中科院等科學家合作在玄武巖纖維耐堿腐蝕機理研究領域取得進展

中國科學院科學家團隊—新疆理化技術研究所研究員馬鵬程團隊與香港中文大學(深圳)研究團隊合作,探究了堿性介質對玄武巖纖維的影響規律。

研究人員以商業化的纖維為研究對象,系統研究了堿溶液類型及濃度、溫度和時間等因素對纖維力學性能的影響,發現堿溶液類型對纖維的強度影響不同,在NaOH溶液中,浸泡時間越長,纖維的強度降低越明顯;而在KOH溶液中,堿溶液溫度對纖維強度的降低起關鍵作用,這是因為玄武巖纖維中較小的Na+與KOH溶液中較大的K+之間發生離子交換,這會在纖維表面產生壓應力,從而會部分抵消外部施加的載荷。

研究人員通過掃描電子顯微鏡對玄武巖纖維的微觀形貌進行了觀察,發現隨著堿腐蝕的加劇,纖維表面逐漸由光滑狀態轉變為粗糙結構,并出現沉積顆粒,隨后形成板狀結構的腐蝕層。通過紅外和拉曼光譜證實,NaOH/KOH溶液處理后,纖維表面的腐蝕層和沉積顆粒是含Fe,Mg的氫氧化物和含Ca的硅酸鹽。

基于上述表征結果,研究人員提出了玄武巖纖維在堿性環境下的腐蝕機理:在堿溶液中,纖維結構中的Si—O—Si(Al)鍵逐漸受到OH-侵蝕,Si—O/Al—O鍵發生溶解;隨著纖維網絡結構被破壞,作為纖維網絡修飾體的金屬離子(如Na+,Fex+,Mg2+)從纖維表面浸出。同時,浸出的Fex+和Mg2+可與OH-反應形成不溶性氫氧化物,沉積在纖維表面,最終形成腐蝕層。而KOH對纖維的腐蝕包括兩個競爭過程:由Na+/K+交換引起的纖維強度增強和OH-侵蝕引起的纖維強度降低。具體而言,在KOH溶液浸泡初期,隨著纖維表面的Na+被K+取代,K+引入產生的壓應力克服了纖維表面由于缺陷而引起的強度下降問題,造成纖維強度升高;隨著腐蝕程度的加劇,纖維的Si—O—Si骨架斷裂程度超過了K+誘導的纖維增強,纖維表面累積缺陷產生的應力集中增加,導致纖維強度顯著降低。在Ca(OH)2腐蝕后,玄武巖纖維表面形成的沉積物是Ca2+與環境中的CO2反應生成的CaCO3。

上述研究成果不僅解釋了玄武巖纖維在堿性條件下的腐蝕機理,也為改善纖維的性能提供了理論依據,如纖維表面Na+和K+交換可以提高纖維的拉伸強度、浸潤劑中高Si—O的納米結構將減緩OH-對纖維的侵蝕。

(摘編自《腐蝕與防護》)