玄武巖纖維浸漬液的研究

王曉龍，許其軍，徐 玥，華潤(rùn)稼，彭美艷

（江蘇太極實(shí)業(yè)新材料有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225006）

玄武巖纖維是天然火山巖高溫熔融后通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。由于所用原材料不含和加工生產(chǎn)中不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，玄武巖纖維是一種真正的環(huán)保型纖維，同時(shí)其具有優(yōu)異的物理性能，因此玄武巖纖維成為世界各國(guó)競(jìng)相研發(fā)的高性能纖維。玄武巖纖維與芳綸纖維、碳纖維、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維并列為四大高性能纖維。

近些年，玄武巖纖維的制備及其在復(fù)合材料中的應(yīng)用均已取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在眾多領(lǐng)域，玄武巖纖維在性能上已經(jīng)可以達(dá)到，甚至超過(guò)芳綸纖維、碳纖維和鋼絲等材料，被廣泛用于道路土建、航空航天、軍事裝備、汽車(chē)船舶等領(lǐng)域。

作為橡膠骨架材料，除本身具有優(yōu)異性能外，還要求與橡膠具有良好的粘合性能。玄武巖纖維表面缺少活性基團(tuán)，與橡膠界面粘合性能較差，因此，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的玄武巖纖維浸漬液成為橡膠領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

本工作在單線浸膠機(jī)上進(jìn)行了連續(xù)化浸漬處理玄武巖纖維，確定了可使玄武巖纖維粘合良好的一浴和二浴浸漬液，同時(shí)研究了浸漬液對(duì)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維和錦綸66纖維的作用，為玄武巖纖維與錦綸纖維或PET纖維搭配使用及其混織織物應(yīng)用創(chuàng)造條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

玄武巖纖維，規(guī)格為660dtex/2，70捻·m-1，四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品。PET纖維，規(guī)格為1670dtex/2，370捻·m-1，江蘇太極實(shí)業(yè)新材料有限公司產(chǎn)品。錦綸66纖維，規(guī)格為1400dtex/2，370捻·m-1，神馬實(shí)業(yè)股份有限公司產(chǎn)品。丁吡膠乳和羧基丁苯膠乳，上海歐諾法化學(xué)有限公司產(chǎn)品。封閉異氰酸酯，牌號(hào)Grilbond?IL-6，己內(nèi)酰胺封端，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6；環(huán)氧樹(shù)脂G1701（縮水甘油醚型），瑞士EMSGriltech公司產(chǎn)品。環(huán)氧樹(shù)脂GE100和GE500，德國(guó)Raschig GmbH公司產(chǎn)品。環(huán)氧樹(shù)脂EX614B（山梨醇型）和環(huán)氧樹(shù)脂EX512，日本Nagase Chemtex Corporation公司產(chǎn)品。間苯二酚-甲醛-膠乳（RFL）和RFL-M（RFL調(diào)整后）體系，自制。

1.2 主要設(shè)備和儀器

LJJ-Ⅱ型單線浸膠機(jī)和LPS-1型簾線排線機(jī)，北京萬(wàn)匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品；3343型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司產(chǎn)品。

1.3 試樣制備

首先配制浸漬液，然后將玄武巖纖維置于單線浸膠機(jī)上進(jìn)行浸漬處理?？紤]到目前業(yè)內(nèi)多采用剝離力表征纖維骨架與橡膠粘合性能，因此本研究將浸膠纖維置于簾線排線機(jī)上排線，制成與橡膠共硫化的“三明治樣式”試樣。試樣硫化溫度為160 ℃，硫化壓力為3.0 MPa，硫化時(shí)間為15和60 min。硫化試樣進(jìn)行水冷卻，然后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試

剝離力和覆膠等級(jí)按照ASTM D 4393—2010《增強(qiáng)軟線或織物與橡膠化合物的搭接脫落粘合力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維浸漬液

目前，改善纖維骨架材料與橡膠粘合性能的有效方法是用RFL體系處理纖維骨架材料。對(duì)于錦綸纖維，直接用RFL體系一浴浸漬法很有效，但對(duì)于PET纖維及其他表面活性基團(tuán)不多的纖維，需要經(jīng)過(guò)二浴法浸漬方能實(shí)現(xiàn)其與橡膠的良好粘合。浸漬過(guò)程通常為一浴進(jìn)行活化處理，二浴采用RFL體系處理。

玄武巖纖維浸漬液如表1所示。

表1 玄武巖纖維浸漬液

從表1可以看出，1#試樣玄武巖纖維一浴和二浴均采用RFL體系，無(wú)法實(shí)現(xiàn)玄武巖纖維與橡膠之間的良好粘合。RFL體系在纖維骨架與橡膠粘合過(guò)程中的機(jī)理為：R和F中的羥基、羥甲基與纖維活性基團(tuán)作用，L膠乳與橡膠進(jìn)行共硫化交聯(lián)，通過(guò)上述化學(xué)鍵合，實(shí)現(xiàn)了纖維骨架和橡膠之間的粘合。1#試樣玄武巖纖維表面光滑，缺少活性基團(tuán)，無(wú)法直接與RFL體系配合。2#試樣玄武巖纖維采用目前PET纖維的浸漬處理方法處理，即先經(jīng)過(guò)D417體系一浴處理，然后經(jīng)過(guò)RFL體系二浴處理，得到結(jié)果依然不理想，玄武巖纖維并沒(méi)有像PET纖維一樣達(dá)到100%覆膠。2#試樣結(jié)果表明，需要采用不同于現(xiàn)有PET纖維浸漬液，才能活化玄武巖纖維，實(shí)現(xiàn)其與橡膠的粘合。

3#—7#試樣，一浴浸漬采用不同于RFL及D417的體系，分別選用了5種不同廠家及牌號(hào)的環(huán)氧樹(shù)脂浸漬液，發(fā)現(xiàn)除了5#試樣結(jié)果較好外，其余試樣的粘合效果均不良。8#—10#試樣浸漬液在5#試樣浸漬液的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)比5#，8#和9#試樣可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一浴浸漬液的環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.02增大到0.04時(shí)，玄武巖纖維與橡膠的粘合性能呈現(xiàn)先變好再變差的趨勢(shì)，環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)最優(yōu)值為0.03。

10#試樣浸漬液為在8#試樣浸漬液的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，以環(huán)氧樹(shù)脂為主要組分。從表1可以看出，10#試樣的剝離力較大，覆膠等級(jí)較高，其玄武巖纖維與橡膠的粘合性能達(dá)到要求。

2.2 浸漬液停放時(shí)間

考慮到工業(yè)生產(chǎn)的多樣性，浸漬液配置后，有時(shí)要延后使用，浸漬液停放時(shí)間對(duì)玄武巖纖維與橡膠粘合性能的影響如表2所示。

表2 浸漬液停放時(shí)間對(duì)玄武巖纖維與橡膠粘合性能的影響

從表2可以看出，浸漬液停放時(shí)間從零延長(zhǎng)至40 h，玄武巖纖維與橡膠的粘合性能并未下降，反而有所提高。

2.3 其他纖維

纖維骨架材料應(yīng)用于橡膠中，有時(shí)需要單品種使用，有時(shí)需要多品種配合使用。玄武巖纖維與其他骨架材料，如PET纖維和錦綸纖維等搭配使用時(shí)，需要浸漬液既能滿足現(xiàn)有二浴連續(xù)化浸漬工藝，又能實(shí)現(xiàn)各纖維與橡膠粘合性能良好。

采用相同工藝的不同纖維與橡膠的粘合效果如表3所示。

從表3可以看出，采用相同的一浴和二浴浸漬液、相同的浸漬溫度（230 ℃），硫化60 min的玄武巖纖維試樣和PET纖維試樣的剝離力均較大，覆膠等級(jí)均較高，硫化15 min的PET纖維試樣覆膠等級(jí)略低，此時(shí)略提高浸漬溫度至235 ℃，就可以較大幅度提高試樣的覆膠等級(jí)。

表3 采用相同工藝的不同纖維與橡膠的粘合效果

從表3還可以看出，采用相同的一浴和二浴浸漬液以及相同的浸漬溫度，硫化15和60 min的玄武巖纖維試樣和錦綸66纖維試樣的剝離力均較大，覆膠等級(jí)均為最高5級(jí)。

綜上所述，一浴采用AS體系，二浴采用RFL或RFL-M體系，可以實(shí)現(xiàn)玄武巖纖維、PET纖維和錦綸66纖維與橡膠的良好粘合。

3 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)選，確定了玄武巖纖維的浸漬液——以環(huán)氧樹(shù)脂為主的一浴浸漬液和RFL體系為二浴的浸漬液。使用優(yōu)選的浸漬液，對(duì)玄武巖纖維、PET纖維和錦綸66纖維進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了3種纖維與橡膠的良好粘合，使得玄武巖纖維與PET纖維或錦綸纖維的搭配使用成為可能；同時(shí)能滿足連續(xù)化生產(chǎn)的要求，浸漬液停放40 h后使用依然有效。