玄武岩纤维界面改性研究进展

吕婷婷 吕丽华

（大连工业大学，辽宁大连，116034）

玄武岩纤维的原料是天然玄武岩矿石，经过1 450 ℃～1 500 ℃高温熔融后，再经拉丝制成连续纤维［1］。中国四大高技术纤维包括玄武岩纤维、碳纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯纤维［2］。与碳纤维相比，玄武岩纤维的价格比较低廉；与超高分子量聚乙烯纤维和芳纶相比，玄武岩纤维的生产过程比较简单［3］，并且玄武岩纤维是绿色生态环保材料，可以在土壤中直接降解，是国家定义的关键战略性材料［4］。玄武岩纤维增强复合材料在隔热耐温、石油化工领域、航天航空以及汽车船舶领域得到了广泛的应用［5⁃6］。玄武岩纤维增强复合材料一般由增强相、基体相和界面相构成，增强相主要起到承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面相相当于桥梁，连接着增强相和基体相，是应力的传递者［7］。纤维增强复合材料的各项力学性能均受界面性质的影响，尤其是层间剪切、断裂等性能［8］。在纤维增强复合材料中，提高其界面性能的方法称之为界面改性，纤维的表面改性是提高纤维增强复合材料界面性能的有效方法之一。玄武岩纤维改性主要集中于酸碱刻蚀改性、等离子体改性、纳米改性、偶联剂改性处理以及稀土改性等［9］。

1 酸碱刻蚀改性

酸碱刻蚀纤维表面处理是利用酸碱溶液对纤维表面进行刻蚀处理，处理后的纤维表面会出现凹槽，在纤维与基体进行复合时，凹槽中会进入一些高分子聚合物的链段，使得纤维表面的凹槽起到类似于锚固的作用，进一步提高了纤维与聚合物基体的界面结合强度［10］。解玉洁等人采用酸碱刻蚀法对玄武岩纤维进行改性处理，从而提高玄武岩纤维表面粗糙度［11］。MANIKAN⁃DAN V 等人研究表明酸碱刻蚀处理有助于玄武岩纤维与不饱和聚酯的黏结［12］。LEE S O 等人研究了酸碱刻蚀处理的玄武岩纤维与环氧树脂复合材料的力学性能［13］，试验结果表明：复合材料的层间剪切强度和断裂韧性都得到增强。经过酸碱刻蚀处理即便有助于提高界面的结合强度，但是酸碱刻蚀不宜单独使用，单独使用时，纱线或纤维的力学性能均表现出下降的趋势。

2 等离子体改性

等离子体改性法与酸碱刻蚀改性处理的作用原理相似，纤维表面通过等离子体的撞击发生刻蚀，进而增加纤维的比表面积，以此提高纤维与基体的结合能力，且该处理方法操作简单，对环境不造成污染［14］。DOWLING D P 等人研究发现经等离子体处理的玄武岩纤维增强复合材料与未经处理的玄武岩纤维增强复合材料相比，弯曲模量和最大剪切应力均有所提高，其原因可能是由于聚合物和纤维之间的界面结合强度的增加［15］。ZHANG M L 等人为了提 高有机硅吸附玄武岩纤维防护服织物的性能，织物在表面涂层之前，先采用等离子体进行预处理，以此改善玄武岩纤维的物理性能，提高涂层的均匀性［16］。KIM M T 等人研究了低温氧等离子体表面处理玄武岩纤维对玄武岩/环氧机织复合材料层间断裂行为的影响［17］。等离子体改性效果取决于气体的种类、真空度、功率以及处理时间等因素［18］。因此，等离子体处理纤维表面只有方法得当、条件合适才能获得较好的效果。

3 纳米改性

纳米粒子在纤维表面通过物理作用或化学方法进行附着，从而使纤维与基体的黏结性能得到提高，纳米粒子是一种粒子尺寸小、表面活性大的纳米级颗粒，可以提高基体在纤维表面的铺展性，有助于基体浸润到纤维表面，此外，纳米粒子的引入可以增加纤维表面粗糙度，有利于纤维与基体间的机械互锁作用［19］。BULUT M 研究了石墨烯纳米粒子对玄武岩纤维/环氧复合材料层合板力学性能的影响，通过纤维⁃纳米粒子⁃环氧树脂的相互作用，提高了界面结合强度，进而增强其力学性能［20］。ABDI A 等人研究了硅烷化的碳酸钙纳米粒子对玄武岩纤维/环氧复合材料力学性能的影响，结果表明，硅烷化的碳酸钙纳米粒子的加入使环氧树脂基体与玄武岩纤维之间具有良好的附着力，显著提高了复合材料的力学性能［21］。LI X 等人制备了纳米二氧化硅改性玄武岩纤维/环氧复合材料，纳米二氧化硅作为介质，促进环氧树脂分子渗透到玄武岩纤维之间并与玄武岩纤维结合，提高了复合材料的力学性能［22］。但是纳米材料易团聚、难以分散的缺点会导致纤维表面的纳米材料分布不匀，会影响复合材料界面结合性能。

4 偶联剂改性

偶联剂在复合材料中既能与有机聚合物发生反应，又可以与无机物表面发生化学键合，可将两种不相容的物质结合在一起，从而提高复合材料力学性能［23］。偶联剂的种类繁多，硅烷偶联剂是玄武岩纤维改性中常用的偶联剂。王林等人为改善玄武岩纤维与水泥基材料的界面结合作用，使用3 种硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行表面处理，试验结果表明，改性后的复合材料力学性能均有所提高［24］。LEE J J 等人将硅烷偶联剂按官能团的不同与环氧树脂和酸酐固化剂发生不同的化学反应，研究认为硅烷偶联剂对复合材料的热性能和界面改善有很大的影响［25］。KON⁃STANTIN L 等人研究了硅烷偶联剂和纳米复合涂层对玄武岩纤维复合材料力学性能的影响，试验表明，硅烷偶联剂在玄武岩纤维的强度保持中起着关键作用［26］。LIU S Q 等人制备了玄武岩纤维/聚乳酸复合材料，硅烷偶联剂成功地将玄武岩纤维与聚乳酸连接，提高了玄武岩纤维/聚乳酸复合材料的界面结合强度［27］。硅烷偶联剂应用于玄武岩纤维复合材料的优势主要体现在改善纤维与树脂界面强度，水分进入纤维与树脂界面受阻，提高材料的力学性能。

5 稀土改性

由于稀土元素的4f 价电子层结构特殊，使其具有较高的化学活性，可通过化学键合和物理吸附原理对纤维表面进行处理，从而提高纤维与基体的界面亲和力［28］。赵金龙研究了稀土元素铈对玄武岩纤维/环氧复合材料力学性能的影响，试验结果表明：稀土元素一方面可以与玄武岩纤维以及环氧树脂分子链发生化学键合；另一方面可以增加玄武岩纤维表面粗糙度，这两种方式都可以提高界面结合强度，从而提高其力学性能［29］。王琢研究了稀土元素镧对玄武岩纤维/环氧复合材料力学性能的影响，试验结果表明：稀土元素镧可以同时与玄武岩纤维表面的非金属元素和树脂发生反应形成配位键，使得两相之间的结合力得到大大的提高，从而提高其力学性能［30］。朱苗淼等人制备了稀土改性玄武岩纤维布增强双酚A型二氰酸酯复合材料，改性后的玄武岩纤维表面缺陷减少，呈现出更多的凸起，从而有利于纤维与树脂基体的“机械锚定”，进而增强复合材料的界面性能［31］。稀土改性剂具有独特的物理、化学性能，对环境无污染，处理效果好，配制工艺简单［32］。并且稀土改性方法不仅能避免对玄武岩纤维结构的破坏，还能在一定程度上提高纤维的吸附性能及复合材料的力学性能。

6 结束语

对玄武岩纤维进行不同形式的表面改性处理可以有效改善玄武岩纤维增强复合材料界面的结合性能，从而提高复合材料的整体力学性能。酸碱刻蚀改性处理有助于提高界面的结合强度，但酸碱刻蚀不宜单独使用，单独使用时，纤维或纱线的力学性能表现出稍有下降的趋势；等离子体改性处理的影响因素较多，只有方法得当才能获得较好的效果；纳米改性处理由于纳米材料易团聚、难以分散的缺点仍然会使复合材料的界面结合性能稍有降低；稀土改性处理对环境友好。目前，偶联剂处理玄武岩纤维效果较好，是改善复合材料综合性能的重要途径，但其实际的利用率相对较低。因此，提高偶联剂与玄武岩纤维表面的结合效率是今后研究的重点。通过对玄武岩纤维预处理及改性方法的深入研究，对玄武岩纤维增强复合材料界面特性及成型机理研究进行完善，进一步提高玄武岩纤维增强复合材料的稳定性以及综合应用性能，以此推动复合材料在未来市场上的应用。