汪李李，劉澤煜，董施藝，袁夢云，聶 敏，陳 鵬

(六盤水師范學院 礦業(yè)與機械工程學院，貴州 六盤水 553004)

玄武巖纖維具有較高的抗拉強度和彈性模量，被廣泛應用于樹脂基、金屬基復合材料的加強筋[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、纖維實際抗拉強度遠低于理論強度等問題[7-8]。有研究顯示，浸潤劑涂層后的玄武巖纖維力學性能顯著增強，且浸潤劑涂層后可增強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度具有重要意義。

1 實驗原料與方法

1.1 實驗原料

實驗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 實驗方法

1.2.1浸潤劑的配制

①成膜劑的稀釋。實驗以環(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力學性能測試

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

(1)

式中：σ，抗拉強度，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，利用壓片制樣器進行制樣，將得到的樣品送入紅外光譜分析儀中進行測量即可。

2 結果與討論

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號浸潤劑放在轉速為2 000 r/min的離心機中離心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構。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，進一步證實浸潤劑涂覆在玄武巖纖維上。

2.3 玄武巖纖維拉伸試驗結果分析

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)，計算出其抗拉強度為1 763.16 MPa。

表1 大于0.25 mm粒級浮選正交試驗結果

圖6 纖維原絲拉伸斷裂力和抗拉強度正態(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度提高了84.62%，經(jīng)3號浸潤劑涂覆的纖維抗拉強度提高了53.85%。

3 結論

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度具有重要意義。