玄武巖纖維的處理方法對速生楊木-玄武巖復合材纖維結合特性的影響

摘要： 玄武巖纖維的表面改性處理是速生楊木-玄武巖纖維復合重組成材研究的關鍵步驟。研究采取堿液蝕刻玄武巖纖維并附著偶聯劑的方法進行表面處理，旨在生成玄武巖纖維表面的微觀不規則凹凸蝕刻紋理、增強膠合界面互聯因子，從而優化速生楊木-玄武巖纖維的復合性能。通過對不同處理方式后玄武巖纖維進行掃描電鏡分析，以及對玄武巖單絲與絲束拉斷拉伸力實驗結果的解析，結果表明：不同條件下的堿液蒸煮和偶聯劑的浸附對提高玄武巖纖維表面的粗糙度、改善膠合界面性能有巨大影響，為無機非生物質纖維與有機生物質纖維的有效結合提供了重要的技術支撐。

關鍵詞： 玄武巖纖維； 表面處理； 拉斷拉伸力

中圖分類號： TS 66 文獻標識碼： A 文章編號：1001 - 9499（2024）05 - 0052 - 04

楊木是我國主要速生樹種，具有適應性強、生長快、易膠合等特性，但速生楊木受樹齡、生長速度、生長環境等因素影響較大，木材品質并不穩定，因此為了獲得更大的力學強度及更多的應用范圍，通常采用不同的方法對速生楊木進行集成、復合。而以楊木為基材的重組木就是其中很主要的品類。但是，傳統的重組木壓縮比較大，同單位體積下耗用的原料木材比較多，成品的比重過大，適用的范圍也受到了一定的限制。因此，需要借助具有高強度，高模量、高抗拉強度的非植物基連續纖維與速生楊木疏解纖維復合。在保證材料物理性能優良的同時，還能降低復合材料的比重，從而得到一種新型的中等密度的復合結構重組成材，這是木基與非木基材料復合成材領域的一種新的探索方向。

玄武巖纖維系玄武巖石材在1 450 ℃～1 500 ℃的熔融狀態下，通過鉑銠合金拉絲漏板以高速拉制而成[ 1 ]。作為純天然物質生成的無機非植物纖維，玄武巖連續纖維具有優良的化學穩定性和物理性能，不但有高強度、高模量、高抗拉強度等特點，同時還擁有電絕緣、抗腐蝕、耐高溫等多種優異性能[ 2 - 3 ]。然而，玄武巖連續纖維表面比較光滑，可化合交聯因子稀少，表面化學惰性顯著，導致其纖維界面與熱固性酚醛樹脂基體之間分子間作用力較差，這些不利因素會弱化玄武巖連續纖維對復合基體性能的增強效果[ 4 ]。在此類研究中發現，對玄武巖連續纖維實施表面改性處理，以提升玄武巖連續纖維與膠合劑的界面結合性能，是一個極其關鍵的步驟。

由于最終要與熱固型酚醛樹脂及速生楊木疏解纖維復合成型，因此，增加玄武巖連續纖維表面的粗糙度，使其膠合界面產生更多的官能團，提高不同纖維之間的膠合強度就成為關鍵之舉。在以往的處理時往往采用較高濃度的氫氧化鈉溶液對玄武巖連續纖維表面進行堿液蝕刻處理，較高濃度的NaOH溶劑具有較強的腐蝕性，較長時間的高溫浸漬處理在一定程度上也會極大地損傷玄武巖連續纖維的穩定結構，破壞其局部應力穩定性，降低纖維的抗拉性能，導致纖維對復合材料力學物理性能上沒有得到顯著的增強。因此有效地控制堿液濃度及蝕刻的時間，再繼續在玄武巖連續纖維表面浸附硅烷偶聯劑是非常重要的過程[ 4 - 5 ]。為了得到更符合重組成材所需要的玄武巖連續纖維，本研究做了以下三種實驗。

1 堿液處理玄武巖連續纖維的拉伸力衰8d256635b130f86761e88c7f40d77921減變化對比實驗

1. 1 試驗材料及設備

（1）采用吉林某公司生產的直徑為17um的脫漿玄武巖連續纖維；

（2）濃度1%NaOH分析純溶液；

（3）濃度1%HK550偶聯劑；

（4）環境掃描電鏡Apreo S，thermoscientific；

（5）電子纖維拉力測試儀。

1. 2 試件制取

實驗采用的脫漿玄武巖連續纖維在濃度為1%、溫度為80 ℃的NaOH溶液中進行浸漬。

1. 3 不同浸泡時間下的玄武巖連續纖維拉伸力影響

以下均為直徑17 um脫漿玄武巖連續纖維單絲按DB51T2321-2017《玄武巖纖維單絲抗拉性能的檢測方法》進行檢測，每組共保留21個試件數據。由于玄武巖連續纖維自身特性，其使用溫度為260～650 ℃，在普通清水加熱到100 ℃以內玄武巖纖維狀態不會隨著浸泡時間而改變表面及性能。本實驗選取檢驗的樣品分別為：原始狀態的單絲；在80 ℃清水中浸泡2 h的單絲；各在溫度80 ℃、1%濃度NaOH溶液中浸泡0.5、1、1.5、2 h的單絲。對比圖見圖1。

1. 4 掃描電鏡觀察結果與分析

玄武巖連續纖維經過不同處理階段的表面狀態各不相同，運用高倍電鏡下對纖維進行掃描，根據照片進行觀察分析，并對不同處理方式的玄武巖連續纖維的拉斷拉伸力性能進行力學檢測和分析，以期得到比較合理的處理方式（圖2）。

參照掃描圖片并根據檢測數據的平均值得出以下判斷：相同溫度80 ℃下清水處理與在1%濃度NaOH液浸泡0.5 h，所浸泡的纖維表面均無明顯的變化，在拉斷拉伸力檢測也無比較大的改變。而在相同溫度80 ℃的1%濃度NaOH液浸泡分別在1、1.5、2 h時間段纖維表面均產生刻蝕痕并有凹痕和凸起，拉斷拉伸力均發生較明顯的改變，并且在1.5 h后拉斷拉伸力平均數值發生較大的衰減。

堿液處理過程旨在使玄武巖連續纖維表面在微觀形態下產生鈍化蝕刻，形成局部內凹與纖維表面突起，增大玄武巖連續纖維表面摩擦力，使其表面官能團得到增多，加強了纖維的親離子性能，提高了螯合性能，阻止纖維在外力作用下與偶聯劑、樹脂脫粘。較高浸泡溫度對玄武巖連續纖維內部起到了平衡處理的作用，解決了玄武巖連續纖維中存在的局部應力不均現象，減少了纖維的晶格結構。同時在NaOH的作用下也減少了微量的CaO和MgO，提高了玄武巖連續纖維的撓度，使得纖維絲組的纏繞性及柔韌性得到了較大的提升。

2 堿液處理后浸附偶聯劑的玄武巖連續纖維拉伸力對比實驗

2. 1 掃描電鏡觀察結果與分析

篩選幾種處理后的纖維表面浸附濃度為1%的偶聯劑，然后再進行比對分析，對結果（圖3）進行進一步的驗證。

2. 2 浸附偶聯劑后的玄武巖連續纖維單絲拉伸力影響

以下是各個處理階段單絲再吸附濃度為1%的HK550偶聯劑，依據DB51T2321-2017《玄武巖纖維單絲抗拉性能的檢測方法》進行檢測（圖4）。

參照掃描圖片并根據檢測數據的平均值得出以下判斷：在相同溫度80 ℃下，清水浸泡2 h與在1%濃度NaOH 浸泡的玄武巖連續纖維并浸附濃度為1%的偶聯劑試件比對時發現，清水與0.5 h所浸泡的纖維表面浸潤劑附著不均勻、呈現局部凝結狀態，在拉斷拉伸力檢測沒有較大的改變。而在相同溫度80 ℃、1%濃度NaOH液浸泡在1、1.5、2 h纖維表面浸潤劑附著均勻更加光滑，拉斷拉伸力均發生較明顯的改變，在1.5 h后拉斷拉伸力平均數值發生較大的衰減。

2. 3 玄武巖單絲各個處理階段與浸潤偶聯劑后對比分析

由表1可知，當纖維浸入偶聯劑后拉斷拉伸力均有較大幅度的提高，在0.5 h、1%濃度NaOH 處理的時候，玄武巖連續纖維的拉斷拉伸力沒有較大改變，在1～1.5 h、1%濃度NaOH 處理的時候，略有改變，而堿液處理到2 h后，拉斷力數據衰減比較大，不宜作為復合材料的原料來使用。

將處理后玄武巖連續纖維復絲束（17μm，200組）浸附于濃度為1%HK550偶聯劑后進行斷裂拉伸力檢測的數據（比對類型見表2；此數據是借用標準GBT3362-1982《碳纖維復絲拉伸性能檢測方法》對絲束進行的檢測，因此此組數據只可作為不同處理階段再浸附偶聯劑的比對參考）。

玄武巖連續纖維與硅烷偶聯劑的結合機制主要依賴于化學鍵的形成。這一過程就是玄武巖纖維一端的羥基（-OH）與HK550硅烷偶聯劑分子端的烷氧基（-O-CH3）發生酯化反應，進而生成穩定的酯基團（-O-CO-CH3）。酯基團（-O-CO-CH3）會生成覆蓋于玄武巖纖維表面的、化學性能穩定的微觀膜結構，該微觀膜結構層不僅可以增加玄武巖纖維與其他參與復合的材料之間的分子間的作用力，還可以減少玄武巖纖維因氫氧化鈉溶液蝕刻產生的應力鋒面，提高其抗拉性能。

先期實驗中對玄武巖連續纖維的膠液蝕刻，不但增加了纖維的表面積，形成較粗糙的表面形態，而且較大幅度地增加了表面不飽和化學鍵、有利于偶聯劑與玄武巖纖維的有機結合，而偶聯劑另一端氨基（-H2N）則通過化合鍵結合的方式與熱固型酚醛樹脂上的酯基結合，并會與木質纖維表面的化合基團產生絡合作用，同時玄武巖連續纖維也會在固化的膠質中起到加強筋的作用，在玄武巖纖維與速生楊木疏解纖維膠合時形成穩固的交聯復合結構[ 6 - 7 ]。

3 不同處理條件玄武巖連續纖維與楊木薄板組坯壓斷力學實驗

為印證處理后的玄武巖纖維能夠增強楊木復合材料的性能，研究將楊木刨光材加入未處理的玄武巖原態連續纖維及根據實驗設計處理后的玄武巖纖維絲束膠合復合，然后進行破壞載荷對比實驗，通過將每組15個試件共6組進行最大破壞載荷實驗。

3. 1 實驗材料與設備

（1）楊木刨光材；

（2）未處理玄武巖絲束17μm×200捻；

（3）0.5、1、1.5、2 h堿液浸泡處理后附著濃度1%偶聯劑處理的玄武巖絲束17μm×200捻；

（4）濃度為15%水溶性酚醛樹脂膠液；

（5）萬能力學機。

3. 2 試件制作

楊木刨光材規格（厚×寬×長）：表層板A： 8 mm×50 mm×420 mm，芯板B：12 mm×50 mm×420 mm，浸漬于15%濃度的水溶性酚醛樹脂膠液中，然后低40 ℃烘干材料含水率至8%～12%，分別將玄武巖連續纖維原絲及實驗設計不同處理方式的8束玄武巖連續纖維浸膠后，均勻間隔鋪裝到表板層表面及表層板與芯板之間組坯（組坯方式見表3），放入模具中冷壓，壓力10兆帕，然后放入145 ℃烘箱中進行熱固化，固化時間3 min/cm，約1 h。最后針對對應的復合材料板進行破壞性載荷實驗。

圖5為未加玄武巖連續纖維絲的三層楊木刨光材復合板的破壞形態；圖6為刨光材表層與芯層間夾未經處理的玄武巖絲束組坯板材，觀察到玄武巖絲有較多脫黏合剝離的現象；圖7為刨光材表層與芯層間均勻間隔夾8束經1 h堿液處理后附著偶聯劑處理的玄武巖絲束組坯板材，可觀察到玄武巖連續纖維基本斷裂，有少量脫粘現象；圖8為刨光材表層與芯層間均勻間隔夾8束夾經1.5 h堿液處理后附著偶聯劑處理的玄武巖絲束組坯板，觀察到玄武巖連續纖維基本斷裂，脫粘狀態很少。而經2 h堿液處理后附著偶聯劑處理的玄武巖絲束組坯板，則到玄武巖連續纖維基本全部斷裂但力值較低（表3）。

通過實驗對比發現，加入玄武巖連續纖維壓制的板材的力學性能有較大的增強效果，其中經1～1.5c4f8b95abb42004c71e7d11a63d4fc7f3a30a17e0cf59cd31911b6e2ce182685 h堿液處理后附著偶聯劑處理的玄武巖絲束性能最佳，使得材料的原始力學性能得到顯著增強（表3）。

4 結 論

根據以上各項試驗檢測數據證明，僅僅在玄武巖纖維表面附著偶聯劑雖然對其纖維表面有一定的改善，在單絲拉斷力實驗中其性能表現優良，但是在與楊木疏解纖維的復合中仍不足以大幅度地提高復合材料的力學性能。而對玄武巖連續纖維進行可控性堿液蝕刻是雖然是重要的環節，但是也會對玄武巖纖維產生損害，因此需要復式方法對玄武巖連續纖維進行表面改性[ 8 ]。

在溫度80 ℃、1%濃度NaOH溶液處理1 h后至1.5 h，在浸漬濃度為1%的HK550偶聯劑條件下，不但玄武巖連續絲束可具有較高的拉伸力。同時具有較好的界面結合特性，比較接近原絲浸漬偶聯劑的力學數據，還可以極大減少玄武巖連續纖維在與木質纖維復合過程中產生的脫粘、抽絲現象，可以將此階段的處理玄武巖連續纖維絲束與速生楊木疏解纖維及熱固型酚醛樹脂進行下一步的復合。針對速生楊木疏解纖維束與玄武巖連續纖維的特性差異，探索研究將其進行可控固化成型的工藝方法，進而研發出一種創新型材料，即速生楊木疏解纖維復合玄武巖連續纖維重組中等密度成材。

參考文獻

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［3］ 閆昭樸， 王揚衛， 張燕， 等. 玄武巖纖維復合材料靜、 動態力學性能和抗彈性能研究進展［J］. 材料導報，2022， 36（4）： 243 - 251.

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［8］ 時艷玲， 賈濤芳. 連續玄武巖纖維增強木質復合材料的研究［J］.玻璃鋼/復合材料， 2016（1）： 79 - 82.