玄武岩纤维及复合材料性能研究范文

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《玻璃与搪瓷杂志》2016年第4期

摘要:

以天然玄武岩为原料，利用电熔法制备了两种不同直径的连续玄武岩纤维，并采用直接浸渍模版法制备复合材料。通过强度、化学稳定性及微观形貌的表征，结果表明该连续玄武岩纤维及其制备的复合材料具有良好的物理化学性能。

关键词:

玄武岩纤维;化学稳定性;纤维强度;环氧树脂

0前言

玄武岩是一种以SiO2和Al2O3为主的矿物岩石，属于火成岩的一种。连续玄武岩纤维是由玄武岩为原料制成的纤维，将玄武岩破碎后加入熔窑中，经1500℃以上高温熔融后，通过拉伸形成纤维。玄武岩纤维是采用单组分矿物原料熔体制备而成，在耐高温性、化学稳定性、耐腐蚀性、导热性、绝缘性、抗摩擦性等许多技术指标方面优于玻璃纤维［1］，同时因碳纤维的严重短缺，玄武岩纤维在部分技术应用上可替代昂贵的碳纤维材料，并且不产生与石棉类似的环境问题。玄武岩纤维原料成本低、能耗少、生产过程清洁，是一种生态环保材料［2］。池窑是生产玄武岩纤维的关键设备，必须对熔化温度和气氛进行严格控制。其关键为池窑的设计、加热方式和金属换热器的热效率［3］。目前玄武岩纤维生产工艺中基本采用两种加热方式［4］:火焰加热和电熔方式。其中火焰加热可以采用天然气、煤气以及煤为燃料，火焰窑优点为熔化面积较大，能源供应渠道较广，缺点为熔制效率低、能耗高，而且环境、大气污染较严重，尤其是碳排放量大。电熔炉的优点为熔制效率高、能耗低、无污染、熔制工艺先进，是玄武岩纤维生产工艺的发展趋向［5～6］。本文利用电熔法制备连续玄武岩纤维，通过表征两种不同直径玄武岩纤维及其复合材料的各项性能，结果表明电熔法制备的纤维不仅力学性能优异，还具有良好的化学性能。

1实验

1．1原料

选用安徽某地区的玄武岩作为本实验的原料，其化学成分如表1所示。从表中可以看出，Na2O和K2O的质量分数偏低，其他成分均在合理范围之内，因此本实验用玄武岩矿石原料化学成分含量符合制造纤维的要求。

1．2纤维试样制备

本实验用玄武岩连续纤维采用全新设计的底插电极电熔炉制备，与国内目前其它板状电极完全不同。将玄武岩岩石粉碎投入到新设计的电熔炉中，加热至1500℃以上使之熔融澄清，经400孔铂金漏板拉丝成纤维束，根据拉丝速率分别制得直径13μm和16μm两种玄武岩纤维。

1．3测试与表征

对拉制的玄武岩纤维进行性能表征，测定相应的物理化学参数:利用阿基米德法测试纤维的密度，利用复丝拉伸强度仪测试纤维强度，用日本Jeol公司的JSM－5600LV扫描电镜表征纤维的表面形貌。耐酸性和耐碱性实验是以1g纤维样品分别放置于1%H2SO4和1%NaOH溶液中，在100℃密封保温箱中保温72h后称重，所得质量即为腐蚀剩余量。

2玄武岩纤维测试结果与分析

2．1密度分析

表2为13μm玄武岩纤维和16μm玄武岩纤维的体积密度实验结果。分析表明，13μm玄武岩纤维和16μm玄武岩纤维的体积密度相近，分别为2．88g/cm3和2．89g/cm3。引起玄武岩纤维密度变化主要有以下原因:(1)玄武岩纤维的密度同组分含量关系紧密，在纤维所含各组分中，使得网络结构更为紧密的组分使纤维的密度增加，反之则密度减小。(2)同一氧化物的配位状态改变时对密度有很大影响。本实验所取的13μm玄武岩纤维和16μm玄武岩纤维来自同一种玄武岩玻璃体，其工艺过程及结构相同，所以密度相近。

2．2化学稳定性分析

玄武岩纤维的化学稳定性在现实生活中有很重要的意义。纤维在使用过程中难免受到各种物理化学腐蚀，使得纤维表面层破坏而失去原有性质。纤维的熔制和加工过程，对其化学稳定性的好坏具有很重要的作用。总体说来，纤维的化学稳定性与结构、组成和热历史等有关，同时与腐蚀过程中介质的作用时间、外界压力、温度等因素相关。本实验过程是取一定质量的纤维样品分别在1mol/L的NaOH和1%的H2SO4溶液中，温度为100℃的环境下保温3h。当玄武岩纤维受到酸性侵蚀时，涉及到H+和纤维中可以移动阳离子(通常是碱金属阳离子)之间的离子交换(≡SiO—R++H+→≡Si—OH+R+)。玄武岩纤维中所含的碱金属离子较少，所以结构较为稳定，化学温度性好。当玄武岩纤维受到碱性侵蚀时，碱对玄武岩纤维的侵蚀是通过OH－的作用，纤维表面的≡Si—OH解离为≡SiO－和H+。在玄武岩纤维中，含少量的Ca2+和Mg2+与解离出来的≡SiO－结合，生成了溶解度很低的硅酸钙和硅酸镁或其他矿物相晶体，形成一层致密的保护膜覆盖在纤维表面，阻止OH－进一步作用，从而显示了良好的耐碱性。由表3可知，13μm玄武岩纤维的平均耐酸性为97．32%，平均耐碱性为98．61%;16μm玄武岩纤维的平均耐酸性为98．05%，平均耐碱性为99．08%。经对比发现，16μm玄武岩纤维的耐酸耐碱性要高于13μm玄武岩纤维，其原因是16μm玄武岩纤维的比表面积要小于13μm玄武岩纤维，在化学稳定性试验过程中，13μm玄武岩纤维与酸碱性溶液的接触面积更大，从而造成更大的质量损失。所以16μm玄武岩纤维化学稳定性高于13μm玄武岩纤维。

2．3纤维强度分析

玻璃纤维作为复合材料中的增强基，其强度主要体现在玻璃纤维上，它占据了复合材料的主体质量。同时纤维的力学性能是玻璃纤维的主要体现。表4为13μm和16μm玄武岩纤维强度，13μm玄武岩纤维强度平均值为28．31N/tex，16μm玄武岩纤维强度平均值为54．43N/tex。经对比发现，16μm玄武岩纤维强度平均值约为13μm玄武岩纤维强度的2倍。

2．4SEM分析

对13μm及16μm的玄武岩纤维做SEM微观形貌测试，结果如图1所示。由图可以看出纤维表面光滑，没有存在大量缺陷，不存在断裂试样。拉丝工艺过程中并未出现断丝现象，表明玄武岩纤维拉制工艺过程中没有出现析晶、气泡等缺陷，拉制工艺良好。

3玄武岩纤维复合材料测试结果与分析

3．1玄武岩纤维复合材料的制备

本实验复合过程采用直接浸渍模板法，将玄武岩纤维直接浸渍在环氧树脂中，同时加入稀释剂苯甲醇，固化剂二乙烯三胺，比例是EO:苯甲醇:二乙烯三胺=10∶1∶0．5。采用聚四氟乙烯管作为模具，经过复合后放置于烘箱中，在100℃下保温4h即得到相应的复合材料样品。其主要工工艺如图2所示。

3．2密度分析

表5为13μm和16μm玄武岩纤维复合材料的体积密度实验结果。经分析表明，两种玄武岩纤维复合材料的体积密度相近，分别为2．68g/cm3和2．69g/cm3，经复合后的玄武岩纤维密度都有一定程度的降低，这是因为环氧树脂和固化剂的密度较低，约为0．98g/cm3，经复合后，原玄武岩纤维密度降低。

3．3化学稳定性分析

由表6可知，13μm玄武岩纤维复合材料的平均耐酸性为96．08%，平均耐碱性为97．06%;16μm玄武岩纤维复合材料的平均耐酸性为96．38%，平均耐碱性为97．55%。经对比发现，玄武岩纤维经树脂复合后，化学稳定性有明显的下降，这是因为玄武岩纤维与树脂的复合是表面的结合过程，树脂的化学稳定性低，所以在侵蚀过程中先脱落，从而造成更大的质量损失，化学稳定性下降。

3．4纤维强度分析

表7为13μm和16μm玄武岩纤维复合材料的强度，13μm玄武岩纤维强度平均值为33．09N/tex，16μm玄武岩纤维强度平均值为75．01N/tex。经对比发现，玄武岩纤维经复合后，纤维强度有了明显的提升，其中16μm玄武岩纤维强度提升程度大于13μm玄武岩纤维。其原因是经树脂复合后，增强了纤维的韧性，从而提升了强度。

3．5SEM分析

图3显示的是玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料的SEM表面微观形貌。从图中可以看出玄武岩纤维复合材料表面有明显的附着物。同时可以看出，玄武岩纤维与环氧树脂较好地进行了复合，16μm玄武岩纤维的复合程度要高于13μm玄武岩纤维。另外，16μm玄武岩纤维比较均匀地分布在环氧树脂基体之间，使得复合材料的力学性能表现更加优良。

4结论

本文利用电熔法制备了玄武岩连续纤维及其复合材料。通过性能表征发现，制备的两种玄武岩纤维体积密度在2．88g/cm3以上，16μm连续玄武岩纤维的强度为54．43N/tex，而耐酸碱性都高于97%。玄武岩纤维经树脂复合后，化学稳定性略微下降。强度分析表明，13μm玄武岩纤维复合材料强度的平均值为33．09N/tex，16μm玄武岩纤维复合材料强度平均值为75．01N/tex。玄武岩纤维经复合后，纤维强度有了明显的提升，SEM表明玄武岩纤维与环氧树脂浸润性较好，力学性能优良。

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］胡显奇．我国连续玄武岩纤维产业的特征及可持续发展［J］．高科技纤维与应用，2012，37(6):19－24．

［3］陈德茸．连续玄武岩纤维的发展与应用［J］．高科技纤维与应用，2014，39(06):17－20．

［4］刘柏森，斯维特兰娜，何建生，等．生产连续玄武岩纤维的池窑:中国，CN2690394［P］．2005－04－06．

作者:刘津 宁伟 汪庆卫 单桂军 王帅 王宏志 单位:东华大学先进玻璃制造技术教育部工程研究中心 纤维材料改性国家重点实验室 江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司