玄武巖纖維表面化學改性對PA6基復合材料力學性能影響*

于開鋒，黃雅婷，劉彥波，劉家旗，李浩冬，梁 策

(吉林大學材料科學與工程學院，吉林 長春 130022)

1 概述

尼龍6(PA6)，作為應用最為廣的工程熱塑性材料，具有優異的耐溶劑性、易加工性和機械性能[1-2]。然而其缺口沖擊性能與尺寸穩定性較差，以及吸水性較大等缺點限制了其應用[3-4]。纖維增強PA6復合材料時，可以大幅度改善PA6的機械性能[5-6]。玄武巖纖維(BF)具有強度大、環保、無毒、輕質等優點，經常用于生產與合成具有優異性能的輕質復合材料[7-8]。但是BF表面光滑、惰性大、浸潤性不足，與基體材料進行復合時，由于界面結合能力較低，易發生纖維脫粘等現象。因此在制備玄武巖纖維復合材料的過程中需要對纖維表面進行處理，增加纖維與基體之間的界面相互作用[9]。

本文以BF為增強材料，使用不同濃度的KOH與H2SO4溶液對其表面進行化學改性處理，通過熔融共混制備PA6/BF復合材料，其中BF與PA6的質量分數分別為30%與70%。探究化學處理方式對復合材料力學性能影響，并對纖維與復合材料進行表征。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

PA6(BL3280H)顆粒：中國石油化工股份有限公司制巴陵分公司提供；長切玄武巖纖維：長度 6 mm，直徑 12 μm，浙江省海寧安捷復合材料有限公司；抗氧劑1098：山東優索化工科技有限公司；抗氧劑168：山東優索化工科技有限公司；滑石粉：1250目，桂林桂廣滑石開發有限公司；H2SO4：北京化工廠；KOH：北京化工廠。

2.2 BF改性及復合材料制備

配制 0.5 mol/L、1 mol/L、2 mol/L 的H2SO4和KOH溶液，將玄武巖纖維浸入H2SO4或KOH溶液中，處理時間 1 h。使用去離子水將酸堿溶液處理后的纖維清洗至中性，最后 80 ℃ 條件下干燥 8 h，備用。

將原料PA6在 90 ℃ 真空條件下干燥 10 h，真空干燥箱的真空度設置為 -90 kPa，避免PA6被空氣氧化。抗氧劑1098和168的質量分數分別是PA6的0.6%和0.3%。然后使用TE-35A型雙螺桿擠出機制造復合材料，各區溫度分別為 230 ℃，240 ℃，250 ℃ 和 230 ℃，其螺桿轉速為 60 r/min。從料斗中加入PA6顆粒，將BF通過側邊進料裝置進料到設備中。將所得的復合材料依次通過冷水槽、牽引機、切粒機造粒。由于PA6的高吸濕能力，所有PA6原料在實驗前需要真空干燥干燥至少 10 h。

用于測試的樣品是通過TXS-1080型注射成型機進行注射成型的，注塑機的各區溫度分別為 235 ℃，245 ℃，235 ℃，245 ℃。注射壓力、保護壓力及保護時間分別為 70 MPa、45 MPa 與 30 s。

2.3 實驗測試與表征

本文采用JSM-6700掃描電子顯微鏡對無機粒子以及復合材料沖擊斷裂面進行微觀表征。將沖擊斷裂樣品在液氮中冷凍 5 h，然后將樣品距離斷裂面 2～3 mm 處的部分切下，所有樣品測試前噴金 200 s，所有樣品均以 5 kV 的加速電壓進行掃描。

復合材料的拉伸與彎曲試驗在WSM-5KN電子萬能試驗機上進行，按照GB/T 1040-2006的標準進行測試，測試速度為 20 mm/min。復合材料的沖擊試驗在JJ-2記憶式沖擊強度試驗機上進行，按照GB/T 1843-1996的標準測試，擺錘大小為 5.5 J。

3 結果與討論

圖1為經過不同濃度KOH與H2SO4溶液處理過BF的微觀形貌。隨著溶液濃度從 0 mol/L 增加到 0.5 mol/L 和 1 mol/L 時，纖維表面明顯變得粗糙，并且出現明顯的凸起與凹陷，與PA6復合制備復合材料時，可以增強界面結合能力。當KOH與H2SO4溶液得濃度達到 2 mol/L 的時候，纖維表面因腐蝕而發生脫落，導致其結構被破壞，作為增強材料時，性能有所下降。

(a)0.5 mol/L KOH;(b)1 mol/L KOH;(c)2 mol/L KOH;(d)0.5 mol/L H2SO4;(e)1 mol/L H2SO4;(f)2 mol/L H2SO4。圖1 BF的SEM圖

復合材料的力學性能如圖2所示。經過化學處理過的纖維/PA6復合材料的拉伸強度與沖擊強度均高于未處理的復合材料。用 1 mol/L 的H2SO4處理復合材料的拉伸強度與沖擊強度達到最大值，分別為 102.44 MPa 和 15.38 kJ/m2。主要是因為纖維經過酸堿處理后，表面粗糙度的增加導致界面結合強度的提高。

圖2 化學處理過的玄武巖纖維/PA6復合材料的拉伸性能和沖擊性能

懸臂梁試樣的斷口界面的SEM圖如圖3所示。從圖3(a)看出，在BF表面未經過改性的復合材料沖擊斷面中，材料受到沖擊外力時，纖維被拔出且基體中存在大量孔洞，且裸露的纖維表面相對光滑。圖3(b)、3(c)為纖維經過 1 mol/L 的KOH與H2SO4溶液處理后復合材料沖擊斷面，此時纖維雖然從基體中被拔出，但其孔洞數量變少且表面粘附著樹脂殘跡。纖維經過化學處理后，表面被刻蝕后產生缺陷，粗糙的表面增加了纖維與基體的界面結合性。

(a)未處理；(b)1 mol/LKOH；(c)1 mol/L H2SO4。圖3 懸臂梁試樣斷口的SEM圖

4 結論

綜上所述，文章對玄武巖纖維表面進行化學改性，經過KOH與H2SO4均改變了纖維表面的性能。由BF表面的SEM看出，酸堿溶液通過腐蝕來增加纖維表面粗糙度，進而影響復合材料的力學性能。1 mol/L 的H2SO4處理后復合材料的拉伸強度與沖擊強度達到最大值，分別為 102.44 MPa 和 15.38 kJ/m2。