不同改性粒子在玄武巖纖維改性處理上的應用對比

梁繼才 龔光耀 孫磊明

摘 要：近年來玄武巖纖維及其復合材料相關產業，受到國家的大力扶持。但玄武巖纖維在大規模推廣過程中，仍有許多亟待解決的問題。本文嘗試采用不同的微米級改性顆粒，來完成對玄武巖纖維的改性附著處理，改善纖維表面粗糙度，對比不同改性粒子的改性效果，選擇最佳的玄武巖改性顆粒。

關鍵詞：玄武巖纖維改性處理;硅炭黑;硅藻土

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.030

1 研究背景

玄武巖纖維自法國人于1923年獲得拉制相關的纖維專利以來，距今已有90多年的歷史[1]。近年來，玄武巖纖維及其復合材料相關產業，受到國家的大力扶持。玄武巖纖維（Basalt Fiber，BF）的生產極具特色，原料十分簡單，只需要由火山噴發冷卻形成的玄武巖礦石，經過高溫加熱處理，重新回歸熔融狀態，隨后通過拉絲合金漏板，即可獲得玄武巖纖維[2]。這一生產過程中，沒有多余的高污染產物，符合當今的綠色發展理念[3]。同時，玄武巖纖維也具備較好的物理、化學性能，絕緣性好，力學性能優異，且高溫穩定性遠高于玻璃纖維和碳纖維[4]。關于玄武巖纖維的相關研究由來已久，取得了不錯的纖維改性成果。在纖維改性領域較為常用的方法，有硅烷偶聯劑改性、高能激光改性、納米粒子改性、酸堿腐蝕處理等。本文對比兩種主成分為二氧化硅的微米級粒子——硅炭黑和硅藻土，硅藻土為特殊的多孔結構，硅炭黑為硅炭兩相材質，探究其在玄武巖纖維改性上的應用效果。

2 實驗研究

2.1 改性粒子處理及分析

本文采用的改性方法為懸濁液附著吸附處理，利用偶聯劑的枝接作用，來完成顆粒對纖維表面的粗糙化處理過程。

鑒于硅炭黑的硅炭雙相結構，對硅炭黑顆粒進行熱重分析，分析結果如圖2.1所示。

由熱重分析可知，硅炭黑兩相材料中含有約60%的生物碳成分，其余成分為無定型二氧化硅。生物質碳這一成分有利于其余樹脂的結合。

首先對兩種改性粒子球磨處理，細化顆粒，使得顆粒均勻性更好，對球磨前后的粒子進行粒徑分析。球磨前后的硅藻土如圖2.2所示。

球磨處理前的硅藻土如圖2.2（左），粒徑范圍大，平均粒徑約為37 μm，遠大于顆粒附著要求，其中4.5 μm以下的顆粒僅占2.6%左右。球磨后如圖2.2（右），10 μm以下的顆粒占比大幅提高，但仍有較多大顆粒存在，平均粒徑24 μm，滿足附著需求的4.5 μm以下的顆粒約占35%。

硅炭黑顆粒球磨前的尺寸分布如圖2.3（左）所示，其粒徑分布相比于硅藻土均勻性更好，平均粒徑11 μm，其中滿足粒徑需要的（小于4.5 μm）占比為27%，也需要進一步細化。球磨細化處理后的粒徑分布如圖2.3（右），粒徑大幅減小，平均粒徑達5.2 μm，其中54.6%的尺寸小于4.5 μm，可滿足附著需要。

2.2 玄武巖纖維改性及表征

用分別用硅藻土和硅炭黑作為改性粒子，配制懸濁液，將水解后的硅烷偶聯劑與懸濁液混合，配制改性硅炭黑懸濁液。采用懸濁液流動附著的方式，對玄武巖纖維完成枝接改性處理，改性處理后的纖維烘干保存。

3 結語

通過實驗對比，硅藻土和硅炭黑都需要經過球磨處理，才能滿足附著改性的粒徑需要，且硅炭黑的粒徑分布更均勻，滿足需求的顆粒量更多。對比改性后的纖維表面效果，可見硅炭黑用于玄武巖纖維改性的效果更好，能夠滿足提高纖維表面粗糙度的改性目標。同時，硅炭黑顆粒可采取進一步細化措施，來提高可用的改性顆粒占比。

參考文獻：

[1]郭歡，麻巖，陳姝娜.連續玄武巖纖維的發展及應用前景[J]. 中國纖檢，2010（05）：76-79.

[2]JAMSHAID H，MISHRA R.A green material from rock：basalt fiber-a review[J].Journal of the Textile Institute Proceedings and Abstracts，2016，107（07）：15.

[3]LARRINAGA P，Chastre C，Biscaia H C，et al.Experimental and numerical modeling of basalt textile reinforce[J].Materials Design，2014，55（06）：66-74.

[4]郭昌盛，楊建忠，姚一軍.連續玄武巖纖維改性方法的研究[J]. 高科技纖維與應用，2015，40（01）：24-28.

基金項目：車用結構件玄武巖纖維復合材料改性及成型工藝開發（20170204017GX）

課題來源：吉林省科技廳重點科技攻關項目

作者簡介：梁繼才（1960-），男，吉林長春人，博士，教授，研究方向：材料加工工程。