中科院等科学家合作在玄武岩纤维耐碱腐蚀机理研究领域取得进展

中国科学院科学家团队—新疆理化技术研究所研究员马鹏程团队与香港中文大学(深圳)研究团队合作,探究了碱性介质对玄武岩纤维的影响规律。

研究人员以商业化的纤维为研究对象,系统研究了碱溶液类型及浓度、温度和时间等因素对纤维力学性能的影响,发现碱溶液类型对纤维的强度影响不同,在NaOH溶液中,浸泡时间越长,纤维的强度降低越明显;而在KOH溶液中,碱溶液温度对纤维强度的降低起关键作用,这是因为玄武岩纤维中较小的Na+与KOH溶液中较大的K+之间发生离子交换,这会在纤维表面产生压应力,从而会部分抵消外部施加的载荷。

研究人员通过扫描电子显微镜对玄武岩纤维的微观形貌进行了观察,发现随着碱腐蚀的加剧,纤维表面逐渐由光滑状态转变为粗糙结构,并出现沉积颗粒,随后形成板状结构的腐蚀层。通过红外和拉曼光谱证实,NaOH/KOH溶液处理后,纤维表面的腐蚀层和沉积颗粒是含Fe,Mg的氢氧化物和含Ca的硅酸盐。

基于上述表征结果,研究人员提出了玄武岩纤维在碱性环境下的腐蚀机理:在碱溶液中,纤维结构中的Si—O—Si(Al)键逐渐受到OH-侵蚀,Si—O/Al—O键发生溶解;随着纤维网络结构被破坏,作为纤维网络修饰体的金属离子(如Na+,Fex+,Mg2+)从纤维表面浸出。同时,浸出的Fex+和Mg2+可与OH-反应形成不溶性氢氧化物,沉积在纤维表面,最终形成腐蚀层。而KOH对纤维的腐蚀包括两个竞争过程:由Na+/K+交换引起的纤维强度增强和OH-侵蚀引起的纤维强度降低。具体而言,在KOH溶液浸泡初期,随着纤维表面的Na+被K+取代,K+引入产生的压应力克服了纤维表面由于缺陷而引起的强度下降问题,造成纤维强度升高;随着腐蚀程度的加剧,纤维的Si—O—Si骨架断裂程度超过了K+诱导的纤维增强,纤维表面累积缺陷产生的应力集中增加,导致纤维强度显著降低。在Ca(OH)2腐蚀后,玄武岩纤维表面形成的沉积物是Ca2+与环境中的CO2反应生成的CaCO3。

上述研究成果不仅解释了玄武岩纤维在碱性条件下的腐蚀机理,也为改善纤维的性能提供了理论依据,如纤维表面Na+和K+交换可以提高纤维的拉伸强度、浸润剂中高Si—O的纳米结构将减缓OH-对纤维的侵蚀。

(摘编自《腐蚀与防护》)