特種機(jī)械-建筑研究所

化學(xué)物理研究所，科學(xué)學(xué)院 莫斯科  俄羅斯

數(shù)據(jù)顯示了作為硅酸鹽纖維的一種——連續(xù)玄武巖纖維無(wú)捻粗紗的性能，其耐酸性和耐堿性提高，強(qiáng)度與E玻纖相近，模量與高強(qiáng)高彈的鎂鋁硅S玻纖相近。其環(huán)氧基復(fù)合材料的機(jī)械性能與S玻纖復(fù)合材料相近，高于E玻纖復(fù)合材料。玄武巖纖維復(fù)合材料的那堿性和抗熱/潮性優(yōu)于S玻纖復(fù)合材料和E玻纖復(fù)合材料，這與玄武巖纖維無(wú)捻粗紗的粘結(jié)性有關(guān)。

 前言

連續(xù)玄武巖纖維材料如有捻紗、無(wú)捻紗、繩，板材和布是用于有機(jī)和無(wú)機(jī)基體中的新的增強(qiáng)材料。對(duì)他的研究不僅是生產(chǎn)技術(shù)方面，還包括他的機(jī)械和物化性能、應(yīng)用。這篇文章分析連續(xù)玄武巖纖維及其復(fù)合材料的性能，并與玻璃纖維和玻璃纖維復(fù)合材料作對(duì)比。

生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維的原料玄武巖的技術(shù)規(guī)格

玄武巖是火山，是硅酸鹽。其化學(xué)組成見(jiàn)表1.鐵氧化物使得玄武巖纖維呈灰褐色，玄武巖熔體是一個(gè)含一定玻璃相的多晶結(jié)構(gòu)。玄武巖纖維的生產(chǎn)技術(shù)與玻璃纖維類(lèi)似。

表1  玄武巖纖維與玻璃纖維化學(xué)組成對(duì)比

化學(xué)組成變化小對(duì)連續(xù)玄武巖纖維的機(jī)械性能影響小。對(duì)連續(xù)玄武巖纖維的機(jī)械性能影響最大的是纖維成型條件（拉絲溫度、熔體均化的時(shí)間、纖維直徑）。例如，對(duì)于化學(xué)組成相同的玄武巖，拉絲溫度升高160℃（從1220℃-1380℃），強(qiáng)度從1.3增加到2.23GPa，彈性模量從78增加到90.3GPa。單絲直徑從1-4μm增加到7-10μm，強(qiáng)度從2.8降到1.8 GPa.表2列出不同時(shí)間，不同生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的玄武巖纖維的機(jī)械性能。

玄武巖纖維無(wú)捻粗紗和S玻纖在線密度和單絲直徑相近的情況下，玄武巖纖維無(wú)捻粗紗的強(qiáng)度比E玻纖的低16-20%，與E玻纖相近。

玄武巖纖維無(wú)捻粗紗的彈模高于E玻纖，與S玻纖相近。

表2  玄武巖纖維無(wú)捻粗紗和玻纖無(wú)捻粗紗機(jī)械性能對(duì)比

粘結(jié)性能

玄武巖纖維與各種高聚物材料（酚醛、酰亞胺）的粘結(jié)性能由于玻璃纖維，這與鐵氧化物的高含量（達(dá)到15%）有關(guān)，環(huán)氧低聚物在纖維表面的接觸反映可能發(fā)生。

玄武巖纖維復(fù)合材料的高粘結(jié)反應(yīng)通過(guò)高聚物基體反應(yīng)層的高殘余應(yīng)力來(lái)證明。根據(jù)Trostyanskaya(1997)，根據(jù)基體類(lèi)型，這些應(yīng)力達(dá)到24-50MPa。通過(guò)在纖維表面涂覆表面改性劑（雞冠形狀的嵌段共聚物KEP有機(jī)硅）能夠降低玄武巖纖維復(fù)合材料的殘余應(yīng)力，這種表面改性劑具有顯著的表面活性。因?yàn)榫哂酗@著的表面活性，這種嵌段共聚物在復(fù)合材料中，能夠降低粘結(jié)劑的表面張力，提高纖維的潤(rùn)濕性，被吸附在纖維表面，環(huán)氧乙烷鏈與粘結(jié)劑結(jié)合。分子量7000-8000的共聚物被用于纖維表面，形成一個(gè)彈性牢固的吸收層，吸收層厚度20-25nm。這是殘余應(yīng)力減少、機(jī)械強(qiáng)度提高的原因。

連續(xù)玄武巖纖維的耐化學(xué)腐蝕性能

連續(xù)玄武巖纖維的耐化學(xué)腐蝕性能通過(guò)纖維在介質(zhì)中（酸和堿）放置一點(diǎn)時(shí)間后的強(qiáng)度變化來(lái)評(píng)價(jià)。化學(xué)腐蝕性受纖維的化學(xué)組成介質(zhì)和溫度-時(shí)間作用的影響。硅、鋁、鈣、鎂及鐵的含量十分重要，鐵氧化物是的玄武巖纖維的耐化學(xué)腐蝕性和耐熱性高于玻璃纖維。除了化學(xué)組成，介質(zhì)的表面活性、纖維表面層的性能（表面有缺陷），及熱歷史對(duì)化學(xué)腐蝕性都有影響。

耐酸性

玄武巖纖維的耐酸性由于E-玻纖和S-玻纖，低于鋯玻纖。在強(qiáng)酸中浸泡時(shí)間短，觀察不到強(qiáng)度變化。在鹽酸中放置時(shí)間長(zhǎng)（超過(guò)100h），強(qiáng)度降低15-20%。從圖1動(dòng)力區(qū)縣可以看出，在鹽酸中浸泡一段時(shí)間后的斷裂強(qiáng)度，玄武巖纖維無(wú)捻粗紗強(qiáng)度降低速度低于E-玻纖。單絲直徑越小，降低的越慢。

眾所周知，E-玻纖與強(qiáng)酸反應(yīng)時(shí)，纖維表面沒(méi)有形成二氧化硅的保護(hù)層，強(qiáng)酸能夠迅速把纖維轉(zhuǎn)變?yōu)楦呖紫堵实难趸?。玄武巖纖維浸泡在酸中，開(kāi)始斷裂強(qiáng)度迅速降低，這與吸收介質(zhì)和化學(xué)組成部分溶解有關(guān)；隨后保護(hù)膜逐漸形成，纖維腐蝕和強(qiáng)度降低因分散障礙物的形成而降低。

玄武巖纖維的優(yōu)良的機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕性、耐熱性及高過(guò)濾性，是的他被用于各種工業(yè)過(guò)濾結(jié)構(gòu)，如氣體、液體。

應(yīng)該注意到玄武巖纖維無(wú)捻粗紗沒(méi)有最佳的（從化學(xué)腐蝕性的角度考慮）氧化硅、堿土金屬和氧化鋁含量。

圖1  在20%HCl中浸泡后，無(wú)捻粗紗的斷裂強(qiáng)度損失值。（1）玄武巖纖維捻粗紗，No.13；（2）玄武巖纖維無(wú)捻粗紗No.1；（3）E-玻纖，No.5.

堿腐蝕

玄武巖纖維的耐堿性由于玻璃纖維，這是玄武巖纖維用于波特蘭水泥的原因。關(guān)于玄武巖纖維耐堿性的數(shù)據(jù)可分為兩組：

第一組：早先，人們主要研究堿介質(zhì)（(NaOH, K?í, Ca(OH)2, 水泥等)與玄武巖纖維和玻璃纖維的相互作用，堿腐蝕引起強(qiáng)度降低。按腐蝕程度由大到?。?/span>

堿腐蝕原因是纖維化學(xué)組成與堿介質(zhì)在不同階段物理化學(xué)反應(yīng)。第一階段：快速反應(yīng)階段（有事是主要階段），纖維表面吸附水和堿熔液中的組分，液體表面活性劑使得表面布滿缺陷（氣孔和微裂紋），伴隨纖維強(qiáng)度降低。較慢的反應(yīng)引起氧化物的溶解。

纖維抗化學(xué)侵蝕由小到大：

鋯纖維＞玄武巖纖維＞石英纖維＞堿纖維＞自由堿纖維

第二組：人們?cè)噲D用動(dòng)力學(xué)解釋纖維與堿媒介的反應(yīng)。人們建立了纖維與堿媒介的反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，這個(gè)模型分別對(duì)吸附引起強(qiáng)度降低和化學(xué)組成溶解引起強(qiáng)度變化做了評(píng)價(jià)。斷裂強(qiáng)度的動(dòng)力曲線顯示，研究分為兩方面：?jiǎn)握{(diào)降低和具有極值。

玄武巖纖維經(jīng)堿浸泡，斷裂強(qiáng)度單調(diào)降低的實(shí)力見(jiàn)圖2.

圖2 玻璃纖維無(wú)捻粗紗（1,3）與玄武巖纖維無(wú)捻粗紗（2,4）在1.25N NaOH 浸泡后的斷裂強(qiáng)度動(dòng)力學(xué)曲線。（1）玻纖No.6（鋯玻纖）；（2）玄武巖纖維No.1；（3）玻璃纖維No.5（E玻纖）；（4）玄武巖纖維No.13.

根據(jù)這個(gè)模型，無(wú)捻粗紗在堿介質(zhì)中浸泡的開(kāi)始階段，斷裂強(qiáng)度的迅速降低與表面處理劑被沖走，堿介質(zhì)被吸附在纖維表面的缺陷上有關(guān)。纖維表面的吸附過(guò)程和斷裂強(qiáng)度的降低遵守以及動(dòng)力學(xué)定律。在侵蝕階段，由于化學(xué)組成溶解引起的質(zhì)量損失和纖維直徑變小，對(duì)強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。