阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂及其制备方

本发明属于纤维新材料，涉及一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂及其制备方法和应用。背景技术：1、超高分子量聚乙烯、芳纶纤维、碳纤维、玄武岩纤维等高性能纤维是发展高科技产业的重要材料，基于高性能纤维与树脂复合的先进材料可作为结构件替代部分金属材料实现轻量化目标，已在航空航天、轨道交通、新能源等领域广泛应用。由于纤维在复合材料中的体积分数超过50%，其烛芯效应十分显著，大幅降低了复合材料的阻燃性能，存在严重的安全隐患。2、目前，提升纤维复合材料的阻燃性能常在树脂基体中加入阻燃剂，可在一定程度上抑制火焰的燃烧程度与速度，但不能从根本上解决纤维的烛芯效应。为克服这一缺陷，现有方法还需对纤维材料进行阻燃处理，然后与阻燃树脂制备复合材料，以此抑制纤维的烛芯效应，进一步提升纤维复合材料的阻燃性能。3、现有技术虽能一定程度提高纤维复合材料的阻燃性能，但大多直接以采购的纤维材料为对象，采用阻燃剂浸渍或包覆等后处理方法赋予阻燃功能，甚至有的方法在阻燃剂处理前还需去除纤维表面已包覆的有机物质，整个流程增加了工序环节，阻燃剂与成膜剂相容性差，二者混合后易沉淀；即使采用阻燃剂，也是大多以物理共混的方式添加小分子的可水性溶解的阻燃剂，但阻燃剂在纤维表面残留量小，阻燃效果有限，一是水溶性的阻燃剂种类较少，二是阻燃剂与成膜剂相容性差，二者混合后易沉淀；即使采用阻燃剂，也是大多以物理共混的方式添加小分子的可水性溶解的阻燃剂，但阻燃剂在纤维表面残留量小，阻燃效果有限；且在处理过程中易对纤维产生力学和外观损伤，造成力学性能下降和起毛断裂等缺陷，同时经阻燃剂浸渍或包覆的纤维易粘接成束状，使树脂难以渗透至纤维束内对单根纤维进行完全的浸润，易出现干纱缺陷和界面粘接不良等问题，导致纤维复合材料的力学性能显著下降。技术实现思路1、本发明为了解决上述技术问题提供一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂及其制备方法和应用，在纤维材料的拉丝生产过程中直接改性纤维表面，将纤维的表面改性从传统的后端处理前移至生产前端环节，可直接对单根纤维进行改性处理，赋予纤维材料良好的阻燃功能和界面粘接性能，促进阻燃型强界面纤维复合材料在关键领域重大工程中的高质量应用；本发明以化学方法将阻燃剂接枝在成膜剂的分子链上，既解决了阻燃剂与成膜剂不相容的缺陷，也实现了大分子阻燃剂成膜剂对纤维表面的包覆。2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：3、本发明提供了一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂，所述水性成膜剂具有如下所示的结构式：4、。5、优选地，所述n的取值为1000-3000。6、本发明还提供一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂的制备方法，包括以下制备步骤：7、s1、在75-95℃下，溶解聚乙烯醇，另将反应催化剂和异氰酸丙基三乙氧基硅烷混合搅拌均匀后滴加至聚乙烯醇溶液中，然后保持75-85℃反应2-4h，得到反应物a；8、s2、在75-85℃下，另取六羟甲基三聚氰胺置于容器中，再加入磷酸单乙基酯，搅拌，接着向容器中缓慢滴加浓硫酸，继续保持75-85℃反应2-4h，得到反应物b；9、s3、向步骤s1中得到的反应物a中加入氯化亚锡，接着滴加步骤s2中得到的反应物b，搅拌，继续保持75-85℃反应2-6h，调节ph，得到水性成膜剂。10、具体地，在步骤s1中，反应催化剂是辛酸亚锡、氯化亚锡中的一种。11、优选地，在步骤s1中，所述聚乙烯醇的醇解度为85%-100%。12、优选地，在步骤s1中，所述滴加速度为1-5ml/min。13、优选地，在步骤s2中，所述滴加速度为0.5ml/min。14、优选地，在步骤s3中，所述滴加速度为1-5ml/min。15、优选地，在步骤s3中，所述ph控制在6-8。16、本发明还提供一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂的应用，使用去离子水稀释所述水性成膜剂，室温下搅拌，搅拌均匀后盛放在纤维拉丝漏板后的涂油轮或涂油槽中，使其对单根纤维的表面进行充分浸润包覆。17、本发明的有益效果是：18、1、本发明以聚乙烯醇、异氰酸丙基三乙氧基硅烷、磷酸单乙基酯与六羟甲基三聚氰胺为原料，合成以聚乙烯醇为主链的具有磷/氮阻燃结构和偶联剂结构的阻燃性能好且界面粘接力强的聚乙烯醇水性成膜剂，具有结构功能一体化和绿色环保等特性；且制备工艺简便，方法易行；19、2、本发明的水性成膜剂在纤维生产中对单根纤维进行处理，将纤维的表面改性从传统的后端处理前移至生产前端环节，可直接以单根纤维为对象，对纤维表面进行阻燃功能赋予和界面粘接提升的改性处理，克服了常规后处理方法易造成纤维损伤大、润湿渗透难、界面粘接弱、结构功能难兼顾等缺陷，使纤维材料同时具备良好的阻燃与界面粘接性能，有利于促进纤维复合材料的高性能化生产制造；20、3、本发明采用的原料均为水溶性，整个体系表现出良好的水液相容特性，在工业生产过程中更环保、更具有低成本效应，使得本发明的水性成膜剂体系溶解均匀性好、长期稳定性好；21、4、本发明的水性成膜剂生产中未对聚乙烯醇做交联处理，保留了更多的活性羟基官能团，具有更好的反应活性与成膜柔性，易溶于水，体系粘度较小，易对单根纤维表面进行充分浸润包覆，对纤维的拉丝生产过程无损伤且包覆均匀，经处理的纤维具有更好的界面活性和阻燃性能。技术特征：1.一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂，其特征在于，所述水性成膜剂具有如下所示的结构式：2.根据权利要求1所述的一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂，其特征在于，所述n的取值为1000-3000。3.一种如权利要求1-2任一项所述的阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：4.根据权利要求3所述的一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇的醇解度为85%-100%。5.根据权利要求3所述的一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述滴加速度为1-5ml/min。6.根据权利要求3所述的一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述滴加速度为0.5ml/min。7.根据权利要求3所述的一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，所述滴加速度为1-5ml/min。8.根据权利要求3所述的一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，所述ph控制在6-8。9.一种如权利要求1-2任一所述的阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂的应用，其特征在于，使用去离子水稀释水性成膜剂，室温下搅拌，搅拌均匀后盛放在纤维拉丝漏板后的涂油轮或涂油槽中，使其对单根纤维的表面进行充分浸润包覆。技术总结本发明属于纤维新材料领域，涉及一种阻燃偶联一体化聚乙烯醇水性成膜剂及其制备方法和应用，本发明的水性成膜剂的制备方法，包括以下制备步骤：S1、在75‑95℃下，溶解聚乙烯醇，另将反应催化剂和异氰酸丙基三乙氧基硅烷混合搅拌均匀后滴加至聚乙烯醇溶液中，然后保持75‑85℃反应2‑4h，得到反应物A；S2、在75‑85℃下，另取六羟甲基三聚氰胺置于容器中，再加入磷酸单乙基酯，搅拌，接着向容器中缓慢滴加浓硫酸，继续保持75‑85℃反应2‑4h，得到反应物B；S3、向步骤S1中得到的反应物A中加入氯化亚锡，接着滴加步骤S2中得到的反应物B，搅拌，继续保持75‑85℃反应2‑6h，调节pH，得到水性成膜剂。本发明的水性成膜剂可直接在纤维的拉丝生产过程中直接改性纤维表面。技术研发人员：贺攀,魏玉君,李明富,杜敏卓,鲁清晨,唐若飞受保护的技术使用者：成都纺织高等专科学校技术研发日：技术公布日：2024/7/25