玄武岩纤维的低温等离子体表面改性研究

李琦娴 杨建忠 焦海娟

（1.西安工程大学，陕西西安，710048；2.陕西省现代建筑设计研究院，陕西西安，710021）

连续玄武岩纤维是前苏联莫斯科玻璃和塑料研究院60多年前研究开发的高新技术纤维［1］，为四大高性能纤维之一［2］，具有力学性能优异、化学稳定性好等特性［3-4］，以其为增强体可制成各种性能优异的复合材料，广泛应用于消防、环保、航空航天、建筑等军工和民用领域［5-8］，大大促进我国矿产资源的合理开发和高附加值的应用，形成一个新兴的产业。

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［9-11］。虽然每种处理方法都有一定的效果，但会对纤维本身性能造成一定的损失。低温等离子体改性技术是备受关注的研究热点之一［12］。该技术具有处理效果好、环境污染小等优点［13］。此外，该法采用干式工艺，具有高效节能等优点［14］。本文通过改变低温等离子体设备参数对玄武岩纤维进行表面处理，以期使玄武岩纤维表面获得最佳粗糙度并维持一定的强度，使得表面黏结力增强，从而使其在工程应用方面发挥更优异的力学性能。

1 试验部分

1.1 原料及试验设备

原料与试剂：玄武岩纤维有捻纱（型号BCT6，浙江石金玄武岩纤维有限公司，20 tex/20 F）；去离子水；玻璃棒；水基染料墨水。

仪器：HD-1B型辉光放电低温等离子体仪（常州新区世泰等离子体技术开发有限公司）；LLY-06EDC型电子单纤强力仪（莱州市电子仪器有限公司）；JN-A型精密扭力天平（上海第二天平仪器厂）；Y151型纤维摩擦因数仪（常州第二纺织机械有限公司）；YG（B）871型毛细管效应测定仪（温州大荣纺织仪器有限公司）；AXISULTRA型X射线光电子能谱仪（Kratos Analytical Ltd.）；JSM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜（日本电子株式会社）。

1.2 试样制备

将玄武岩纤维纱剪成长度为10 cm左右的纤维束，将其置于去离子水中使其分散成单根纤维后于烘箱内烘干水分使纤维处于蓬松的状态，温度不高于200℃，平均分为7组，为Ⅰ试样；将6根25 cm长的纤维束均匀排布粘贴在玻璃棒上，共10组，为Ⅱ试样。

1.3 性能测试

参照绞盘法在JN-A型精密扭力天平上，每组取50根纤维作为试样进行静摩擦力以及动摩擦力测试［15］，Y151型纤维摩擦因数仪采用橡胶辊，转速30 r/min，张力夹选用200 mg。

利用LLY-06EDC型电子单纤强力仪测试各组单纤维断裂强度。设置试验隔距10 mm，试验速度20 mm/min，预加张力2 cN，重复测试50次。

利用YG（B）871型毛细管效应测定仪，水基染料墨水作为指示剂，参考FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》［16］，观测1 min、5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min时玄武岩纤维的芯吸高度。

采用AXISULTRA型X射线光电子能谱仪对玄武岩纤维原样、轻微处理条件、最优处理条件以及处理条件最剧烈的四种样品进行表征。

采用JSM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜对原样及处理效果最优的两组纤维进行表观形貌观测，观测前需对玄武岩纤维表面做喷金处理。

以上试验均在标准大气条件下进行。采用低温等离子体设备，反应气体为空气，对纤维进行表面处理。随机取一组试样置于反应室，启动高压泵将其抽真空至2 Pa左右，试样做正交处理，采用L9（34）分配参数，参数设定见表1。

表1 正交因素水平表

2 结果与讨论

2.1 摩擦因数与断裂强力分析

经过对单根纤维动、静摩擦力大小的换算求得每组纤维的平均动、静摩擦因数［17］；同时将单纤强力仪测得的平均断裂强度绘制得表2。极差分析见表3。试样0为纤维原样。

表2 正交试验结果

由表2分析得知，经低温等离子体处理过后的玄武岩纤维的摩擦因数有一定的增大，但若处理时间过长，摩擦因数又会相对减小；而等离子体处理会造成纤维断裂强度略有减小，表明玄武岩纤维经处理后表面被刻蚀变粗糙，强力出现不匀，且摩擦因数越大时，断裂强度相对较小。

表3 极差分析表

由表3分析可知，放电功率高低对玄武岩纤维的静摩擦因数影响较大，气压次之，放电时间最小，即A＞C＞B，最佳试验方案为A1B2C2；同样，影响动摩擦因数的因素主次为A＞B=C，最佳试验方案为A1B2C3；影响断裂强度的因素主次为A＞C＞B，最佳试验方案为A3B2C1。因此根据较优水平、纤维表面粗糙度和强力维持的要求，最优试验方案拟确定为A1B2C2。

2.2 毛细效应分析

经各条件处理后玄武岩纤维束与未经处理的原样毛细效应测试结果见图1。

图1 玄武岩纤维束芯吸高度测试

由图1分析可得，未经处理的玄武岩纤维束原样芯吸能力较差，30 min芯吸平均高度仅为46.67 mm；试样2为经225 W、5 min、20 Pa条件处理的纤维束，芯吸平均高度最高，达75.83 mm，较未处理原样芯吸能力提高62.48%；试样9为放电时间较长，放电功率较大的试样，芯吸高度与未处理原样相近。因此，低温等离子体处理效果会随时间的延长、功率的增大呈现负增长，纤维表面局部刻蚀达到饱和状态即变为全面刻蚀，几乎恢复纤维原样面貌，因此等离子体放电时间不宜过久、放电功率不宜过大。因此得出A1B2C2为最佳处理条件。

2.3 X射线光电子能谱分析

经低温等离子体处理后各主要元素含量相对占比见表4。

表4 玄武岩单纤维X射线光电子能谱处理元素含量分析

由表4可知，经处理后纤维Si 2p含量明显变化，从原样的1.5%经轻微处理（试样8）提高至16.73%；经最优处理（试样2）提高至16.86%；经强 烈 处 理（275 W，6 min，25 Pa）后 提 高 至19.58%。经分析可判断处理过程中纤维表面硅原子与空气中的氧原子生成新物质二氧化硅，为多孔松软的无定形二氧化硅，其吸附性强，提高纤维的吸水能力。加之C 1s含量的多少决定了玄武岩纤维的基本性能，含量过低会导致其物理机械性能下降。并且O 1s及N 1s含量增加，表明生成了含氧、氮的极性基团，增大了纤维的亲水性。因此经225 W、5 min、20 Pa处理的玄武岩纤维保持了较多的碳元素，维持了较好的强力，同时亲水性明显提高。综上，A1B2C2为较优处理条件。

2.4 电镜扫描分析

图2依次为原样以及最优处理的两个样品电镜扫描图像。

从图2中可以明显看出，未经等离子体处理的纤维原样表面光滑，基本没有瑕疵；试样2经处理后表面不再光滑并出现大面积的点状刻蚀及突起，表明处理后的纤维表面变粗糙，直接增大纤维表面几何接触面积，提高亲水性，且没有出现因裂纹或鳞片导致的纤维强力不匀降低纤维断裂强力的情况，为最佳处理状态。

图2 玄武岩纤维的扫描电镜图像表征（×20 000倍）

3 结论

玄武岩纤维经低温等离子体设备处理后表面变粗糙，从而提高了其他材料与之复合时的黏结强度；同时吸水能力提高，毛细效应增强；C 1s含量相对减少，Si 2p含量明显增多，并生成极性基团提高纤维亲水性。综上最适宜的低温等离子体处理条件为放电功率225 W、放电时间5 min、气压20 Pa。