專利名稱：用于脆性纖維力學(xué)測量的斷裂端保護(hù)劑、制備及用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是用于脆性纖維力學(xué)測量時纖維斷裂端的完整保留技術(shù)，進(jìn)一步說是一種用于脆性纖維力學(xué)測量的斷裂端保護(hù)劑、制備及用途。
背景技術(shù)：
柔性纖維的力學(xué)測量，包括拉伸、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)，其破壞第一不易發(fā)生，因為變形損耗能量；第二即使斷裂破壞，其斷裂端能夠完好的保留下來，便于人們了解或認(rèn)識其斷裂機(jī)制。因此，根本不存在斷裂端保留的問題。而脆性纖維，如碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維、礦物纖維，其拉伸，彎曲，剪切，扭轉(zhuǎn)則不僅會在小變形下發(fā)生斷裂破壞，而且由于沖擊振動，還會導(dǎo)致第二次斷裂破壞，尤其是在常規(guī)的拉伸實驗中(Hayes Gary J.，Analysis of the singlefilament recoil test，Clemson University，1993 Ph.D.Dissertation)。因此，要分析、研究此類纖維的斷裂機(jī)理，保留其原始斷裂端成為至關(guān)重要的條件。
現(xiàn)有的脆性纖維力學(xué)測量中，一般只測纖維的力學(xué)強(qiáng)度、伸長和模量值，這些特征值受纖維形態(tài)，尤其是斷裂部位形態(tài)的影響。但由于各種測量條件和纖維形態(tài)原位測量的限制，特征量采取平均值的方式表達(dá)，這種測量根本無法正確地表征纖維力學(xué)性能離散的本質(zhì)特征，更無法揭示纖維弱節(jié)的特征和產(chǎn)生原因(于偉東.纖維弱節(jié)的和力學(xué)特征與判定，東華大學(xué)學(xué)報，2003，29(2)29-33)。而纖維弱節(jié)又是纖維性能的唯一、直接的影響因素，即纖維的力學(xué)性質(zhì)不取決于纖維的整體或平均性質(zhì)，而取決于它的弱節(jié)。實踐證明，纖維弱節(jié)的表征只有通過纖維斷裂端的分析才能獲得(YU Weidong，Ron Postle，YANHaojing，The Weak-Link Morphology and Tensile Behaviour of Wool and High-Modulus Polyethylene Terephthalate Fibres in Situ，Proceedings of The Institute 83rdWorld Conference(83rdTIWC)，May 23-27，2004，Shanghai，China，163～168)。所以，在實用測量中，保留纖維的原始斷裂端，規(guī)避其二次斷裂引起的偽像，是脆性纖維力學(xué)測量中的關(guān)鍵技術(shù)。
纖維斷面分析是指將纖維因受力而發(fā)生斷裂的兩個斷裂端完整地保留下來，并將此斷裂端用于顯微術(shù)觀察，尤其是掃描電子顯微術(shù)(SEM)觀察，通過纖維斷面的形貌分析纖維斷裂發(fā)生初始結(jié)構(gòu)及該結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下的反應(yīng)?，F(xiàn)有碳纖維的拉伸研究(姚江薇，于偉東.碳纖維單絲強(qiáng)伸實驗的影響因素，材料科學(xué)與工程學(xué)報，2005，23(5)1-4)已有所證明脆性纖維拉伸斷裂瞬間兩個纖維斷裂端會因為彈性勢能的瞬間釋放而發(fā)生由斷裂面向夾持點方向的高速回彈(recoil)，最終導(dǎo)致纖維斷裂端在高速回復(fù)中受到破壞而無法完整保留，從而導(dǎo)致脆性纖維拉伸斷面分析無法進(jìn)行的情況。為此產(chǎn)生的保護(hù)方法也有報道(S.C.Bennett.D.J.Johnson.Strength-structure relationships in PAN-based carbonfibers.Journal of materials science，1983，183337-3347；B.J.Jnice，B.B.John，S.Roberte.Analysis of flaws in high-strength carbon fibers from mesophase pitch.Journal of materials science，1980，152455-2465)，但是否確實能有保留效果及保護(hù)劑產(chǎn)生的保留率的定量值缺乏數(shù)據(jù)支持，且無專利報道。
因此，實用和理論研究中都有必要研究和開發(fā)一種脆性纖維的保護(hù)劑，能夠真實、完整地保留脆性纖維的斷裂端對脆性纖維斷面分析，了解脆性纖維的弱節(jié)結(jié)構(gòu)和在生產(chǎn)和加工環(huán)節(jié)提高脆性纖維的使用性能都有著極其深遠(yuǎn)的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于脆性纖維力學(xué)測量的斷裂端保護(hù)劑。提出一種油包水乳膠作為脆性纖維力學(xué)測量中斷裂端高比例真實保留的保護(hù)劑，以減小脆性纖維斷裂端在力學(xué)作用時，瞬間斷裂因高速回彈而遭受再次破壞，并大幅提高脆性纖維真實斷裂端的保留率。
本發(fā)明的另一個目的是提供這種保護(hù)劑的制備及用途。
本發(fā)明的用于脆性纖維力學(xué)性能測量的保護(hù)劑是一種油包水乳膠，由占組合物質(zhì)重量60％～70.2％的水相、占組合物質(zhì)重量28％～39％的油相和占組合物質(zhì)重量0.8％～2％的油包水乳化劑組成。
水相由占組合物總重的55％～60％的水、占組合物總重的5％～9.5％的潤濕劑組成及微量水溶性防腐劑和抗氧化劑組成。其中，水是蒸餾水或純凈水；潤濕劑可選自下列物質(zhì)甘油、山梨醇、聚乙二醇、丙二醇、玉米糖漿、谷氨酸單鈉、天然蜜、乳酸鈉及其衍生物中的1種或它們的2～3種混合物；防腐劑占油包水乳膠物質(zhì)重量的0.01％～0.3％，可選自下列物質(zhì)甲基二溴戊二腈、苯氧乙醇、咪唑烷基脲、二羥甲基二甲基已內(nèi)酰脲、對氯間二甲苯酚、雙咪唑烷基脲、雙咪唑烷基脲、碘丙炔基氨基甲酸丁酯、乙醛雙酰脲、羥甲基甘氨酸鈉、1，3-二羥甲基-5，5-二甲基海因、2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮、5-氯-2-2甲基-4-異噻唑啉-3-酮、二甲基二羥甲已內(nèi)酰脲、2，4，4-三氯-2-羥基二苯醚、對羥基苯甲酸甲酯、對羥基苯甲酸丙酯和六亞甲基四胺衍生物中的1種或它們的2～3種混合物；抗氧化劑占油包水乳膠物質(zhì)重量的0.01％～0.4％，可選自下列物質(zhì)生育酚、特丁基羥基小茴香腦、特丁基羥基甲苯、沒食子酸丙脂中的1種或它們的2～3種混合物。
油相由占組合物總重20％～25％的白礦油和占組合物總重的8％～14％的植物油組成。其中，白礦油為一般市售的7#～60#的白礦油；植物油可選自下列物質(zhì)大豆油、花生油、菜籽油、葵花籽油、油茶籽油、米糠油、棉籽油、玉米油、杏仁油、麥芽油中的1種或它們的2～3種混合物。
油包水乳化劑可選自下列物質(zhì)聚乙二醇-2倍半硬脂酸酯、C16-18的烷基葡糖苷、C16-18的醇硬脂酸甘油酯、甲基葡萄糖苷、聚乙二醇-20醚倍半硬脂酸酯，C16-18的醇/聚乙二醇-20、C16-18的醇醚、月桂基葡糖苷聚甘油-2二聚羥基硬脂酸酯/甘油、鯨蠟硬脂基醚-20、鯨蠟硬脂醇醚-21、脂肪醇醚-6、硬脂醇、聚甘油基-2二聚羥基硬脂酸酯、聚甘油基-3二異硬脂酸酯、聚氧乙烯醚磷酸三酯中的1種或它們的2～3種混合物。
本發(fā)明的主要制備方法可分為3步水相的配制；油相的配制；水相與油相混合。
水相的配制方法為取適量的蒸餾水或純凈水，在高速攪拌的狀態(tài)下向液體中加入潤濕劑，然后加入微量的水溶性防腐劑和抗氧化劑，持續(xù)攪拌并加熱，使混合溶液清澈均勻，并達(dá)到70℃水溫。所述的水、潤濕劑的組份和重量比如前所述。
油相的配制方法為取適量的白礦油和適量的植物油，攪拌均勻，并在攪拌的狀態(tài)下向油液中加入所述量的油包水乳化劑，繼續(xù)攪拌并將油相加熱70℃。所述的白礦油、植物油和乳化劑的組份和重量比如前所述。
高速攪拌油相并緩緩將水相加入油相，注意通風(fēng)排氣，持續(xù)攪拌30分鐘后將得到的乳膠用均質(zhì)機(jī)均質(zhì)15～30分鐘即可。所述的水相和油相的重量比如前所述。
本發(fā)明的保護(hù)劑不僅制備方便、成本低廉，而且還具有三個明顯的優(yōu)點其一，可以大大提高拉斷纖維斷裂端保留率。將此混合后的油包水乳膠均勻地涂在脆性纖維表面，即可形成脆性纖維力學(xué)測量時的減振保護(hù)層。以碳纖維的拉伸實驗為例，使用本保護(hù)劑后，拉伸斷裂端保留率由10％以下大幅上升至60％以上。
其二，本發(fā)明可在不影響纖維力學(xué)性能測試的前提下，真實、完整地保留脆性纖維力學(xué)破壞中的斷裂端。保護(hù)劑對脆性纖維力學(xué)性能測試的影響與保護(hù)劑粘度有關(guān)。以碳纖維的拉伸實驗為例，油包水乳膠的粘度約為100±10泊，實際測量中，加保護(hù)劑合不加保護(hù)劑的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，一般前者略高于后者，但增加量小于5×10-2cN(厘牛)，這相對碳纖維本身的拉伸強(qiáng)力值平均13cN(厘牛)來說僅為千分之幾的誤差，完全可以忽略不計。
其三，本發(fā)明適用于碳纖維，玻璃纖維，陶瓷纖維和其他礦物纖維等脆性纖維的力學(xué)測量。無需對力學(xué)測量實驗儀器進(jìn)行改裝，具有操作方便、不污染脆性纖維斷裂端、不影響實驗結(jié)果、效果明顯等優(yōu)點。
具體實施例方式通過實施例將有助于理解本發(fā)明，但不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
本發(fā)明將適量的水、適量的潤濕劑和微量的水溶性防腐劑和抗氧化劑攪拌均勻后加熱至70℃，再將適量的白礦油和適量的植物油攪拌均勻，在攪拌的狀態(tài)下向液體中加入適量的油包水乳化劑，將油相加熱至70℃。高速攪拌油相并緩緩將水相加入油相，持續(xù)攪拌30分鐘，再均質(zhì)15～30分鐘即可使用。具體組份見實施例。本發(fā)明的使用方法是將保護(hù)劑均勻地涂抹在被測脆性纖維的外表面，然后夾持脆性纖維進(jìn)行力學(xué)測量。測量結(jié)束后，將纖維頭端及黏附在纖維頭端表面的保護(hù)劑放在酒精或乙醚中清洗，直至保護(hù)劑被清洗掉，得到干凈的脆性纖維斷裂端。
實施例1成份 Weight％(重量百分比)白礦油23.5％大豆油14％甘油 5％水55％聚甘油基-2二聚羥基硬脂酸酯2％對羥基苯甲酸甲酯 0.2％生育酚0.3％為檢測保護(hù)劑對纖維斷面保留率的影響，進(jìn)行一組對比實驗。實驗結(jié)果證明，由于纖維拉斷瞬間的急速回彈，無保護(hù)的脆性纖維拉伸時幾乎無法保留纖維的真實拉伸斷面，但涂覆保護(hù)劑后，纖維拉伸斷面的保留情況得到明顯改善。以下實施例的檢測方法相同。
表1碳纖維拉斷殘留纖維段的有效性分析

實施例2成份 Weight％(重量百分比)白礦油 20％花生油 9.3％山梨醇(70％溶液) 9.5％水 60％聚乙二醇-2倍半硬脂酸酯 1％對羥基苯甲酸丙酯 0.1％特丁基羥基甲苯 0.1％表2碳纖維拉斷殘留纖維段的有效性分析

實施例3成份 Weight％(重量百分比)白礦油 25％麥芽油 14％甘油 5％水 55％聚氧乙烯醚磷酸三酯 0.8％苯氧乙醇 0.1％生育酚 0.1％表3陶瓷拉斷殘留纖維段的有效性分析

實施例4成份Weight％(重量百分比)白礦油 20％杏仁油 8.5％聚乙二醇9.5％
水65％聚甘油基-3異硬脂酸酯 1.8％二羥甲基二甲基已內(nèi)酰脲0.1％沒食子酸丙脂 0.1％表4玻璃拉斷殘留纖維段的有效性分析

實施例5成份 Weight％(重量百分比)白礦油 20％玉米油 8％杏仁油 4％甘油 5％山梨醇(70％溶液) 3％水 58％聚甘油基-2聚羥基硬脂酸酯 1.5％對羥基苯甲酸丙酯 0.3％特丁基羥基甲苯 0.2％表5碳纖維拉斷殘留纖維段的有效性分析

實施例6成份 Weight％(重量百分比)白礦油20％大豆油4.6％玉米油3％麥芽油2％天然蜜5％甘油 6％水57％聚氧乙烯醚磷酸三酯2％二羥甲基二甲基已內(nèi)酰脲0.2％沒食子酸丙脂 0.2％表6玻璃拉斷殘留纖維段的有效性分析

實施例7成份 Weight％(重量百分比)白礦油 23％大豆油 13％甘油 5.5％水 56％聚甘油基-2二聚羥基硬脂酸酯 2％對羥基苯甲酸甲酯 0.1％對羥基苯甲酸丙酯 0.1％苯氧乙醇 0.1％生育酚 0.2％表7陶瓷拉斷殘留纖維段的有效性分析

實施例8成份 Weight％(重量百分比)白礦油 20％花生油 14％甘油 7.5％水 56％聚甘油基-2二聚羥基硬脂酸酯 2％苯氧乙醇 0.2％二羥甲基二甲基已內(nèi)酰脲 0.1％特丁基羥基甲苯 0.1％沒食子酸丙脂 0.1％表8碳纖維拉斷殘留纖維段的有效性分析

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權(quán)利要求
1.一種用于脆性纖維力學(xué)性能斷裂端保護(hù)劑，其特征是由水相和油相組成的油包水乳膠，水相占保護(hù)劑重量的60％～70.2％；油相占保護(hù)劑重量的28％～39％；油包水乳化劑占保護(hù)劑重量的0.8％～2％；所述的水相是由占保護(hù)劑總重55％～60％的水、占保護(hù)劑總重5％～9.5％的潤濕劑及微量(0.02％～0.7％)的防腐劑和抗氧化劑組成；所述的油相是由占保護(hù)劑總重20％～25％的白礦油和占保護(hù)劑總重8％～14％的植物油組成。
2.按照權(quán)利要求1所述的保護(hù)劑，其特征在于所述的乳化劑可選自下列物質(zhì)聚乙二醇-2倍半硬脂酸酯、C16-18的烷基葡糖苷、C16-18的醇硬脂酸甘油酯、甲基葡萄糖苷、聚乙二醇-20醚倍半硬脂酸酯，C16-18的醇/聚乙二醇-20、C16-18的醇醚、月桂基葡糖苷聚甘油-2二聚羥基硬脂酸酯/甘油、鯨蠟硬脂基醚-20、鯨蠟硬脂醇醚-21、脂肪醇醚-6和硬脂醇、聚甘油基-2二聚羥基硬脂酸酯、聚甘油基-3二異硬脂酸酯、聚氧乙烯醚磷酸三酯中的1種或2～3種的混合物。
3.按照權(quán)利要求1所述的保護(hù)劑，其特征在于所述的白礦油為一般市售的7#～60#的白礦油。
4.按照權(quán)利要求1所述的保護(hù)劑，其特征在于所述的潤濕劑可選自下列物質(zhì)甘油、山梨醇、聚乙二醇、丙二醇、玉米糖漿、谷氨酸單鈉、天然蜜、乳酸鈉及其衍生物中的1種或2～3種混合物。
5.按照權(quán)利要求1所述的保護(hù)劑，其特征在于所述的植物油可選自下列物質(zhì)大豆油、花生油、菜籽油、葵花籽油、油茶籽油、米糠油、棉籽油、玉米油、杏仁油、麥芽油中的1種或它們的2～3種混合物。
6.按照權(quán)利要求1所述的保護(hù)劑，其特征在于所述水相中，防腐劑為保護(hù)劑重量的0.01％～0.3％，可選自下列物質(zhì)甲基二溴戊二腈、苯氧乙醇、咪唑烷基脲、二羥甲基二甲基己內(nèi)酰脲、對氯間二甲苯酚、雙咪唑烷基脲、雙咪唑烷基脲、碘丙炔基氨基甲酸丁酯、乙醛雙酰脲、羥甲基甘氨酸鈉、1，3-二羥甲基-5，5-二甲基海因、2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮、5-氯-2-2甲基-4-異噻唑啉-3-酮、二甲基二羥甲己內(nèi)酰脲、2，4，4-三氯-2-羥基二苯醚、對羥基苯甲酸甲酯、對羥基苯甲酸丙酯和六亞甲基四胺衍生物中的1種或它們的2～3種混合物。
7.按照權(quán)利要求1所述的保護(hù)劑，其特征在于所述水相中，抗氧化劑為保護(hù)劑重量的0.01％～0.4％，可選自下列物質(zhì)生育酚、特丁基羥基小茴香腦、特丁基羥基甲苯、沒食子酸丙脂中的1種或它們的2～3種混合物。
8.按照權(quán)利要求1所述的保護(hù)劑，其特征在于所述水相中，所述的水為蒸餾水或純凈水。
9.按照權(quán)利要求1所述的保護(hù)劑的制備方法，其特征在于在攪拌下潤濕劑加入到蒸餾水或純凈水，然后加入微量的水溶性防腐劑和抗氧化劑，持續(xù)攪拌并加熱，使混合溶液清澈均勻，并達(dá)到70℃水溫，配制成油包水乳膠的水相；取白礦油和適量的植物油，并在攪拌的狀態(tài)下再加入乳化劑，繼續(xù)攪拌并將油相加熱至70℃，配制成油相；在高速攪拌和油包水乳化劑的作用下，水相與油相兩相混合成油包水乳膠；上述的化合物及其重量比如權(quán)利要求1所述；其中乳化劑、白礦油、潤濕劑、植物油、防腐劑和抗氧化劑依次如權(quán)利要求2、3、4、5、6和7所述。
10.按照權(quán)利要求1所述的保護(hù)劑的用途，其特征在于用于脆性纖維的保護(hù)層，所述的脆性纖維選自于碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維或其他礦物纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于脆性纖維力學(xué)測量的斷裂端保護(hù)劑、制備及用途。該保護(hù)劑是一種油包水乳膠，適用于脆性纖維力學(xué)性能測量時的斷裂頭端的保留，這些脆性纖維包括碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維和其他礦物類纖維。是以白礦油、植物油、水、潤濕劑和乳化劑為主要成分，通過油包水乳膠水相的配制，油相的配制，以及兩相的混和乳化制成。涂覆這種保護(hù)劑，可在不影響纖維力學(xué)性能的前提下，使脆性纖維力學(xué)測量中斷裂端的保留率達(dá)到60％以上。
文檔編號C09D191/00GK1793822SQ200510111088
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月2日
發(fā)明者于偉東, 姚江薇 申請人:東華大學(xué)