玄武岩纤维的化学稳定性能及其涂层改性研究

【摘要】：玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料,在我国基本上实现了工业化生产,但离大规模生产与销售仍有不少距离。此外该产品质量和一些相关技术指标仍有许多上升的空间。本课题主要基于现阶段我国玄武岩纤维的生产技术状况,从玄武岩纤维自身结构、组成特点及表面特性入手对纤维本体性能、显微微观结构等进行了表征分析,并对玄武岩纤维进行了表面改性技术方面的初步探索与研究,以求深入、全面地了解玄武岩纤维的特性,充分认识这种新的纤维材料,为进一步拓展玄武岩纤维的实际应用领域提供数据和理论上的支持。 本文具体对一种国产玄武岩连续纤维的基本结构、物化性能、化学稳定性,显微精细结构进行了实验研究,并在此基础之上对玄武岩纤维进行了表面改性处理;同时对改性后的玄武岩纤维的力学性能、化学稳定性、界面性能以及玄武岩纤维增强树脂复合材料的化学稳定性进行了实验表征分析,并对其相应机理进行了一定的探讨和研究。结果表明,玄武岩纤维的成分比较复杂,存在表面吸湿现象,玄武岩纤维的表面能较大,并且其中极性组分占主要部分;玄武岩纤维的强度分布规律基本符合Weibull规律,截面直径分布基本符合正态分布规律,其性能的稳定性还有较大的提升空间。 玄武岩纤维有良好的化学稳定性,其耐酸腐蚀性能较其耐碱腐蚀性能更加优越。玄武岩纤维在不同的介质中其腐蚀机理是不同的:在酸环境条件下,发生的化学反应主要是玄武岩纤维中网络改变体元素的渗出,随着反应的进一步发生,纤维表面发生纵向裂纹并最终表面发生了部分修复;在强碱性环境条件下,发生的化学反应主要是玄武岩纤维中网络形成体元素的渗出,并且玄武岩纤维是按逐层腐蚀的方式进行的。在不同碱环境条件下其腐蚀机理也有所差别,在弱碱Ca(OH)_2环境条件下,玄武岩纤维发生的是局部腐蚀。 玄武岩纤维是由多种化学成分组成,各成分在纤维网络结构中所起的作用不尽相同,玄武岩纤维整体呈非晶态结构物质存在,处于亚稳定状态;其显微精细结构中存在有岛状[SiO＿4]~(4-)、链状[Si2O_6]~(4-)、层状[Si_2O_5]~(2-)及硅铝替代等结构单元,玄武岩纤维整体具有“类平面结构”的显微精细结构特征。 通过对玄武岩纤维实施纳米SiO_2/环氧复合涂层表面改性,玄武岩纤维的力学性能,化学稳定等性能均得到了较大的提高:力学性能提高了15%,抗碱腐蚀能力提高了40%。此外纳米SiO_2/环氧复合涂层使玄武岩纤维表面均匀地布满了纳米小颗粒,这有效的改变了玄武岩纤维的表面粗糙度,同时大幅度提高了其复合材料的界面性能,改性后玄武岩纤维增强复合材料的层间剪切强度(ILSS)提高了20%。纳米粒子的尺寸大小和浓度等参数会直接影响涂层改性后的效果。纳米复合涂层改性技术可以广泛地应用于纤维表面改性、涂料、化工防腐等领域。 玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)是一种优良的耐海水腐蚀的复合材料,理论上其耐海水腐蚀性能接近于玻璃纤维强复合材料(GFRP)的耐海水腐蚀性能,可以广泛应用于海洋船舶等工业领域。若可以有效降低玄武岩纤维中Fe元素的含量,BFRP在海洋工作环境中将具有的更高的稳定性。