偶聯改性玄武巖纖維細觀特性及性能研究?

向宇，劉朝暉，柳力

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南　長沙　410004）

偶聯改性玄武巖纖維細觀特性及性能研究?

向宇，劉朝暉，柳力

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙410004）

針對改性玄武巖纖維在道路工程中的現有研究現狀和不足，為改善玄武巖纖維在瀝青中的性能，采用環境掃描電鏡、X射線能譜儀，對分別經0.7％、1.0％、1.3％及1.6％硅烷偶聯劑KH-550溶液處理10、20、30及60 min的玄武巖纖維進行細觀分析，確定KH-550溶液處理玄武巖纖維的合理濃度與時間分別為1.0％、30 min；對處理后玄武巖纖維進行了吸油性、粘附性及離析性等試驗，試驗結果表明偶聯改性玄武巖纖維與瀝青的粘附性提升1級，吸油率提升65.5％，可有效改善玄武巖纖維在瀝青中的離析現象。

公路；玄武巖纖維；硅烷偶聯劑；微觀特性；元素組成；離析性

1　研究背景

玄武巖纖維（BF）作為一種具備優越的穩定性、抗腐蝕、抗燃燒及耐高溫等性能的新材料，在工程領域得到了廣泛運用。俞紅光、曾志遠等發現BF可明顯提高瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、抗疲勞、抗凍融及抗水損害等性能。然而，BF不溶于瀝青，在瀝青中的離析程度很大，勢必對瀝青混合料路用性能產生不良影響。國內研究改性BF在道路工程中的應用并不多，改善BF在瀝青中的性能、提高BF與瀝青的粘附性具有重要意義。

杜慧翔、王浩、尚寶月等發現硅烷偶聯劑（KH）作為一種同時存在兩種不同性質基團的有機硅化合物，可將兩類不同性質的物質緊密聯接在一起，其反應原理如圖1所示。

圖1　常見硅烷偶聯劑偶聯無機基材機理

該文對BF進行表面偶聯處理，通過環境掃描電鏡（ESEM）與X射線能譜儀（EDX）定性、定量分析KH改性BF機理，通過常規試驗研究改性BF的吸油性及與瀝青的粘附性，分析改性BF在瀝青中的離析情況。

2　試驗設計

表1　玄武巖纖維的技術指標

2.1原材料

采用浙江石金玄武巖纖維有限公司產短切玄武巖纖維（SCBF），其技術指標如表1所示。采用深圳市成企鑫科技有限公司產氨丙基三乙氧基硅烷KH-550，分子式為H2NCH2CH2CH2Si（OC2H5）3，其物理性質如表2所示。基質瀝青采用70#道路石油瀝青，其主要技術指標如表3所示。

表2　KH-550的物理性質

表3　70#瀝青的主要技術指標

2.2試驗方案

（1）制備KH溶液。室溫下按3∶7質量比將水與無水乙醇配制成乙醇溶液，分別滴入KH-550制備0.7％、1.0％、1.3％及1.6％質量濃度的KH溶液，充分攪拌后靜置水解1.5 h。

（2）制備偶聯改性BF。每種濃度KH溶液分別處理BF時間為10、20、30、60 min，濾出BF后烘干備用。

（3）偶聯改性BF細觀特性試驗。通過ESEM 與EDX觀察并分析BF表面及元素組成，研究KH溶液處理BF的合理濃度與時間。

（4）偶聯改性BF常規性能試驗。對偶聯改性BF進行吸油性、粘附性及離析性試驗；對普通BF進行平行試驗。

3　試驗結果分析

3.1玄武巖纖維偶聯處理前后表面特征分析

為分析偶聯改性BF表面特征，對試樣進行15 min噴金預處理后，采用ESEM對改性BF進行電鏡掃描試驗；對普通BF進行平行試驗。BF偶聯處理前后表面特性如圖2所示。

圖2　玄武巖纖維偶聯處理前后電鏡掃描試驗結果

從圖2（a）、2（b）可看出：BF為許多圓柱狀玄武巖單絲緊密依靠成束組成的層疊結構；BF表面光滑，細度規則，排列有序，表明BF在瀝青中的分散性并不高。

從圖2（c）、2（d）可看出：BF表面形成了一層形狀厚度不一的硅烷膜并產生了部分輕微突起。主要原因是KH分子中的-OC2H5與BF表面殘存的羥基-OH反應，使BF表面變得更粗糙，加大了BF的表面積。

玄武巖單絲間隙之間硅烷膜孔洞較多。主要原因是KH溶液從BF表層向內層浸潤，將脫水縮合反應深化帶入到纖維內部，玄武巖單絲間隙逐漸被硅烷膜及突起所占據，部分單絲間隙未充分發生偶聯反應，留下孔洞。KH使玄武巖單絲更緊密地粘結在一起，從而使BF具有更高強的力學特性。

3.2偶聯處理玄武巖纖維的合理濃度與時間

由于ESEM僅觀測纖維表面特征，對KH溶液處理BF后表面突起產生的原因難以解釋，為進一步確定KH-550溶液處理BF的合理濃度和時間，通過ESEM自帶的EDX對偶聯改性BF進行元素組成分析，得到其元素能譜圖及元素重量、原子百分比。普通BF表面元素能譜圖如圖3所示，該點所包含元素的重量百分比與原子百分比如表4所示。

圖3　普通玄武巖纖維EDX選點與元素能譜圖

表4　玄武巖纖維重量百分比與原子百分比％

國內外研究表明BF主要是以Si的氧化物為主要成分的無機礦物纖維，包括Al2O3、SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、Fe2O3、FeO等氧化物。由表4可以看出：BF表面存在C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe元素的譜峰，且Si元素能量值與強度最高，其次是O元素，對應的重量百分比分別為14.04％、39.28％，表明Si、O是BF表面含量最高的元素。

對不同濃度KH溶液處理不同時間的BF進行EDX分析，對元素能譜圖選取Si元素進行分析，結果如圖4所示。

圖4　玄武巖纖維表面處理后Si元素重量百分比

試驗結果表明：1）不同濃度KH溶液處理BF 后，Si元素的含量在30 min內均呈現明顯的上升趨勢，在30～60 min內上升趨勢減緩甚至接近持平。BF表面Si元素含量上升最明顯的為1.6％KH溶液，10 min后Si元素含量達到18.31％，比0.7％ KH提升23.2％；20 min后達22.15％，高于0.7％ KH溶液處理30 min。2）20 min內，各濃度KH溶液處理BF速率加快。低濃度KH溶液水解產生的羥基數量有限，不能迅速附著于BF表面；隨著時間的推移與剩余KH的繼續水解，BF表面逐漸被偶聯劑所包裹；1.6％KH溶液反應初期羥基濃度較高，能快速附著于BF表面發生偶聯反應。3）30 min后，BF偶聯處理基本完全。BF在各濃度KH溶液處理下的Si元素含量趨于穩定，主要原因是KH已水解羥基基本反應完全，繼續水解的羥基濃度逐漸降低，處理BF表面的能力下降，BF表面處理進程減緩或趨于完成。

結合原材料價格、生產工藝、經濟性及現場施工實際條件，選取1.0％、30 min作為KH-550溶液處理BF的合理濃度與時間，可作為BF施工現場表面處理或出廠預處理指標。

4　改性玄武巖纖維性能評價

對經過1.0％KH-550溶液處理30 min的BF進行常規性能試驗，分析改性BF吸油性及在瀝青中的粘附性、離析性變化情況，同時對普通BF進行平行試驗。

4.1吸油性

吸油性在一定程度上反映BF與瀝青的相容性，吸油率高低影響相容性大小，所以有必要進行吸油性測試。稱取表面處理BF質量m0、0.25 mm試驗篩質量m1，將BF平鋪于試驗篩中并倒入烘熱的瀝青，振動試驗篩5 min保證BF被瀝青包裹后置于165℃烘箱中30 min，稱量試驗篩質量m2，計算吸油率δ=（m2-m1-m0）/m0。對普通BF進行平行試驗。試驗結果如表5所示。

表5　玄武巖纖維的吸油性

從表5可知：表面處理BF的吸油率較普通BF 高65.5％，表明KH大幅提高了BF的吸油性。主要原因是BF經過偶聯處理后表面積加大，與瀝青的接觸面積增加，硅烷膜向纖維內深入的孔洞也吸附了大量瀝青。BF吸油性的提高對改善瀝青混合料高溫性能具有顯著作用，同時可防止瀝青混合料在高溫下產生離析、泛油現象。

4.2粘附性

參考JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中瀝青與粗集料的粘附性試驗方法（T0616-1993）并加以改進，稱取一定質量的表面處理BF平鋪于0.25 mm試驗篩中并倒入烘熱的瀝青，振動試驗篩5 min保證BF被瀝青包裹，夾出纖維瀝青塊置于涂滿甘油滑石粉的載玻片上自然冷卻，然后用細繩系牢浸煮于沸水中30 min；提出纖維瀝青塊，觀察BF表面瀝青膜剝落程度。對普通BF進行平行試驗。結果如表6所示。

表6　玄武巖纖維的粘附性

從表6可知：普通BF與瀝青的粘附能力一般，主要原因是水分子從BF與瀝青裂隙進入，從其結合部位破壞了瀝青與BF的聯結；與普通BF相比，經表面處理的BF與瀝青的粘附性提升1級，表明KH對BF的粘附性能起到了顯著提高作用，主要原因是BF表面及纖維單絲孔洞間的硅烷膜-NH2官能團與瀝青分子結合，使瀝青更緊密聯結在BF表面，水分子難以進入BF與瀝青的結合面，纖維的粘附性提高。BF粘附性的提高，能有效減緩纖維瀝青路面掉粒、松散、坑槽等水損害現象，對提高路面使用品質具有重要意義。

4.3離析性

BF在瀝青中的離析程度對纖維瀝青混合料路面開裂及產生高溫變形具有重要影響。分別稱取5 g表面處理BF置于3個燒杯中并向其中倒入等質量瀝青浸沒纖維，在165℃下充分攪拌后分別倒入3支涂有少量甘油滑石粉的18 mm×180 mm試管中。1支試管于室溫冷卻；為模擬瀝青混合料現場施工條件，其余2支試管置于165℃烘箱中養護，1 h后取出1支試管，2 h后取出另1支試管。敲碎所有冷卻的試管，將每根纖維瀝青試樣切成等長的3段分別置于3個燒杯中，倒入三氯乙烯完全浸沒試樣段，待瀝青完全溶解后倒出殘余溶液，稱取杯中剩余纖維質量。對比每根試樣頂部、中部及底部的質量，得出其質量比，分析試樣的離析性。對普通BF進行平行試驗。結果如表7所示。

表7　玄武巖纖維的離析性

從表7可知：普通BF瀝青在室溫冷卻后離析已經很明顯，在165℃下隨著時間延長，離析現象更加嚴重，纖維基本沉入瀝青底部。表面處理BF瀝青在室溫冷卻后基本保持均勻分布，在165℃下養護2 h仍能基本保持普通BF瀝青在室溫冷卻后的參考文獻：

水平，說明KH顯著改善了BF在瀝青中的分散性。主要原因是BF經處理后，形狀厚度不一的硅烷膜對瀝青機械咬合產生的橋接與加筋作用得到增強并充分發揮，結合其吸油性與粘附性，BF在瀝青中的離析程度大幅度降低，間接改善了纖維瀝青混合料的高溫穩定性。

5　結論

（1）KH-550作用于BF表面產生一層厚度形狀不一的硅烷膜，加大了BF表面積與粗糙程度，可加強BF與瀝青的橋接與加筋作用及BF自身性能。

（2）KH-550處理BF的合理濃度與時間分別為1.0％、30 min，此時BF表面基本處理完成且經濟效益最佳。

（3）表面處理BF的粘附性比普通BF提高1 級，吸油率提升65.5％，離析現象得到有效控制。

上述研究成果可為BF表面預處理工藝及改性BF在瀝青路面結構中的應用提供參考。

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［5］尚寶月，楊紹斌.玄武巖纖維聚合物復合材料的研究進展［J].化工進展，2011，30（8）.

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［7］JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程［S].

U416.217

A

1671-2668（2016）01-0095-04

2015-08-05

長沙理工大學公路養護技術國家工程實驗室開放基金資助項目（kfj140111）；湖南省研究生科研創新項目（CX2015B341）；長沙理工大學研究生科研創新項目（CX2015SS01）