低溫等離子體對連續(xù)玄武巖纖維改性研究

孫愛貴

（芬蘭瑞瑪公司上海代表處，上海 200051）

低溫等離子體對連續(xù)玄武巖纖維改性研究

孫愛貴

（芬蘭瑞瑪公司上海代表處，上海 200051）

針對連續(xù)玄武巖纖維表面光滑且呈化學惰性，纖維浸潤性差導致與樹脂基體復合粘結性較差的缺陷，實驗采用低溫等離子體法改性處理連續(xù)玄武巖纖維。在放電時間3 min，放電壓強20 Pa條件下，改變放電功率，觀察連續(xù)玄武巖纖維表面形貌、力學性能、表面摩擦因數(shù)和浸潤性的變化。結果表明，隨著放電功率的增大，連續(xù)玄武巖纖維斷裂強度下降、摩擦因數(shù)增大和浸潤性提高。

連續(xù)玄武巖纖維；低溫等離子體；表面改性；力學性能；摩擦系數(shù)；浸潤性；研究

0 引言

連續(xù)玄武巖纖維與其他高性能纖維相似，截面呈圓形，表面比較光滑且化學性能呈惰性，因為纖維在玄武巖礦石熔融拉制冷卻形成固態(tài)纖維之前，由于自身表面張力的作用，致使其表面收縮成表面積最小的圓形[1～2]。而連續(xù)玄武巖纖維的應用主要是作為復合材料的增強體，這就在很大程度上限制了其復合材料的綜合性能。

目前，對連續(xù)玄武巖纖維的改性方法主要有偶聯(lián)劑處理法、表面涂層法、酸堿處理法、高能輻射法等[3～4]。雖然每種方法都有一定的處理效果，但也均存在相應的缺陷。如偶聯(lián)劑處理法在選擇合適的偶聯(lián)劑以及量的比例比較難；酸堿處理法對纖維損傷比較大、處理工藝復雜且污染環(huán)境；表面涂層法對纖維本體的性能影響比較大；而低溫等離子體改性技術相對綠色環(huán)保，且對纖維力學性能影響較小。故實驗采用低溫等離子體法對連續(xù)玄武巖纖維進行表面改性處理，并對改性后纖維力學性能、表面摩擦性、表面形貌SEM以及表面浸潤性的變化進行測試及表征分析，研究低溫等離子體放電功率的變化對連續(xù)玄武巖纖維綜合性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：連續(xù)玄武巖絲束，單絲細度1.1 dtex，四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司產品。

儀器：HD-1B型輝光放電低溫等離子體儀；YG006（B）型單纖維強力機；Y151型纖維摩擦系數(shù)測定儀；JSM-6700F型電子掃描顯微鏡(SEM）；YG（B）871型毛細管效應測定儀；DF-4型壓片機；JC2000C3型接觸角測量儀。

1.2 試樣制備

絲束形式：在溫度200 ℃，相對濕度65%的條件下，將連續(xù)玄武巖纖維絲束剪成長度為25 cm的長纖維絲束，且以絲束的形式等間距的粘在玻璃棒兩側，盡可能保證等離子體可以從各個方向輻射到絲束，每支玻璃棒上粘貼6 束絲束，共6 支玻璃棒。

單絲形式：在溫度200 ℃，相對濕度65%的條件下，把連續(xù)玄武巖絲束剪成長度約為5 cm的短纖維絲束，然后把每段絲束盡可能拆分成單絲，保證纖維表面受等離子體輻射均勻，使纖維團盡可能保持蓬松和無重疊的狀態(tài)，制得18 個纖維團試樣。

1.3 實驗方法

1.3.1 空氣低溫等離子體處理

采用HD-1B型低溫等離子體儀，以空氣作為反應氣體條件對連續(xù)玄武巖纖維進行改性處理。隨機選取1 支玻璃棒（6 束絲束）加3 個纖維團試樣放入反應室內，然后密封反應室，啟動3 個真空泵，抽至反應室壓強至（2～3 Pa）。在溫度200 ℃和相對濕度65%的條件下，設置及調節(jié)參數(shù)至：氣壓20 Pa，時間3 min，功率分別為50、100、150、200和250 W，對試樣進行處理。

1.3.2 力學性能測試

YG006（B）型單纖維強力機，在溫度200 ℃和相對濕度65%的條件下，參數(shù)設置如下：預加張力0.5 cN，拉伸類型：等速拉伸，夾持距離20 mm，拉伸速度20 mm/min。由于連續(xù)玄武巖纖維單絲比較細，且脆性較大，很難用直接單纖維強力機進行拉伸試驗。故需要制作單絲強力測試輔助板（示意圖如1-a），實物如圖1-b。粘貼時，先用環(huán)氧樹脂粘貼一端，確保單絲伸直且平行于輔助板中心線后，再用環(huán)氧樹脂固定另一端，拉伸時再輕輕剪開側邊的紙板。粘有兩根單纖維的，可從中間平行于單絲剪開做兩次單絲拉伸實驗，從而提高效率。

1.3.3 摩擦性能測試

采用絞盤法[5]測試經低溫等離子處理后連續(xù)玄武巖單絲表面靜和動摩擦系數(shù)。在溫度200 ℃和相對濕度65%的條件下，參數(shù)設置如下：試樣輥采用橡膠皮輥；皮輥轉速30 r/min；張力夾質量200 mg。

1.3.4 表面形貌觀察

利用JSM-6700F型電子掃描顯微鏡（SEM）觀察連續(xù)玄武巖纖維經過等離子體處理后的表面形貌微變化，可看到連續(xù)玄武巖纖維在不同條件等離子體下刻蝕的痕跡和微觀結構的變化。觀察連續(xù)玄武巖纖維試樣前，需要在連續(xù)玄武巖纖維表面需要噴金。

1.3.5 表面浸潤性

圖1 單絲強力測試輔助板示意圖及實物圖

毛細高度測量:采用YG（B）871型毛細效應測定儀測量連續(xù)玄武巖絲束芯吸高度，觀察高度的變化。參考《FZ/T0107-2008紡織品毛細效應試驗方法》，在溫度200 ℃和濕度65%的條件下，測試30 min時測芯吸高度，蒸餾水+碳素墨水作為溶液，溶液溫度250 ℃。

接觸角測量：在溫度200 ℃和相對濕度65%的條件下，采用OCA40Micro型全自動單絲接觸角測量儀測試連續(xù)玄武巖纖維單絲與去離子水間接觸角。

2 結果與討論

2.1 形態(tài)觀察

采用JSM-6700F型電子掃描顯微鏡（SEM）觀察連續(xù)玄武巖纖維經低溫等離子體處理前后表面的形貌特征變化。未經過低溫等離子體處理連續(xù)玄武巖纖維表面形貌特征如圖2-a，等離子體放電功率為50 W的連續(xù)玄武巖纖維表面如圖2-b，等離子體放電功率為150 W時連續(xù)玄武巖纖維表面如圖2-d。

可看出，未經低溫等離子體處理過的連續(xù)玄武巖纖維表面比較光滑，從而摩擦因數(shù)相對比較小，與其他基體復合時復合粘著性差。經過低溫等離子體處理后的連續(xù)玄武巖纖維，表面出現(xiàn)明顯的刻蝕，有小凸起生成。比較放電功率為50、100、150、200和250 W的試樣時，發(fā)現(xiàn)隨著放電功率的增大，凸起的數(shù)量也越來越多，甚至出現(xiàn)龜紋裂痕。

圖2 連續(xù)玄武巖纖維在電子掃描顯微鏡下表面形貌

2.2 力學性能分析

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，未經低溫等離子體處理過的連續(xù)玄武巖纖維的強度最大，達到7.6 cN/dtex。隨著放電功率的增大，纖維的斷裂強度整體上呈遞減的趨勢。 而纖維的斷裂伸長率變化波動比較大，特別是放電功率為150 W以后，當功率為200 W時，強力下降4.9%，功率為250 W時，下降更甚達到11.2%。而單絲的斷裂伸長率先增長，然后在慢慢下降。當放電功率在100和150 W時，伸長率的變化和斷裂強度的變化基本相似。

圖3 放電功率對單絲強伸性影響

2.3 摩擦性能分析

低溫等離子體對高性能纖維表面處理主要產生3 種作用：①刻蝕；②表面活化；③表面沉積。無論是那種作用對單絲表面性能的影響都較大，都能增大纖維表面的摩擦系數(shù)。連續(xù)玄武巖纖維單絲表面非常光滑，在測量單絲強度時，特別容易滑脫。由圖4可知，未經處理的單絲，靜摩擦系數(shù)0.33，動摩擦系數(shù)0.22，這也印證了測試單絲強力容易滑脫的原因。經過不同功率處理后的單絲，無論是動摩擦系數(shù)還是靜摩擦系數(shù)整體上升，且隨著放電功率的增大而逐漸增大，但靜摩擦系數(shù)增大的效果更明顯（提高60.1%）。動摩擦因數(shù)在放電功率50～150 W之間增大并不明顯，且在功率為100 W時下降，可能因為測試取實驗樣品時不均勻或不充分，導致測出的動摩擦因數(shù)出現(xiàn)降低。

2.4 表面浸潤性

2.4.1 毛細效應

由柱狀圖5可知，經過等離子體處理后，纖維的芯吸高度提高很大。未處理連續(xù)玄武巖絲束的毛細高度8.5 cm，放電功率為50 W時處理后毛細高度達到10 cm，比為處理的提高17.6%，隨著放電功率的繼續(xù)增加，芯吸高度整體持續(xù)增大，但幅度不太大。被放電功率為250 W條件處理后的試樣，芯吸高度可達到12.6 cm，比未處理的絲束提高48.2%，而放電功率在150 W時，芯吸高度反而出現(xiàn)小的下降。造成這種現(xiàn)象，可能是因為在放電刻蝕過程中，影響刻蝕因素很多，而其他控制因素未達到同一水平，出現(xiàn)誤差。

2.4.2 接觸角測試

單一的絲束芯吸高度未能充分表征連續(xù)玄武巖纖維浸潤性的改變，因此再采用比較成熟的單絲接觸角表征法。圖6是在放電壓強為20 Pa，時間為3 min，功率分別為0、150和250 W條件下處理的試樣與去離子水間接觸角照片。未經處理連續(xù)玄武巖纖維的接觸角為82.30，經過150 W處理后，接觸角下降到53.60，且接觸角隨著放電功率增大而整體上下降，在250 W時下降最為明顯。不同放電功率下，試樣的接觸角大小如表1。

圖4 放電功率對單絲摩擦性能影響

圖5 放電功率對絲束毛細效應的影響

圖6 壓制試樣接觸角圖像

表1 不同放電功率試樣的接觸角

3 結論

連續(xù)玄武巖纖維經過低溫等離子體改性后，其吸濕性得到改善，從理論上講有助于提高其復合材料的力學性能。在放電時間和放電壓強不變的條件下，隨著放電功率的提高，連續(xù)玄武巖纖維的力學性能逐漸下降，動靜摩擦因數(shù)整體上升，表面的浸潤性也得到提高。

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圖4 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹脂/CCF300復合材料的DMA曲線

3 結論

⑴ ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹脂為中溫固化樹脂，具有較好的工藝性，適合熱熔法制備預浸料。

⑵ ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹脂/CCF300碳纖維預浸料夾層結構的滾筒剝離強度高，具有較好的自粘性。

⑶ ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹脂/CCF300碳纖維預浸料復合材料的性能滿足工程指標要求，樹脂的耐熱性良好。

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The research of low temperature plasma modification of properties of the GBF

SUN Ai-gui

( Reima OY ShangHai Rep. Office, Shanghai 200051 China )

In view of the defects that continuous basalt fiber smooth surface and inert chemical property, poor fiber invasive leads to poor adhesion to the matrix composite, this experiment use low temperature plasma method to modify continuous basalt fiber. Discharge Time- 3min, Discharge pressure 20pa, by changing the discharge power, observe the variation of continuous basalt fiber surface morphology, mechanical properties, surface friction factor and the invasive. The result shows, when increase the discharge power, continuous basalt fiber fracture strength will decrease, but both of friction factor and wettability will increase.

continuous basalt; low-temperature plasma; modification treatment; mechanical performance; coefficient of friction; wettability

TQ343.41

A

1007-9815（2016）02-0051-05

定稿日期:2016-02-18

孫愛貴（1978-），女，江蘇泰州人，工程師，從事功能性紡織品技術研究，(電子信箱)elsa-public@163.com。