浸潤劑對玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)研究

汪李李，劉澤煜，董施藝，袁夢云，聶 敏，陳 鵬

(六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與機(jī)械工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

玄武巖纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，被廣泛應(yīng)用于樹脂基、金屬基復(fù)合材料的加強(qiáng)筋[1-2]。我國玄武巖礦石分布廣泛，且具有較好的質(zhì)量，為生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的玄武巖纖維提供了較為豐富的原料[3-4]。玄武巖熔融拉絲制備纖維過程中不會有硼和其他堿金屬氧化物排出，且玄武巖纖維分解后能自然降解，不會對環(huán)境造成二次污染[5-6]。在資源枯竭、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展壓力不斷加劇的過程中，率先發(fā)展玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，玄武巖纖維的發(fā)展還面臨著浸潤劑穩(wěn)定性差、纖維實(shí)際抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度等問題[7-8]。有研究顯示，浸潤劑涂層后的玄武巖纖維力學(xué)性能顯著增強(qiáng)，且浸潤劑涂層后可增強(qiáng)玄武巖纖維的集束性[9]。因此，配制高性能的玄武巖纖維專用浸潤劑對提高該纖維的抗拉強(qiáng)度具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用玄武巖纖維來自貴州某玄武巖纖維生產(chǎn)公司，纖維直徑17 μm，表面無浸潤劑涂層。試劑：環(huán)氧樹脂(AR)、硅烷偶聯(lián)劑KH5550、KH560、KH570(AR)、十二烷基硫酸鈉(AR)、十二烷基三甲基氯化銨(AR)、冰乙酸(AR)、司班80(AR)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1浸潤劑的配制

①成膜劑的稀釋。實(shí)驗(yàn)以環(huán)氧樹脂為成膜劑，以司班80和十二烷基硫酸鈉為乳化劑。量取30 mL環(huán)氧樹脂和120 mL去離子水，加入適當(dāng)乳化劑乳化，稀釋，獲得成膜劑溶液備用。②偶聯(lián)劑的水解。以硅烷偶聯(lián)劑KH550、KH560、KH570為偶聯(lián)劑，取偶聯(lián)劑用量的30倍去離子水，滴加冰乙酸調(diào)節(jié)pH值。在攪拌條件下，分別將偶聯(lián)劑慢慢滴入調(diào)好pH值的去離子水中，直到溶液澄清。③抗靜電劑的配制。取一定量的十二烷基三甲基氯化銨，加入十二烷基三甲基氯化銨用量20～25倍的去離子水中，獲得抗靜電劑溶液備用。④各組分的混合。將稀釋好的成膜劑倒入容器中，在1 000～1 200r/min轉(zhuǎn)速攪拌下，依次加入一定量的抗靜電劑、偶聯(lián)劑，攪拌30 min后得到浸潤劑。

1.2.2力學(xué)性能測試

按照DB51T 2321—2017《玄武巖纖維單絲拉伸性能檢驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)，將從一束玄武巖纖維中隨機(jī)抽取單根纖維，稱為纖維單絲，再將纖維單絲制成纖維單絲試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到纖維單絲的拉伸斷裂力。每組實(shí)驗(yàn)的有效數(shù)據(jù)≥20個，且由公式(1)計算出纖維的單絲抗拉強(qiáng)度。

(1)

式中：σ，抗拉強(qiáng)度，MPa；F，拉伸斷裂力，N；d，纖維單絲直徑，m。

1.2.3紅外光譜分析

取少量的玄武巖連續(xù)纖維進(jìn)行研磨后得到玄武巖纖維粉末，取一定量的玄武巖纖維粉末與溴化鉀混合研磨，直至兩者完全混合后，利用壓片制樣器進(jìn)行制樣，將得到的樣品送入紅外光譜分析儀中進(jìn)行測量即可。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸潤劑穩(wěn)定性對比

按照浸潤劑配制方法，配制出成膜劑、抗靜電劑等組分相同，偶聯(lián)劑分別是KH550、KH560、KH570的3種浸潤劑，將其編號為1號、2號、3號浸潤劑。將3種浸潤劑靜置20 min，觀察沉淀現(xiàn)象，見圖1。

圖1 三種浸潤劑靜置20 min后對比圖

由圖1可知，1號浸潤劑沉淀明顯，2號、3號浸潤劑中無明顯沉淀。將2號和3號浸潤劑放在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的離心機(jī)中離心5 min后，觀察其沉淀現(xiàn)象，見圖2。

圖2 2號和3號浸潤劑離心后對比圖

由圖2可知，離心后的2號和3號浸潤劑均有沉淀，2號的沉淀少于3號浸潤劑，輕微搖晃后二者沉淀均消失，見圖3。

圖3 2號和3號浸潤劑離心搖晃后對比圖

2.2 紅外光譜分析

纖維原絲和涂覆2號、3號浸潤劑纖維的紅外光譜分別見圖4和圖5。

圖4 纖維原絲和涂覆2號浸潤劑纖維的紅外光譜

圖5 纖維原絲和涂覆3號浸潤劑纖維的紅外光譜

由圖4和5可以看出，纖維原絲與涂覆浸潤劑纖維的紅外光譜圖的整體趨勢一致，說明浸潤劑的涂覆沒有影響纖維的整體結(jié)構(gòu)。涂有浸潤劑的纖維在1 620～1 500 cm-1的峰比原來的更加明顯，可能原因是吸附在纖維上硅醇基團(tuán)的羥基伸縮振動(—Si—OH)引起的。而在3 000～2 800 cm-1區(qū)域主要是C—H的伸縮振動引起，主要來源于浸潤劑中的有機(jī)化合物。兩組涂覆浸潤劑后的玄武巖纖維與纖維原絲的紅外光譜圖對比，進(jìn)一步證實(shí)浸潤劑涂覆在玄武巖纖維上。

2.3 玄武巖纖維拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

玄武巖纖維原絲、涂覆2號、3號浸潤劑纖維的拉伸斷裂力和抗拉強(qiáng)度見圖6、圖7、圖8和表1。由圖6、圖7、圖8及表1可以看出，纖維原絲的拉伸斷裂力為0.26 N。根據(jù)公式(1)，計算出其抗拉強(qiáng)度為1 146.06 MPa。由圖8及表1可知，2號浸潤劑涂覆的纖維的拉伸斷裂力為0.48 N，根據(jù)公式(1)，計算出其抗拉強(qiáng)度為2 115.80 MPa。3號浸潤劑涂覆纖維的拉伸斷裂力為0.40 N，根據(jù)公式(1)，計算出其抗拉強(qiáng)度為1 763.16 MPa。

表1 大于0.25 mm粒級浮選正交試驗(yàn)結(jié)果

圖6 纖維原絲拉伸斷裂力和抗拉強(qiáng)度正態(tài)分布圖

圖7 2號浸潤劑涂覆纖維拉伸斷裂力和抗拉強(qiáng)度正態(tài)分布圖

圖8 3號浸潤劑涂覆纖維拉伸斷裂力和抗拉強(qiáng)度正態(tài)分布圖

綜上所述，涂覆浸潤劑的纖維，其拉伸斷裂力顯著提高，其中經(jīng)2號浸潤劑涂覆的纖維抗拉強(qiáng)度提高了84.62%，經(jīng)3號浸潤劑涂覆的纖維抗拉強(qiáng)度提高了53.85%。

3 結(jié)論

本研究配制的浸潤劑穩(wěn)定性好，浸潤劑涂層后的玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度顯著提高。①靜置20 min后的3種浸潤劑中，1號浸潤劑的沉淀較多，2號和3號浸潤劑無明顯沉淀，離心后的2號和3號浸潤劑底部均有沉淀，但輕微搖晃后沉淀消失。1號浸潤劑穩(wěn)定性差，2號、3號浸潤劑穩(wěn)定性良好。②經(jīng)2號浸潤劑涂層后的玄武巖纖維，拉伸斷裂力由0.26 N提升至0.48 N；抗拉強(qiáng)度由1 146.06 MPa提升至2 115.80 MPa，比纖維原絲提高了84.62%。③經(jīng)3號浸潤劑涂層后的玄武巖纖維，拉伸斷裂力由0.26N提升至0.40N；抗拉強(qiáng)度由1 146.06 MPa提升至1 763.16 MPa，比纖維原絲提高了53.85%。本研究可以為配制穩(wěn)定性好的玄武巖纖維用浸潤劑提供借鑒，對提高玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度具有重要意義。