硅烷偶聯劑改性對玄武巖纖維織物復合材料拉伸性能和彎曲性能的影響

李 博 唐予遠 靳雯雯 陳 洋

1. 中原工學院紡織學院，河南 鄭州 451191；2. 河南省功能性紡織材料重點實驗室，河南 鄭州 451191；3. 許昌職業技術學院，河南 許昌 461000

玄武巖纖維是近年興起的一種無機纖維，其不僅力學性能、耐酸堿腐蝕性能、耐高溫性能和絕緣性能優異[1]，且綠色環保，可直接在環境中降解[2]。天然的玄武巖礦石是制備玄武巖纖維的原料，其成本低且自然界含量豐富，對人體和自然環境友好、無害[3]。玄武巖纖維也因較為優異的性能和較為低廉的成本，成為了理想的紡織復合材料增強體原料，并在各個領域得到廣泛應用[4]。但玄武巖纖維表面較光滑，表面能低，呈化學惰性，其直接作為復合材料增強體使用時與樹脂基體之間的結合效果較差[5]，所制備的復合材料不能較好地發揮玄武巖纖維優異的力學性能，而纖維的表面改性處理可有效地改善玄武巖纖維與樹脂的結合性能，進而提高復合材料的力學性能。

目前，玄武巖纖維表面改性較多采取的是偶聯劑改性技術[6]。大部分的研究結果表明，因偶聯劑的化學結構中含有雙官能團，其一端能與纖維發生反應，另一端能與樹脂發生反應，故可起到中間橋梁的作用，改善纖維與樹脂的界面性能，提高復合材料的力學性能[7]。

本文將采用硅烷偶聯劑KH550對玄武巖纖維織物進行表面改性處理，利用掃描電鏡和紅外光譜儀，分別從微觀表面形態角度和官能團角度分析硅烷偶聯劑對玄武巖纖維的改性機理，討論硅烷偶聯劑質量分數對玄武巖纖維織物復合材料拉伸性能和彎曲性能的影響，以期得到最適合的硅烷偶聯劑質量分數，為玄武巖纖維織物復合材料性能的提升和改善提供一定的理論支持與參考。

1 材料與儀器

玄武巖纖維紗線(120 tex)、硅烷偶聯劑KH550、無水乙醇、不飽和樹脂(LSP-8020B)、固化劑(Promox P200TX)、脫模劑(802)、溴化鉀、丙酮、真空塑料薄膜、密封膠帶(ATT-199)，以及SGA598型半自動小樣織機、INSTRON 5582型萬能強力儀、JFC-1600自動精細濺射鍍膜儀、Tensor 37型紅外光譜儀、JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡。

2 試樣的準備

2.1 玄武巖纖維織物的織造

以4層角聯鎖結構作為織物的組織結構，以玄武巖纖維紗線為原料，利用SGA598型半自動小樣織機織制尺寸為25 cm×30 cm的玄武巖纖維織物。且為了減少玄武巖纖維紗線在織造過程中的磨損，選擇筘號規格為85筘/(10 cm)，并設計經密為340根/(10 cm),織物總經根數為8 500，緯密為300根/(10 cm)，織物總緯根數為9 000。所得玄武巖纖維織物照片如圖1所示。

圖1 織制的玄武巖纖維織物實物照片

2.2 玄武巖纖維織物的改性處理

以乙醇溶液(m無水乙醇∶m水=9∶1)為溶劑，分別配置質量分數為2%、4%、6%、8%、10%、12%的硅烷偶聯劑溶液，再將織制的玄武巖纖維織物試樣放入不同質量分數的硅烷偶聯劑溶液中浸泡10 min，待充分浸潤后放置于80 ℃的水浴鍋中恒溫加熱1 h；加熱完成后取出試樣，再將試樣置于80 ℃烘箱中干燥4 h，取出后待用。

2.3 玄武巖纖維織物復合材料的制備

使用真空輔助樹脂傳遞成型工藝，在真空條件下，以玄武巖纖維織物為增強體、不飽和樹脂為基體，制備玄武巖纖維織物復合材料板材，其工藝流程示意如圖2所示。

圖2 真空輔助樹脂傳遞成型工藝制備玄武巖纖維織物復合材料板材示意

3 性能測試

3.1 微觀表面形態

硅烷偶聯劑改性前后的玄武巖纖維織物噴金處理90 s后，于溫度20 ℃、相對濕度65%、加速電壓15 kV的測試條件下，使用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察硅烷偶聯劑改性前后的玄武巖纖維的表面形態變化。

3.2 官能團

將硅烷偶聯劑改性前后的玄武巖纖維織物干燥處理后加入溴化鉀研磨，制備測試樣，再放入Tensor 37型紅外光譜儀中進行測試，觀察和分析硅烷偶聯劑改性前后玄武巖纖維中官能團的異同。

3.3 拉伸性能及彎曲性能

使用INSTRON 5582型萬能強力儀對玄武巖纖維織物復合材料進行拉伸性能和彎曲性能的測試。

拉伸性能測試用試樣規格為(200.0±0.5)mm×(10.0±0.5)mm，并根據試樣的基本參數設置加載速率為2 mm/min。

彎曲性能測試采用三點加載簡支梁法，測試用試樣規格為(200.0±0.5)mm×(20.0±0.5) mm，并根據試樣的基本參數設置加載速率為35 mm/min，跨距為80 mm。

4 測試結果與分析

4.1 改性前后玄武巖纖維的微觀表面形態

圖3為JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察到的未改性的和不同質量分數硅烷偶聯劑溶液改性的玄武巖纖維織物中纖維的微觀表面形態照片。從圖3可以看出：未改性的玄武巖纖維表面光滑，偶爾可見一些雜質；不同質量分數硅烷偶聯劑溶液改性的玄武巖纖維，其表面顆粒狀物體隨著硅烷偶聯劑質量分數的增加而逐漸增多，纖維與纖維之間也出現了相互抱合的現象，說明硅烷偶聯劑與玄武巖纖維之間發生了偶聯反應，硅烷偶聯劑在纖維表層形成了薄的涂層。

圖3 玄武巖纖維織物中纖維的微觀表面形態照片

4.2 改性前后玄武巖纖維的化學組成

圖4以質量分數為8 %的硅烷偶聯劑溶液改性的玄武巖纖維織物為例，與未改性的玄武巖纖維織物進行了紅外光譜對比。從圖4可以清晰觀察到，兩者除了在289 cm-1處都存在硅類化合物中Si—O官能團振動產生的強吸收峰外，其他差異較大。在未改性的玄武巖纖維織物紅外光譜中，1 640 cm-1處的吸收峰是玄武巖纖維表面殘留的O—H官能團振動產生的；但質量分數為8%的硅烷偶聯劑溶液改性的試樣在1 640 cm-1處沒有任何吸收峰，這說明該試樣中的O—H官能團已參與反應被消耗掉。此外，質量分數為8%的硅烷偶聯劑溶液改性的試樣在830 cm-1處出現了C—O—C不對稱伸縮振動產生的吸收峰。這些都表明改性的玄武巖纖維中已生成大量的新型官能團，這都是硅烷偶聯劑與之反應產生的。

圖4 硅烷偶聯劑改性前后玄武巖纖維織物紅外光譜

進一步分析可知，硅烷偶聯劑中的基團會與乙醇溶液中的羥基置換形成硅醇鍵，這使得官能團數量增加，化學活性得到提升；接著，玄武巖纖維中的硅酸成分與硅醇鍵發生反應，生成Si—O—Si鍵；此外，硅烷偶聯劑還會與不飽和樹脂基團反應，生成極性氫鍵，使二者之間結合得更緊密。由此可見，經硅烷偶聯劑改性后，玄武巖纖維與玄武巖纖維之間、玄武巖纖維與樹脂之間會結合得更加緊密。

4.3 硅烷偶聯劑質量分數對玄武巖纖維織物復合材料拉伸性能的影響

不同質量分數的硅烷偶聯劑溶液改性的玄武巖纖維織物復合材料的斷裂強度如圖5所示。

圖5 不同質量分數的硅烷偶聯劑溶液改性的玄武巖纖維織物復合材料的斷裂強度

從圖5可以看出：隨著硅烷偶聯劑質量分數的增加，復合材料的斷裂強度開始逐漸增加，并在硅烷偶聯劑質量分數為8%時，斷裂強度達到最大值，拉伸性能達到最佳，但當硅烷偶聯劑質量分數超過8%后，繼續增加硅烷偶聯劑質量分數，復合材料的斷裂強度不增反降。由此可見，在進行表面處理時，硅烷偶聯劑的質量分數并非越大越好，這是因為當硅烷偶聯劑質量分數達到8%時，纖維表面的涂層仍較薄，纖維與樹脂之間尚未形成弱界面層，仍能在一定程度上促進樹脂與玄武巖纖維之間的結合，使二者形成一個整體；但繼續增加硅烷偶聯劑質量分數后，玄武巖纖維表面附著的硅烷偶聯劑涂層厚度增加，并在玄武巖纖維與樹脂之間形成了弱界面層[8]，使得樹脂與玄武巖纖維之間的結合能力減弱，玄武巖纖維織物復合材料的拉伸性能下降。

4.4 硅烷偶聯劑質量分數對玄武巖纖維織物復合材料彎曲性能的影響

不同質量分數的硅烷偶聯劑溶液改性的玄武巖纖維織物復合材料的彎曲強度如圖6所示。

圖6 不同質量分數的硅烷偶聯劑溶液改性的玄武巖纖維織物復合材料的彎曲強度

經測量，硅烷偶聯劑改性后的玄武巖纖維織物復合材料厚度在1.62～1.71 mm，波動較小，故厚度對彎曲性能的影響可忽略不計。由圖6可知，經硅烷偶聯劑改性后的玄武巖纖維織物復合材料的彎曲性能得到了改善。隨著硅烷偶聯劑質量分數的增加，玄武巖纖維織物復合材料的彎曲強度與斷裂強度類似，表現為先提升，并在硅烷偶聯劑質量分數為8%時，玄武巖纖維織物復合材料的彎曲強度達到最大，彎曲性能達到最佳，繼續增加硅烷偶聯劑質量分數，玄武巖纖維織物復合材料的彎曲性能開始下降，但仍優于未改性的玄武巖纖維織物復合材料。

5 結論

(1)通過掃描電鏡觀察發現，隨著硅烷偶聯劑質量分數的提升，玄武巖纖維表面附著的顆粒也隨之增加，纖維表面變得粗糙，這有利于增強纖維之間的抱合力，改善玄武巖纖維紗線、織物及復合材料的力學性能[9-10]。

(2)利用紅外光譜儀分析不同質量分數硅烷偶聯劑溶液改性的玄武巖纖維織物，發現硅烷偶聯劑提高了玄武巖纖維中官能團的數量，增加了纖維的表面化學活性，提高了纖維和樹脂的界面結合度，改善了玄武巖纖維織物復合材料的拉伸性能和彎曲性能。

(3)當硅烷偶聯劑質量分數為8%時，改性的玄武巖纖維織物復合材料的拉伸性能和彎曲性能最佳。當硅烷偶聯劑質量分數超過8%后，改性的玄武巖纖維織物復合材料的拉伸性能和彎曲性能隨著硅烷偶聯劑質量分數的增加而有所下降。