響應(yīng)面法優(yōu)化玄武巖纖維的分散性能

劉造芳,張得昆，張 星

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著環(huán)境友好型社會的發(fā)展,綠色可循環(huán)材料已成為應(yīng)用領(lǐng)域日益增長的必然需求。玄武巖纖維是以天然的火山巖為原料,經(jīng)高溫(1 450～1 500 ℃)拉絲而成的一種新型無機(jī)環(huán)保纖維[1],其與碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高技術(shù)纖維相比,除具有高強(qiáng)高量的特性外,還具有較好的耐溫性(-269～650 ℃)、抗氧化性、絕緣性等,可廣泛用于建筑、電子、化工等領(lǐng)域[2-4]。此外玄武巖纖維原料來源豐富,價(jià)格相對較低,其產(chǎn)品還可代替價(jià)格昂貴的碳纖維、芳綸纖維等應(yīng)用于某些領(lǐng)域。

但玄武巖纖維表面光滑、纖維間抱合力較差,將其用于紡織加工難度較大[5]。而濕法非織造工藝具有原料適應(yīng)范圍廣、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[6],因此利用濕法非織造工藝制備玄武巖纖維濕法非織造薄氈,不僅降低了生產(chǎn)成本、效率高,也符合當(dāng)今時(shí)代綠色環(huán)保的主題。 然而玄武巖纖維與玻璃纖維結(jié)構(gòu)相似,主要成份都為SiO2、A12O3、Fe2O3等,親水性差,因此玄武巖纖維表面也會存在著大量的陰離子基團(tuán),易引起水分子的極化,使纖維表面帶負(fù)電,導(dǎo)致纖維間產(chǎn)生靜電,相互纏繞、難以分離[7-8]。而纖維在懸浮液中的均勻分散是濕法非織造布生產(chǎn)的關(guān)鍵,因此解決玄武巖纖維分散性差的問題,是制備玄武巖纖維濕法非織造布的前提。目前,國內(nèi)外幾乎沒有有關(guān)玄武巖纖維濕法非織造布的研究,因此可借鑒提高玻璃纖維等無機(jī)纖維分散性的方法來改善玄武巖纖維的分散性。

肖仙英等[9]在玻璃纖維水溶液中加入表面活性劑 PEO 來改善纖維在水中的分散狀況,但分散劑濃度過大時(shí),會影響成型時(shí)的濾水速率,降低生產(chǎn)效率。楊棹航等[10]提出可以通過打漿在纖維懸浮液中施加動力來改善無機(jī)纖維的分散性,但大部分無機(jī)纖維性脆,打漿容易對纖維造成損傷。胥紹華[11]提出降低懸浮液中的pH值有利于減小玻璃纖維產(chǎn)生的靜電,從而改善玻璃纖維在懸浮液中的分散性能,但懸浮液中的pH值過低,可能會腐蝕生產(chǎn)儀器。而目前通過利用鹽酸改性來提高纖維分散性的研究鮮有報(bào)道,大多數(shù)有關(guān)鹽酸改性玄武巖纖維的研究,都是為了提高玄武巖纖維與基體材料之間的附著力和界面結(jié)合強(qiáng)度[12-13]。因此文中利用鹽酸對玄武巖纖維進(jìn)行改性,有利于解決玄武巖纖維難分散的問題,對今后玄武巖纖維濕法非織造薄氈的開發(fā)和生產(chǎn)有著積極的推進(jìn)作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料 玄武巖纖維(70 mm×67.33 tex,浙江石金玄武巖公司)、丙酮(天津市大茂化學(xué)試劑廠)、無水乙醇(分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠)、鹽酸(北京藍(lán)弋化工產(chǎn)品有限責(zé)任公司)。

1.1.2 儀器 JA3003型電子天平(上海皓莊儀器公司)、燒杯、量筒、剪刀、玻璃棒等。

1.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn),確定了Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中心點(diǎn)即鹽酸濃度(A)為4 mol/L,改性時(shí)間(B)為10 h,改性溫度(C)為40 ℃,并以鹽酸濃度、改性時(shí)間和改性溫度3個(gè)因素為自變量,以分散度為響應(yīng)值設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)因素與水平編碼見表1。

表 1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素與水平編碼

1.3 玄武巖纖維改性工藝

酸處理前，為了清除玄武巖纖維表面的雜質(zhì),將其放入丙酮溶液中浸泡2 h后,用無水乙醇沖洗若干次,放入90 ℃的烘箱中烘干備用。

根據(jù)表1所設(shè)計(jì)的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案將鹽酸稀釋到相應(yīng)的濃度(2 mol/L,4 mol/L,6 mol/L),再將裝有配置好鹽酸濃液的燒杯放到水浴鍋中,加熱到相應(yīng)的溫度(25 ℃,40 ℃,55 ℃),隨后將玄武巖纖維放入達(dá)到特定溫度的鹽酸溶液中改性一定時(shí)間(6 h,10 h,14 h)。達(dá)到改性時(shí)間后,將玄武巖纖維取出,在90 ℃的烘箱中烘干,并用剪刀將玄武巖纖維剪切到5 mm左右,作為備用。其中,在鹽酸溶液升溫和玄武巖纖維改性過程中,需用保鮮膜封住燒杯口,防止鹽酸揮發(fā)。

1.4 分散度性能測試

纖維分散程度的表征方法主要分為兩類,一類是通過直觀方法對纖維的分散情況進(jìn)行分析如分散度法、沉降時(shí)間、沉降速率等,另一類則是通過測定纖維懸浮液的表面張力、動電電位和吸光度等參數(shù)來表征纖維的潤濕或分散性能[14-15]。由于分散度法較為簡便,故本文采用分散度法來表征。分散效果的好壞與分散度的大小成正比關(guān)系[17],其具體操作方式為:用電子天平稱取一定量的短切玄武巖纖維放入500 mL的燒杯中,用玻璃棒輕輕攪拌后靜置5 min,觀察玄武巖纖維懸浮液的沉降情況,計(jì)算分散度：

y=(v0-v1)/v0×100%

(1)

式中:v0為開始沉降濕纖維懸浮液的總高度,mL;v1為懸浮液中上層清液的高度,mL;y為分散度,%。

2 結(jié)果與分析

響應(yīng)面法通過對指定設(shè)計(jì)空間內(nèi)樣本點(diǎn)的集合進(jìn)行有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，應(yīng)用響應(yīng)面法不僅可得到響應(yīng)目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的變化關(guān)系，而且可以得到優(yōu)化方案，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)[17]。采用Design-expert 10.0中的Box-Behnken組合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行玄武巖纖維的分散性能優(yōu)化，優(yōu)化組合共有17組，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析見表3。

表 2 響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 模型建立與顯著性分析

使用Design expert 10.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合,最終得到分散度(y)與鹽酸濃度(A)、改性時(shí)間(B)、改性溫度(C)之間的二次回歸方程

表 3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析

注: ***為差異極顯著(P<0.001);**為差異高度顯著(P<0.01);*為差異顯著(P<0.05)。

F值越大,說明實(shí)驗(yàn)因素對響應(yīng)值的影響程度越大,因此由表3可得,影響玄武巖纖維分散度因素的主次順序?yàn)楦男詴r(shí)間>改性溫度>鹽酸濃度。

2.2 因素交互作用對玄武巖纖維分散度的影響

通過Expert-design 10.0軟件分析鹽酸濃度、改性時(shí)間、改性溫度這3個(gè)因素兩兩交互對最終響應(yīng)值分散度的影響。圖1～3為三因素兩兩交互的響應(yīng)面曲線和等高線圖,等高線為橢圓形,則說明交互作用顯著。

2.2.1 改性時(shí)間和鹽酸濃度對分散度的影響 從圖1可看出,玄武巖纖維在懸浮液中的分散性隨著改性時(shí)間的增加而提高,但鹽酸濃度的改變對分散度值的影響較小。這也說明了在改性過程中改性時(shí)間對玄武巖纖維分散性的提高具有顯著影響,鹽酸濃度則影響較小。這與方差分析結(jié)果一致。改性時(shí)間的提高能顯著提高玄武巖纖維的分散性,這可能是因?yàn)殡S著鹽酸改性時(shí)間的增加,降低了玄武巖纖維表面的ζ電位,減弱了纖維間的靜電現(xiàn)象,從而提高了分散性,因?yàn)槔w維表面的ζ電位是引起靜電現(xiàn)象的根本原因,ζ電位越高,靜電效應(yīng)越顯著,纖維越不易被分散[19]。

圖 2 溫度和鹽酸濃度對分散度的影響

2.2.2 改性溫度和鹽酸濃度對分散度的影響 從圖2可以看出,當(dāng)改性溫度在25～40 ℃時(shí),隨著溫度的增加,玄武巖纖維的分散性提高緩慢,當(dāng)溫度大于40 ℃時(shí),隨著溫度的提高,玄武巖纖維的分散性顯著提高。但鹽酸濃度的改變,對玄武巖纖維的分散性的提高仍不明顯。這可能是因?yàn)樾鋷r纖維的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO等,這些氧化物在水中會呈現(xiàn)出不同的酸堿性,SiO2代表弱酸組分,CaO代表強(qiáng)堿組分,因而玻璃纖維表面具有一種充裕的弱酸點(diǎn)和一種較低濃度的強(qiáng)堿點(diǎn),由于這些氧化物的緣故使纖維在水中時(shí)表面容易形成帶相反電荷的基點(diǎn),從而使纖維間容易互相吸引、絮聚成團(tuán)[20]。而隨著溫度的升高,鹽酸溶液中的H+離子運(yùn)動加劇,從而增大了H+與纖維表面碰撞次數(shù),使得玄武巖纖維表面變成了均勻的酸性,降低了纖維表面的ζ電位,使得纖維的分散性能提高。MARTIN等[21]認(rèn)為Zeta電位會因溫度不同而變化,溫度升高,體系的Zeta電位負(fù)值就會變大,而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是由于帶電離子的運(yùn)動速度隨著溫度的升高加快所致。

2.2.3 改性時(shí)間和改性溫度對分散度的影響 從圖3可以看出,玄武巖纖維的分散度隨著改性時(shí)間和改性溫度的增大而提高,但改性時(shí)間對分散度的影響較改性溫度大。

從圖1～3可知,改性時(shí)間和鹽酸濃度,改性溫度和鹽酸濃度以及改性時(shí)間和改性溫度的交互作用對玄武巖纖維的分散度均有顯著影響。綜上分析可得,改性溫度和改性時(shí)間對分散度影響顯著,而鹽酸濃度則影響較小。

2.3 最佳工藝參數(shù)優(yōu)化

通過Expert-design 10.0軟件分析可得,玄武巖纖維分散性的最佳工藝參數(shù)為鹽酸濃度2.095 mol/L,改性時(shí)間13.99 h,改性溫度54.259 ℃。考慮到實(shí)際操作,將最佳的工藝參數(shù)設(shè)為鹽酸濃度2.1 mol/L,改性時(shí)間14 h,改性溫度54.3 ℃。在此條件下,重復(fù)5次實(shí)驗(yàn),測得玄武巖纖維的平均分散度為84%,與預(yù)測值84.134%相差不大,這表明該模型分析得出的最佳工藝參數(shù)與實(shí)際情況擬合良好。

3 結(jié) 論

(1) 利用Box-Behnken響應(yīng)面法，以鹽酸濃度、改性時(shí)間和改性溫度3個(gè)因素為自變量,以分散度為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)三因素三水平實(shí)驗(yàn)并建立回歸模型。結(jié)果表明,響應(yīng)面模型與實(shí)際情況擬合良好,能較好地預(yù)測玄武巖纖維的分散度,并得出影響玄武巖纖維分散度的因素依次為改性時(shí)間>改性溫度>鹽酸濃度。

(2) 結(jié)合實(shí)際操作,確定優(yōu)化玄武巖纖維的最佳工藝參數(shù)為:鹽酸濃度2.1 mol/L,改性時(shí)間14 h,改性溫度53.4 ℃。