浸润剂对玄武岩纤维抗拉强度影响的实验研究

汪李李，刘泽煜，董施艺，袁梦云，聂 敏，陈 鹏

(六盘水师范学院 矿业与机械工程学院，贵州 六盘水 553004)

玄武岩纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，被广泛应用于树脂基、金属基复合材料的加强筋[1-2]。我国玄武岩矿石分布广泛，且具有较好的质量，为生产出优质的玄武岩纤维提供了较为丰富的原料[3-4]。玄武岩熔融拉丝制备纤维过程中不会有硼和其他碱金属氧化物排出，且玄武岩纤维分解后能自然降解，不会对环境造成二次污染[5-6]。在资源枯竭、环保与可持续发展压力不断加剧的过程中，率先发展玄武岩纤维产业具有重要的战略意义。然而，玄武岩纤维的发展还面临着浸润剂稳定性差、纤维实际抗拉强度远低于理论强度等问题[7-8]。有研究显示，浸润剂涂层后的玄武岩纤维力学性能显著增强，且浸润剂涂层后可增强玄武岩纤维的集束性[9]。因此，配制高性能的玄武岩纤维专用浸润剂对提高该纤维的抗拉强度具有重要意义。

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

实验用玄武岩纤维来自贵州某玄武岩纤维生产公司，纤维直径17 μm，表面无浸润剂涂层。试剂：环氧树脂(AR)、硅烷偶联剂KH5550、KH560、KH570(AR)、十二烷基硫酸钠(AR)、十二烷基三甲基氯化铵(AR)、冰乙酸(AR)、司班80(AR)。

1.2 实验方法

1.2.1浸润剂的配制

①成膜剂的稀释。实验以环氧树脂为成膜剂，以司班80和十二烷基硫酸钠为乳化剂。量取30 mL环氧树脂和120 mL去离子水，加入适当乳化剂乳化，稀释，获得成膜剂溶液备用。②偶联剂的水解。以硅烷偶联剂KH550、KH560、KH570为偶联剂，取偶联剂用量的30倍去离子水，滴加冰乙酸调节pH值。在搅拌条件下，分别将偶联剂慢慢滴入调好pH值的去离子水中，直到溶液澄清。③抗静电剂的配制。取一定量的十二烷基三甲基氯化铵，加入十二烷基三甲基氯化铵用量20～25倍的去离子水中，获得抗静电剂溶液备用。④各组分的混合。将稀释好的成膜剂倒入容器中，在1 000～1 200r/min转速搅拌下，依次加入一定量的抗静电剂、偶联剂，搅拌30 min后得到浸润剂。

1.2.2力学性能测试

按照DB51T 2321—2017《玄武岩纤维单丝拉伸性能检验方法》的标准，将从一束玄武岩纤维中随机抽取单根纤维，称为纤维单丝，再将纤维单丝制成纤维单丝试样进行拉伸试验，得到纤维单丝的拉伸断裂力。每组实验的有效数据≥20个，且由公式(1)计算出纤维的单丝抗拉强度。

(1)

式中：σ，抗拉强度，MPa；F，拉伸断裂力，N；d，纤维单丝直径，m。

1.2.3红外光谱分析

取少量的玄武岩连续纤维进行研磨后得到玄武岩纤维粉末，取一定量的玄武岩纤维粉末与溴化钾混合研磨，直至两者完全混合后，利用压片制样器进行制样，将得到的样品送入红外光谱分析仪中进行测量即可。

2 结果与讨论

2.1 浸润剂稳定性对比

按照浸润剂配制方法，配制出成膜剂、抗静电剂等组分相同，偶联剂分别是KH550、KH560、KH570的3种浸润剂，将其编号为1号、2号、3号浸润剂。将3种浸润剂静置20 min，观察沉淀现象，见图1。

图1 三种浸润剂静置20 min后对比图

由图1可知，1号浸润剂沉淀明显，2号、3号浸润剂中无明显沉淀。将2号和3号浸润剂放在转速为2 000 r/min的离心机中离心5 min后，观察其沉淀现象，见图2。

图2 2号和3号浸润剂离心后对比图

由图2可知，离心后的2号和3号浸润剂均有沉淀，2号的沉淀少于3号浸润剂，轻微摇晃后二者沉淀均消失，见图3。

图3 2号和3号浸润剂离心摇晃后对比图

2.2 红外光谱分析

纤维原丝和涂覆2号、3号浸润剂纤维的红外光谱分别见图4和图5。

图4 纤维原丝和涂覆2号浸润剂纤维的红外光谱

图5 纤维原丝和涂覆3号浸润剂纤维的红外光谱

由图4和5可以看出，纤维原丝与涂覆浸润剂纤维的红外光谱图的整体趋势一致，说明浸润剂的涂覆没有影响纤维的整体结构。涂有浸润剂的纤维在1 620～1 500 cm-1的峰比原来的更加明显，可能原因是吸附在纤维上硅醇基团的羟基伸缩振动(—Si—OH)引起的。而在3 000～2 800 cm-1区域主要是C—H的伸缩振动引起，主要来源于浸润剂中的有机化合物。两组涂覆浸润剂后的玄武岩纤维与纤维原丝的红外光谱图对比，进一步证实浸润剂涂覆在玄武岩纤维上。

2.3 玄武岩纤维拉伸试验结果分析

玄武岩纤维原丝、涂覆2号、3号浸润剂纤维的拉伸断裂力和抗拉强度见图6、图7、图8和表1。由图6、图7、图8及表1可以看出，纤维原丝的拉伸断裂力为0.26 N。根据公式(1)，计算出其抗拉强度为1 146.06 MPa。由图8及表1可知，2号浸润剂涂覆的纤维的拉伸断裂力为0.48 N，根据公式(1)，计算出其抗拉强度为2 115.80 MPa。3号浸润剂涂覆纤维的拉伸断裂力为0.40 N，根据公式(1)，计算出其抗拉强度为1 763.16 MPa。

表1 大于0.25 mm粒级浮选正交试验结果

图6 纤维原丝拉伸断裂力和抗拉强度正态分布图

图7 2号浸润剂涂覆纤维拉伸断裂力和抗拉强度正态分布图

图8 3号浸润剂涂覆纤维拉伸断裂力和抗拉强度正态分布图

综上所述，涂覆浸润剂的纤维，其拉伸断裂力显著提高，其中经2号浸润剂涂覆的纤维抗拉强度提高了84.62%，经3号浸润剂涂覆的纤维抗拉强度提高了53.85%。

3 结论

本研究配制的浸润剂稳定性好，浸润剂涂层后的玄武岩纤维抗拉强度显著提高。①静置20 min后的3种浸润剂中，1号浸润剂的沉淀较多，2号和3号浸润剂无明显沉淀，离心后的2号和3号浸润剂底部均有沉淀，但轻微摇晃后沉淀消失。1号浸润剂稳定性差，2号、3号浸润剂稳定性良好。②经2号浸润剂涂层后的玄武岩纤维，拉伸断裂力由0.26 N提升至0.48 N；抗拉强度由1 146.06 MPa提升至2 115.80 MPa，比纤维原丝提高了84.62%。③经3号浸润剂涂层后的玄武岩纤维，拉伸断裂力由0.26N提升至0.40N；抗拉强度由1 146.06 MPa提升至1 763.16 MPa，比纤维原丝提高了53.85%。本研究可以为配制稳定性好的玄武岩纤维用浸润剂提供借鉴，对提高玄武岩纤维的抗拉强度具有重要意义。