玄武岩纤维表面改性及分散性研究

李根群，赵冰洁，代婷婷，张宝东

（沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159）

玄武岩纤维（BF）作为一种高性能纤维，与其他纤维相比玄武岩纤维有许多优势，其具有弹性模量大，抗拉强度好，耐温、耐酸、耐碱、耐磨性和耐腐蚀性能好，还具备绝缘性、抗辐射性等良好性能[1-4]。但玄武岩纤维表面呈惰性且光滑，与水泥浆体间不能完美结合，故而与其他材料结合时很难发挥自身的优异性能。玄武岩纤维自身的力学性能在经过表面处理后可以保持且生产工艺上也可以弥补缺陷，并运用于诸多领域[5]。玄武岩纤维经KH-550进行表面处理后掺入到混凝土中，与混凝土基体的黏结强度明显增强，减少内部微裂纹的产生[6-7]。王宇峰[8]等采用乙烯基三乙氧基硅烷（Z6518）、γ用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（CG570）和γ基氨丙基三乙氧基硅烷（CG550）3 种硅烷偶联剂对玄武岩短切纤维进行表面改性。通过测试改性后玄武岩短切纤维的抗酸碱介质侵蚀性能、表观形貌特征、伸长率和拉伸强度等指标，研究改性后玄武岩短切纤维的耐腐蚀性能、表观形貌和力学性能，结果表明：经一定浓度的CG550 改性剂改性，可以显著提高玄武岩短切纤维的耐腐蚀性能；经一定浓度的CG570 或CG550 改性剂改性，玄武岩短切纤维的抗拉强度得到提高；经一定浓度的 CG570、CG550 或Z6518 改性剂改性，玄武岩短切纤维的表面粗糙度明显增大；经一定浓度的CG570 或CG550改性剂改性，可提高玄武岩短切纤维的力学性能和耐腐蚀性能，改善纤维与砂浆之间的界面，提高改性玄武岩短切纤维的水泥基材料的力学性能。IORIO[9]等对玄武岩纤维进行表面研究，分别采用KH602、KH792、KH-550 和KH792 与KH602 混合偶联剂处理，结果表明玄武岩纤维改性后，玄武岩纤维表面粗糙度显著增加。 刘春英[10]等以六水氯化镁和氢氧化钠为原料，采用两步法即氢氧化钠沉淀-水热处理过程制备出湿氢氧化镁固体，再以硅烷偶联剂对氢氧化镁表面进行改性制得氢氧化镁阻燃剂。结果表明，硅烷偶联剂在氢氧化镁粉体表面上发生化学吸附，氢氧化镁表面极性降低，因而具有良好的分散性和疏水性。改性氢氧化镁与EVA 树脂组成的复合材料有很好的阻燃性能，氧指数达到29.9。

响应面分析法广泛应用于诸多领域中，与传统实验相比具有实验次数少、直观性强、效率高等优点[11]。华晓青[12]等对玄武岩纤维的分散度进行研究，以分散剂添加量、纤维浓度和纤维分散剂为自变量，以分散度为响应值，建立二次多项式模型。研究表明，纤维分散性的最佳工艺条件为：分散剂添加量为10%（质量分数）、羧甲基纤维素为分散剂、纤维质量浓度为1.17 g·L-1，分散度为75.14%。陈兴祥[13]等采用响应面法（RSM）分析了BF 长度和体积掺量对再生混凝土（BFRAC）力学性能的影响。结果表明，BF 长度对BFRAC 力学性能的影响程度小于BF 体积掺量；当掺量分别为0.1%、0.2%和0.2%，对应的玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度、抗折强度和抗压强度最好。刘造芳[14]等设计响应面实验并建立模型表征玄武岩纤维分散性。结果表明，改性时间对玄武岩纤维分散度影响最显著，其次为改性温度，HCl 浓度影响较小。纤维分散度最佳工艺参数为：改性温度53.4 ℃，改性时间14 h，HCl浓度2.1 mol·L-1。王静文[15]等对BFFC 抗压韧性指数、抗压强度和表观密度进行研究，通过改变纤维掺量和泡沫体积量观察BFRC 力学性能的变化。结果表明，单位体积BFFC 成品制备的最佳条件为纤维掺量与泡沫掺量分别为2.384 66 kg 和0.617 875 m3时，制备出的BFFC 表观密度仅为641.06 kg·m-3，而抗压韧性指数和抗压强度达到0.887 和13.60 MPa。

目前，玄武岩纤维的改性主要是针对提高玄武岩纤维与基体之间的黏结力和界面强度进行研究，而通过改性来提高纤维分散性的研究不多。本文利用SEM、激光共聚焦显微镜、接触角测量仪研究了不同质量分数KH-550改性后玄武岩纤维表面结构，揭示了改性后界面性能增强机理，通过响应面法优化了KH-550 改性工艺参数。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

山东优素化工生产的质量分数为97%的硅烷偶联剂（KH-550）；纤维为短切玄武岩纤维，长度6 mm，直径15 μm，密度2 780 kg·m-3；无水乙醇；自来水。

1.2 玄武岩纤维的表面改性方法

为了去除玄武岩纤维表面杂质，先把纤维在丙酮溶液浸泡120 min，再用自来水反复清洗干净，放入120 ℃烘箱中烘干后放入不同质量分数（4%、6%、8%）和不同温度（30、40、50 ℃）的改性剂中处理4、8、12 h，取出清洗干净后放入120 ℃烘箱中烘干，完成了玄武岩纤维的改性。

1.3 微观形貌表征

以未改性玄武岩纤维作参照，将纤维表面喷金处理之后通过扫描电镜观察表面微观形貌的变化，用激光共聚焦显微镜测量改性玄武岩纤维表面粗糙度，玄武岩纤维的接触角通过接触角测量仪测量，获得改性玄武岩纤维表面微观结构的变化。

1.4 纤维分散性表征

分散性可以通过测定纤维悬浮液的表面张力和直观方法来表征，其中分散度法简单方便易于操作，本文玄武岩纤维的分散性用分散度法表征，取一定量短切玄武岩纤维倒入500 mL 装有悬浊液的烧杯中，搅拌静置5 min 后观察悬浊液的中纤维沉降情况。分散度由式（1）计算得到。

式中：v0—纤维未沉降时悬浮液的总高度；

v1—悬浮液中上清液层的高度。

通过大量实验，确定试验的中心点为：KH-550质量分数（A）为6%，改性时间（B）为10 h，改性温度（C）为40 ℃。自变量为KH-550 质量分数、改性温度和改性时间，分散度为响应值，设计响应面试验，试验因素及水平编码见表1，试验结果见表2。

表1 试验因素与水平编码

表2 试验结果

2 试验结果与讨论

2.1 改性玄武岩纤维表面微观形貌

图1是当改温度为40 ℃、改性时间为12 h 时，不同含量的KH550 改性玄武岩纤维的微观形貌。

由图1（a）可以看出，在SEM 下，未改性玄武岩纤维有较少凸起物，表面较光滑，有少许颗粒；由图1（b）可知，当含量为4%的KH550 时，凸起物较少；由图1（c）可知，当含量为6%的KH-550时，表面凸起多，表面会形成松散结构，使得和水泥基体的接触不牢固；由图1（d）可知，当含量为8%的KH-550 时，凸起较多，表面黏附的基体材料较多，改性效果最好。

图1 不同含量KH-550处理玄武岩纤维表面微观形貌

由于玄武岩纤维经KH-550 处理后可以改善其表面缺陷，改性后纤维表面形成一层硅烷膜，使纤维表面不被腐蚀氧化，并使纤维自身性能不被破坏，玄武岩纤维表面活性也得到提高。

2.2 接触角

图2 和表3 是当改温度为40 ℃、改性时间为12h 时，不同含量的KH550 改性玄武岩纤维接触角的变化结果。

图2 不同质量分数偶联剂处理玄武岩纤维的接触角

表3 接触角测试计算结果

从表3可以看出，未处理的玄武岩纤维接触角滞后现象不显著，前进角与后退角相差小（1.6°），玄武岩纤维经KH-550 改性后，前进角与后退角差别都有增大，其中当用含量为8%的KH-550 处理后接触角的滞后现象最明显（16.0°）。这说明经过处理后的玄武岩表面粗糙度增加，浸润效果增大，与扫描电镜分析结果一致，和水泥基体有良好的结合。

2.3 粗糙度

玄武岩纤维经偶联剂表面改性后，表面粗糙度大大增加，通过激光共聚焦显微镜测出改性玄武岩纤维粗糙度及粗糙度的变化，其中未改性时，粗糙度为3.02；当偶联剂含量为4%时，粗糙度为3.65；当偶联剂含量为6%时，粗糙度为5.02；当偶联剂含量为8%时，粗糙度为6.84。经KH-550处理后，纤维表面粗糙度明显增加，与复合材料间的黏结强度显著提高。图3为玄武岩纤维表面糙度，图4 为纤维三维立体图。

图3 不同含量KH-550处理玄武岩纤维表面轮廓线

图4 不同含量KH-550处理玄武岩纤维三维立体图

2.4 改性玄武岩纤维分散性研究

表4 的实验数据采用多项式回归分析进行拟合，建立KH-550 质量分数、改性温度、改性时间3个因素与均方差之间的二次多项式模型，方差分析结果见表4。

表4 实验设计方差分析

从表4 中可以看出，改性时间对玄武岩纤维分散度影响最显著，其次是KH-550 质量分数，最后是改性温度。

2.5 因素两两交互作用对玄武岩纤维分散度的影响

2.5.1 KH-550 质量分数和改性时间对分散度的影响图5表示KH-550 质量分数和改性时间交互影响时的等高线图和响应面曲线。由图5可以得出，当改性时间增加，玄武岩纤维在分散体系中的分散性显著提高，随着KH-550质量分数提高，纤维分散度明显上升。这说明纤维分散性随着KH-550 质量分数和改性时间的提高都有显著变化，与方差分析达成一致效果，其中改性时间的影响大于KH-550质量分数。这可能是因为随着KH-550质量分数和改性时间的增加，纤维间的相互吸引现象减弱，从而玄武岩纤维分散性显著提高。

图5 KH-550质量分数和改性时间交互作用对纤维分散度的影响

2.5.2 KH-550 质量分数和改性温度对分散度的影响

图6 表示KH-550 质量分数和改性温度交互影响时的等高线图和响应面曲线。

图6 KH-550质量分数和改性温度交互作用对纤维分散度的影响

由图6 可以得出，当温度升高时，随着KH-550质量分数增长到6%时，纤维分散度的提高不明显，但是随着KH-550 质量分数增加到8%时，分散体系中玄武岩纤维的分散性显著提高。这说明温度的升高对玄武岩纤维分散性影响较小，而随着KH-550质量分数的提高有显著影响。

2.5.3 改性时间和改性温度对分散度的影响

图7 表示改性时间和改性温度交互影响时的等高线图和响应面曲线。由图7 可以得出，当温度在30～40 ℃时，在改性时间延长的情况下，玄武岩纤维的分散度有所提高，当温度在40～50 ℃时，纤维分散度随着改性时间的延长显著提高，说明改性温度对纤维分散性著影响不明显，而改性时间显著影响玄武岩纤维的分散度。

图7 改性时间和改性温度交互作用对纤维分散度的影响

通过Expert-design 软件进行分析，玄武岩纤维分散性最佳工艺参数为KH-550 质量分数8%、改性时间12 h、改性温度40 ℃，预测值为81.625%。分散度试验在上述条件下为82.1%，说明模型与实际情况拟合良好。

3 结 论

经KH-550 处理后，玄武岩纤维表面有明显的凸起物，粗糙度显著提高。在本试验条件下，玄武岩纤维分散度最佳条件为质量分数8%、温度40 ℃、时间12 h。当3 因素两两交互作用时，对玄武岩纤维在悬浮液中的分散性均有影响，其中，偶联剂质量分数和改性温度影响显著，改性时间影响较小。