玄武巖纖維界面改性研究進展

呂婷婷 呂麗華

（大連工業大學，遼寧大連，116034）

玄武巖纖維的原料是天然玄武巖礦石，經過1 450 ℃～1 500 ℃高溫熔融后，再經拉絲制成連續纖維［1］。中國四大高技術纖維包括玄武巖纖維、碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維［2］。與碳纖維相比，玄武巖纖維的價格比較低廉；與超高分子量聚乙烯纖維和芳綸相比，玄武巖纖維的生產過程比較簡單［3］，并且玄武巖纖維是綠色生態環保材料，可以在土壤中直接降解，是國家定義的關鍵戰略性材料［4］。玄武巖纖維增強復合材料在隔熱耐溫、石油化工領域、航天航空以及汽車船舶領域得到了廣泛的應用［5?6］。玄武巖纖維增強復合材料一般由增強相、基體相和界面相構成，增強相主要起到承載作用，基體相主要起連接增強相和傳載作用，界面相相當于橋梁，連接著增強相和基體相，是應力的傳遞者［7］。纖維增強復合材料的各項力學性能均受界面性質的影響，尤其是層間剪切、斷裂等性能［8］。在纖維增強復合材料中，提高其界面性能的方法稱之為界面改性，纖維的表面改性是提高纖維增強復合材料界面性能的有效方法之一。玄武巖纖維改性主要集中于酸堿刻蝕改性、等離子體改性、納米改性、偶聯劑改性處理以及稀土改性等［9］。

1 酸堿刻蝕改性

酸堿刻蝕纖維表面處理是利用酸堿溶液對纖維表面進行刻蝕處理，處理后的纖維表面會出現凹槽，在纖維與基體進行復合時，凹槽中會進入一些高分子聚合物的鏈段，使得纖維表面的凹槽起到類似于錨固的作用，進一步提高了纖維與聚合物基體的界面結合強度［10］。解玉潔等人采用酸堿刻蝕法對玄武巖纖維進行改性處理，從而提高玄武巖纖維表面粗糙度［11］。MANIKAN?DAN V 等人研究表明酸堿刻蝕處理有助于玄武巖纖維與不飽和聚酯的黏結［12］。LEE S O 等人研究了酸堿刻蝕處理的玄武巖纖維與環氧樹脂復合材料的力學性能［13］，試驗結果表明：復合材料的層間剪切強度和斷裂韌性都得到增強。經過酸堿刻蝕處理即便有助于提高界面的結合強度，但是酸堿刻蝕不宜單獨使用，單獨使用時，紗線或纖維的力學性能均表現出下降的趨勢。

2 等離子體改性

等離子體改性法與酸堿刻蝕改性處理的作用原理相似，纖維表面通過等離子體的撞擊發生刻蝕，進而增加纖維的比表面積，以此提高纖維與基體的結合能力，且該處理方法操作簡單，對環境不造成污染［14］。DOWLING D P 等人研究發現經等離子體處理的玄武巖纖維增強復合材料與未經處理的玄武巖纖維增強復合材料相比，彎曲模量和最大剪切應力均有所提高，其原因可能是由于聚合物和纖維之間的界面結合強度的增加［15］。ZHANG M L 等人為了提 高有機硅吸附玄武巖纖維防護服織物的性能，織物在表面涂層之前，先采用等離子體進行預處理，以此改善玄武巖纖維的物理性能，提高涂層的均勻性［16］。KIM M T 等人研究了低溫氧等離子體表面處理玄武巖纖維對玄武巖/環氧機織復合材料層間斷裂行為的影響［17］。等離子體改性效果取決于氣體的種類、真空度、功率以及處理時間等因素［18］。因此，等離子體處理纖維表面只有方法得當、條件合適才能獲得較好的效果。

3 納米改性

納米粒子在纖維表面通過物理作用或化學方法進行附著，從而使纖維與基體的黏結性能得到提高，納米粒子是一種粒子尺寸小、表面活性大的納米級顆粒，可以提高基體在纖維表面的鋪展性，有助于基體浸潤到纖維表面，此外，納米粒子的引入可以增加纖維表面粗糙度，有利于纖維與基體間的機械互鎖作用［19］。BULUT M 研究了石墨烯納米粒子對玄武巖纖維/環氧復合材料層合板力學性能的影響，通過纖維?納米粒子?環氧樹脂的相互作用，提高了界面結合強度，進而增強其力學性能［20］。ABDI A 等人研究了硅烷化的碳酸鈣納米粒子對玄武巖纖維/環氧復合材料力學性能的影響，結果表明，硅烷化的碳酸鈣納米粒子的加入使環氧樹脂基體與玄武巖纖維之間具有良好的附著力，顯著提高了復合材料的力學性能［21］。LI X 等人制備了納米二氧化硅改性玄武巖纖維/環氧復合材料，納米二氧化硅作為介質，促進環氧樹脂分子滲透到玄武巖纖維之間并與玄武巖纖維結合，提高了復合材料的力學性能［22］。但是納米材料易團聚、難以分散的缺點會導致纖維表面的納米材料分布不勻，會影響復合材料界面結合性能。

4 偶聯劑改性

偶聯劑在復合材料中既能與有機聚合物發生反應，又可以與無機物表面發生化學鍵合，可將兩種不相容的物質結合在一起，從而提高復合材料力學性能［23］。偶聯劑的種類繁多，硅烷偶聯劑是玄武巖纖維改性中常用的偶聯劑。王林等人為改善玄武巖纖維與水泥基材料的界面結合作用，使用3 種硅烷偶聯劑對玄武巖纖維進行表面處理，試驗結果表明，改性后的復合材料力學性能均有所提高［24］。LEE J J 等人將硅烷偶聯劑按官能團的不同與環氧樹脂和酸酐固化劑發生不同的化學反應，研究認為硅烷偶聯劑對復合材料的熱性能和界面改善有很大的影響［25］。KON?STANTIN L 等人研究了硅烷偶聯劑和納米復合涂層對玄武巖纖維復合材料力學性能的影響，試驗表明，硅烷偶聯劑在玄武巖纖維的強度保持中起著關鍵作用［26］。LIU S Q 等人制備了玄武巖纖維/聚乳酸復合材料，硅烷偶聯劑成功地將玄武巖纖維與聚乳酸連接，提高了玄武巖纖維/聚乳酸復合材料的界面結合強度［27］。硅烷偶聯劑應用于玄武巖纖維復合材料的優勢主要體現在改善纖維與樹脂界面強度，水分進入纖維與樹脂界面受阻，提高材料的力學性能。

5 稀土改性

由于稀土元素的4f 價電子層結構特殊，使其具有較高的化學活性，可通過化學鍵合和物理吸附原理對纖維表面進行處理，從而提高纖維與基體的界面親和力［28］。趙金龍研究了稀土元素鈰對玄武巖纖維/環氧復合材料力學性能的影響，試驗結果表明：稀土元素一方面可以與玄武巖纖維以及環氧樹脂分子鏈發生化學鍵合；另一方面可以增加玄武巖纖維表面粗糙度，這兩種方式都可以提高界面結合強度，從而提高其力學性能［29］。王琢研究了稀土元素鑭對玄武巖纖維/環氧復合材料力學性能的影響，試驗結果表明：稀土元素鑭可以同時與玄武巖纖維表面的非金屬元素和樹脂發生反應形成配位鍵，使得兩相之間的結合力得到大大的提高，從而提高其力學性能［30］。朱苗淼等人制備了稀土改性玄武巖纖維布增強雙酚A型二氰酸酯復合材料，改性后的玄武巖纖維表面缺陷減少，呈現出更多的凸起，從而有利于纖維與樹脂基體的“機械錨定”，進而增強復合材料的界面性能［31］。稀土改性劑具有獨特的物理、化學性能，對環境無污染，處理效果好，配制工藝簡單［32］。并且稀土改性方法不僅能避免對玄武巖纖維結構的破壞，還能在一定程度上提高纖維的吸附性能及復合材料的力學性能。

6 結束語

對玄武巖纖維進行不同形式的表面改性處理可以有效改善玄武巖纖維增強復合材料界面的結合性能，從而提高復合材料的整體力學性能。酸堿刻蝕改性處理有助于提高界面的結合強度，但酸堿刻蝕不宜單獨使用，單獨使用時，纖維或紗線的力學性能表現出稍有下降的趨勢；等離子體改性處理的影響因素較多，只有方法得當才能獲得較好的效果；納米改性處理由于納米材料易團聚、難以分散的缺點仍然會使復合材料的界面結合性能稍有降低；稀土改性處理對環境友好。目前，偶聯劑處理玄武巖纖維效果較好，是改善復合材料綜合性能的重要途徑，但其實際的利用率相對較低。因此，提高偶聯劑與玄武巖纖維表面的結合效率是今后研究的重點。通過對玄武巖纖維預處理及改性方法的深入研究，對玄武巖纖維增強復合材料界面特性及成型機理研究進行完善，進一步提高玄武巖纖維增強復合材料的穩定性以及綜合應用性能，以此推動復合材料在未來市場上的應用。