玄武巖纖維的力學(xué)特性

　　玄武巖纖維是一種脆性材料,其理論抗拉強(qiáng)度為3 000~4 840 MPa,彈性模量為90~110 GPa,斷裂伸長(zhǎng)率為3.2%左右。其抗拉強(qiáng)度是E型玻璃纖維的1.4~1.5倍,與S型玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度相當(dāng),明顯優(yōu)于芳綸、聚丙烯纖維、氧化鋁纖維等。目前,市場(chǎng)上玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度普遍在2 000~2 500 MPa,明顯低于其理論抗拉強(qiáng)度,因此研究影響玄武巖纖維力學(xué)性能的因素,進(jìn)而優(yōu)化這些因素,對(duì)于提高玄武巖纖維的力學(xué)性能至關(guān)重要。

　　影響玄武巖纖維力學(xué)特性的主要因素

　　化學(xué)成分對(duì)玄武巖纖維力學(xué)性能的影響

　　玄武巖纖維的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是影響其力學(xué)性能的關(guān)鍵因素,其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接越緊密,力學(xué)性能越高。SiO2與Al2O3是構(gòu)成玄武巖纖維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨架的氧化物,其含量的高低決定了纖維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的緊密程度。Mg、Ca、Na、K等堿金屬與堿土金屬會(huì)破壞纖維的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使其聚合度降低。王寧對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行紅外光譜與拉曼光譜表征發(fā)現(xiàn)：在1 002 cm-1處的Si—Onb極性鍵,表明其主要成分為硅酸鹽;450 cm-1處由Al—Obr—Al對(duì)稱彎曲振動(dòng)引起的峰,說(shuō)明部分Al取代Si進(jìn)入骨架結(jié)構(gòu),起到空間網(wǎng)絡(luò)形成體的作用;720 cm-1處由AlⅣ—Onb對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的弱峰,表明部分Al—Obr—Al被堿金屬或堿土金屬破壞,且330 cm-1處的峰是典型堿(堿土)金屬R+—O(R2+—O)的振動(dòng)峰。

　　統(tǒng)計(jì)學(xué)研究表明,Fe3+的含量越高,玄武巖纖維的表面缺陷越多,力學(xué)性能越差。對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行SEM-EDS表征發(fā)現(xiàn),纖維表面比較光滑,但是存在大小不一、形狀各異的凸起缺陷,凸起處與纖維本體結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)成分基本一致,但含量不同,Fe的含量明顯較高。

　　礦物組分對(duì)玄武巖纖維力學(xué)性能的影響。玄武巖的礦物組成主要有斜長(zhǎng)石、輝石、石英、正長(zhǎng)石與橄欖石等硅酸鹽礦物及其他雜質(zhì),這些礦物是其化學(xué)元素的存在形式。理論上硅酸鹽礦物含量越高,纖維的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密,抗拉強(qiáng)度也越高,但礦物組分對(duì)玄武巖的熔融溫度、熔體黏度、析晶溫度等均有影響,從而影響玄武巖纖維熔融拉絲的過(guò)程,進(jìn)而影響該纖維的力學(xué)性能。例如玄武巖各礦物組分熔點(diǎn)不同(斜長(zhǎng)石、輝石、石英與正長(zhǎng)石等礦物熔點(diǎn)較低,橄欖石熔點(diǎn)較高),在高溫條件下,熔點(diǎn)高的礦物難以完全融化,會(huì)造成熔體的不均質(zhì)性,進(jìn)而引起玄武巖纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性,在微不均勻處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而造成纖維力學(xué)性能下降。

　　浸潤(rùn)劑涂層對(duì)玄武巖纖維力學(xué)性能的影響

　　如前所述,玄武巖纖維表面存在凸起等缺陷,浸潤(rùn)劑主要是通過(guò)修復(fù)玄武巖纖維的表面缺陷來(lái)增強(qiáng)其力學(xué)性能。由于玄武巖纖維是一種無(wú)機(jī)纖維,脆性大是該纖維原絲的一大特性,浸潤(rùn)劑涂層能夠有效改變?cè)摾w維的集束性與柔順性,從而提高其力學(xué)性能。通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)證明,涂覆浸潤(rùn)劑之后,玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度能夠提高25%,其原因是浸潤(rùn)劑涂層可以有效地降低玄武巖纖維表面沖擊裂紋尖端的應(yīng)力集中,提供可靠的愈合功能,從而大大提高纖維的抗拉強(qiáng)度。

　　利用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)涂覆浸潤(rùn)劑前后的玄武巖纖維表面粗糙度進(jìn)行表征,如圖2、圖3所示,發(fā)現(xiàn)涂覆浸潤(rùn)劑后的玄武巖纖維表面比相同區(qū)域未涂覆浸潤(rùn)劑的纖維表面粗糙度明顯提高,這有助于玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維與基體材料的相互作用,進(jìn)而增強(qiáng)玄武巖纖維增韌復(fù)合材料的力學(xué)性能。

　　玄武巖纖維的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)良的物理與力學(xué)特性,其化學(xué)成分決定了其有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。2)玄武巖的成分是影響其纖維的內(nèi)因,全面系統(tǒng)地研究玄武巖的化學(xué)成分與礦物組分對(duì)其熔融拉絲過(guò)程的影響,是提高玄武巖纖維力學(xué)性能的根本所在。3)目前,玄武巖纖維用浸潤(rùn)劑多為有機(jī)試劑,且多借用于玻璃纖維的浸潤(rùn)劑,而該纖維為無(wú)機(jī)物,因此在浸潤(rùn)劑的專用性及浸潤(rùn)劑與纖維基體的結(jié)合性上均表現(xiàn)不理想,故體系化開(kāi)發(fā)玄武巖纖維專用無(wú)機(jī)浸潤(rùn)劑迫在眉睫。中國(guó)的玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,但是還有許多問(wèn)題需要解決,在今后的發(fā)展中,希望國(guó)家在科學(xué)研究投入、政策導(dǎo)向、人才培養(yǎng)等方面給予玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)更多的支持。

　　陳鵬, 張諶虎, 王成勇, 石開(kāi)儀, 雷以柱.玄武巖纖維主要特性研究現(xiàn)狀[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè), 2020, 52(10): 64-67 doi:10.11962/1006-4990.2019-0592

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