劉曉東,崔向紅,何冬青,于麗杰,李天智
(黑龍江省科學院高技術研究院,哈爾濱 150020)
玄武巖鱗片是一種新型環(huán)保材料,其主要成分為二氧化硅,性能與玻璃鱗片相近,因為在組成成分上有所差異,玄武巖鱗片重的鐵含量更高,所以相比玻璃鱗片,在耐堿腐蝕性能上要優(yōu)于玻璃鱗片。當前全世界只有烏克蘭擁有玄武巖鱗片的制造技術,具有壟斷性的技術優(yōu)勢,俄羅斯產(chǎn)玄武巖鱗片片徑較小,其尺寸分布在幾微米到幾十微米之間,而國產(chǎn)玄武巖鱗片的片徑較大,厚度一般在3 μm左右,尺寸一般在25 ~ 3 mm左右(如圖1所示)。玄武巖纖維主要由SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO、TiO2等組成,其中SiO2和Al2O3占70%以上(如圖2所示)。
現(xiàn)有的利用玄武巖鱗片制備復合材料時,是將玄武巖鱗片直接加入到聚合物基體混合,由于玄武巖鱗片的鱗片結構,使其在聚合物基體中的分散性差,與聚合物基體的結合力弱,使得復合材料的綜合性能難以大幅度提高。
文中采用硅烷偶聯(lián)劑對其表面進行處理,采用大功率超聲和高速剪切相結合的處理工藝,使其表面附著大量的有機官能團,可與聚合物基體材料進行化學鍵合,同時可以根據(jù)不同的聚合物體系和應用要求,在鱗片纖維表面接枝不同的活性官能團,不使用特殊裝置,無需高溫高壓條件,工藝簡單。改性后提高了界面相容性,改善了纖維團聚現(xiàn)象。
首先將玄武巖鱗片纖維在硅烷偶聯(lián)劑醇溶液中高速剪切分散與超聲振蕩分散處理方法,增加鱗片纖維和硅烷偶聯(lián)劑的接觸,提供充分反應機會,超聲處理也會對玄武巖鱗片纖維表面進行刻蝕,增大纖維粗糙度和表面積,促進硅烷偶聯(lián)劑更多的以氫鍵的方式附著于鱗片的表面和邊緣。接著,在室溫下放置足夠長的時間,使其與空氣中的水分接觸,硅烷偶聯(lián)劑水解為硅醇,為其能夠與鱗片纖維的無機物組分形成穩(wěn)定的Si-O-鍵連接打下良好基礎。本發(fā)明通過玄武巖鱗片纖維表面和邊緣大量的有機官能團修飾,改善其界面相容性,使其可與聚合物基體材料進行化學鍵合,相對于樹脂中直接添加偶聯(lián)劑,預處理能對鱗片起到有效均勻改性作用,在樹脂中有更好的浸潤作用,與樹脂界面形成的化學鍵,大大改善了纖維團聚現(xiàn)象,從而聚合物的性能得到提高,適用于聚合物基功能復合材料的制備。
按硅烷偶聯(lián)劑KH550的質量百分濃度為1%,將硅烷偶聯(lián)劑KH550加入到乙醇中,得到硅烷偶聯(lián)劑KH550醇溶液;將5 g玄武巖鱗片纖維加入到100 g偶聯(lián)劑KH550醇溶液中,得到混合液;將混合液放在燒杯中,用高速剪切攪拌機在轉速為2 000 rpm的條件下高速剪切攪拌20 min;然后再在功率為500 W的超聲波清洗機中分散20 min;將經(jīng)步驟二處理后的玄武巖鱗片纖維過濾出來,乙醇清洗3次,烘干,在25 ℃室溫下放置24 h,使硅烷偶聯(lián)劑有足夠的時間與空氣中的水分接觸,完成玄武巖鱗片纖維的表面處理。
對比試驗:將5 g玄武巖鱗片纖維加入到100 g偶聯(lián)劑KH550醇溶液中,得到混合液,再將混合液用電動攪拌器以50 rpm的低速攪拌40 min,其他步驟與上述試驗相同。對比測試結果如圖3-圖5所示。
從圖3可以看出,改性后玄武巖鱗片纖維在3 300~3 500 cm-1處出現(xiàn)了多個彌散的尖峰,說明其表面接入了氨丙基官能團,1 074~960 cm-1處的雙尖峰為典型的硅氧鍵峰型,證明了硅烷偶聯(lián)劑在纖維表面成功接枝;圖5僅在2 923 cm-1處有微弱的亞甲基振動峰,未經(jīng)過高速剪切與超聲振蕩處理,經(jīng)過醇洗烘干后,其紅外光譜中氨基的彌散峰沒有出現(xiàn),說明偶聯(lián)劑未能接枝在纖維表面或含量很少。
玄武巖纖維綜合性能優(yōu)異,由于玄武巖鱗片中鐵氧化物、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鈣含量高,不僅能產(chǎn)生屏蔽效應,而且在耐酸堿和耐腐蝕性能方面也有獨特的優(yōu)勢,以玄武巖纖維為增強體可制成各種性能優(yōu)異的復合材料,可在較大程度上替代玻璃纖維、碳纖維,廣泛應用于航空航天、石油化工、建筑、車船制造、消防、環(huán)保等軍工和民用領域。