同时高温处理过后，粘结剂部分也不会被分解、碳化并挥发，使整个玻璃棉毡结构发生改变，从而有效提高了力学性能；
（2）本发明技术方案采用气凝胶材料制备微球结构包覆改性，由于气凝胶微球包覆改性，在玻璃纤维棉上产生有效的包覆和保护，使其在温度大量变化的同时，有效阻绝温度的变化，进一步改善材料的耐寒稳定性能。
具体实施方式
按重量份数计，分别称量45～50份二氧化硅、10～15份氧化钠、3～5份生石灰、1～2份氧化镁、3～5份氧化铝、0.5～1.0份氧化钾、3～5份氧化硼和0.01～0.05份氧化铁置于搅拌机中，搅拌混合并球磨过200目筛，收集球磨混合料并置于坩埚中，将坩埚置于电阻炉中，按5℃/min升温加热至1280～1400℃，保温熔融并收集熔融液，经200孔漏板流出，控制漏板孔径为25mm，收集一次纤维并用线速度为3～5m/min的胶辊拉直，收集拉直纤维并二次熔融处理，控制胶辊牵引速率为250～300m/s，在1400～1500℃下保温牵引熔融处理，收集得二次纤维并用集棉器收集，控制负压风频率40～45Hz，得基体玻璃棉纤维；按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、25～30份固含量20％水玻璃和3～5份甲酰胺置于三角烧瓶中，在室温下密封水解20～24h，得改性液，再按重量份数计，分别称量45～50份正庚烷、3～5份司盘-80、1～2份吐温-80和10～15份正丁醇置于烧杯中，搅拌混合并收集得油相，按质量比1:5，将改性液滴加至油相中，再在2500～3000r/min下搅拌混合处理，收集混合相并用质量分数10％氨水调节pH至6.0，搅拌混合并收集凝胶颗粒，按质量比1:25，将凝胶颗粒添加至无水乙醇中，搅拌混合并超声分散10～15min，收集分散浆液并置于35～40℃干燥箱中，干燥老化10～12h，收集干燥凝胶颗粒并按重量份数计，分别称量45～50份正己烷、6～8份三甲基氯硅烷和10～15份干燥凝胶颗粒置于三口烧瓶中，搅拌混合并用正己烷洗涤3～5次，真空干燥得改性气凝胶颗粒；按质量比1:15，将改性气凝胶颗粒添加至固含量1％硅溶胶中，搅拌混合并超声分散10～15min，收集分散浆液并置于雾化机中，均匀雾化喷洒于基体玻璃棉纤维表面，待喷洒完成后，再在145～150℃下干燥6～10min，即可制备得所述的高强耐寒改性型玻璃棉纤维材料。
实施例1
按重量份数计，分别称量45份二氧化硅、10份氧化钠、3份生石灰、1份氧化镁、3份氧化铝、0.5份氧化钾、3份氧化硼和0.01份氧化铁置于搅拌机中，搅拌混合并球磨过200目筛，收集球磨混合料并置于坩埚中，将坩埚置于电阻炉中，按5℃/min升温加热至1280℃，保温熔融并收集熔融液，经200孔漏板流出，控制漏板孔径为25mm，收集一次纤维并用线速度为3m/min的胶辊拉直，收集拉直纤维并二次熔融处理，控制胶辊牵引速率为250m/s，在1400℃下保温牵引熔融处理，收集得二次纤维并用集棉器收集，控制负压风频率40Hz，得基体玻璃棉纤维；按重量份数计，分别称量45份去离子水、25份固含量20％水玻璃和3份甲酰胺置于三角烧瓶中，在室温下密封水解20h，得改性液，再按重量份数计，分别称量45份正庚烷、3份司盘-80、1份吐温-80和10份正丁醇置于烧杯中，搅拌混合并收集得油相，按质量比1:5，将改性液滴加至油相中，再在2500r/min下搅拌混合处理，收集混合相并用质量分数10％氨水调节pH至6.0，搅拌混合并收集凝胶颗粒，按质量比1:25，将凝胶颗粒添加至无水乙醇中，搅拌混合并超声分散10min，收集分散浆液并置于35℃干燥箱中，干燥老化10h，收集干燥凝胶颗粒并按重量份数计，分别称量45份正己烷、6份三甲基氯硅烷和10份干燥凝胶颗粒置于三口烧瓶中，搅拌混合并用正己烷洗涤3次，真空干燥得改性气凝胶颗粒；按质量比1:15，将改性气凝胶颗粒添加至固含量1％硅溶胶中，搅拌混合并超声分散10min，收集分散浆液并置于雾化机中，均匀雾化喷洒于基体玻璃棉纤维表面，待喷洒完成后，再在145℃下干燥6min，即可制备得所述的高强耐寒改性型玻璃棉纤维材料。
实施例2
按重量份数计，分别称量47份二氧化硅、13份氧化钠、4份生石灰、1.5份氧化镁、4份氧化铝、0.7份氧化钾、4份氧化硼和0.03份氧化铁置于搅拌机中，搅拌混合并球磨过200目筛，收集球磨混合料并置于坩埚中，将坩埚置于电阻炉中，按5℃/min升温加热至1340℃，保温熔融并收集熔融液，经200孔漏板流出，控制漏板孔径为25mm，收集一次纤维并用线速度为4m/min的胶辊拉直，收集拉直纤维并二次熔融处理，控制胶辊牵引速率为275m/s，在1450℃下保温牵引熔融处理，收集得二次纤维并用集棉器收集，控制负压风频率43Hz，得基体玻璃棉纤维；按重量份数计，分别称量47份去离子水、27份固含量20％水玻璃和4份甲酰胺置于三角烧瓶中，在室温下密封水解22h，得改性液，再按重量份数计，分别称量47份正庚烷、4份司盘-80、1.5份吐温-80和13份正丁醇置于烧杯中，搅拌混合并收集得油相，按质量比1:5，将改性液滴加至油相中，再在2750r/min下搅拌混合处理，收集混合相并用质量分数10％氨水调节pH至6.0，搅拌混合并收集凝胶颗粒，按质量比1:25，将凝胶颗粒添加至无水乙醇中，搅拌混合并超声分散13min，收集分散浆液并置于37℃干燥箱中，干燥老化11h，收集干燥凝胶颗粒并按重量份数计，分别称量47份正己烷、7份三甲基氯硅烷和13份干燥凝胶颗粒置于三口烧瓶中，搅拌混合并用正己烷洗涤4次，真空干燥得改性气凝胶颗粒；按质量比1:15，将改性气凝胶颗粒添加至固含量1％硅溶胶中，搅拌混合并超声分散13min，收集分散浆液并置于雾化机中，均匀雾化喷洒于基体玻璃棉纤维表面，待喷洒完成后，再在147℃下干燥8min，即可制备得所述的高强耐寒改性型玻璃棉纤维材料。
实施例3
按重量份数计，分别称量50份二氧化硅、15份氧化钠、5份生石灰、2份氧化镁、5份氧化铝、1.0份氧化钾、5份氧化硼和0.05份氧化铁置于搅拌机中，搅拌混合并球磨过200目筛，收集球磨混合料并置于坩埚中，将坩埚置于电阻炉中，按5℃/min升温加热至1400℃，保温熔融并收集熔融液，经200孔漏板流出，控制漏板孔径为25mm，收集一次纤维并用线速度为5m/min的胶辊拉直，收集拉直纤维并二次熔融处理，控制胶辊牵引速率为300m/s，在1500℃下保温牵引熔融处理，收集得二次纤维并用集棉器收集，控制负压风频率45Hz，得基体玻璃棉纤维；按重量份数计，分别称量50份去离子水、30份固含量20％水玻璃和5份甲酰胺置于三角烧瓶中，在室温下密封水解24h，得改性液，再按重量份数计，分别称量50份正庚烷、5份司盘-80、2份吐温-80和15份正丁醇置于烧杯中，搅拌混合并收集得油相，按质量比1:5，将改性液滴加至油相中，再在3000r/min下搅拌混合处理，收集混合相并用质量分数10％氨水调节pH至6.0，搅拌混合并收集凝胶颗粒，按质量比1:25，将凝胶颗粒添加至无水乙醇中，搅拌混合并超声分散15min，收集分散浆液并置于40℃干燥箱中，干燥老化12h，收集干燥凝胶颗粒并按重量份数计，分别称量50份正己烷、8份三甲基氯硅烷和15份干燥凝胶颗粒置于三口烧瓶中，搅拌混合并用正己烷洗涤5次，真空干燥得改性气凝胶颗粒；按质量比1:15，将改性气凝胶颗粒添加至固含量1％硅溶胶中，搅拌混合并超声分散15min，收集分散浆液并置于雾化机中，均匀雾化喷洒于基体玻璃棉纤维表面，待喷洒完成后，再在150℃下干燥10min，即可制备得所述的高强耐寒改性型玻璃棉纤维材料。
将本发明制备的耐寒改性型玻璃棉纤维材料及普通玻璃棉进行性能检测，具体检测结果如下表表1。
性能测试
1、耐水性测试：
将本发明制备的实例1～3和对比例产品置于培养皿中，向培养皿内加水至完全将其浸没，浸泡24小时，观察浸泡后产品变化情况。
耐寒性测试
将本发明制备的实例1～3和对比例产品置于-50℃低温下，放置48h后采用万能材料试验机进行测试。
表1耐寒改性型玻璃棉纤维材料性能表征
由表1可知，本发明制备的耐寒改性型玻璃棉纤维材料，耐水性优异，浸泡24小时后无起泡、无开裂现象，本发明制备的耐寒改性型玻璃棉纤维材料在低温下力学性能表现优异。
