玄武岩纤维表面化学改性对PA6基复合材料力学性能影响*

于开锋，黄雅婷，刘彦波，刘家旗，李浩冬，梁 策

(吉林大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130022)

1 概述

尼龙6(PA6)，作为应用最为广的工程热塑性材料，具有优异的耐溶剂性、易加工性和机械性能[1-2]。然而其缺口冲击性能与尺寸稳定性较差，以及吸水性较大等缺点限制了其应用[3-4]。纤维增强PA6复合材料时，可以大幅度改善PA6的机械性能[5-6]。玄武岩纤维(BF)具有强度大、环保、无毒、轻质等优点，经常用于生产与合成具有优异性能的轻质复合材料[7-8]。但是BF表面光滑、惰性大、浸润性不足，与基体材料进行复合时，由于界面结合能力较低，易发生纤维脱粘等现象。因此在制备玄武岩纤维复合材料的过程中需要对纤维表面进行处理，增加纤维与基体之间的界面相互作用[9]。

本文以BF为增强材料，使用不同浓度的KOH与H2SO4溶液对其表面进行化学改性处理，通过熔融共混制备PA6/BF复合材料，其中BF与PA6的质量分数分别为30%与70%。探究化学处理方式对复合材料力学性能影响，并对纤维与复合材料进行表征。

2 实验部分

2.1 实验原料

PA6(BL3280H)颗粒：中国石油化工股份有限公司制巴陵分公司提供；长切玄武岩纤维：长度 6 mm，直径 12 μm，浙江省海宁安捷复合材料有限公司；抗氧剂1098：山东优索化工科技有限公司；抗氧剂168：山东优索化工科技有限公司；滑石粉：1250目，桂林桂广滑石开发有限公司；H2SO4：北京化工厂；KOH：北京化工厂。

2.2 BF改性及复合材料制备

配制 0.5 mol/L、1 mol/L、2 mol/L 的H2SO4和KOH溶液，将玄武岩纤维浸入H2SO4或KOH溶液中，处理时间 1 h。使用去离子水将酸碱溶液处理后的纤维清洗至中性，最后 80 ℃ 条件下干燥 8 h，备用。

将原料PA6在 90 ℃ 真空条件下干燥 10 h，真空干燥箱的真空度设置为 -90 kPa，避免PA6被空气氧化。抗氧剂1098和168的质量分数分别是PA6的0.6%和0.3%。然后使用TE-35A型双螺杆挤出机制造复合材料，各区温度分别为 230 ℃，240 ℃，250 ℃ 和 230 ℃，其螺杆转速为 60 r/min。从料斗中加入PA6颗粒，将BF通过侧边进料装置进料到设备中。将所得的复合材料依次通过冷水槽、牵引机、切粒机造粒。由于PA6的高吸湿能力，所有PA6原料在实验前需要真空干燥干燥至少 10 h。

用于测试的样品是通过TXS-1080型注射成型机进行注射成型的，注塑机的各区温度分别为 235 ℃，245 ℃，235 ℃，245 ℃。注射压力、保护压力及保护时间分别为 70 MPa、45 MPa 与 30 s。

2.3 实验测试与表征

本文采用JSM-6700扫描电子显微镜对无机粒子以及复合材料冲击断裂面进行微观表征。将冲击断裂样品在液氮中冷冻 5 h，然后将样品距离断裂面 2～3 mm 处的部分切下，所有样品测试前喷金 200 s，所有样品均以 5 kV 的加速电压进行扫描。

复合材料的拉伸与弯曲试验在WSM-5KN电子万能试验机上进行，按照GB/T 1040-2006的标准进行测试，测试速度为 20 mm/min。复合材料的冲击试验在JJ-2记忆式冲击强度试验机上进行，按照GB/T 1843-1996的标准测试，摆锤大小为 5.5 J。

3 结果与讨论

图1为经过不同浓度KOH与H2SO4溶液处理过BF的微观形貌。随着溶液浓度从 0 mol/L 增加到 0.5 mol/L 和 1 mol/L 时，纤维表面明显变得粗糙，并且出现明显的凸起与凹陷，与PA6复合制备复合材料时，可以增强界面结合能力。当KOH与H2SO4溶液得浓度达到 2 mol/L 的时候，纤维表面因腐蚀而发生脱落，导致其结构被破坏，作为增强材料时，性能有所下降。

(a)0.5 mol/L KOH;(b)1 mol/L KOH;(c)2 mol/L KOH;(d)0.5 mol/L H2SO4;(e)1 mol/L H2SO4;(f)2 mol/L H2SO4。图1 BF的SEM图

复合材料的力学性能如图2所示。经过化学处理过的纤维/PA6复合材料的拉伸强度与冲击强度均高于未处理的复合材料。用 1 mol/L 的H2SO4处理复合材料的拉伸强度与冲击强度达到最大值，分别为 102.44 MPa 和 15.38 kJ/m2。主要是因为纤维经过酸碱处理后，表面粗糙度的增加导致界面结合强度的提高。

图2 化学处理过的玄武岩纤维/PA6复合材料的拉伸性能和冲击性能

悬臂梁试样的断口界面的SEM图如图3所示。从图3(a)看出，在BF表面未经过改性的复合材料冲击断面中，材料受到冲击外力时，纤维被拔出且基体中存在大量孔洞，且裸露的纤维表面相对光滑。图3(b)、3(c)为纤维经过 1 mol/L 的KOH与H2SO4溶液处理后复合材料冲击断面，此时纤维虽然从基体中被拔出，但其孔洞数量变少且表面粘附着树脂残迹。纤维经过化学处理后，表面被刻蚀后产生缺陷，粗糙的表面增加了纤维与基体的界面结合性。

(a)未处理；(b)1 mol/LKOH；(c)1 mol/L H2SO4。图3 悬臂梁试样断口的SEM图

4 结论

综上所述，文章对玄武岩纤维表面进行化学改性，经过KOH与H2SO4均改变了纤维表面的性能。由BF表面的SEM看出，酸碱溶液通过腐蚀来增加纤维表面粗糙度，进而影响复合材料的力学性能。1 mol/L 的H2SO4处理后复合材料的拉伸强度与冲击强度达到最大值，分别为 102.44 MPa 和 15.38 kJ/m2。