玄武巖纖維浸漬液的研究

王曉龍，許其軍，徐 玥，華潤稼，彭美艷

（江蘇太極實業新材料有限公司，江蘇 揚州 225006）

玄武巖纖維是天然火山巖高溫熔融后通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維。由于所用原材料不含和加工生產中不產生有毒有害物質，玄武巖纖維是一種真正的環保型纖維，同時其具有優異的物理性能，因此玄武巖纖維成為世界各國競相研發的高性能纖維。玄武巖纖維與芳綸纖維、碳纖維、超高相對分子質量聚乙烯纖維并列為四大高性能纖維。

近些年，玄武巖纖維的制備及其在復合材料中的應用均已取得突飛猛進的發展。在眾多領域，玄武巖纖維在性能上已經可以達到，甚至超過芳綸纖維、碳纖維和鋼絲等材料，被廣泛用于道路土建、航空航天、軍事裝備、汽車船舶等領域。

作為橡膠骨架材料，除本身具有優異性能外，還要求與橡膠具有良好的粘合性能。玄武巖纖維表面缺少活性基團，與橡膠界面粘合性能較差，因此，開發經濟實用的玄武巖纖維浸漬液成為橡膠領域的一個重要課題。

本工作在單線浸膠機上進行了連續化浸漬處理玄武巖纖維，確定了可使玄武巖纖維粘合良好的一浴和二浴浸漬液，同時研究了浸漬液對聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維和錦綸66纖維的作用，為玄武巖纖維與錦綸纖維或PET纖維搭配使用及其混織織物應用創造條件。

1 實驗

1.1 主要原材料

玄武巖纖維，規格為660dtex/2，70捻·m-1，四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司產品。PET纖維，規格為1670dtex/2，370捻·m-1，江蘇太極實業新材料有限公司產品。錦綸66纖維，規格為1400dtex/2，370捻·m-1，神馬實業股份有限公司產品。丁吡膠乳和羧基丁苯膠乳，上海歐諾法化學有限公司產品。封閉異氰酸酯，牌號Grilbond?IL-6，己內酰胺封端，固形物質量分數為0.6；環氧樹脂G1701（縮水甘油醚型），瑞士EMSGriltech公司產品。環氧樹脂GE100和GE500，德國Raschig GmbH公司產品。環氧樹脂EX614B（山梨醇型）和環氧樹脂EX512，日本Nagase Chemtex Corporation公司產品。間苯二酚-甲醛-膠乳（RFL）和RFL-M（RFL調整后）體系，自制。

1.2 主要設備和儀器

LJJ-Ⅱ型單線浸膠機和LPS-1型簾線排線機，北京萬匯一方科技發展有限公司產品；3343型材料拉伸試驗機，美國英斯特朗公司產品。

1.3 試樣制備

首先配制浸漬液，然后將玄武巖纖維置于單線浸膠機上進行浸漬處理。考慮到目前業內多采用剝離力表征纖維骨架與橡膠粘合性能，因此本研究將浸膠纖維置于簾線排線機上排線，制成與橡膠共硫化的“三明治樣式”試樣。試樣硫化溫度為160 ℃，硫化壓力為3.0 MPa，硫化時間為15和60 min。硫化試樣進行水冷卻，然后進行性能測試。

1.4 性能測試

剝離力和覆膠等級按照ASTM D 4393—2010《增強軟線或織物與橡膠化合物的搭接脫落粘合力的標準試驗方法》進行測試。

2 結果與討論

2.1 玄武巖纖維浸漬液

目前，改善纖維骨架材料與橡膠粘合性能的有效方法是用RFL體系處理纖維骨架材料。對于錦綸纖維，直接用RFL體系一浴浸漬法很有效，但對于PET纖維及其他表面活性基團不多的纖維，需要經過二浴法浸漬方能實現其與橡膠的良好粘合。浸漬過程通常為一浴進行活化處理，二浴采用RFL體系處理。

玄武巖纖維浸漬液如表1所示。

表1 玄武巖纖維浸漬液

從表1可以看出，1#試樣玄武巖纖維一浴和二浴均采用RFL體系，無法實現玄武巖纖維與橡膠之間的良好粘合。RFL體系在纖維骨架與橡膠粘合過程中的機理為：R和F中的羥基、羥甲基與纖維活性基團作用，L膠乳與橡膠進行共硫化交聯，通過上述化學鍵合，實現了纖維骨架和橡膠之間的粘合。1#試樣玄武巖纖維表面光滑，缺少活性基團，無法直接與RFL體系配合。2#試樣玄武巖纖維采用目前PET纖維的浸漬處理方法處理，即先經過D417體系一浴處理，然后經過RFL體系二浴處理，得到結果依然不理想，玄武巖纖維并沒有像PET纖維一樣達到100%覆膠。2#試樣結果表明，需要采用不同于現有PET纖維浸漬液，才能活化玄武巖纖維，實現其與橡膠的粘合。

3#—7#試樣，一浴浸漬采用不同于RFL及D417的體系，分別選用了5種不同廠家及牌號的環氧樹脂浸漬液，發現除了5#試樣結果較好外，其余試樣的粘合效果均不良。8#—10#試樣浸漬液在5#試樣浸漬液的基礎上進行了改進。對比5#，8#和9#試樣可以發現，當一浴浸漬液的環氧樹脂質量分數從0.02增大到0.04時，玄武巖纖維與橡膠的粘合性能呈現先變好再變差的趨勢，環氧樹脂質量分數最優值為0.03。

10#試樣浸漬液為在8#試樣浸漬液的基礎上進行了改進，以環氧樹脂為主要組分。從表1可以看出，10#試樣的剝離力較大，覆膠等級較高，其玄武巖纖維與橡膠的粘合性能達到要求。

2.2 浸漬液停放時間

考慮到工業生產的多樣性，浸漬液配置后，有時要延后使用，浸漬液停放時間對玄武巖纖維與橡膠粘合性能的影響如表2所示。

表2 浸漬液停放時間對玄武巖纖維與橡膠粘合性能的影響

從表2可以看出，浸漬液停放時間從零延長至40 h，玄武巖纖維與橡膠的粘合性能并未下降，反而有所提高。

2.3 其他纖維

纖維骨架材料應用于橡膠中，有時需要單品種使用，有時需要多品種配合使用。玄武巖纖維與其他骨架材料，如PET纖維和錦綸纖維等搭配使用時，需要浸漬液既能滿足現有二浴連續化浸漬工藝，又能實現各纖維與橡膠粘合性能良好。

采用相同工藝的不同纖維與橡膠的粘合效果如表3所示。

從表3可以看出，采用相同的一浴和二浴浸漬液、相同的浸漬溫度（230 ℃），硫化60 min的玄武巖纖維試樣和PET纖維試樣的剝離力均較大，覆膠等級均較高，硫化15 min的PET纖維試樣覆膠等級略低，此時略提高浸漬溫度至235 ℃，就可以較大幅度提高試樣的覆膠等級。

表3 采用相同工藝的不同纖維與橡膠的粘合效果

從表3還可以看出，采用相同的一浴和二浴浸漬液以及相同的浸漬溫度，硫化15和60 min的玄武巖纖維試樣和錦綸66纖維試樣的剝離力均較大，覆膠等級均為最高5級。

綜上所述，一浴采用AS體系，二浴采用RFL或RFL-M體系，可以實現玄武巖纖維、PET纖維和錦綸66纖維與橡膠的良好粘合。

3 結論

通過優選，確定了玄武巖纖維的浸漬液——以環氧樹脂為主的一浴浸漬液和RFL體系為二浴的浸漬液。使用優選的浸漬液，對玄武巖纖維、PET纖維和錦綸66纖維進行處理，實現了3種纖維與橡膠的良好粘合，使得玄武巖纖維與PET纖維或錦綸纖維的搭配使用成為可能；同時能滿足連續化生產的要求，浸漬液停放40 h后使用依然有效。