玄武巖纖維改性樹脂的研究進展

崔寶玉(遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽 201203)

玄武巖纖維改性樹脂的研究進展

崔寶玉(遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽 201203)

本文首先簡要介紹了玄武巖纖維的主要表面改性方法，從玄武巖纖維/環氧樹脂、玄武巖纖維/酚醛樹脂、玄武巖纖維/乙烯基樹脂、玄武巖纖維/聚丙烯和玄武巖纖維/芳綸復合材料這五個方面詳細闡述了玄武巖纖維增強樹脂的研究進展。最后就玄武巖纖維及其復合材料在未來的發展動向作了幾點預測。

玄武巖纖維；表面改性；增強樹脂；發展

0 引言

玄武巖纖維(Basalt Fiber：)是以天然玄武巖礦石作為原料，在1450～1500℃下熔融，然后通過拉絲而制成的纖維，是一種高性能無機纖維。它的主要組分為：SiO2、Al2O3、FeO、Na2O、CaO 、Fe2O3、MgO和TiO2等[1]。與碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維、芳綸等高性能纖維相比，玄武巖纖維具有優異的力學性能、耐酸堿性能、耐高溫性、吸波性能等。它取自天然礦石，加工過程中無任何添加劑、無毒，是對環境無污染的“綠色環保”纖維材料，具有廣闊的開發應用價值[2,3]。玄武巖纖維可以廣泛應用于軍工、航天航空、建筑、船體、環保、消防、汽車材料以及民用領域等[4]。玄武巖纖維可以很好地應用于聚合物中，目前國內外對其改性樹脂的研究已經有很多，所采用的聚合物基體有環氧樹脂、酚醛樹脂、聚丙烯和乙烯基樹脂等，還有將其與一些纖維進行混紡的，這些改性都獲得了綜合性能更優、應用范圍更廣的聚合物復合材料[5,6]。

1 玄武巖纖維的表面改性

玄武巖纖維為典型的無機材料，其表面對有機高分子呈化學惰性，與聚合物基體復合時難以形成理想的界面黏結，而影響制品的力學性能和表面形態。因此，必須對其進行表面改性處理，目前針對玄武巖纖維表面處理的方法主要有偶聯劑表面處理法、等離子處理法、漿料涂層法[7]等。在這些界面改性方法中，有關硅烷偶聯劑改性的研究是目前最普遍的，也是改性工藝和機理都相對成熟、穩定的一種；而且這幾種表面改性方法相比，硅烷偶聯改性可以有效改善玄武巖纖維和復合基體之間的界面粘結性，提高復合材料力學性能，是一種切實有效的方法。

2 玄武巖纖維改性樹脂的研究進展

玄武巖纖維改性樹脂基復合材料不僅繼承了玄武巖纖維的優異的物理和機械性能，還具有樹脂基體的性能，形成優勢互補，拓寬了各自的應用領域。這幾十年來倍受青睞，目前已研發了多種玄武巖纖維/樹脂復合材料。

2.1 玄武巖纖維/環氧樹脂

環氧樹脂的附著力強，固化收縮率小，制品尺寸穩定性好，力學性能較好，耐溶劑性好，用途廣泛，可作澆注、浸漬、層壓料、粘接劑、涂料等。為了適應更高要求，可利用玄武巖纖維對其進行改性。

Kim MT等[8]用低溫氧氣等離子體對玄武巖纖維/環氧樹脂編織材料進行了表面處理，使纖維表面發生物理蝕刻而且還有含氧、氮化學官能團的形成。

陳國榮等[9]用KH-550處理的納米SiO2粒子得到有機/無機的雜化材料，用來改性玄武巖纖維/環氧樹脂復合材料。曹海琳等[10]也采用環氧/SiO2納米雜化材料對玄武巖纖維進行表面改性。

Huonnic N等[11]用纏繞成型法制備了玄武巖/環氧樹脂復合材料試樣，并通過噴砂來促進表面鍍上的熔融的鋁顆粒粘連。結果發現輕度噴砂可以明顯提高材料的表面粘附性。

劉亞蘭等[12]研究發現偶聯劑的選擇對連續玄武巖纖維增強環氧樹脂的拉伸強度的影響最顯著。Lee JH等[13]發現硅烷改性的碳納米管/玄武巖纖維/環氧樹脂復合材料具有更高的拉伸強度、楊氏模量、儲能模量和玻璃化溫度。嵇培軍等[14]研究了連續玄武巖纖維/9518G樹脂復合材料的耐熱性、力學性能以及濕熱對力學性能的影響。

2.2 玄武巖纖維/酚醛樹脂

酚醛樹脂具有良好的耐酸和耐堿性能、力學性能、耐熱性能、高殘碳率和低煙低毒等特性，廣泛應用于防腐蝕工程、膠黏劑、阻燃材料、摩擦材料等行業。近年來，綠色酚醛樹脂的研究已成為一種發展趨勢。

Wang QH等[15]用單晶石墨Gr和納米SiO2嵌入改性玄武巖纖維/酚醛復合材料，以提高復合材料的摩擦損耗性能。

李衛東等[16]采用玄武巖纖維與碳纖維層間混雜來增強酚醛樹脂。李想，程廣宜[17]研究了玄武巖纖維增強氨酚醛樹脂以及硼酚醛樹脂的力學性能和耐燒蝕性能試驗。

申士杰等[18]使用酚醛樹脂膠制造了具有良好的阻燃性、環境特性和力學性能的木纖維與玄武巖纖維復合板。

2.3 玄武巖纖維/乙烯基樹脂

乙烯基樹脂是一種國際公認的耐腐蝕樹脂，其力學性能優異，可以在室溫下發生固化，目前乙烯基樹脂的發展向低收縮型、耐沖擊型、耐高溫型、光敏型和氣干型等方向進行。

Carmisciano S等[19]以相同纖維體積分數的玄武巖纖維和E-玻璃纖維織物增強的乙烯基樹脂復合材料進行了研究，測試了片狀平紋雙向織物和多層布的特性。

李偉等[20]對玄武巖纖維增強不飽和聚酯和乙烯基樹脂復合材料分別進行了沖壓式剪切試驗，研究其在準靜態下的剪切強度。徐艷華等[21]采用VARTM 工藝制備了玄武巖纖維/乙烯復合材料，研究發現這種復合材料具有較好的軸向拉伸性能，截面呈脆性斷裂，而且緯紗的強力高于經紗。

2.4 玄武巖/聚丙烯復合材料

聚丙烯是一種結構規整的結晶性聚合物，材料的機械性能、化學穩定性和耐熱性好，但易老化，低溫時變脆和沖擊性能差，可以通過共混和共聚的方法來改性。

Czigány T[22]用馬來酸酐與葵花籽油的反應混合物對玄武巖纖維進行了處理，提高了纖維與基體的界面附著力。還研究了不連續的玄武巖纖維和玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的拉伸性能以及其界面改性對力學性能的影響[23]。

劉雙雙等[24]研制出一種玄武巖/玻纖/丙綸結構復合材料，并對其結構和性能進行測試。

2.5 玄武巖/聚酰胺復合材料

聚酰胺材料具有良好的綜合性能，包括力學性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學藥品性和自潤滑性，且摩擦系數低，有一定的阻燃性。玄武巖纖維作為增強材料的聚酰胺材料的研究已取得了較大的進展。

Deák T等[25]分別用硅烷偶聯劑GF80、GF91、GF93對玄武巖纖維進行了表面處理，結果顯示GF80的改性效果最好。

Dehkordi MT等[26]分別采用單一的和混雜的玄武巖/尼龍內鋪設織物，來增強環氧樹脂，制備的混雜復合材料不但結合了玄武巖纖維和尼龍纖維優良的機械性能和耐沖擊特性，而且復合材料性能受尼龍/玄武巖纖維含量的顯著影響。

劉濤等[27]分別采用KH550、KH560和鈦酸丁酯偶聯劑改性尼龍66/玄武巖纖維復合材料。

此外，朱欽欽[28]對玄武巖纖維增強復合材料的制備及性能進行了研究。童慶[29]對玄武巖纖維濾料表面改性前后，以及表面改性后玄武巖纖維濾料與無堿玻纖濾料的耐溫性能和結構形態進行了對比研究。

3 展望

玄武巖纖維聚合物基復合材料比傳統的復合材料具有更優異的綜合性能，應用在民用、工用、國防和航天航空等。但目前對于此類復合材料的研究還不夠深入，因此，加快玄武巖纖維及其聚合物基復合材料的研究與開發無疑具有重要的意義。

玄武巖纖維及其聚合物基復合材料的未來研究主要有以下幾個方面：第一，改進工藝與設備的研發以提高設備生產能力，克服其密度，硬度，耐磨損等的限制，實現其深加工，拓寬其應用領域。第二，玄武巖纖維表面光滑、表面活性低且呈極強的化學惰性，故其與樹脂基體間的界面粘接性能很差，從而嚴重影響其在高性能復合材料中的應用。因此，對纖維進行表面改性，增強纖維與不同種類樹脂基體的界面粘結性和層間剪切強度。第三，完善纖維增強樹脂的機理，探索纖維含量與復合材料性能之間的關系等。相關技術的突破將使有機纖維增強樹脂基復合材料的開發具有重要意義，并且對于航天、航空和國防等高新技術領域復合材料的更新換代產生推動作用。

4 結語

本文介紹了硅烷偶聯劑表面處理法、等離子處理法和漿料涂層法對玄武巖纖維的表面進行改性。從玄武巖纖維/環氧樹脂、玄武巖纖維/酚醛樹脂、玄武巖纖維/乙烯基樹脂、玄武巖纖維/聚丙烯和玄武巖纖維/芳綸復合材料等方面闡述了玄武巖纖維增強樹脂的研究進展，提出了玄武巖纖維聚合物基復合材料的發展方向。

[1]李萌，陳宏書，王結良，等.玄武巖連續纖維材料的性能及其應用[J].硅酸鹽通報，2010，29(4)：876-881.

[2]Lopresto V，Leone C，De Iorio I. Mechanical characterisation of basalt fiber reinforced plastic[J]. Composites Part B：Engineering，2011，42(4)：717-723.

[3]Todic A，Nedeljkovic B，Cikara D，et al. Particulate basalt-polymer composites characteristics investigation[J]. Materials and Design，2011，32(3)：1677-1683.

[4]Fiore V，Bella GD，Valenza A. Glass-basalt/ epoxy hybrid composites for marine applications[J]. Materials and Design，2011，32(4)：2091-2099 .

[5]邱菊生，鐘智麗，石磊，等. 纖維組分比例對玄武巖/聚丙烯復合材料力學性能影響研究[J].天津工業大學學報，2010，29(1)：23-29.

[6]周冬春，姚瀾，梁飛，等. 三維正交機織玄武巖/芳綸混編復合材料的拉伸和剪切性能研究[J].纖維復合材料，2010，(1)：38-42.

[7]Wei B，Cao HL，Song SH. Surface modification and characterization of basalt fibers with hybrid sizings[J].Composites： Part A，2011，42(1)：22-29.

[8]Kim MT，Kim MH，Rhee KY，et al. Study on an oxygen plasma treatment of a basalt fiberand its effect on the interlaminar fracture property of basalt/epoxy woven composites[J]. Composites Part B：Engineering，2011，42(3)：499-504.

[9]陳國榮，曹海琳，姜雪，等.納米SiO2改性玄武巖纖維涂層漿料的制備及應用[J].涂料工業，2010，40(6)：29-32.

[10]曹海琳，張春紅，張志謙，等.玄武巖纖維表面涂層改性研究[J].航空材料學報，2007，27(5)：77-82.

[11]Huonnic N，Abdelghani M，Mertiny P，et al. Deposition and characterization of flame-sprayed aluminum on cured glass and basalt fiber reinforced epoxy tubes[J]. Surface and Coatings Technology，2010，205(3)：867-873.

[12]劉亞蘭，申士杰，許小芳，等.工藝參數對玄武巖連續纖維增強環氧樹脂力學性能的影響[J].林業機械與木工設備，2010，39(2)：28-32.

[13]Lee JH，Rhee KY，Park SJ. The tensile and thermal properties of modified CNT-reinforced basalt epoxy composites[J]. Materials Science and Engineering：A，2010，527(26)：6838-6843.

[14]嵇培軍，歐秋仁，柳瓊燕，等.連續玄武巖纖維增強9518G樹脂復合材料性能的研究[J].高科技纖維與應用，2010，35(2)：13-15.

[15]Wang QH，Zhang XR.，Pei XQ. Study on the friction and wear behavior of basalt fabric composites filled with graphite and nano-SiO2 [J]. Materials and Design，2010，31(3)：1403-1409.

[16]李衛東，曹海琳，魏斌，等. BF/CF層間混雜結構對復合材料性能影響[J].熱固性樹脂，2009，24(5)：39-43.

[17]李想，程廣宜.玄武巖纖維增強酚醛樹脂復合材料燒蝕性能研究[J].材料開發與應用，2009，24(5)：36-39.

[18]申士杰，王麗宇，張燕霞，等.木纖維與玄武巖纖維復合工藝技術的研究[J].國際木業，2004，34(1)：22-25.

[19]Carmisciano S，De Rosa LM，Sarasin F，et al. Basalt woven fiber reinforced vinyl ester composites：Flexural and electrical properties[J]. Materials and Design，2011，32(1)：337-342.

[20]李偉，朱錫，王曉強.熱固性樹脂基玄武巖纖維復合材料性能的研究[J]. 兵器材料科學與工程，2009，32(4)：50-52.

[21]徐艷華，袁新林，胡紅. 玄武巖纖維機織針織復合結構增強復合材料的拉伸性能[J].紡織學報，2011，32(2)：48-52.

[22]Czigány T. Special manufacturing and characteristics of basalt fiber reinforced hybrid polypropylene composites： Mechanical properties and acoustic emission study [J]. Composites Science and Technology，2006，66(16)：3210-3220.

[23]Czigány T，Deák T，Tamás P，et al. Discontinuous basalt and glass fiber reinforced PP composites from textile prefabricates：Effects of interfacial modification on the mechanical performance[J]. Composite Interfaces，2008，15：697-707.

[24]劉雙雙，田偉，祝成炎.玄武巖/玻纖/丙綸復合材料的研制及其結構和性能.浙江理工大學學報, 2015，33(1)：11-15.

[25]Deák T，Czigány T，Tamás P，et al. Enhancement of interfacial properties of basalt fiber reinforced nylon 6 matrix composites with silane coupling agents[J]. Express Polymer Letters，2010，4(10)：590-598.

[26] Dehkordi MT，Nosraty H，Shokrieh MM，et al. Low velocity impact properties of intra-ply hybrid composites based on basalt and nylon woven fabrics [J]. Materials and Design，2010，31(8)：3835-3844.

[27]劉濤，余雪江，余鳳湄，等.玄武巖纖維增強尼龍66復合材料的制備與性能研究[J].工程塑料應用，2010，38(10)：5-9.

[28]朱欽欽，玄武巖纖維增強復合材料的制備及性能研究[D].安徽工程大學, 2013.

[29]童慶，表面改性玄武巖纖維濾料耐溫性能的研究.產業用紡織品，2014，11：20-22.

崔寶玉(1963-)，女，漢族，遼寧省本溪市人，本科，高級工程師，主要從事化學纖維工藝管理與生產管理。