李琦嫻，楊建忠，焦海娟

(1.西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西西安710048；2.陜西省現(xiàn)代建筑設計研究院，陜西 西安710021)

0 引言

玄武巖纖維是一種新興的無機高性能纖維，其主要成分為SiO2、A12O3[1-2]。 由于其良好的力學性能、耐高溫、絕緣等特性[3-4]，大量復合材料多以玄武巖纖維為增強體，廣泛應用于環(huán)保、軍工、航空航天、建筑等設施中[5-8]。

但由于玄武巖纖維表面光滑，粘結(jié)性能較差[9]，因此，對其的改性研究成為當下的一個研究熱點[10]。 陳杰瑢等人預測了低溫等離子體干式加工技術在紡織工業(yè)中的應用前景，并且能很大程度的保護環(huán)境[11]。 Abdel-Aleam H.Mohamed 等人通過設計一些特殊的電極結(jié)構，使大氣壓下輝光放電成為可能[12]。 Denni Kurniawan 等人通過實驗發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維/聚乳酸復合材料在超過1.5 分鐘的大氣壓等離子體處理表面后，機械性能會有一定程度的下降；但經(jīng)過4.5 分鐘后復合材料的強力及模量分別較未經(jīng)處理的纖維原樣提高了45%和18%[13]。 張曉英等人用殼聚糖對玄武巖纖維進行了改性，證明了其可以顯著改善生物膜的附著性能[14]。 Nour F Attia 等人開發(fā)了一種簡便而智能的無機纖維改性方法，使有機聚合物對玄武巖纖維和橡膠基體具有良好的相容性和界面粘合性[15]。

本文通過改變低溫等離子體設備參數(shù)對玄武巖纖維進行表面處理，旨在研究使玄武巖纖維表面獲得最佳粗糙度并維持一定的強度，使得表面粘結(jié)力增強，從而使其在電工電子應用領域發(fā)揮更優(yōu)異的力學性能。 實驗以聚四氟乙烯(PTFE)膜為粘附基材，由于其為粘結(jié)性能最差的材料，一旦提高了與其的粘結(jié)性能，其他材料如電路板則可以更好的投入應用。

1 實驗部分

1.1 原料及實驗設備

玄武巖纖維有捻紗(型號BCT6，浙江石金玄武巖纖維有限公司，1dtex/20F)；聚四氟乙烯膜(型號：P4804-02-1EA，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；環(huán)氧樹脂粘合劑(JD8695 雙液型，上海巨密實業(yè)有限公司)。

HD-1B 型輝光放電低溫等離子體儀(常州新區(qū)等離子體公司)；LLY-06EDC 型電子單纖強力儀(萊州市電子儀器有限公司)；JSM-6700F 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)；AXISULTRA 型X 射線光電子能譜儀(英國Kratos Analytical Ltd.)。

1.2 試樣制備

將玄武巖纖維紗剪成長度為5cm 左右的纖維束，將其置于去離子水中使其分散成單根纖維后于干燥箱內(nèi)烘干水分使纖維處于蓬松的狀態(tài)，溫度不高于200℃，平均分為11 組。 如下圖1 為進行粘結(jié)性能測試的樣品，每個樣品中均有一根玄武巖單纖維。

圖1 粘結(jié)性能測試樣品

1.3 性能測試

以下實驗均在標準大氣條件下進行。 采用低溫等離子體設備，反應氣體為空氣，對纖維進行表面處理。 采用低溫等離子體設備在空氣條件下對纖維進行表面處理，隨機取一組試樣置于反應室，啟動高壓泵將其抽真空至2Pa 左右，試樣做正交處理，參數(shù)設定為下表1：

表1 正交因素水平表

利用正交表確定實驗計劃，采用L9(34)分配參數(shù)，得出具體實驗方案。

1.3.1 粘結(jié)性能測試

單纖維拔出試驗能簡易有效地測試剪切強度[16]。 拉伸剪切強度測定試片為20mm×10mm×0.127mm，采用單面搭接，搭接面長度約10mm±0.25mm，纖維頭端露出長度為5mm 左右，避免拉伸過程中纖維自身強力不勻造成先于抽拔瞬間斷裂。 拉伸速度設定為10mm/min，拉伸至纖維被完全抽拔出試片為止，記下單纖維拉伸試驗機讀數(shù)界面的破壞負荷，并計算剪切強度W，每組10 個樣。

圖2 反向剝離實驗

分別對無纖維的純粘合劑的參照試樣以及纖維原樣和處理后的纖維試樣在以PTFE 膜為基體、環(huán)氧樹脂粘合劑做粘附材料的復合材料進行180°反向剝離后作剝離強力的測試，如上圖2 所示。 纖維與粘合劑的有效接觸長度均為10mm，實驗測試每組20 個樣，進而計算剝離強度P[17]，其值為剝離力與試件寬度的比，單位為cN/mm。

1.3.2 力學性能測試

利用LLY-06EDC 型電子單纖強力儀測試各組單纖維強伸性能。 設置試驗隔距為10mm，試驗速度20mm/min，預加張力2cN，重復測試50 次。

1.3.3 XPS 元素分析

采用AXISULTRA 型X 射線光電子能譜儀對BF 原樣、輕微處理條件、最優(yōu)處理條件以及處理條件最劇烈的四種樣品進行表征。 其化學鍵合狀態(tài)通過X 射線光電子能譜法進行研究。 在功率為100W(10mA，10kV)、真空度為10-8Torr 條件下，光譜由一束Al Kα(1486.71eV)的單色光激發(fā)獲得，電荷中和劑用來補償表面電荷效應，并且結(jié)合能由峰值為284.8eV 的C1s 峰來校準。

1.3.4 表面形貌觀測

采用JSM-6700F 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對原樣、輕微處理、處理效果最優(yōu)以及處理條件最強的四組纖維進行表觀形貌觀測，觀測前需對玄武巖纖維表面做噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 粘結(jié)性能分析

玄武巖纖維的粘結(jié)性能可由纖維的界面剪切強度W 以及剝離強度P 等表征[18]，具體分析如下。 表2 為測試并計算得出的各因素正交水平及結(jié)果。

表2 各因素正交水平及結(jié)果

實驗發(fā)現(xiàn)，添加纖維的樣品比無纖維的純粘合劑樣品剝離強力有明顯提高，且最大增率(2#)為105.21%，剝離強力較未處理的原樣(0#)也提高了92.79%。 起初由于粘合劑被剝離，玄武巖纖維同時開始受力剝離強力緩緩增大，增大至最大值后剝離強力趨于穩(wěn)定值，受粘合劑及纖維表面粘結(jié)性能共同影響，當玄武巖纖維伸長率不能配合粘合劑伸長時發(fā)生斷裂，此時剝離強力出現(xiàn)驟降，亦表明低溫等離子體處理會對玄武巖纖維表面的粘結(jié)性能有影響。 單纖維剪切強度最高的是2#，較未處理的0#提高了128.22%。 如下表3 為針對剝離強度和剪切強度做的極差分析，分別為各n 因素各j列所對應的實驗指標和的平均值，Rj為各j 列的極差。 Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響越大，即可以判斷因素的主次。

表3 玄武巖纖維的粘結(jié)性能極差分析

由剝離強度和剪切強度的R 值分析，低溫等離子體處理條件主次因素按順序均為A＞C＞B，即放電功率對其影響較大，放電氣壓的影響次之，放電時間的影響最小。 按剝離強度，最佳試驗方案為A1B3C2；按剪切強度，最佳試驗方案為A1B2C2。 因此根據(jù)粘結(jié)性能測試最佳試驗方案只能先確定功率為225Pa，氣壓C 為20Pa，需對纖維的強伸性能作進一步的分析。

2.2 強伸性能分析

選擇氣壓20Pa；低溫等離子體設備放電功率分別為100W、150W、200W、250W、300W 對纖維進行處理。 實驗發(fā)現(xiàn)隨著功率的增大，纖維強力逐漸降低，是由于纖維表面被刻蝕出現(xiàn)凹坑、裂痕，導致被拉伸時受力不均使得強力降低，但強力損失不明顯，表明低溫等離子體處理并不會對纖維強力造成太大損失，只是對表面進行輕微刻蝕。 當功率100W 時，纖維強力下降不是很明顯，但表面摩擦系數(shù)相對較小，摩擦性能相對較差；而當功率為250W作右時，纖維斷裂強力相對較大且摩擦性能較好。綜上如下圖3 分析，最佳處理功率在250W 左右。

圖3 氣壓為20Pa 時單纖維功率—力學性能關系圖

圖4 功率為250W 時單纖維功率—力學性能關系圖

當放電功率為250W 時，由上圖4 分析：當放電時間為3min 時，BF 強力維持較好，較BF 原樣僅降低約7.03%；放電時間達5min 及較長發(fā)現(xiàn)纖維斷裂強力損失較大損失率高達23.78%。 因此得出，低溫等離子體對纖維處理時間不易過長。 但是從摩擦性能的角度，5min 時，靜摩擦系數(shù)最大，纖維表面最粗糙，強伸性能總體最好。

2.3 SEM 掃描電鏡分析

如下圖5 依次為四個樣品的SEM 圖像，其放大倍數(shù)均為2×104倍。

圖5 各試樣SEM 圖像

上圖5 依次為原樣、輕微、最優(yōu)以及處理條件最強烈的四個樣品的放大倍數(shù)分別為兩萬倍的SEM 圖像。 由其分析得，可以看出未經(jīng)等離子體處理的纖維表面光滑，基本沒有瑕疵；經(jīng)275W，5min，15Pa 處理后表面仍然光滑但稍有刻蝕，為星星點點的點狀凹陷并出現(xiàn)粒狀突起；經(jīng)225W，5min，20Pa 處理后表面不再光滑并出現(xiàn)更密集大面積的點狀刻蝕，表明處理后的纖維表面變粗糙，直接增大纖維表面幾何接觸面積，提高親水性，且沒有出現(xiàn)裂紋或鱗片導致纖維強力不勻從而降低纖維斷裂強力，確實為最佳處理狀態(tài)；經(jīng)275W，6min，15Pa 處理后出現(xiàn)鱗片狀刻蝕并帶有包狀突起，為強力弱節(jié)，纖維整體強力出現(xiàn)不勻，從而會降低纖維強力。 觀測結(jié)果表明與實驗結(jié)論相符。

3 結(jié)果與討論

玄武巖纖維經(jīng)低溫等離子體設備處理后表面變粗糙，不同處理條件下的剝離強度、剪切強度均較未處理的原樣有所增加，從而提高了與其他材料復合時的粘結(jié)強度；強伸性能有一定的減弱，但是影響不大；且由SEM 圖像表征驗證分析驗證，經(jīng)225W，5min，20Pa 處理后纖維粗糙度最佳，綜合強伸性能及粘結(jié)性能分析，因此該條件下粘結(jié)性能最好。 綜上最適宜的低溫等離子體處理條件為放電功率為225W、放電時間為5min、氣壓為20Pa。