玄武巖鱗片的表面改性及應用前景

劉曉東，崔向紅，何冬青，于麗杰，李天智

(黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱 150020)

0 引 言

玄武巖鱗片是一種新型環保材料，其主要成分為二氧化硅，性能與玻璃鱗片相近，因為在組成成分上有所差異，玄武巖鱗片重的鐵含量更高，所以相比玻璃鱗片，在耐堿腐蝕性能上要優于玻璃鱗片。當前全世界只有烏克蘭擁有玄武巖鱗片的制造技術，具有壟斷性的技術優勢，俄羅斯產玄武巖鱗片片徑較小，其尺寸分布在幾微米到幾十微米之間，而國產玄武巖鱗片的片徑較大，厚度一般在3 μm左右，尺寸一般在25 ～ 3 mm左右(如圖1所示)。玄武巖纖維主要由SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO、TiO2等組成，其中SiO2和Al2O3占70%以上(如圖2所示)。

1 表面處理方法

現有的利用玄武巖鱗片制備復合材料時，是將玄武巖鱗片直接加入到聚合物基體混合，由于玄武巖鱗片的鱗片結構，使其在聚合物基體中的分散性差，與聚合物基體的結合力弱，使得復合材料的綜合性能難以大幅度提高。

文中采用硅烷偶聯劑對其表面進行處理，采用大功率超聲和高速剪切相結合的處理工藝，使其表面附著大量的有機官能團，可與聚合物基體材料進行化學鍵合，同時可以根據不同的聚合物體系和應用要求，在鱗片纖維表面接枝不同的活性官能團，不使用特殊裝置，無需高溫高壓條件，工藝簡單。改性后提高了界面相容性，改善了纖維團聚現象。

1.1 表面處理工藝

首先將玄武巖鱗片纖維在硅烷偶聯劑醇溶液中高速剪切分散與超聲振蕩分散處理方法，增加鱗片纖維和硅烷偶聯劑的接觸，提供充分反應機會，超聲處理也會對玄武巖鱗片纖維表面進行刻蝕，增大纖維粗糙度和表面積，促進硅烷偶聯劑更多的以氫鍵的方式附著于鱗片的表面和邊緣。接著，在室溫下放置足夠長的時間，使其與空氣中的水分接觸，硅烷偶聯劑水解為硅醇，為其能夠與鱗片纖維的無機物組分形成穩定的Si-O-鍵連接打下良好基礎。本發明通過玄武巖鱗片纖維表面和邊緣大量的有機官能團修飾，改善其界面相容性，使其可與聚合物基體材料進行化學鍵合，相對于樹脂中直接添加偶聯劑，預處理能對鱗片起到有效均勻改性作用，在樹脂中有更好的浸潤作用，與樹脂界面形成的化學鍵，大大改善了纖維團聚現象，從而聚合物的性能得到提高，適用于聚合物基功能復合材料的制備。

1.2 表面處理對比試驗

按硅烷偶聯劑KH550的質量百分濃度為1%，將硅烷偶聯劑KH550加入到乙醇中，得到硅烷偶聯劑KH550醇溶液；將5 g玄武巖鱗片纖維加入到100 g偶聯劑KH550醇溶液中，得到混合液；將混合液放在燒杯中，用高速剪切攪拌機在轉速為2 000 rpm的條件下高速剪切攪拌20 min；然后再在功率為500 W的超聲波清洗機中分散20 min；將經步驟二處理后的玄武巖鱗片纖維過濾出來，乙醇清洗3次，烘干，在25 ℃室溫下放置24 h，使硅烷偶聯劑有足夠的時間與空氣中的水分接觸，完成玄武巖鱗片纖維的表面處理。

對比試驗：將5 g玄武巖鱗片纖維加入到100 g偶聯劑KH550醇溶液中，得到混合液，再將混合液用電動攪拌器以50 rpm的低速攪拌40 min，其他步驟與上述試驗相同。對比測試結果如圖3-圖5所示。

從圖3可以看出，改性后玄武巖鱗片纖維在3 300～3 500 cm-1處出現了多個彌散的尖峰，說明其表面接入了氨丙基官能團，1 074～960 cm-1處的雙尖峰為典型的硅氧鍵峰型，證明了硅烷偶聯劑在纖維表面成功接枝；圖5僅在2 923 cm-1處有微弱的亞甲基振動峰，未經過高速剪切與超聲振蕩處理，經過醇洗烘干后，其紅外光譜中氨基的彌散峰沒有出現，說明偶聯劑未能接枝在纖維表面或含量很少。

2 應用前景

玄武巖纖維綜合性能優異，由于玄武巖鱗片中鐵氧化物、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鈣含量高，不僅能產生屏蔽效應，而且在耐酸堿和耐腐蝕性能方面也有獨特的優勢，以玄武巖纖維為增強體可制成各種性能優異的復合材料，可在較大程度上替代玻璃纖維、碳纖維，廣泛應用于航空航天、石油化工、建筑、車船制造、消防、環保等軍工和民用領域。