玄武巖纖維改性樹脂的研究進(jìn)展

崔寶玉(遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 201203)

玄武巖纖維改性樹脂的研究進(jìn)展

崔寶玉(遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 201203)

本文首先簡(jiǎn)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(huán)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(fù)合材料這五個(gè)方面詳細(xì)闡述了玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂的研究進(jìn)展。最后就玄武巖纖維及其復(fù)合材料在未來(lái)的發(fā)展動(dòng)向作了幾點(diǎn)預(yù)測(cè)。

玄武巖纖維；表面改性；增強(qiáng)樹脂；發(fā)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(wú)機(jī)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(yōu)異的力學(xué)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(wú)任何添加劑、無(wú)毒，是對(duì)環(huán)境無(wú)污染的“綠色環(huán)?！崩w維材料，具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值[2,3]。玄武巖纖維可以廣泛應(yīng)用于軍工、航天航空、建筑、船體、環(huán)保、消防、汽車材料以及民用領(lǐng)域等[4]。玄武巖纖維可以很好地應(yīng)用于聚合物中，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其改性樹脂的研究已經(jīng)有很多，所采用的聚合物基體有環(huán)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(jìn)行混紡的，這些改性都獲得了綜合性能更優(yōu)、應(yīng)用范圍更廣的聚合物復(fù)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(wú)機(jī)材料，其表面對(duì)有機(jī)高分子呈化學(xué)惰性，與聚合物基體復(fù)合時(shí)難以形成理想的界面黏結(jié)，而影響制品的力學(xué)性能和表面形態(tài)。因此，必須對(duì)其進(jìn)行表面改性處理，目前針對(duì)玄武巖纖維表面處理的方法主要有偶聯(lián)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(guān)硅烷偶聯(lián)劑改性的研究是目前最普遍的，也是改性工藝和機(jī)理都相對(duì)成熟、穩(wěn)定的一種；而且這幾種表面改性方法相比，硅烷偶聯(lián)改性可以有效改善玄武巖纖維和復(fù)合基體之間的界面粘結(jié)性，提高復(fù)合材料力學(xué)性能，是一種切實(shí)有效的方法。

2 玄武巖纖維改性樹脂的研究進(jìn)展

玄武巖纖維改性樹脂基復(fù)合材料不僅繼承了玄武巖纖維的優(yōu)異的物理和機(jī)械性能，還具有樹脂基體的性能，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，拓寬了各自的應(yīng)用領(lǐng)域。這幾十年來(lái)倍受青睞，目前已研發(fā)了多種玄武巖纖維/樹脂復(fù)合材料。

2.1 玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂的附著力強(qiáng)，固化收縮率小，制品尺寸穩(wěn)定性好，力學(xué)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(yīng)更高要求，可利用玄武巖纖維對(duì)其進(jìn)行改性。

Kim MT等[8]用低溫氧氣等離子體對(duì)玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂編織材料進(jìn)行了表面處理，使纖維表面發(fā)生物理蝕刻而且還有含氧、氮化學(xué)官能團(tuán)的形成。

陳國(guó)榮等[9]用KH-550處理的納米SiO2粒子得到有機(jī)/無(wú)機(jī)的雜化材料，用來(lái)改性玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。曹海琳等[10]也采用環(huán)氧/SiO2納米雜化材料對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性。

Huonnic N等[11]用纏繞成型法制備了玄武巖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試樣，并通過噴砂來(lái)促進(jìn)表面鍍上的熔融的鋁顆粒粘連。結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)偶聯(lián)劑的選擇對(duì)連續(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的拉伸強(qiáng)度的影響最顯著。Lee JH等[13]發(fā)現(xiàn)硅烷改性的碳納米管/玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有更高的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量、儲(chǔ)能模量和玻璃化溫度。嵇培軍等[14]研究了連續(xù)玄武巖纖維/9518G樹脂復(fù)合材料的耐熱性、力學(xué)性能以及濕熱對(duì)力學(xué)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(xué)性能、耐熱性能、高殘?zhí)悸屎偷蜔煹投镜忍匦?，廣泛應(yīng)用于防腐蝕工程、膠黏劑、阻燃材料、摩擦材料等行業(yè)。近年來(lái)，綠色酚醛樹脂的研究已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

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(fù)合材料，以提高復(fù)合材料的摩擦損耗性能。

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

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

2.3 玄武巖纖維/乙烯基樹脂

乙烯基樹脂是一種國(guó)際公認(rèn)的耐腐蝕樹脂，其力學(xué)性能優(yōu)異，可以在室溫下發(fā)生固化，目前乙烯基樹脂的發(fā)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(jìn)行。

Carmisciano S等[19]以相同纖維體積分?jǐn)?shù)的玄武巖纖維和E-玻璃纖維織物增強(qiáng)的乙烯基樹脂復(fù)合材料進(jìn)行了研究，測(cè)試了片狀平紋雙向織物和多層布的特性。

李偉等[20]對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)不飽和聚酯和乙烯基樹脂復(fù)合材料分別進(jìn)行了沖壓式剪切試驗(yàn)，研究其在準(zhǔn)靜態(tài)下的剪切強(qiáng)度。徐艷華等[21]采用VARTM 工藝制備了玄武巖纖維/乙烯復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)這種復(fù)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(qiáng)力高于經(jīng)紗。

2.4 玄武巖/聚丙烯復(fù)合材料

聚丙烯是一種結(jié)構(gòu)規(guī)整的結(jié)晶性聚合物，材料的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性好，但易老化，低溫時(shí)變脆和沖擊性能差，可以通過共混和共聚的方法來(lái)改性。

Czigány T[22]用馬來(lái)酸酐與葵花籽油的反應(yīng)混合物對(duì)玄武巖纖維進(jìn)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(xù)的玄武巖纖維和玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的拉伸性能以及其界面改性對(duì)力學(xué)性能的影響[23]。

劉雙雙等[24]研制出一種玄武巖/玻纖/丙綸結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行測(cè)試。

2.5 玄武巖/聚酰胺復(fù)合材料

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

Deák T等[25]分別用硅烷偶聯(lián)劑GF80、GF91、GF93對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行了表面處理，結(jié)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(nèi)鋪設(shè)織物，來(lái)增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，制備的混雜復(fù)合材料不但結(jié)合了玄武巖纖維和尼龍纖維優(yōu)良的機(jī)械性能和耐沖擊特性，而且復(fù)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(lián)劑改性尼龍66/玄武巖纖維復(fù)合材料。

此外，朱欽欽[28]對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備及性能進(jìn)行了研究。童慶[29]對(duì)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(wú)堿玻纖濾料的耐溫性能和結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行了對(duì)比研究。

3 展望

玄武巖纖維聚合物基復(fù)合材料比傳統(tǒng)的復(fù)合材料具有更優(yōu)異的綜合性能，應(yīng)用在民用、工用、國(guó)防和航天航空等。但目前對(duì)于此類復(fù)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(fù)合材料的研究與開發(fā)無(wú)疑具有重要的意義。

玄武巖纖維及其聚合物基復(fù)合材料的未來(lái)研究主要有以下幾個(gè)方面：第一，改進(jìn)工藝與設(shè)備的研發(fā)以提高設(shè)備生產(chǎn)能力，克服其密度，硬度，耐磨損等的限制，實(shí)現(xiàn)其深加工，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。第二，玄武巖纖維表面光滑、表面活性低且呈極強(qiáng)的化學(xué)惰性，故其與樹脂基體間的界面粘接性能很差，從而嚴(yán)重影響其在高性能復(fù)合材料中的應(yīng)用。因此，對(duì)纖維進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)纖維與不同種類樹脂基體的界面粘結(jié)性和層間剪切強(qiáng)度。第三，完善纖維增強(qiáng)樹脂的機(jī)理，探索纖維含量與復(fù)合材料性能之間的關(guān)系等。相關(guān)技術(shù)的突破將使有機(jī)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的開發(fā)具有重要意義，并且對(duì)于航天、航空和國(guó)防等高新技術(shù)領(lǐng)域復(fù)合材料的更新?lián)Q代產(chǎn)生推動(dòng)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了硅烷偶聯(lián)劑表面處理法、等離子處理法和漿料涂層法對(duì)玄武巖纖維的表面進(jìn)行改性。從玄武巖纖維/環(huán)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(fù)合材料等方面闡述了玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂的研究進(jìn)展，提出了玄武巖纖維聚合物基復(fù)合材料的發(fā)展方向。

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