玄武岩纤维改性树脂的研究进展

崔宝玉(辽宁有色勘察研究院， 辽宁 沈阳 201203)

玄武岩纤维改性树脂的研究进展

崔宝玉(辽宁有色勘察研究院， 辽宁 沈阳 201203)

本文首先简要介绍了玄武岩纤维的主要表面改性方法，从玄武岩纤维/环氧树脂、玄武岩纤维/酚醛树脂、玄武岩纤维/乙烯基树脂、玄武岩纤维/聚丙烯和玄武岩纤维/芳纶复合材料这五个方面详细阐述了玄武岩纤维增强树脂的研究进展。最后就玄武岩纤维及其复合材料在未来的发展动向作了几点预测。

玄武岩纤维；表面改性；增强树脂；发展

0 引言

玄武岩纤维(Basalt Fiber：)是以天然玄武岩矿石作为原料，在1450～1500℃下熔融，然后通过拉丝而制成的纤维，是一种高性能无机纤维。它的主要组分为：SiO2、Al2O3、FeO、Na2O、CaO 、Fe2O3、MgO和TiO2等[1]。与碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶等高性能纤维相比，玄武岩纤维具有优异的力学性能、耐酸碱性能、耐高温性、吸波性能等。它取自天然矿石，加工过程中无任何添加剂、无毒，是对环境无污染的“绿色环保”纤维材料，具有广阔的开发应用价值[2,3]。玄武岩纤维可以广泛应用于军工、航天航空、建筑、船体、环保、消防、汽车材料以及民用领域等[4]。玄武岩纤维可以很好地应用于聚合物中，目前国内外对其改性树脂的研究已经有很多，所采用的聚合物基体有环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯和乙烯基树脂等，还有将其与一些纤维进行混纺的，这些改性都获得了综合性能更优、应用范围更广的聚合物复合材料[5,6]。

1 玄武岩纤维的表面改性

玄武岩纤维为典型的无机材料，其表面对有机高分子呈化学惰性，与聚合物基体复合时难以形成理想的界面黏结，而影响制品的力学性能和表面形态。因此，必须对其进行表面改性处理，目前针对玄武岩纤维表面处理的方法主要有偶联剂表面处理法、等离子处理法、浆料涂层法[7]等。在这些界面改性方法中，有关硅烷偶联剂改性的研究是目前最普遍的，也是改性工艺和机理都相对成熟、稳定的一种；而且这几种表面改性方法相比，硅烷偶联改性可以有效改善玄武岩纤维和复合基体之间的界面粘结性，提高复合材料力学性能，是一种切实有效的方法。

2 玄武岩纤维改性树脂的研究进展

玄武岩纤维改性树脂基复合材料不仅继承了玄武岩纤维的优异的物理和机械性能，还具有树脂基体的性能，形成优势互补，拓宽了各自的应用领域。这几十年来倍受青睐，目前已研发了多种玄武岩纤维/树脂复合材料。

2.1 玄武岩纤维/环氧树脂

环氧树脂的附着力强，固化收缩率小，制品尺寸稳定性好，力学性能较好，耐溶剂性好，用途广泛，可作浇注、浸渍、层压料、粘接剂、涂料等。为了适应更高要求，可利用玄武岩纤维对其进行改性。

Kim MT等[8]用低温氧气等离子体对玄武岩纤维/环氧树脂编织材料进行了表面处理，使纤维表面发生物理蚀刻而且还有含氧、氮化学官能团的形成。

陈国荣等[9]用KH-550处理的纳米SiO2粒子得到有机/无机的杂化材料，用来改性玄武岩纤维/环氧树脂复合材料。曹海琳等[10]也采用环氧/SiO2纳米杂化材料对玄武岩纤维进行表面改性。

Huonnic N等[11]用缠绕成型法制备了玄武岩/环氧树脂复合材料试样，并通过喷砂来促进表面镀上的熔融的铝颗粒粘连。结果发现轻度喷砂可以明显提高材料的表面粘附性。

刘亚兰等[12]研究发现偶联剂的选择对连续玄武岩纤维增强环氧树脂的拉伸强度的影响最显著。Lee JH等[13]发现硅烷改性的碳纳米管/玄武岩纤维/环氧树脂复合材料具有更高的拉伸强度、杨氏模量、储能模量和玻璃化温度。嵇培军等[14]研究了连续玄武岩纤维/9518G树脂复合材料的耐热性、力学性能以及湿热对力学性能的影响。

2.2 玄武岩纤维/酚醛树脂

酚醛树脂具有良好的耐酸和耐碱性能、力学性能、耐热性能、高残碳率和低烟低毒等特性，广泛应用于防腐蚀工程、胶黏剂、阻燃材料、摩擦材料等行业。近年来，绿色酚醛树脂的研究已成为一种发展趋势。

Wang QH等[15]用单晶石墨Gr和纳米SiO2嵌入改性玄武岩纤维/酚醛复合材料，以提高复合材料的摩擦损耗性能。

李卫东等[16]采用玄武岩纤维与碳纤维层间混杂来增强酚醛树脂。李想，程广宜[17]研究了玄武岩纤维增强氨酚醛树脂以及硼酚醛树脂的力学性能和耐烧蚀性能试验。

申士杰等[18]使用酚醛树脂胶制造了具有良好的阻燃性、环境特性和力学性能的木纤维与玄武岩纤维复合板。

2.3 玄武岩纤维/乙烯基树脂

乙烯基树脂是一种国际公认的耐腐蚀树脂，其力学性能优异，可以在室温下发生固化，目前乙烯基树脂的发展向低收缩型、耐冲击型、耐高温型、光敏型和气干型等方向进行。

Carmisciano S等[19]以相同纤维体积分数的玄武岩纤维和E-玻璃纤维织物增强的乙烯基树脂复合材料进行了研究，测试了片状平纹双向织物和多层布的特性。

李伟等[20]对玄武岩纤维增强不饱和聚酯和乙烯基树脂复合材料分别进行了冲压式剪切试验，研究其在准静态下的剪切强度。徐艳华等[21]采用VARTM 工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料，研究发现这种复合材料具有较好的轴向拉伸性能，截面呈脆性断裂，而且纬纱的强力高于经纱。

2.4 玄武岩/聚丙烯复合材料

聚丙烯是一种结构规整的结晶性聚合物，材料的机械性能、化学稳定性和耐热性好，但易老化，低温时变脆和冲击性能差，可以通过共混和共聚的方法来改性。

Czigány T[22]用马来酸酐与葵花籽油的反应混合物对玄武岩纤维进行了处理，提高了纤维与基体的界面附着力。还研究了不连续的玄武岩纤维和玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸性能以及其界面改性对力学性能的影响[23]。

刘双双等[24]研制出一种玄武岩/玻纤/丙纶结构复合材料，并对其结构和性能进行测试。

2.5 玄武岩/聚酰胺复合材料

聚酰胺材料具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性。玄武岩纤维作为增强材料的聚酰胺材料的研究已取得了较大的进展。

Deák T等[25]分别用硅烷偶联剂GF80、GF91、GF93对玄武岩纤维进行了表面处理，结果显示GF80的改性效果最好。

Dehkordi MT等[26]分别采用单一的和混杂的玄武岩/尼龙内铺设织物，来增强环氧树脂，制备的混杂复合材料不但结合了玄武岩纤维和尼龙纤维优良的机械性能和耐冲击特性，而且复合材料性能受尼龙/玄武岩纤维含量的显着影响。

刘涛等[27]分别采用KH550、KH560和钛酸丁酯偶联剂改性尼龙66/玄武岩纤维复合材料。

此外，朱钦钦[28]对玄武岩纤维增强复合材料的制备及性能进行了研究。童庆[29]对玄武岩纤维滤料表面改性前后，以及表面改性后玄武岩纤维滤料与无碱玻纤滤料的耐温性能和结构形态进行了对比研究。

3 展望

玄武岩纤维聚合物基复合材料比传统的复合材料具有更优异的综合性能，应用在民用、工用、国防和航天航空等。但目前对于此类复合材料的研究还不够深入，因此，加快玄武岩纤维及其聚合物基复合材料的研究与开发无疑具有重要的意义。

玄武岩纤维及其聚合物基复合材料的未来研究主要有以下几个方面：第一，改进工艺与设备的研发以提高设备生产能力，克服其密度，硬度，耐磨损等的限制，实现其深加工，拓宽其应用领域。第二，玄武岩纤维表面光滑、表面活性低且呈极强的化学惰性，故其与树脂基体间的界面粘接性能很差，从而严重影响其在高性能复合材料中的应用。因此，对纤维进行表面改性，增强纤维与不同种类树脂基体的界面粘结性和层间剪切强度。第三，完善纤维增强树脂的机理，探索纤维含量与复合材料性能之间的关系等。相关技术的突破将使有机纤维增强树脂基复合材料的开发具有重要意义，并且对于航天、航空和国防等高新技术领域复合材料的更新换代产生推动作用。

4 结语

本文介绍了硅烷偶联剂表面处理法、等离子处理法和浆料涂层法对玄武岩纤维的表面进行改性。从玄武岩纤维/环氧树脂、玄武岩纤维/酚醛树脂、玄武岩纤维/乙烯基树脂、玄武岩纤维/聚丙烯和玄武岩纤维/芳纶复合材料等方面阐述了玄武岩纤维增强树脂的研究进展，提出了玄武岩纤维聚合物基复合材料的发展方向。

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崔宝玉(1963-)，女，汉族，辽宁省本溪市人，本科，高级工程师，主要从事化学纤维工艺管理与生产管理。