一种玄武岩纤维母料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料和铁路隧道技术领域，具体的说是涉及一种玄武岩纤维母料及其制备方法。

背景技术

玄武岩是一种地下岩浆从火山喷出或从地表裂缝中溢出凝结形成的火成岩，分布于地球的每一个区域，因而原则上玄武岩纤维的生产不会受到地域或原料的限制，但是真正适合拉丝的天然玄武岩矿石并不丰富。玄武岩石料的成分十分复杂，不同地域的玄武岩石料的成分是不同的。

玄武岩纤维增强材料(BFRP)是一种新型耐久性材料。玄武岩连续纤维是玄武岩矿石在1450℃～1500℃熔融后经过喷丝板拉丝而成的一种新型高技术纤维，它拥有出色的力学性能和耐高温性能，具有高的拉伸强度和弹性模量、良好的绝缘性、抗辐射性能、优异的高温稳定性和化学稳定性等，纯天然无污染，性价比高等优点。

目前在铁路隧道中一般采用波纹板解决现有隧道衬砌结构存在的开裂、掉块、网裂、渗漏水、冻胀等问题，在隧道内使用弧形的波纹板在内侧搭建拱状的内侧支撑，业内叫做“套衬”，通过几块弧形波纹板构建成的一环拱状结构，然后以此延伸，通过螺栓连接形成多环。现有的普遍做法就是在钢板两侧刷绝缘漆，板厚一般是6㎜，绝缘漆厚度是1.5㎜，总厚度一共是6+1.5×2＝9㎜。但是绝缘漆在使用中容易脱离，会出现导电的危险。

因此提供一种能够包覆波纹板以实现较好的绝缘、阻燃效果是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种玄武岩纤维母料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种玄武岩纤维母料，包括以下重量份原料：玄武岩石料100-200份、聚乙烯树脂5-15份、环氧树脂15-25份、纳米碳化硅3-8份、纳米氧化铝2-5份、氮化硼纤维3-8份、微晶石蜡1-5份、聚氨酯乳液10-20份、油酸5-10份、阻燃剂1-3份、固化剂1-5份、抗静电剂2-5份、水20-40份。

进一步，所述阻燃剂为氢氧化铝或碳酸钙。

采用上述进一步方案的有益效果在于：本发明采用的上述阻燃剂能够对整个玄武岩纤维母料进行有效保护，提高其对高温的耐受性，同时对波纹本进行保护，进一步降低了隧道衬砌结构存在的开裂、掉块、网裂、渗漏水、冻胀等问题。

进一步，所述固化剂为聚酰胺固化剂650或聚酰胺固化剂651。

采用上述进一步方案的有益效果在于：本发明采用的固化剂能够使玄武岩纤维母料在包覆波纹板时，不同波纹板之间贴合更加紧密，进而可以保证整个隧道不会出现漏水、冻胀的问题。

进一步，所述抗静电剂为二硫代氨基甲酸铵或碳纳米管。

采用上述进一步方案的有益效果在于：本发明采用的抗静电剂能够使玄武岩纤维替代波纹板上的绝缘漆，起到优秀的绝缘效果。

本发明还提供了上述玄武岩纤维母料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按权上述重量份数称取各原料：

(2)将玄武岩石料粉碎并过100-400目筛网，得到玄武岩石料粉体，将玄武岩石料粉体放入磷酸溶液中浸泡处理，然后将玄武岩石料粉体用水洗涤至中性；将得到的中性玄武岩石料粉体加热至1600-1750℃使其融化，再加入纳米氧化铝和纳米碳化硅；将熔融液降温至1100-1300℃，然后超声分散处理，超声过程中将阻燃剂、抗静电剂、氮化硼纤维加入至熔融液中，得到纺丝熔液；

(3)将纺丝熔液进行纺丝，得到玄武岩纤维原丝；

(4)将聚乙烯树脂、环氧树脂、微晶石蜡、聚氨酯乳液份、油酸、固化剂和水混合并搅拌均匀得到浸渍液，将玄武岩纤维原丝浸入至浸渍液中静置12-18h；

(5)对经过浸渍改性处理的玄武岩纤维原丝进行干燥后，再退解、并捻，得到玄武岩纤维母料。

进一步，步骤(2)中所述磷酸溶液的pH值为2-3，浸泡时间为25-45min。

更进一步，步骤(2)中所述超声功率为200-400w，超声处理时间为20-30min。

采用上述进一步方案的有益效果在于：上述方案能够对玄武岩进行改性，进而提高其与纳米氧化铝和纳米碳化硅的混合效果，从而提高玄武岩纤维的绝缘性和耐候性。

进一步，步骤(3)中所述玄武岩纤维原丝的直径为1-5μm。

本发明的有益效果在于：本发明制备的玄武岩纤维母料的物理性能优良。其抗拉强度可达3000Mpa以上，远高于钢筋。化学稳定性强。在酸碱腐蚀环境中可保持长期稳定性。并且还具有较好的高温稳定性。在600℃以上高温环境中保持稳定，长期高温中强度损失率低。本发明产品具有较高的绝缘性，其能够与金属、塑料塑胶、混凝土等材料具有较好的兼容性。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种玄武岩纤维母料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取玄武岩石料100份、聚乙烯树脂15份、环氧树脂25份、纳米碳化硅3份、纳米氧化铝2份、氮化硼纤维8份、微晶石蜡5份、聚氨酯乳液10份、油酸10份、氢氧化铝3份、聚酰胺固化剂6511份、二硫代氨基甲酸铵5份、水20份：

(2)将玄武岩石料粉碎并过400目筛网，得到玄武岩石料粉体，将玄武岩石料粉体放入pH值为3的磷酸溶液中浸泡处理45min，然后将玄武岩石料粉体用水洗涤至中性；将得到的中性玄武岩石料粉体加热至1750℃使其融化，再加入纳米氧化铝和纳米碳化硅；将熔融液降温至1300℃，然后200w超声分散处理30min，超声过程中将阻燃剂、抗静电剂、氮化硼纤维加入至熔融液中，得到纺丝熔液；

(3)将纺丝熔液进行纺丝，得到直径为1-5μm的玄武岩纤维原丝；

(4)将聚乙烯树脂、环氧树脂、微晶石蜡、聚氨酯乳液份、油酸、固化剂和水混合并搅拌均匀得到浸渍液，将玄武岩纤维原丝浸入至浸渍液中静置12h；

(5)对经过浸渍改性处理的玄武岩纤维原丝进行干燥后，再退解、并捻，得到玄武岩纤维母料。

实施例2

一种玄武岩纤维母料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取玄武岩石料200份、聚乙烯树脂5份、环氧树脂15份、纳米碳化硅8份、纳米氧化铝5份、氮化硼纤维3份、微晶石蜡1份、聚氨酯乳液20份、油酸5份、碳酸钙1份、聚酰胺固化剂6505份、碳纳米管2份、水40份：

(2)将玄武岩石料粉碎并过100目筛网，得到玄武岩石料粉体，将玄武岩石料粉体放入pH值为2的磷酸溶液中浸泡处理25min，然后将玄武岩石料粉体用水洗涤至中性；将得到的中性玄武岩石料粉体加热至1600℃使其融化，再加入纳米氧化铝和纳米碳化硅；将熔融液降温至1100℃，然后400w超声分散处理20min，超声过程中将阻燃剂、抗静电剂、氮化硼纤维加入至熔融液中，得到纺丝熔液；

(3)将纺丝熔液进行纺丝，得到直径为1-5μm的玄武岩纤维原丝；

(4)将聚乙烯树脂、环氧树脂、微晶石蜡、聚氨酯乳液份、油酸、固化剂和水混合并搅拌均匀得到浸渍液，将玄武岩纤维原丝浸入至浸渍液中静置18h；

(5)对经过浸渍改性处理的玄武岩纤维原丝进行干燥后，再退解、并捻，得到玄武岩纤维母料。

实施例3

一种玄武岩纤维母料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取玄武岩石料150份、聚乙烯树脂10份、环氧树脂20份、纳米碳化硅5份、纳米氧化铝4份、氮化硼纤维6份、微晶石蜡4份、聚氨酯乳液12份、油酸8份、氢氧化铝2份、聚酰胺固化剂6504份、碳纳米管4份、水30份：

(2)将玄武岩石料粉碎并过200目筛网，得到玄武岩石料粉体，将玄武岩石料粉体放入pH值为2的磷酸溶液中浸泡处理35min，然后将玄武岩石料粉体用水洗涤至中性；将得到的中性玄武岩石料粉体加热至1650℃使其融化，再加入纳米氧化铝和纳米碳化硅；将熔融液降温至1200℃，然后300w超声分散处理25min，超声过程中将阻燃剂、抗静电剂、氮化硼纤维加入至熔融液中，得到纺丝熔液；

(3)将纺丝熔液进行纺丝，得到直径为1-5μm的玄武岩纤维原丝；

(4)将聚乙烯树脂、环氧树脂、微晶石蜡、聚氨酯乳液份、油酸、固化剂和水混合并搅拌均匀得到浸渍液，将玄武岩纤维原丝浸入至浸渍液中静置14h；

(5)对经过浸渍改性处理的玄武岩纤维原丝进行干燥后，再退解、并捻，得到玄武岩纤维母料。

实施例4

一种玄武岩纤维母料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取玄武岩石料180份、聚乙烯树脂12份、环氧树脂23份、纳米碳化硅4份、纳米氧化铝3份、氮化硼纤维6份、微晶石蜡3份、聚氨酯乳液17份、油酸5份、氢氧化铝3份、聚酰胺固化剂6513份、二硫代氨基甲酸铵3份、水35份：

(2)将玄武岩石料粉碎并过250目筛网，得到玄武岩石料粉体，将玄武岩石料粉体放入pH值为3的磷酸溶液中浸泡处理40min，然后将玄武岩石料粉体用水洗涤至中性；将得到的中性玄武岩石料粉体加热至1700℃使其融化，再加入纳米氧化铝和纳米碳化硅；将熔融液降温至1250℃，然后350w超声分散处理25min，超声过程中将阻燃剂、抗静电剂、氮化硼纤维加入至熔融液中，得到纺丝熔液；

(3)将纺丝熔液进行纺丝，得到直径为1-5μm的玄武岩纤维原丝；

(4)将聚乙烯树脂、环氧树脂、微晶石蜡、聚氨酯乳液份、油酸、固化剂和水混合并搅拌均匀得到浸渍液，将玄武岩纤维原丝浸入至浸渍液中静置16h；

(5)对经过浸渍改性处理的玄武岩纤维原丝进行干燥后，再退解、并捻，得到玄武岩纤维母料。

实施例5

一种玄武岩纤维母料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取玄武岩石料145份、聚乙烯树脂8份、环氧树脂17份、纳米碳化硅7份、纳米氧化铝4份、氮化硼纤维5份、微晶石蜡4份、聚氨酯乳液17份、油酸9份、碳酸钙2份、聚酰胺固化剂6513份、碳纳米管4份、水35份：

(2)将玄武岩石料粉碎并过350目筛网，得到玄武岩石料粉体，将玄武岩石料粉体放入pH值为2的磷酸溶液中浸泡处理35min，然后将玄武岩石料粉体用水洗涤至中性；将得到的中性玄武岩石料粉体加热至1750℃使其融化，再加入纳米氧化铝和纳米碳化硅；将熔融液降温至1250℃，然后350w超声分散处理30min，超声过程中将阻燃剂、抗静电剂、氮化硼纤维加入至熔融液中，得到纺丝熔液；

(3)将纺丝熔液进行纺丝，得到直径为1-5μm的玄武岩纤维原丝；

(4)将聚乙烯树脂、环氧树脂、微晶石蜡、聚氨酯乳液份、油酸、固化剂和水混合并搅拌均匀得到浸渍液，将玄武岩纤维原丝浸入至浸渍液中静置15h；

(5)对经过浸渍改性处理的玄武岩纤维原丝进行干燥后，再退解、并捻，得到玄武岩纤维母料。

试验例

将实施例1-5制得的玄武岩纤维母料与普通市售的玄武岩纤维分别进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1

由表1结果可知，本发明制备的玄武岩纤维母料具有优异的力学性能、电绝缘性能、耐腐蚀性能和抗拉伸性能。其相比于现有的玄武岩纤维取得了较为突破性的进步。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。