不同改性粒子在玄武岩纤维改性处理上的应用对比

梁继才 龚光耀 孙磊明

摘 要：近年来玄武岩纤维及其复合材料相关产业，受到国家的大力扶持。但玄武岩纤维在大规模推广过程中，仍有许多亟待解决的问题。本文尝试采用不同的微米级改性颗粒，来完成对玄武岩纤维的改性附着处理，改善纤维表面粗糙度，对比不同改性粒子的改性效果，选择最佳的玄武岩改性颗粒。

关键词：玄武岩纤维改性处理;硅炭黑;硅藻土

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.030

1 研究背景

玄武巖纤维自法国人于1923年获得拉制相关的纤维专利以来，距今已有90多年的历史[1]。近年来，玄武岩纤维及其复合材料相关产业，受到国家的大力扶持。玄武岩纤维（Basalt Fiber，BF）的生产极具特色，原料十分简单，只需要由火山喷发冷却形成的玄武岩矿石，经过高温加热处理，重新回归熔融状态，随后通过拉丝合金漏板，即可获得玄武岩纤维[2]。这一生产过程中，没有多余的高污染产物，符合当今的绿色发展理念[3]。同时，玄武岩纤维也具备较好的物理、化学性能，绝缘性好，力学性能优异，且高温稳定性远高于玻璃纤维和碳纤维[4]。关于玄武岩纤维的相关研究由来已久，取得了不错的纤维改性成果。在纤维改性领域较为常用的方法，有硅烷偶联剂改性、高能激光改性、纳米粒子改性、酸碱腐蚀处理等。本文对比两种主成分为二氧化硅的微米级粒子——硅炭黑和硅藻土，硅藻土为特殊的多孔结构，硅炭黑为硅炭两相材质，探究其在玄武岩纤维改性上的应用效果。

2 实验研究

2.1 改性粒子处理及分析

本文采用的改性方法为悬浊液附着吸附处理，利用偶联剂的枝接作用，来完成颗粒对纤维表面的粗糙化处理过程。

鉴于硅炭黑的硅炭双相结构，对硅炭黑颗粒进行热重分析，分析结果如图2.1所示。

由热重分析可知，硅炭黑两相材料中含有约60%的生物碳成分，其余成分为无定型二氧化硅。生物质碳这一成分有利于其余树脂的结合。

首先对两种改性粒子球磨处理，细化颗粒，使得颗粒均匀性更好，对球磨前后的粒子进行粒径分析。球磨前后的硅藻土如图2.2所示。

球磨处理前的硅藻土如图2.2（左），粒径范围大，平均粒径约为37 μm，远大于颗粒附着要求，其中4.5 μm以下的颗粒仅占2.6%左右。球磨后如图2.2（右），10 μm以下的颗粒占比大幅提高，但仍有较多大颗粒存在，平均粒径24 μm，满足附着需求的4.5 μm以下的颗粒约占35%。

硅炭黑颗粒球磨前的尺寸分布如图2.3（左）所示，其粒径分布相比于硅藻土均匀性更好，平均粒径11 μm，其中满足粒径需要的（小于4.5 μm）占比为27%，也需要进一步细化。球磨细化处理后的粒径分布如图2.3（右），粒径大幅减小，平均粒径达5.2 μm，其中54.6%的尺寸小于4.5 μm，可满足附着需要。

2.2 玄武岩纤维改性及表征

用分别用硅藻土和硅炭黑作为改性粒子，配制悬浊液，将水解后的硅烷偶联剂与悬浊液混合，配制改性硅炭黑悬浊液。采用悬浊液流动附着的方式，对玄武岩纤维完成枝接改性处理，改性处理后的纤维烘干保存。

3 结语

通过实验对比，硅藻土和硅炭黑都需要经过球磨处理，才能满足附着改性的粒径需要，且硅炭黑的粒径分布更均匀，满足需求的颗粒量更多。对比改性后的纤维表面效果，可见硅炭黑用于玄武岩纤维改性的效果更好，能够满足提高纤维表面粗糙度的改性目标。同时，硅炭黑颗粒可采取进一步细化措施，来提高可用的改性颗粒占比。

参考文献：

[1]郭欢，麻岩，陈姝娜.连续玄武岩纤维的发展及应用前景[J]. 中国纤检，2010（05）：76-79.

[2]JAMSHAID H，MISHRA R.A green material from rock：basalt fiber-a review[J].Journal of the Textile Institute Proceedings and Abstracts，2016，107（07）：15.

[3]LARRINAGA P，Chastre C，Biscaia H C，et al.Experimental and numerical modeling of basalt textile reinforce[J].Materials Design，2014，55（06）：66-74.

[4]郭昌盛，杨建忠，姚一军.连续玄武岩纤维改性方法的研究[J]. 高科技纤维与应用，2015，40（01）：24-28.

基金项目：车用结构件玄武岩纤维复合材料改性及成型工艺开发（20170204017GX）

课题来源：吉林省科技厅重点科技攻关项目

作者简介：梁继才（1960-），男，吉林长春人，博士，教授，研究方向：材料加工工程。