玄武巖纖維的處理方法對(duì)速生楊木-玄武巖復(fù)合材纖維結(jié)合特性的影響

摘要： 玄武巖纖維的表面改性處理是速生楊木-玄武巖纖維復(fù)合重組成材研究的關(guān)鍵步驟。研究采取堿液蝕刻玄武巖纖維并附著偶聯(lián)劑的方法進(jìn)行表面處理，旨在生成玄武巖纖維表面的微觀不規(guī)則凹凸蝕刻紋理、增強(qiáng)膠合界面互聯(lián)因子，從而優(yōu)化速生楊木-玄武巖纖維的復(fù)合性能。通過(guò)對(duì)不同處理方式后玄武巖纖維進(jìn)行掃描電鏡分析，以及對(duì)玄武巖單絲與絲束拉斷拉伸力實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解析，結(jié)果表明：不同條件下的堿液蒸煮和偶聯(lián)劑的浸附對(duì)提高玄武巖纖維表面的粗糙度、改善膠合界面性能有巨大影響，為無(wú)機(jī)非生物質(zhì)纖維與有機(jī)生物質(zhì)纖維的有效結(jié)合提供了重要的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 玄武巖纖維； 表面處理； 拉斷拉伸力

中圖分類(lèi)號(hào)： TS 66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1001 - 9499（2024）05 - 0052 - 04

楊木是我國(guó)主要速生樹(shù)種，具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)快、易膠合等特性，但速生楊木受樹(shù)齡、生長(zhǎng)速度、生長(zhǎng)環(huán)境等因素影響較大，木材品質(zhì)并不穩(wěn)定，因此為了獲得更大的力學(xué)強(qiáng)度及更多的應(yīng)用范圍，通常采用不同的方法對(duì)速生楊木進(jìn)行集成、復(fù)合。而以楊木為基材的重組木就是其中很主要的品類(lèi)。但是，傳統(tǒng)的重組木壓縮比較大，同單位體積下耗用的原料木材比較多，成品的比重過(guò)大，適用的范圍也受到了一定的限制。因此，需要借助具有高強(qiáng)度，高模量、高抗拉強(qiáng)度的非植物基連續(xù)纖維與速生楊木疏解纖維復(fù)合。在保證材料物理性能優(yōu)良的同時(shí)，還能降低復(fù)合材料的比重，從而得到一種新型的中等密度的復(fù)合結(jié)構(gòu)重組成材，這是木基與非木基材料復(fù)合成材領(lǐng)域的一種新的探索方向。

玄武巖纖維系玄武巖石材在1 450 ℃～1 500 ℃的熔融狀態(tài)下，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板以高速拉制而成[ 1 ]。作為純天然物質(zhì)生成的無(wú)機(jī)非植物纖維，玄武巖連續(xù)纖維具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和物理性能，不但有高強(qiáng)度、高模量、高抗拉強(qiáng)度等特點(diǎn)，同時(shí)還擁有電絕緣、抗腐蝕、耐高溫等多種優(yōu)異性能[ 2 - 3 ]。然而，玄武巖連續(xù)纖維表面比較光滑，可化合交聯(lián)因子稀少，表面化學(xué)惰性顯著，導(dǎo)致其纖維界面與熱固性酚醛樹(shù)脂基體之間分子間作用力較差，這些不利因素會(huì)弱化玄武巖連續(xù)纖維對(duì)復(fù)合基體性能的增強(qiáng)效果[ 4 ]。在此類(lèi)研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)玄武巖連續(xù)纖維實(shí)施表面改性處理，以提升玄武巖連續(xù)纖維與膠合劑的界面結(jié)合性能，是一個(gè)極其關(guān)鍵的步驟。

由于最終要與熱固型酚醛樹(shù)脂及速生楊木疏解纖維復(fù)合成型，因此，增加玄武巖連續(xù)纖維表面的粗糙度，使其膠合界面產(chǎn)生更多的官能團(tuán)，提高不同纖維之間的膠合強(qiáng)度就成為關(guān)鍵之舉。在以往的處理時(shí)往往采用較高濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)玄武巖連續(xù)纖維表面進(jìn)行堿液蝕刻處理，較高濃度的NaOH溶劑具有較強(qiáng)的腐蝕性，較長(zhǎng)時(shí)間的高溫浸漬處理在一定程度上也會(huì)極大地?fù)p傷玄武巖連續(xù)纖維的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，破壞其局部應(yīng)力穩(wěn)定性，降低纖維的抗拉性能，導(dǎo)致纖維對(duì)復(fù)合材料力學(xué)物理性能上沒(méi)有得到顯著的增強(qiáng)。因此有效地控制堿液濃度及蝕刻的時(shí)間，再繼續(xù)在玄武巖連續(xù)纖維表面浸附硅烷偶聯(lián)劑是非常重要的過(guò)程[ 4 - 5 ]。為了得到更符合重組成材所需要的玄武巖連續(xù)纖維，本研究做了以下三種實(shí)驗(yàn)。

1 堿液處理玄武巖連續(xù)纖維的拉伸力衰8d256635b130f86761e88c7f40d77921減變化對(duì)比實(shí)驗(yàn)

1. 1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

（1）采用吉林某公司生產(chǎn)的直徑為17um的脫漿玄武巖連續(xù)纖維；

（2）濃度1%NaOH分析純?nèi)芤海?/p>

（3）濃度1%HK550偶聯(lián)劑；

（4）環(huán)境掃描電鏡Apreo S，thermoscientific；

（5）電子纖維拉力測(cè)試儀。

1. 2 試件制取

實(shí)驗(yàn)采用的脫漿玄武巖連續(xù)纖維在濃度為1%、溫度為80 ℃的NaOH溶液中進(jìn)行浸漬。

1. 3 不同浸泡時(shí)間下的玄武巖連續(xù)纖維拉伸力影響

以下均為直徑17 um脫漿玄武巖連續(xù)纖維單絲按DB51T2321-2017《玄武巖纖維單絲抗拉性能的檢測(cè)方法》進(jìn)行檢測(cè)，每組共保留21個(gè)試件數(shù)據(jù)。由于玄武巖連續(xù)纖維自身特性，其使用溫度為260～650 ℃，在普通清水加熱到100 ℃以內(nèi)玄武巖纖維狀態(tài)不會(huì)隨著浸泡時(shí)間而改變表面及性能。本實(shí)驗(yàn)選取檢驗(yàn)的樣品分別為：原始狀態(tài)的單絲；在80 ℃清水中浸泡2 h的單絲；各在溫度80 ℃、1%濃度NaOH溶液中浸泡0.5、1、1.5、2 h的單絲。對(duì)比圖見(jiàn)圖1。

1. 4 掃描電鏡觀察結(jié)果與分析

玄武巖連續(xù)纖維經(jīng)過(guò)不同處理階段的表面狀態(tài)各不相同，運(yùn)用高倍電鏡下對(duì)纖維進(jìn)行掃描，根據(jù)照片進(jìn)行觀察分析，并對(duì)不同處理方式的玄武巖連續(xù)纖維的拉斷拉伸力性能進(jìn)行力學(xué)檢測(cè)和分析，以期得到比較合理的處理方式（圖2）。

參照掃描圖片并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值得出以下判斷：相同溫度80 ℃下清水處理與在1%濃度NaOH液浸泡0.5 h，所浸泡的纖維表面均無(wú)明顯的變化，在拉斷拉伸力檢測(cè)也無(wú)比較大的改變。而在相同溫度80 ℃的1%濃度NaOH液浸泡分別在1、1.5、2 h時(shí)間段纖維表面均產(chǎn)生刻蝕痕并有凹痕和凸起，拉斷拉伸力均發(fā)生較明顯的改變，并且在1.5 h后拉斷拉伸力平均數(shù)值發(fā)生較大的衰減。

堿液處理過(guò)程旨在使玄武巖連續(xù)纖維表面在微觀形態(tài)下產(chǎn)生鈍化蝕刻，形成局部?jī)?nèi)凹與纖維表面突起，增大玄武巖連續(xù)纖維表面摩擦力，使其表面官能團(tuán)得到增多，加強(qiáng)了纖維的親離子性能，提高了螯合性能，阻止纖維在外力作用下與偶聯(lián)劑、樹(shù)脂脫粘。較高浸泡溫度對(duì)玄武巖連續(xù)纖維內(nèi)部起到了平衡處理的作用，解決了玄武巖連續(xù)纖維中存在的局部應(yīng)力不均現(xiàn)象，減少了纖維的晶格結(jié)構(gòu)。同時(shí)在NaOH的作用下也減少了微量的CaO和MgO，提高了玄武巖連續(xù)纖維的撓度，使得纖維絲組的纏繞性及柔韌性得到了較大的提升。

2 堿液處理后浸附偶聯(lián)劑的玄武巖連續(xù)纖維拉伸力對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2. 1 掃描電鏡觀察結(jié)果與分析

篩選幾種處理后的纖維表面浸附濃度為1%的偶聯(lián)劑，然后再進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)結(jié)果（圖3）進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

2. 2 浸附偶聯(lián)劑后的玄武巖連續(xù)纖維單絲拉伸力影響

以下是各個(gè)處理階段單絲再吸附濃度為1%的HK550偶聯(lián)劑，依據(jù)DB51T2321-2017《玄武巖纖維單絲抗拉性能的檢測(cè)方法》進(jìn)行檢測(cè)（圖4）。

參照掃描圖片并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值得出以下判斷：在相同溫度80 ℃下，清水浸泡2 h與在1%濃度NaOH 浸泡的玄武巖連續(xù)纖維并浸附濃度為1%的偶聯(lián)劑試件比對(duì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，清水與0.5 h所浸泡的纖維表面浸潤(rùn)劑附著不均勻、呈現(xiàn)局部凝結(jié)狀態(tài)，在拉斷拉伸力檢測(cè)沒(méi)有較大的改變。而在相同溫度80 ℃、1%濃度NaOH液浸泡在1、1.5、2 h纖維表面浸潤(rùn)劑附著均勻更加光滑，拉斷拉伸力均發(fā)生較明顯的改變，在1.5 h后拉斷拉伸力平均數(shù)值發(fā)生較大的衰減。

2. 3 玄武巖單絲各個(gè)處理階段與浸潤(rùn)偶聯(lián)劑后對(duì)比分析

由表1可知，當(dāng)纖維浸入偶聯(lián)劑后拉斷拉伸力均有較大幅度的提高，在0.5 h、1%濃度NaOH 處理的時(shí)候，玄武巖連續(xù)纖維的拉斷拉伸力沒(méi)有較大改變，在1～1.5 h、1%濃度NaOH 處理的時(shí)候，略有改變，而堿液處理到2 h后，拉斷力數(shù)據(jù)衰減比較大，不宜作為復(fù)合材料的原料來(lái)使用。

將處理后玄武巖連續(xù)纖維復(fù)絲束（17μm，200組）浸附于濃度為1%HK550偶聯(lián)劑后進(jìn)行斷裂拉伸力檢測(cè)的數(shù)據(jù)（比對(duì)類(lèi)型見(jiàn)表2；此數(shù)據(jù)是借用標(biāo)準(zhǔn)GBT3362-1982《碳纖維復(fù)絲拉伸性能檢測(cè)方法》對(duì)絲束進(jìn)行的檢測(cè)，因此此組數(shù)據(jù)只可作為不同處理階段再浸附偶聯(lián)劑的比對(duì)參考）。

玄武巖連續(xù)纖維與硅烷偶聯(lián)劑的結(jié)合機(jī)制主要依賴(lài)于化學(xué)鍵的形成。這一過(guò)程就是玄武巖纖維一端的羥基（-OH）與HK550硅烷偶聯(lián)劑分子端的烷氧基（-O-CH3）發(fā)生酯化反應(yīng)，進(jìn)而生成穩(wěn)定的酯基團(tuán)（-O-CO-CH3）。酯基團(tuán)（-O-CO-CH3）會(huì)生成覆蓋于玄武巖纖維表面的、化學(xué)性能穩(wěn)定的微觀膜結(jié)構(gòu)，該微觀膜結(jié)構(gòu)層不僅可以增加玄武巖纖維與其他參與復(fù)合的材料之間的分子間的作用力，還可以減少玄武巖纖維因氫氧化鈉溶液蝕刻產(chǎn)生的應(yīng)力鋒面，提高其抗拉性能。

先期實(shí)驗(yàn)中對(duì)玄武巖連續(xù)纖維的膠液蝕刻，不但增加了纖維的表面積，形成較粗糙的表面形態(tài)，而且較大幅度地增加了表面不飽和化學(xué)鍵、有利于偶聯(lián)劑與玄武巖纖維的有機(jī)結(jié)合，而偶聯(lián)劑另一端氨基（-H2N）則通過(guò)化合鍵結(jié)合的方式與熱固型酚醛樹(shù)脂上的酯基結(jié)合，并會(huì)與木質(zhì)纖維表面的化合基團(tuán)產(chǎn)生絡(luò)合作用，同時(shí)玄武巖連續(xù)纖維也會(huì)在固化的膠質(zhì)中起到加強(qiáng)筋的作用，在玄武巖纖維與速生楊木疏解纖維膠合時(shí)形成穩(wěn)固的交聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)[ 6 - 7 ]。

3 不同處理?xiàng)l件玄武巖連續(xù)纖維與楊木薄板組坯壓斷力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為印證處理后的玄武巖纖維能夠增強(qiáng)楊木復(fù)合材料的性能，研究將楊木刨光材加入未處理的玄武巖原態(tài)連續(xù)纖維及根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)處理后的玄武巖纖維絲束膠合復(fù)合，然后進(jìn)行破壞載荷對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)將每組15個(gè)試件共6組進(jìn)行最大破壞載荷實(shí)驗(yàn)。

3. 1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

（1）楊木刨光材；

（2）未處理玄武巖絲束17μm×200捻；

（3）0.5、1、1.5、2 h堿液浸泡處理后附著濃度1%偶聯(lián)劑處理的玄武巖絲束17μm×200捻；

（4）濃度為15%水溶性酚醛樹(shù)脂膠液；

（5）萬(wàn)能力學(xué)機(jī)。

3. 2 試件制作

楊木刨光材規(guī)格（厚×寬×長(zhǎng)）：表層板A： 8 mm×50 mm×420 mm，芯板B：12 mm×50 mm×420 mm，浸漬于15%濃度的水溶性酚醛樹(shù)脂膠液中，然后低40 ℃烘干材料含水率至8%～12%，分別將玄武巖連續(xù)纖維原絲及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同處理方式的8束玄武巖連續(xù)纖維浸膠后，均勻間隔鋪裝到表板層表面及表層板與芯板之間組坯（組坯方式見(jiàn)表3），放入模具中冷壓，壓力10兆帕，然后放入145 ℃烘箱中進(jìn)行熱固化，固化時(shí)間3 min/cm，約1 h。最后針對(duì)對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料板進(jìn)行破壞性載荷實(shí)驗(yàn)。

圖5為未加玄武巖連續(xù)纖維絲的三層楊木刨光材復(fù)合板的破壞形態(tài)；圖6為刨光材表層與芯層間夾未經(jīng)處理的玄武巖絲束組坯板材，觀察到玄武巖絲有較多脫黏合剝離的現(xiàn)象；圖7為刨光材表層與芯層間均勻間隔夾8束經(jīng)1 h堿液處理后附著偶聯(lián)劑處理的玄武巖絲束組坯板材，可觀察到玄武巖連續(xù)纖維基本斷裂，有少量脫粘現(xiàn)象；圖8為刨光材表層與芯層間均勻間隔夾8束夾經(jīng)1.5 h堿液處理后附著偶聯(lián)劑處理的玄武巖絲束組坯板，觀察到玄武巖連續(xù)纖維基本斷裂，脫粘狀態(tài)很少。而經(jīng)2 h堿液處理后附著偶聯(lián)劑處理的玄武巖絲束組坯板，則到玄武巖連續(xù)纖維基本全部斷裂但力值較低（表3）。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加入玄武巖連續(xù)纖維壓制的板材的力學(xué)性能有較大的增強(qiáng)效果，其中經(jīng)1～1.5c4f8b95abb42004c71e7d11a63d4fc7f3a30a17e0cf59cd31911b6e2ce182685 h堿液處理后附著偶聯(lián)劑處理的玄武巖絲束性能最佳，使得材料的原始力學(xué)性能得到顯著增強(qiáng)（表3）。

4 結(jié) 論

根據(jù)以上各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)證明，僅僅在玄武巖纖維表面附著偶聯(lián)劑雖然對(duì)其纖維表面有一定的改善，在單絲拉斷力實(shí)驗(yàn)中其性能表現(xiàn)優(yōu)良，但是在與楊木疏解纖維的復(fù)合中仍不足以大幅度地提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。而對(duì)玄武巖連續(xù)纖維進(jìn)行可控性堿液蝕刻是雖然是重要的環(huán)節(jié)，但是也會(huì)對(duì)玄武巖纖維產(chǎn)生損害，因此需要復(fù)式方法對(duì)玄武巖連續(xù)纖維進(jìn)行表面改性[ 8 ]。

在溫度80 ℃、1%濃度NaOH溶液處理1 h后至1.5 h，在浸漬濃度為1%的HK550偶聯(lián)劑條件下，不但玄武巖連續(xù)絲束可具有較高的拉伸力。同時(shí)具有較好的界面結(jié)合特性，比較接近原絲浸漬偶聯(lián)劑的力學(xué)數(shù)據(jù)，還可以極大減少玄武巖連續(xù)纖維在與木質(zhì)纖維復(fù)合過(guò)程中產(chǎn)生的脫粘、抽絲現(xiàn)象，可以將此階段的處理玄武巖連續(xù)纖維絲束與速生楊木疏解纖維及熱固型酚醛樹(shù)脂進(jìn)行下一步的復(fù)合。針對(duì)速生楊木疏解纖維束與玄武巖連續(xù)纖維的特性差異，探索研究將其進(jìn)行可控固化成型的工藝方法，進(jìn)而研發(fā)出一種創(chuàng)新型材料，即速生楊木疏解纖維復(fù)合玄武巖連續(xù)纖維重組中等密度成材。

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