耐极端高温的彩色玄武岩纤维及其制备方法

本发明涉及玄武岩纤维，尤其涉及一种耐极端高温的彩色玄武岩纤维及其制备方法。

背景技术：

1、随着科学技术的不断进步，纤维工业得以迅速发展，纺织材料日益丰富多彩，品种不断增加，性能不断改善，应用范围不断扩大。玄武岩纤维作为一种新型纤维，因其具有高强度、高模量、耐腐烛、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、防火阻燃、过滤性好、耐高低温等优异的性能，被广泛应用于航空航天、建筑、化工、医学、电子、农业等军工和民用领域。同时，玄武岩纤维还兼备传统纺织纤维的柔软可加工性，因此，玄武岩纤维又可应用于纺织服装领域。

2、中国发明专利(公开号为cn 114477756a)公开了一种玄武岩纤维及其制备方法，该方法通过原料筛选，制备了具有较高的断裂拉伸强度纤维。中国发明专利(公开号为cn113480199a)公开了一种增强型玄武岩纤维浸润剂及其制备方法，该方法通过将双层微胶囊颗粒用于修复玄武岩纤维表面的裂缝，提高玄武岩纤维的力学强度。中国发明专利(公开号为cn 113089133a)公开了一种磁性玄武岩纤维及磁性玄武岩纤维制备方法，该方法将质量百分比1.5-2.0的fe3+与fe2+，质量百分数大于65％的sio2+al2o3经系列步骤制得高磁性和高强度的磁性玄武岩纤维。

3、可见，现有技术中开发出了一系列关于如何制备具有优异强度性能的玄武岩纤维的方法，且效果较为显著；但是，玄武岩纤维用于纺织纤维时颜色单一，且虽然玄武岩纤维具有耐高温的性能，但在极端高温环境下仍然出现燃烧的现象，不利于玄武岩纤维在极端高温环境下应用，例如消防服、防火服、灭火毯等方面的应用。

4、有鉴于此，有必要设计一种改进的耐极端高温的彩色玄武岩纤维及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种耐极端高温的彩色玄武岩纤维及其制备方法，通过在玄武岩纤维表面负载金属单质膜和/或金属氧化物膜，以提高玄武岩纤维的耐极端高温性能，并使其显现不同颜色，解决玄武岩纤维不能着色的问题，扩宽玄武岩纤维的应用领域。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种耐极端高温的彩色玄武岩纤维，包括玄武岩纤维及所述玄武岩纤维表面包覆的结构膜，所述结构膜包括金属单质膜、金属氧化物膜、不同金属单质或金属氧化物的复合薄膜、金属单质与金属氧化物的复合薄膜中的一种；所述结构膜与所述玄武岩纤维之间、所述结构膜的不同膜层之间均以化学键合的方式结合。

3、作为本发明的进一步改进，所述结构膜为金属单质膜或金属氧化物膜时，所述金属单质膜或金属氧化物膜与所述玄武岩纤维之间的折射率差值至少为0.17；所述结构膜为复合薄膜时，所述复合薄膜中的不同膜层之间的折射率差值至少为0.17；所述金属单质膜或金属氧化物膜的折射率均大于1.76。

4、作为本发明的进一步改进，所述结构膜为金属单质与金属氧化物的复合薄膜，所述金属单质与所述金属氧化物中的金属元素为同一种或不同种类；所述结构膜的总厚度为10～300nm；所述复合薄膜中，金属单质形成的膜层与金属氧化物形成的膜层的厚度比为(1～6):(1～6)。

5、作为本发明的进一步改进，所述结构膜的材料为iiia族元素、除了碳以外的iva族元素、ib族元素、iib族元素、iiib族元素、ivb族元素、vb族元素、vib族元素、第viii组元素中的一种或多种、或其金属氧化物中的一种或多种。

6、作为本发明的进一步改进，所述iia族元素为mg，所述iiia族元素为al或ga，所述iva元素为si，所述ib族元素为ag，所述iib族元素为zn，所述iiib族族元素为y或ce，所述ivb族元素为ti、zr或hf，所述vb族元素为v或ta，所述vib族元素为mo或w，所述viii族元素为co或pt。

7、一种上述中任一项所述的耐极端高温的彩色玄武岩纤维的制备方法，包括以下步骤：

8、s1、将清洗后的玄武岩纤维置于微刻蚀溶液中，反应10～60min，再将其放入等离子体清洗机中进行表面处理，时间为2～10min；

9、s2、将经步骤s1处理后的玄武岩纤维表面负载金属单质膜和/或金属氧化物膜，得到耐极端高温的彩色玄武岩纤维；所述金属单质膜或金属氧化物膜与玄武岩纤维之间、复合薄膜中的不同膜层之间均以化学键合的方式结合，在所述玄武岩纤维表面形成结构膜，所述结构膜的厚度为10～300nm。

10、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述微刻蚀溶液包括naoh溶液、稀盐酸、或稀盐酸与稀硫酸的混合溶液中的一种；微刻蚀的反应时间为10～60min，所述微刻蚀溶液优选naoh溶液。

11、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，在玄武岩纤维表面负载所述结构膜的方法具体为：

12、负载所述金属单质膜的方式为在反应室内的工作气体为氩气的条件下，以金属单质为靶材，在电场作用下将金属单质轰击至玄武岩纤维表面沉积，形成负载金属单质膜的玄武岩纤维；

13、负载所述金属氧化物膜的方式为在反应室内以氩气作为工作气体，以氧气作为反应气体，以金属单质作为靶材，在电场作用下，金属原子与氧原子反应生成氧化物，形成负载金属氧化物膜的玄武岩纤维；

14、将负载所述金属单质膜的方式与负载所述金属氧化物膜的方式相结合，在所述玄武岩纤维表面形成金属单质与金属氧化物的复合薄膜。

15、作为本发明的进一步改进，所述naoh溶液的浓度为1～5mol/l；所述稀盐酸的浓度为1～5mol/l；所述混合溶液中，稀盐酸与稀硫酸的摩尔比为1:1。作为本发明的进一步改进，通过控制反应室内的工作时间，以控制所述玄武岩纤维表面沉积的金属单质膜或金属氧化物膜的厚度；在步骤s1中，清洗玄武岩纤维的方法为将所述玄武岩纤维置于乙醇溶液中超声处理5～60min。

16、作为本发明的进一步改进，所述结构膜优选为不同金属单质与金属氧化物的复合薄膜、或金属单质与其金属氧化物的复合薄膜，负载方法具体为：

17、s21、在反应室内的工作气体为氩气的条件下，以金属单质为靶材，在电场作用下将金属单质轰击至玄武岩纤维表面沉积，形成负载金属单质膜的玄武岩纤维；

18、s22、以氩气作为工作气体，以氧气作为反应气体，以金属单质作为靶材，在电场作用下，金属原子与氧原子反应生成氧化物，并继续沉积至步骤s21的所述负载金属单质膜的玄武岩纤维，形成表面负载所述结构膜的玄武岩纤维；所述金属单质与步骤s21中的金属单质为同一种或不同种类。

19、本发明的有益效果是：

20、1、本发明提供的一种耐极端高温的彩色玄武岩纤维，包括玄武岩纤维及玄武岩纤维表面包覆的结构膜，结构膜包括金属单质膜和/或金属氧化物膜，金属单质膜或金属氧化物膜与玄武岩纤维之间、结构膜的不同膜层之间均以化学键合的方式结合。本发明通过在玄武岩纤维表面负载金属单质膜和/或金属氧化物膜，在玄武岩纤维表面形成结构稳定的阻燃纳米晶体，赋予了玄武岩纤维的耐极端高温性能，并利用玄武岩纤维、金属单质或金属氧化物之间的折射率差，使玄武岩纤维显现不同颜色，解决了玄武岩纤维不能着色的问题，扩宽了玄武岩纤维的应用领域。

21、2、本发明先对玄武岩纤维进行表面微刻蚀，选用合适的微刻蚀溶液及时间，在不损害玄武岩纤维自身力学性能的基础上，增加其表面粗糙度，增加了金属单质与玄武岩纤维表面的接触，同时通过等离子体处理活化玄武岩纤维，增加其表面的活性基团，使得后续的金属原子与玄武岩纤维发生配位作用，增加了金属单质膜与玄武岩纤维之间的结合力。另外，本发明在玄武岩纤维表面负载金属单质与金属氧化物的复合薄膜时，优选先利用金属原子与玄武岩纤维表面的配位作用沉积金属单质膜，再通过引入氧气，利用双原子的氧气分子先与金属单质膜表面的金属原子接触反应，且靶材的金属原子被轰击至金属单质膜表面时，与其表面的氧原子发生化学键的结合，提高了界面结合能力，更多靶材金属原子在反应室中自由移动时与氧反应直接生成金属氧化物，继续沉积到玄武岩纤维的金属单质膜表面，形成了具有纳米晶体结构的金属氧化物膜。通过本发明的制备方法，玄武岩纤维与膜之间、复合薄膜的不同膜层之间以化学键的结合，最终在玄武岩纤维表面得到了界面结合力强、膜层结合紧密、耐极端高温、且赋予了玄武岩纤维不同颜色的结构膜。

22、3、本发明还通过调控金属单质膜和/或金属氧化物膜的厚度，使得玄武岩纤维的显色不断变化，且颜色色泽亮丽，饱和度高；另外，玄武岩纤维表面的结构膜不仅未影响其原有性能，例如其高强力的性能，还提高了玄武岩纤维阻燃性能，使其可以耐极端高温，使其可以应用于消防服、防火服、灭火毯等领域。

23、4、本发明的耐极端高温的彩色玄武岩纤维的制备方法，方法简单易实施，同时实现了玄武岩纤维的显色和耐极端高温性能；不仅没有任何化学染料的参与，也没有其他任何有害物质的参与，对环境无污染，且绿色环保，适合工业化生产。