李琦嫻 楊建忠 焦海娟

（1.西安工程大學(xué)，陜西西安，710048；2.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西西安，710021）

連續(xù)玄武巖纖維是前蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院60多年前研究開發(fā)的高新技術(shù)纖維［1］，為四大高性能纖維之一［2］，具有力學(xué)性能優(yōu)異、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性［3-4］，以其為增強(qiáng)體可制成各種性能優(yōu)異的復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于消防、環(huán)保、航空航天、建筑等軍工和民用領(lǐng)域［5-8］，大大促進(jìn)我國礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)和高附加值的應(yīng)用，形成一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。

目前，對(duì)連續(xù)玄武巖纖維的改性方法主要有偶聯(lián)劑處理法、表面涂層法、酸堿處理法、高能輻射法等［9-11］。雖然每種處理方法都有一定的效果，但會(huì)對(duì)纖維本身性能造成一定的損失。低溫等離子體改性技術(shù)是備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一［12］。該技術(shù)具有處理效果好、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)［13］。此外，該法采用干式工藝，具有高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)［14］。本文通過改變低溫等離子體設(shè)備參數(shù)對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面處理，以期使玄武巖纖維表面獲得最佳粗糙度并維持一定的強(qiáng)度，使得表面黏結(jié)力增強(qiáng)，從而使其在工程應(yīng)用方面發(fā)揮更優(yōu)異的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及試驗(yàn)設(shè)備

原料與試劑：玄武巖纖維有捻紗（型號(hào)BCT6，浙江石金玄武巖纖維有限公司，20 tex/20 F）；去離子水；玻璃棒；水基染料墨水。

儀器：HD-1B型輝光放電低溫等離子體儀（常州新區(qū)世泰等離子體技術(shù)開發(fā)有限公司）；LLY-06EDC型電子單纖強(qiáng)力儀（萊州市電子儀器有限公司）；JN-A型精密扭力天平（上海第二天平儀器廠）；Y151型纖維摩擦因數(shù)儀（常州第二紡織機(jī)械有限公司）；YG（B）871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）；AXISULTRA型X射線光電子能譜儀（Kratos Analytical Ltd.）；JSM-6700F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社）。

1.2 試樣制備

將玄武巖纖維紗剪成長度為10 cm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烘箱內(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7組，為Ⅰ試樣；將6根25 cm長的纖維束均勻排布粘貼在玻璃棒上，共10組，為Ⅱ試樣。

1.3 性能測(cè)試

參照絞盤法在JN-A型精密扭力天平上，每組取50根纖維作為試樣進(jìn)行靜摩擦力以及動(dòng)摩擦力測(cè)試［15］，Y151型纖維摩擦因數(shù)儀采用橡膠輥，轉(zhuǎn)速30 r/min，張力夾選用200 mg。

利用LLY-06EDC型電子單纖強(qiáng)力儀測(cè)試各組單纖維斷裂強(qiáng)度。設(shè)置試驗(yàn)隔距10 mm，試驗(yàn)速度20 mm/min，預(yù)加張力2 cN，重復(fù)測(cè)試50次。

利用YG（B）871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀，水基染料墨水作為指示劑，參考FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》［16］，觀測(cè)1 min、5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min時(shí)玄武巖纖維的芯吸高度。

采用AXISULTRA型X射線光電子能譜儀對(duì)玄武巖纖維原樣、輕微處理?xiàng)l件、最優(yōu)處理?xiàng)l件以及處理?xiàng)l件最劇烈的四種樣品進(jìn)行表征。

采用JSM-6700F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)原樣及處理效果最優(yōu)的兩組纖維進(jìn)行表觀形貌觀測(cè)，觀測(cè)前需對(duì)玄武巖纖維表面做噴金處理。

以上試驗(yàn)均在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行。采用低溫等離子體設(shè)備，反應(yīng)氣體為空氣，對(duì)纖維進(jìn)行表面處理。隨機(jī)取一組試樣置于反應(yīng)室，啟動(dòng)高壓泵將其抽真空至2 Pa左右，試樣做正交處理，采用L9（34）分配參數(shù)，參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 正交因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)與斷裂強(qiáng)力分析

經(jīng)過對(duì)單根纖維動(dòng)、靜摩擦力大小的換算求得每組纖維的平均動(dòng)、靜摩擦因數(shù)［17］；同時(shí)將單纖強(qiáng)力儀測(cè)得的平均斷裂強(qiáng)度繪制得表2。極差分析見表3。試樣0為纖維原樣。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2分析得知，經(jīng)低溫等離子體處理過后的玄武巖纖維的摩擦因數(shù)有一定的增大，但若處理時(shí)間過長，摩擦因數(shù)又會(huì)相對(duì)減?。欢入x子體處理會(huì)造成纖維斷裂強(qiáng)度略有減小，表明玄武巖纖維經(jīng)處理后表面被刻蝕變粗糙，強(qiáng)力出現(xiàn)不勻，且摩擦因數(shù)越大時(shí)，斷裂強(qiáng)度相對(duì)較小。

表3 極差分析表

由表3分析可知，放電功率高低對(duì)玄武巖纖維的靜摩擦因數(shù)影響較大，氣壓次之，放電時(shí)間最小，即A＞C＞B，最佳試驗(yàn)方案為A1B2C2；同樣，影響動(dòng)摩擦因數(shù)的因素主次為A＞B=C，最佳試驗(yàn)方案為A1B2C3；影響斷裂強(qiáng)度的因素主次為A＞C＞B，最佳試驗(yàn)方案為A3B2C1。因此根據(jù)較優(yōu)水平、纖維表面粗糙度和強(qiáng)力維持的要求，最優(yōu)試驗(yàn)方案擬確定為A1B2C2。

2.2 毛細(xì)效應(yīng)分析

經(jīng)各條件處理后玄武巖纖維束與未經(jīng)處理的原樣毛細(xì)效應(yīng)測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 玄武巖纖維束芯吸高度測(cè)試

由圖1分析可得，未經(jīng)處理的玄武巖纖維束原樣芯吸能力較差，30 min芯吸平均高度僅為46.67 mm；試樣2為經(jīng)225 W、5 min、20 Pa條件處理的纖維束，芯吸平均高度最高，達(dá)75.83 mm，較未處理原樣芯吸能力提高62.48%；試樣9為放電時(shí)間較長，放電功率較大的試樣，芯吸高度與未處理原樣相近。因此，低溫等離子體處理效果會(huì)隨時(shí)間的延長、功率的增大呈現(xiàn)負(fù)增長，纖維表面局部刻蝕達(dá)到飽和狀態(tài)即變?yōu)槿婵涛g，幾乎恢復(fù)纖維原樣面貌，因此等離子體放電時(shí)間不宜過久、放電功率不宜過大。因此得出A1B2C2為最佳處理?xiàng)l件。

2.3 X射線光電子能譜分析

經(jīng)低溫等離子體處理后各主要元素含量相對(duì)占比見表4。

表4 玄武巖單纖維X射線光電子能譜處理元素含量分析

由表4可知，經(jīng)處理后纖維Si 2p含量明顯變化，從原樣的1.5%經(jīng)輕微處理（試樣8）提高至16.73%；經(jīng)最優(yōu)處理（試樣2）提高至16.86%；經(jīng)強(qiáng) 烈 處 理（275 W，6 min，25 Pa）后 提 高 至19.58%。經(jīng)分析可判斷處理過程中纖維表面硅原子與空氣中的氧原子生成新物質(zhì)二氧化硅，為多孔松軟的無定形二氧化硅，其吸附性強(qiáng)，提高纖維的吸水能力。加之C 1s含量的多少?zèng)Q定了玄武巖纖維的基本性能，含量過低會(huì)導(dǎo)致其物理機(jī)械性能下降。并且O 1s及N 1s含量增加，表明生成了含氧、氮的極性基團(tuán)，增大了纖維的親水性。因此經(jīng)225 W、5 min、20 Pa處理的玄武巖纖維保持了較多的碳元素，維持了較好的強(qiáng)力，同時(shí)親水性明顯提高。綜上，A1B2C2為較優(yōu)處理?xiàng)l件。

2.4 電鏡掃描分析

圖2依次為原樣以及最優(yōu)處理的兩個(gè)樣品電鏡掃描圖像。

從圖2中可以明顯看出，未經(jīng)等離子體處理的纖維原樣表面光滑，基本沒有瑕疵；試樣2經(jīng)處理后表面不再光滑并出現(xiàn)大面積的點(diǎn)狀刻蝕及突起，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)因裂紋或鱗片導(dǎo)致的纖維強(qiáng)力不勻降低纖維斷裂強(qiáng)力的情況，為最佳處理狀態(tài)。

圖2 玄武巖纖維的掃描電鏡圖像表征（×20 000倍）

3 結(jié)論

玄武巖纖維經(jīng)低溫等離子體設(shè)備處理后表面變粗糙，從而提高了其他材料與之復(fù)合時(shí)的黏結(jié)強(qiáng)度；同時(shí)吸水能力提高，毛細(xì)效應(yīng)增強(qiáng)；C 1s含量相對(duì)減少，Si 2p含量明顯增多，并生成極性基團(tuán)提高纖維親水性。綜上最適宜的低溫等離子體處理?xiàng)l件為放電功率225 W、放電時(shí)間5 min、氣壓20 Pa。