呂婷婷 呂麗華

（大連工業(yè)大學(xué)，遼寧大連，116034）

玄武巖纖維的原料是天然玄武巖礦石，經(jīng)過(guò)1 450 ℃～1 500 ℃高溫熔融后，再經(jīng)拉絲制成連續(xù)纖維［1］。中國(guó)四大高技術(shù)纖維包括玄武巖纖維、碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維［2］。與碳纖維相比，玄武巖纖維的價(jià)格比較低廉；與超高分子量聚乙烯纖維和芳綸相比，玄武巖纖維的生產(chǎn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單［3］，并且玄武巖纖維是綠色生態(tài)環(huán)保材料，可以在土壤中直接降解，是國(guó)家定義的關(guān)鍵戰(zhàn)略性材料［4］。玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在隔熱耐溫、石油化工領(lǐng)域、航天航空以及汽車船舶領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［5?6］。玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般由增強(qiáng)相、基體相和界面相構(gòu)成，增強(qiáng)相主要起到承載作用，基體相主要起連接增強(qiáng)相和傳載作用，界面相相當(dāng)于橋梁，連接著增強(qiáng)相和基體相，是應(yīng)力的傳遞者［7］。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均受界面性質(zhì)的影響，尤其是層間剪切、斷裂等性能［8］。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，提高其界面性能的方法稱之為界面改性，纖維的表面改性是提高纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面性能的有效方法之一。玄武巖纖維改性主要集中于酸堿刻蝕改性、等離子體改性、納米改性、偶聯(lián)劑改性處理以及稀土改性等［9］。

1 酸堿刻蝕改性

酸堿刻蝕纖維表面處理是利用酸堿溶液對(duì)纖維表面進(jìn)行刻蝕處理，處理后的纖維表面會(huì)出現(xiàn)凹槽，在纖維與基體進(jìn)行復(fù)合時(shí)，凹槽中會(huì)進(jìn)入一些高分子聚合物的鏈段，使得纖維表面的凹槽起到類似于錨固的作用，進(jìn)一步提高了纖維與聚合物基體的界面結(jié)合強(qiáng)度［10］。解玉潔等人采用酸堿刻蝕法對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行改性處理，從而提高玄武巖纖維表面粗糙度［11］。MANIKAN?DAN V 等人研究表明酸堿刻蝕處理有助于玄武巖纖維與不飽和聚酯的黏結(jié)［12］。LEE S O 等人研究了酸堿刻蝕處理的玄武巖纖維與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能［13］，試驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度和斷裂韌性都得到增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)酸堿刻蝕處理即便有助于提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，但是酸堿刻蝕不宜單獨(dú)使用，單獨(dú)使用時(shí)，紗線或纖維的力學(xué)性能均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

2 等離子體改性

等離子體改性法與酸堿刻蝕改性處理的作用原理相似，纖維表面通過(guò)等離子體的撞擊發(fā)生刻蝕，進(jìn)而增加纖維的比表面積，以此提高纖維與基體的結(jié)合能力，且該處理方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境不造成污染［14］。DOWLING D P 等人研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)等離子體處理的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與未經(jīng)處理的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，彎曲模量和最大剪切應(yīng)力均有所提高，其原因可能是由于聚合物和纖維之間的界面結(jié)合強(qiáng)度的增加［15］。ZHANG M L 等人為了提 高有機(jī)硅吸附玄武巖纖維防護(hù)服織物的性能，織物在表面涂層之前，先采用等離子體進(jìn)行預(yù)處理，以此改善玄武巖纖維的物理性能，提高涂層的均勻性［16］。KIM M T 等人研究了低溫氧等離子體表面處理玄武巖纖維對(duì)玄武巖/環(huán)氧機(jī)織復(fù)合材料層間斷裂行為的影響［17］。等離子體改性效果取決于氣體的種類、真空度、功率以及處理時(shí)間等因素［18］。因此，等離子體處理纖維表面只有方法得當(dāng)、條件合適才能獲得較好的效果。

3 納米改性

納米粒子在纖維表面通過(guò)物理作用或化學(xué)方法進(jìn)行附著，從而使纖維與基體的黏結(jié)性能得到提高，納米粒子是一種粒子尺寸小、表面活性大的納米級(jí)顆粒，可以提高基體在纖維表面的鋪展性，有助于基體浸潤(rùn)到纖維表面，此外，納米粒子的引入可以增加纖維表面粗糙度，有利于纖維與基體間的機(jī)械互鎖作用［19］。BULUT M 研究了石墨烯納米粒子對(duì)玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的影響，通過(guò)纖維?納米粒子?環(huán)氧樹(shù)脂的相互作用，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)其力學(xué)性能［20］。ABDI A 等人研究了硅烷化的碳酸鈣納米粒子對(duì)玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，硅烷化的碳酸鈣納米粒子的加入使環(huán)氧樹(shù)脂基體與玄武巖纖維之間具有良好的附著力，顯著提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能［21］。LI X 等人制備了納米二氧化硅改性玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，納米二氧化硅作為介質(zhì)，促進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂分子滲透到玄武巖纖維之間并與玄武巖纖維結(jié)合，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能［22］。但是納米材料易團(tuán)聚、難以分散的缺點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致纖維表面的納米材料分布不勻，會(huì)影響復(fù)合材料界面結(jié)合性能。

4 偶聯(lián)劑改性

偶聯(lián)劑在復(fù)合材料中既能與有機(jī)聚合物發(fā)生反應(yīng)，又可以與無(wú)機(jī)物表面發(fā)生化學(xué)鍵合，可將兩種不相容的物質(zhì)結(jié)合在一起，從而提高復(fù)合材料力學(xué)性能［23］。偶聯(lián)劑的種類繁多，硅烷偶聯(lián)劑是玄武巖纖維改性中常用的偶聯(lián)劑。王林等人為改善玄武巖纖維與水泥基材料的界面結(jié)合作用，使用3 種硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，改性后的復(fù)合材料力學(xué)性能均有所提高［24］。LEE J J 等人將硅烷偶聯(lián)劑按官能團(tuán)的不同與環(huán)氧樹(shù)脂和酸酐固化劑發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，研究認(rèn)為硅烷偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料的熱性能和界面改善有很大的影響［25］。KON?STANTIN L 等人研究了硅烷偶聯(lián)劑和納米復(fù)合涂層對(duì)玄武巖纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)表明，硅烷偶聯(lián)劑在玄武巖纖維的強(qiáng)度保持中起著關(guān)鍵作用［26］。LIU S Q 等人制備了玄武巖纖維/聚乳酸復(fù)合材料，硅烷偶聯(lián)劑成功地將玄武巖纖維與聚乳酸連接，提高了玄武巖纖維/聚乳酸復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度［27］。硅烷偶聯(lián)劑應(yīng)用于玄武巖纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在改善纖維與樹(shù)脂界面強(qiáng)度，水分進(jìn)入纖維與樹(shù)脂界面受阻，提高材料的力學(xué)性能。

5 稀土改性

由于稀土元素的4f 價(jià)電子層結(jié)構(gòu)特殊，使其具有較高的化學(xué)活性，可通過(guò)化學(xué)鍵合和物理吸附原理對(duì)纖維表面進(jìn)行處理，從而提高纖維與基體的界面親和力［28］。趙金龍研究了稀土元素鈰對(duì)玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：稀土元素一方面可以與玄武巖纖維以及環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈發(fā)生化學(xué)鍵合；另一方面可以增加玄武巖纖維表面粗糙度，這兩種方式都可以提高界面結(jié)合強(qiáng)度，從而提高其力學(xué)性能［29］。王琢研究了稀土元素鑭對(duì)玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：稀土元素鑭可以同時(shí)與玄武巖纖維表面的非金屬元素和樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)形成配位鍵，使得兩相之間的結(jié)合力得到大大的提高，從而提高其力學(xué)性能［30］。朱苗淼等人制備了稀土改性玄武巖纖維布增強(qiáng)雙酚A型二氰酸酯復(fù)合材料，改性后的玄武巖纖維表面缺陷減少，呈現(xiàn)出更多的凸起，從而有利于纖維與樹(shù)脂基體的“機(jī)械錨定”，進(jìn)而增強(qiáng)復(fù)合材料的界面性能［31］。稀土改性劑具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性能，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，處理效果好，配制工藝簡(jiǎn)單［32］。并且稀土改性方法不僅能避免對(duì)玄武巖纖維結(jié)構(gòu)的破壞，還能在一定程度上提高纖維的吸附性能及復(fù)合材料的力學(xué)性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行不同形式的表面改性處理可以有效改善玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面的結(jié)合性能，從而提高復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。酸堿刻蝕改性處理有助于提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，但酸堿刻蝕不宜單獨(dú)使用，單獨(dú)使用時(shí)，纖維或紗線的力學(xué)性能表現(xiàn)出稍有下降的趨勢(shì)；等離子體改性處理的影響因素較多，只有方法得當(dāng)才能獲得較好的效果；納米改性處理由于納米材料易團(tuán)聚、難以分散的缺點(diǎn)仍然會(huì)使復(fù)合材料的界面結(jié)合性能稍有降低；稀土改性處理對(duì)環(huán)境友好。目前，偶聯(lián)劑處理玄武巖纖維效果較好，是改善復(fù)合材料綜合性能的重要途徑，但其實(shí)際的利用率相對(duì)較低。因此，提高偶聯(lián)劑與玄武巖纖維表面的結(jié)合效率是今后研究的重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)玄武巖纖維預(yù)處理及改性方法的深入研究，對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面特性及成型機(jī)理研究進(jìn)行完善，進(jìn)一步提高玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的穩(wěn)定性以及綜合應(yīng)用性能，以此推動(dòng)復(fù)合材料在未來(lái)市場(chǎng)上的應(yīng)用。