低温等离子体对连续玄武岩纤维改性研究

孙爱贵

（芬兰瑞玛公司上海代表处，上海 200051）

低温等离子体对连续玄武岩纤维改性研究

孙爱贵

（芬兰瑞玛公司上海代表处，上海 200051）

针对连续玄武岩纤维表面光滑且呈化学惰性，纤维浸润性差导致与树脂基体复合粘结性较差的缺陷，实验采用低温等离子体法改性处理连续玄武岩纤维。在放电时间3 min，放电压强20 Pa条件下，改变放电功率，观察连续玄武岩纤维表面形貌、力学性能、表面摩擦因数和浸润性的变化。结果表明，随着放电功率的增大，连续玄武岩纤维断裂强度下降、摩擦因数增大和浸润性提高。

连续玄武岩纤维；低温等离子体；表面改性；力学性能；摩擦系数；浸润性；研究

0 引言

连续玄武岩纤维与其他高性能纤维相似，截面呈圆形，表面比较光滑且化学性能呈惰性，因为纤维在玄武岩矿石熔融拉制冷却形成固态纤维之前，由于自身表面张力的作用，致使其表面收缩成表面积最小的圆形[1～2]。而连续玄武岩纤维的应用主要是作为复合材料的增强体，这就在很大程度上限制了其复合材料的综合性能。

目前，对连续玄武岩纤维的改性方法主要有偶联剂处理法、表面涂层法、酸碱处理法、高能辐射法等[3～4]。虽然每种方法都有一定的处理效果，但也均存在相应的缺陷。如偶联剂处理法在选择合适的偶联剂以及量的比例比较难；酸碱处理法对纤维损伤比较大、处理工艺复杂且污染环境；表面涂层法对纤维本体的性能影响比较大；而低温等离子体改性技术相对绿色环保，且对纤维力学性能影响较小。故实验采用低温等离子体法对连续玄武岩纤维进行表面改性处理，并对改性后纤维力学性能、表面摩擦性、表面形貌SEM以及表面浸润性的变化进行测试及表征分析，研究低温等离子体放电功率的变化对连续玄武岩纤维综合性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料：连续玄武岩丝束，单丝细度1.1 dtex，四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司产品。

仪器：HD-1B型辉光放电低温等离子体仪；YG006（B）型单纤维强力机；Y151型纤维摩擦系数测定仪；JSM-6700F型电子扫描显微镜(SEM）；YG（B）871型毛细管效应测定仪；DF-4型压片机；JC2000C3型接触角测量仪。

1.2 试样制备

丝束形式：在温度200 ℃，相对湿度65%的条件下，将连续玄武岩纤维丝束剪成长度为25 cm的长纤维丝束，且以丝束的形式等间距的粘在玻璃棒两侧，尽可能保证等离子体可以从各个方向辐射到丝束，每支玻璃棒上粘贴6 束丝束，共6 支玻璃棒。

单丝形式：在温度200 ℃，相对湿度65%的条件下，把连续玄武岩丝束剪成长度约为5 cm的短纤维丝束，然后把每段丝束尽可能拆分成单丝，保证纤维表面受等离子体辐射均匀，使纤维团尽可能保持蓬松和无重叠的状态，制得18 个纤维团试样。

1.3 实验方法

1.3.1 空气低温等离子体处理

采用HD-1B型低温等离子体仪，以空气作为反应气体条件对连续玄武岩纤维进行改性处理。随机选取1 支玻璃棒（6 束丝束）加3 个纤维团试样放入反应室内，然后密封反应室，启动3 个真空泵，抽至反应室压强至（2～3 Pa）。在温度200 ℃和相对湿度65%的条件下，设置及调节参数至：气压20 Pa，时间3 min，功率分别为50、100、150、200和250 W，对试样进行处理。

1.3.2 力学性能测试

YG006（B）型单纤维强力机，在温度200 ℃和相对湿度65%的条件下，参数设置如下：预加张力0.5 cN，拉伸类型：等速拉伸，夹持距离20 mm，拉伸速度20 mm/min。由于连续玄武岩纤维单丝比较细，且脆性较大，很难用直接单纤维强力机进行拉伸试验。故需要制作单丝强力测试辅助板（示意图如1-a），实物如图1-b。粘贴时，先用环氧树脂粘贴一端，确保单丝伸直且平行于辅助板中心线后，再用环氧树脂固定另一端，拉伸时再轻轻剪开侧边的纸板。粘有两根单纤维的，可从中间平行于单丝剪开做两次单丝拉伸实验，从而提高效率。

1.3.3 摩擦性能测试

采用绞盘法[5]测试经低温等离子处理后连续玄武岩单丝表面静和动摩擦系数。在温度200 ℃和相对湿度65%的条件下，参数设置如下：试样辊采用橡胶皮辊；皮辊转速30 r/min；张力夹质量200 mg。

1.3.4 表面形貌观察

利用JSM-6700F型电子扫描显微镜（SEM）观察连续玄武岩纤维经过等离子体处理后的表面形貌微变化，可看到连续玄武岩纤维在不同条件等离子体下刻蚀的痕迹和微观结构的变化。观察连续玄武岩纤维试样前，需要在连续玄武岩纤维表面需要喷金。

1.3.5 表面浸润性

图1 单丝强力测试辅助板示意图及实物图

毛细高度测量:采用YG（B）871型毛细效应测定仪测量连续玄武岩丝束芯吸高度，观察高度的变化。参考《FZ/T0107-2008纺织品毛细效应试验方法》，在温度200 ℃和湿度65%的条件下，测试30 min时测芯吸高度，蒸馏水+碳素墨水作为溶液，溶液温度250 ℃。

接触角测量：在温度200 ℃和相对湿度65%的条件下，采用OCA40Micro型全自动单丝接触角测量仪测试连续玄武岩纤维单丝与去离子水间接触角。

2 结果与讨论

2.1 形态观察

采用JSM-6700F型电子扫描显微镜（SEM）观察连续玄武岩纤维经低温等离子体处理前后表面的形貌特征变化。未经过低温等离子体处理连续玄武岩纤维表面形貌特征如图2-a，等离子体放电功率为50 W的连续玄武岩纤维表面如图2-b，等离子体放电功率为150 W时连续玄武岩纤维表面如图2-d。

可看出，未经低温等离子体处理过的连续玄武岩纤维表面比较光滑，从而摩擦因数相对比较小，与其他基体复合时复合粘着性差。经过低温等离子体处理后的连续玄武岩纤维，表面出现明显的刻蚀，有小凸起生成。比较放电功率为50、100、150、200和250 W的试样时，发现随着放电功率的增大，凸起的数量也越来越多，甚至出现龟纹裂痕。

图2 连续玄武岩纤维在电子扫描显微镜下表面形貌

2.2 力学性能分析

由图3可以发现，未经低温等离子体处理过的连续玄武岩纤维的强度最大，达到7.6 cN/dtex。随着放电功率的增大，纤维的断裂强度整体上呈递减的趋势。 而纤维的断裂伸长率变化波动比较大，特别是放电功率为150 W以后，当功率为200 W时，强力下降4.9%，功率为250 W时，下降更甚达到11.2%。而单丝的断裂伸长率先增长，然后在慢慢下降。当放电功率在100和150 W时，伸长率的变化和断裂强度的变化基本相似。

图3 放电功率对单丝强伸性影响

2.3 摩擦性能分析

低温等离子体对高性能纤维表面处理主要产生3 种作用：①刻蚀；②表面活化；③表面沉积。无论是那种作用对单丝表面性能的影响都较大，都能增大纤维表面的摩擦系数。连续玄武岩纤维单丝表面非常光滑，在测量单丝强度时，特别容易滑脱。由图4可知，未经处理的单丝，静摩擦系数0.33，动摩擦系数0.22，这也印证了测试单丝强力容易滑脱的原因。经过不同功率处理后的单丝，无论是动摩擦系数还是静摩擦系数整体上升，且随着放电功率的增大而逐渐增大，但静摩擦系数增大的效果更明显（提高60.1%）。动摩擦因数在放电功率50～150 W之间增大并不明显，且在功率为100 W时下降，可能因为测试取实验样品时不均匀或不充分，导致测出的动摩擦因数出现降低。

2.4 表面浸润性

2.4.1 毛细效应

由柱状图5可知，经过等离子体处理后，纤维的芯吸高度提高很大。未处理连续玄武岩丝束的毛细高度8.5 cm，放电功率为50 W时处理后毛细高度达到10 cm，比为处理的提高17.6%，随着放电功率的继续增加，芯吸高度整体持续增大，但幅度不太大。被放电功率为250 W条件处理后的试样，芯吸高度可达到12.6 cm，比未处理的丝束提高48.2%，而放电功率在150 W时，芯吸高度反而出现小的下降。造成这种现象，可能是因为在放电刻蚀过程中，影响刻蚀因素很多，而其他控制因素未达到同一水平，出现误差。

2.4.2 接触角测试

单一的丝束芯吸高度未能充分表征连续玄武岩纤维浸润性的改变，因此再采用比较成熟的单丝接触角表征法。图6是在放电压强为20 Pa，时间为3 min，功率分别为0、150和250 W条件下处理的试样与去离子水间接触角照片。未经处理连续玄武岩纤维的接触角为82.30，经过150 W处理后，接触角下降到53.60，且接触角随着放电功率增大而整体上下降，在250 W时下降最为明显。不同放电功率下，试样的接触角大小如表1。

图4 放电功率对单丝摩擦性能影响

图5 放电功率对丝束毛细效应的影响

图6 压制试样接触角图像

表1 不同放电功率试样的接触角

3 结论

连续玄武岩纤维经过低温等离子体改性后，其吸湿性得到改善，从理论上讲有助于提高其复合材料的力学性能。在放电时间和放电压强不变的条件下，随着放电功率的提高，连续玄武岩纤维的力学性能逐渐下降，动静摩擦因数整体上升，表面的浸润性也得到提高。

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[5] 赵书经. 纺织材料试验教程[M]. 北京: 中国纺织出版社, 2003: 90-95.

图4 ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300复合材料的DMA曲线

3 结论

⑴ ACTECH1202中温固化环氧树脂为中温固化树脂，具有较好的工艺性，适合热熔法制备预浸料。

⑵ ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300碳纤维预浸料夹层结构的滚筒剥离强度高，具有较好的自粘性。

⑶ ACTECH1202中温固化环氧树脂/CCF300碳纤维预浸料复合材料的性能满足工程指标要求，树脂的耐热性良好。

参考文献

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The research of low temperature plasma modification of properties of the GBF

SUN Ai-gui

( Reima OY ShangHai Rep. Office, Shanghai 200051 China )

In view of the defects that continuous basalt fiber smooth surface and inert chemical property, poor fiber invasive leads to poor adhesion to the matrix composite, this experiment use low temperature plasma method to modify continuous basalt fiber. Discharge Time- 3min, Discharge pressure 20pa, by changing the discharge power, observe the variation of continuous basalt fiber surface morphology, mechanical properties, surface friction factor and the invasive. The result shows, when increase the discharge power, continuous basalt fiber fracture strength will decrease, but both of friction factor and wettability will increase.

continuous basalt; low-temperature plasma; modification treatment; mechanical performance; coefficient of friction; wettability

TQ343.41

A

1007-9815（2016）02-0051-05

定稿日期:2016-02-18

孙爱贵（1978-），女，江苏泰州人，工程师，从事功能性纺织品技术研究，(电子信箱)elsa-public@163.com。