玄武巖纖維的低溫等離子體表面改性研究

李琦嫻 楊建忠 焦海娟

（1.西安工程大學，陜西西安，710048；2.陜西省現代建筑設計研究院，陜西西安，710021）

連續玄武巖纖維是前蘇聯莫斯科玻璃和塑料研究院60多年前研究開發的高新技術纖維［1］，為四大高性能纖維之一［2］，具有力學性能優異、化學穩定性好等特性［3-4］，以其為增強體可制成各種性能優異的復合材料，廣泛應用于消防、環保、航空航天、建筑等軍工和民用領域［5-8］，大大促進我國礦產資源的合理開發和高附加值的應用，形成一個新興的產業。

目前，對連續玄武巖纖維的改性方法主要有偶聯劑處理法、表面涂層法、酸堿處理法、高能輻射法等［9-11］。雖然每種處理方法都有一定的效果，但會對纖維本身性能造成一定的損失。低溫等離子體改性技術是備受關注的研究熱點之一［12］。該技術具有處理效果好、環境污染小等優點［13］。此外，該法采用干式工藝，具有高效節能等優點［14］。本文通過改變低溫等離子體設備參數對玄武巖纖維進行表面處理，以期使玄武巖纖維表面獲得最佳粗糙度并維持一定的強度，使得表面黏結力增強，從而使其在工程應用方面發揮更優異的力學性能。

1 試驗部分

1.1 原料及試驗設備

原料與試劑：玄武巖纖維有捻紗（型號BCT6，浙江石金玄武巖纖維有限公司，20 tex/20 F）；去離子水；玻璃棒；水基染料墨水。

儀器：HD-1B型輝光放電低溫等離子體儀（常州新區世泰等離子體技術開發有限公司）；LLY-06EDC型電子單纖強力儀（萊州市電子儀器有限公司）；JN-A型精密扭力天平（上海第二天平儀器廠）；Y151型纖維摩擦因數儀（常州第二紡織機械有限公司）；YG（B）871型毛細管效應測定儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）；AXISULTRA型X射線光電子能譜儀（Kratos Analytical Ltd.）；JSM-6700F型冷場發射掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）。

1.2 試樣制備

將玄武巖纖維紗剪成長度為10 cm左右的纖維束，將其置于去離子水中使其分散成單根纖維后于烘箱內烘干水分使纖維處于蓬松的狀態，溫度不高于200℃，平均分為7組，為Ⅰ試樣；將6根25 cm長的纖維束均勻排布粘貼在玻璃棒上，共10組，為Ⅱ試樣。

1.3 性能測試

參照絞盤法在JN-A型精密扭力天平上，每組取50根纖維作為試樣進行靜摩擦力以及動摩擦力測試［15］，Y151型纖維摩擦因數儀采用橡膠輥，轉速30 r/min，張力夾選用200 mg。

利用LLY-06EDC型電子單纖強力儀測試各組單纖維斷裂強度。設置試驗隔距10 mm，試驗速度20 mm/min，預加張力2 cN，重復測試50次。

利用YG（B）871型毛細管效應測定儀，水基染料墨水作為指示劑，參考FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》［16］，觀測1 min、5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min時玄武巖纖維的芯吸高度。

采用AXISULTRA型X射線光電子能譜儀對玄武巖纖維原樣、輕微處理條件、最優處理條件以及處理條件最劇烈的四種樣品進行表征。

采用JSM-6700F型冷場發射掃描電子顯微鏡對原樣及處理效果最優的兩組纖維進行表觀形貌觀測，觀測前需對玄武巖纖維表面做噴金處理。

以上試驗均在標準大氣條件下進行。采用低溫等離子體設備，反應氣體為空氣，對纖維進行表面處理。隨機取一組試樣置于反應室，啟動高壓泵將其抽真空至2 Pa左右，試樣做正交處理，采用L9（34）分配參數，參數設定見表1。

表1 正交因素水平表

2 結果與討論

2.1 摩擦因數與斷裂強力分析

經過對單根纖維動、靜摩擦力大小的換算求得每組纖維的平均動、靜摩擦因數［17］；同時將單纖強力儀測得的平均斷裂強度繪制得表2。極差分析見表3。試樣0為纖維原樣。

表2 正交試驗結果

由表2分析得知，經低溫等離子體處理過后的玄武巖纖維的摩擦因數有一定的增大，但若處理時間過長，摩擦因數又會相對減小；而等離子體處理會造成纖維斷裂強度略有減小，表明玄武巖纖維經處理后表面被刻蝕變粗糙，強力出現不勻，且摩擦因數越大時，斷裂強度相對較小。

表3 極差分析表

由表3分析可知，放電功率高低對玄武巖纖維的靜摩擦因數影響較大，氣壓次之，放電時間最小，即A＞C＞B，最佳試驗方案為A1B2C2；同樣，影響動摩擦因數的因素主次為A＞B=C，最佳試驗方案為A1B2C3；影響斷裂強度的因素主次為A＞C＞B，最佳試驗方案為A3B2C1。因此根據較優水平、纖維表面粗糙度和強力維持的要求，最優試驗方案擬確定為A1B2C2。

2.2 毛細效應分析

經各條件處理后玄武巖纖維束與未經處理的原樣毛細效應測試結果見圖1。

圖1 玄武巖纖維束芯吸高度測試

由圖1分析可得，未經處理的玄武巖纖維束原樣芯吸能力較差，30 min芯吸平均高度僅為46.67 mm；試樣2為經225 W、5 min、20 Pa條件處理的纖維束，芯吸平均高度最高，達75.83 mm，較未處理原樣芯吸能力提高62.48%；試樣9為放電時間較長，放電功率較大的試樣，芯吸高度與未處理原樣相近。因此，低溫等離子體處理效果會隨時間的延長、功率的增大呈現負增長，纖維表面局部刻蝕達到飽和狀態即變為全面刻蝕，幾乎恢復纖維原樣面貌，因此等離子體放電時間不宜過久、放電功率不宜過大。因此得出A1B2C2為最佳處理條件。

2.3 X射線光電子能譜分析

經低溫等離子體處理后各主要元素含量相對占比見表4。

表4 玄武巖單纖維X射線光電子能譜處理元素含量分析

由表4可知，經處理后纖維Si 2p含量明顯變化，從原樣的1.5%經輕微處理（試樣8）提高至16.73%；經最優處理（試樣2）提高至16.86%；經強 烈 處 理（275 W，6 min，25 Pa）后 提 高 至19.58%。經分析可判斷處理過程中纖維表面硅原子與空氣中的氧原子生成新物質二氧化硅，為多孔松軟的無定形二氧化硅，其吸附性強，提高纖維的吸水能力。加之C 1s含量的多少決定了玄武巖纖維的基本性能，含量過低會導致其物理機械性能下降。并且O 1s及N 1s含量增加，表明生成了含氧、氮的極性基團，增大了纖維的親水性。因此經225 W、5 min、20 Pa處理的玄武巖纖維保持了較多的碳元素，維持了較好的強力，同時親水性明顯提高。綜上，A1B2C2為較優處理條件。

2.4 電鏡掃描分析

圖2依次為原樣以及最優處理的兩個樣品電鏡掃描圖像。

從圖2中可以明顯看出，未經等離子體處理的纖維原樣表面光滑，基本沒有瑕疵；試樣2經處理后表面不再光滑并出現大面積的點狀刻蝕及突起，表明處理后的纖維表面變粗糙，直接增大纖維表面幾何接觸面積，提高親水性，且沒有出現因裂紋或鱗片導致的纖維強力不勻降低纖維斷裂強力的情況，為最佳處理狀態。

圖2 玄武巖纖維的掃描電鏡圖像表征（×20 000倍）

3 結論

玄武巖纖維經低溫等離子體設備處理后表面變粗糙，從而提高了其他材料與之復合時的黏結強度；同時吸水能力提高，毛細效應增強；C 1s含量相對減少，Si 2p含量明顯增多，并生成極性基團提高纖維親水性。綜上最適宜的低溫等離子體處理條件為放電功率225 W、放電時間5 min、氣壓20 Pa。