摘要：玄武巖纖維復(fù)合材料是近年來備受關(guān)注的一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其相對玻璃纖維、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來說具有可降解、無毒、對環(huán)境無污染等特點(diǎn)，在航空航天、軍工、道路交通等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)合近十年以來的最新研究成果，首先對玄武巖纖維的制造工藝進(jìn)行了簡單的介紹，對比了玄武巖纖維和其他纖維的性能差異;其次從樹脂基復(fù)合材料的角度歸納了玄武巖纖維熱固、熱塑性樹脂基復(fù)合材料的突出性能及相關(guān)研究成果，闡述了玄武巖纖維樹脂復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展，對目前研究存在的不足提出建議，并做出總結(jié);最后對其未來的發(fā)展前景進(jìn)行了討論。
引言
玄武巖纖維(basalt fibre，BF)是用于復(fù)合材料的一種新型優(yōu)質(zhì)增強(qiáng)材料，因其具有優(yōu)良的力學(xué)性能、抗腐蝕性能、耐熱性能等優(yōu)點(diǎn)而在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域中備受青睞。如今，玄武巖纖維已逐漸成為世界高技術(shù)纖維行業(yè)中可持續(xù)發(fā)展的有競爭力的新材料產(chǎn)業(yè)，在工程建筑、車輛運(yùn)輸、航空航天、生活器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為21世紀(jì)的“綠色工業(yè)材料”[1]。
以玄武巖纖維為骨架，樹脂基體與BF黏結(jié)成一個(gè)整體，得到BF增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，當(dāng)復(fù)合材料受到拉伸、壓縮、剪切等載荷時(shí)，它們將以剪切分量的形式傳遞到玄武巖纖維上，使BF分擔(dān)掉一部分作用在基體上的外加載荷，從而起到強(qiáng)化樹脂基體的作用 [2]。不同的基體表現(xiàn)出不同的性能，使得它們的適用領(lǐng)域不同，因此研究玄武巖纖維所使用的樹脂基材料對推動BF復(fù)合材料的發(fā)展是有必要的。
本文綜述了近十年來玄武巖纖維樹脂復(fù)合材料的最新研究，對玄武巖纖維進(jìn)行了簡單的介紹，同時(shí)總結(jié)討論了BF所用的兩類樹脂基復(fù)合材料的性能表現(xiàn)，以期為該領(lǐng)域進(jìn)一步的理論研究和工程應(yīng)用提供參考。
1、 玄武巖纖維
玄武巖是一種火山巖，是由火山噴發(fā)的巖漿在低壓條件下迅速凝固于地表形成的一種礦石，它具有天然的化學(xué)穩(wěn)定性與豐富的地殼儲量，由其熔融拉絲制備的玄武巖纖維是用于工程材料領(lǐng)域的一種新型優(yōu)質(zhì)增強(qiáng)材料[1]，具有良好的耐熱性能與抗腐蝕性，且在其生產(chǎn)過程中沒有硼和其他堿金屬氧化物排出，生產(chǎn)過程對環(huán)境危害較小，在使用和廢棄周期中均具有良好的環(huán)境親和性[3]，已被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、軍事、航空航天及船舶等領(lǐng)域，下面將從BF的生產(chǎn)制造過程及其性能表現(xiàn)兩方面來對玄武巖纖維進(jìn)行簡單的介紹。
1.1 生產(chǎn)制造工藝
玄武巖礦石經(jīng)破碎、清洗后，在溫度1 450～1 500 ℃下的熔爐中進(jìn)行熔化，熔化后需將爐內(nèi)的溫度適當(dāng)提高并保溫一段時(shí)間，目的是使熔體的成分均勻，并將熔體內(nèi)部產(chǎn)生的氣體充分揮發(fā)。拉絲前需使用浸潤劑處理，而后在1 350 ℃左右的溫度下通過鉑銠合金漏板拉絲、集束后制得玄武巖纖維，BF經(jīng)深度加工后可制得各類復(fù)合材料，其制造工藝流程如圖1所示。
圖1 玄武巖纖維制造工藝流程
玄武巖礦石的組成成分以及制造過程中有無纖維浸潤的工藝對后續(xù)制造的玄武巖纖維性能都有很重要的影響。
1.1.1 玄武巖礦石成分
玄武巖的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2等氧化物，不同文獻(xiàn)中各氧化物的含量[4-6]見表1。
表1 不同文獻(xiàn)中各氧化物的含量 單位:%
不同產(chǎn)地的玄武巖礦石在組成成分上存在一定的差異，這種差異將會影響熔融時(shí)的溫度選擇，也會影響后續(xù)制造的纖維性能。SiO2是BF的主要組成成分，它使BF表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能，是影響玄武巖纖維化學(xué)穩(wěn)定性的重要因素；較高的Al2O3含量有利于提高BF的耐久性與熱穩(wěn)定性[7]；CaO的存在可提高纖維的耐腐蝕性能，但過高的CaO與MgO則會使得纖維的柔韌性降低，從而降低纖維的化學(xué)穩(wěn)定性[8]，并且會對熔融工藝溫度的選擇造成一定的影響；制造工藝過程中產(chǎn)生的Fe2O3會使纖維變脆，進(jìn)而對后續(xù)的拉絲工藝造成影響。玄武巖纖維具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，原因是BF中含有Na2O、K2O及TiO2等特殊成分[3]。
1.1.2 浸潤劑
浸潤劑是在玄武巖纖維拉絲前涂敷在纖維表面的，具有潤滑、集束等功能的表面處理劑，浸潤劑在玄武巖纖維的制造工藝過程中是非常重要的，它能有效地改善拉絲工藝過程中纖維的斷絲和分散等缺陷，其成分主要包括黏結(jié)成膜劑、潤滑劑、抗靜電劑、偶聯(lián)劑等，其作用分別表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[9]：
(1)集束：黏結(jié)成膜劑是浸潤劑中最重要的組成成分，其作用是將單絲集束，有效地改善了拉絲時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，避免生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的斷絲和散絲等現(xiàn)象。
(2)潤滑：潤滑劑的作用是減少玄武巖纖維之間的相互摩擦，減少其在拉絲工藝中產(chǎn)生的磨損。
(3)改善界面性能：偶聯(lián)劑可顯著改善BF纖維與樹脂之間的界面相容性，促進(jìn)纖維與被增強(qiáng)基體的界面結(jié)合。
(4)抗靜電性能：抗靜電劑可降低纖維在生產(chǎn)及使用過程中的靜電作用，在纖維短切加工時(shí)該步驟尤為重要。
1.2 性能
玄武巖纖維力學(xué)性能低于碳纖維(carbon fiber，CF)稍高于玻璃纖維(glass fiber，GF)，并具有優(yōu)良的耐熱性與耐腐蝕性。
1.2.1 力學(xué)性能
玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度和彈性模量介于玻璃纖維與碳纖維之間，且具有三者中最優(yōu)秀的耐熱性能。相比較昂貴的碳纖維來說，BF是一個(gè)高性價(jià)比的選擇;相比較玻璃纖維來說，BF又具有更好的力學(xué)性能。表2為幾種不同纖維的力學(xué)性能[10-12]。
表2 幾種不同纖維的力學(xué)性能
1.2.2 熱性能
玄武巖纖維的最低工作溫度為-260 ℃，最高工作溫度可達(dá)700 ℃以上，與其他種類的纖維相比，它的工作范圍是最廣的[13]。
圖2為兩種纖維斷裂強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢[1]。由圖可得出，玄武巖纖維的斷裂強(qiáng)度在使用溫度范圍內(nèi)，均高于E-玻璃纖維。
圖2 兩種纖維斷裂強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢
除此之外，玄武巖纖維還是一種優(yōu)秀的絕熱材料，在低溫下仍能保持較高的使用強(qiáng)度，極低的導(dǎo)熱系數(shù)有助于其保溫隔熱性能。因此在液氮生產(chǎn)部門，玄武巖纖維制成的保溫隔熱復(fù)合材料得到了廣泛的生產(chǎn)與應(yīng)用[14]。
1.2.3 耐腐蝕性能
玄武巖纖維可在腐蝕環(huán)境中替代E-玻璃纖維[15]，BF的歸一化強(qiáng)度和應(yīng)變與不同浸泡時(shí)間的關(guān)系[16]如圖3所示?？梢钥闯?，在5%的硫酸溶液中浸泡720 h后，纖維的強(qiáng)度和應(yīng)變分別降低58.5%和37.0%。與E-玻璃纖維在相同介質(zhì)中192 h的強(qiáng)度值相比，玻璃纖維的強(qiáng)度和應(yīng)變分別降低44%和32%。可以得出結(jié)論，玄武巖纖維和E-玻璃纖維的破壞應(yīng)變大致相同，但E-玻璃纖維的老化比玄武巖纖維更嚴(yán)重。
圖3 玄武巖纖維的歸一化強(qiáng)度和應(yīng)變與不同浸泡時(shí)間的關(guān)系
2、 熱固性樹脂基體的BF復(fù)合材料
熱固性樹脂是指小分子低聚物經(jīng)加熱或固化劑作用后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成不溶解、不熔化的具有三維網(wǎng)狀高分子結(jié)構(gòu)的固化樹脂[17]，常見的主要有環(huán)氧樹脂(EP)、酚醛樹脂(PF) 、雙馬來酰亞胺(BMI)、不飽和聚酯(UPR)等[18]。熱固性樹脂存在化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能、出色的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性[19]，且其加工工藝性能良好，易于在常溫下浸漬纖維，已被廣泛用于纖維復(fù)合材料、黏合劑、涂料和電子封裝等領(lǐng)域，其中環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂在BF增強(qiáng)聚合物領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
2.1 環(huán)氧樹脂基體的BF復(fù)合材料
環(huán)氧樹脂是一種性能較好的熱固性樹脂，它是指分子中含有兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的一類聚合物，具有優(yōu)良的黏結(jié)性、力學(xué)性能和電氣性能 [20]。本節(jié)將簡單介紹3種纖維在環(huán)氧樹脂中的性能表現(xiàn)，以及對近年來針對BF與環(huán)氧樹脂界面問題所做出的研究進(jìn)行討論。
2.1.1 力學(xué)性能
玄武巖纖維與玻璃纖維具有相似的力學(xué)性能[21]，目前的研究表明，玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂基體有較好的界面黏接性能，玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比較玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料來說具有更優(yōu)異的力學(xué)性能[22-24]與耐磨性[25]，且玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂的兼容性比玻璃纖維更好。
表3為BF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與GF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能比較[22]。由表可知，BF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量等力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于GF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，且從層間剪切強(qiáng)度可看出前者與環(huán)氧樹脂界面的兼容性要優(yōu)于后者。
表3 BF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與GF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能比較
圖4為不同應(yīng)變速率下的GF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與BF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線[23]。由圖可知，兩者的應(yīng)力應(yīng)變曲線受應(yīng)變速率影響，對于玻璃-環(huán)氧復(fù)合材料，當(dāng)應(yīng)變速率分別為0.0006 s-1和154 s-1時(shí)，對應(yīng)最小的拉伸強(qiáng)度(324 MPa)、應(yīng)變(0.019 7)和最大的拉伸強(qiáng)度(509 MPa)、應(yīng)變(0.028 6)，其中拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變分別增加約36.3%、50.5%。類似地，對于玄武巖-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，當(dāng)應(yīng)變速率從0.000 6 s-1提高到148 s-1時(shí)，最小拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變從約357 MPa、0.022 6增加到503 MPa和0.035 9，拉伸強(qiáng)度增加約40.8%，拉伸應(yīng)變增加約59%。
圖4 不同應(yīng)變速率下的GF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與BF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線
2.1.2 混雜纖維復(fù)合材料
單一纖維所制成的層壓板復(fù)合材料由于力學(xué)性能或經(jīng)濟(jì)環(huán)保的限制，已逐漸被擁有較佳力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)效益的混雜復(fù)合層壓板取代。由于玄武巖纖維存在較多的羥基和其他活性基團(tuán)，所以它與環(huán)氧樹脂的結(jié)合要優(yōu)于碳纖維與環(huán)氧樹脂基體的結(jié)合[26]。
在BF與CF混雜制得的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中，隨著玄武巖纖維含量的增加，層壓板的斷裂應(yīng)變逐漸增加，彎曲強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢，拉伸應(yīng)變值明顯提高，但抗拉強(qiáng)度和剛度呈穩(wěn)定的線性下降，且材料的彎曲模量隨著兩者混雜比的提高而逐漸降低，有很明顯的混雜規(guī)律[27-28]。并且，在碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料中摻入BF可以明顯提高材料的延展性和失效位移[29]。
圖5給出了不同玄武巖纖維含量的混雜復(fù)合材料試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線[30]。由圖可知，其中B1玄武巖纖維含量為6.19%，B2為12.4%，B3為18.6%，B4為24.8%，B5為30.9%。由圖可知，隨著玄武巖纖維含量的增加，混雜層壓板的拉伸應(yīng)變逐漸增加，含玄武巖纖維的復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度值略低于純碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂，但遠(yuǎn)高于純BF。Ary Subagia與Lim等[29,31]的研究還發(fā)現(xiàn)，該種混雜復(fù)合材料的彎曲性能受碳和玄武巖織物的堆疊順序影響較大，當(dāng)堆疊層數(shù)為三層時(shí)，采用碳-玄武巖-碳的堆疊順序所制得的材料層間斷裂韌性要比玄武巖-碳-玄武巖結(jié)構(gòu)小10%。
圖5 不同玄武巖纖維含量的混雜復(fù)合材料試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線
環(huán)氧樹脂基體與玄武巖纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度對材料的力學(xué)性能影響較大，直接決定了材料使用性能的優(yōu)劣，是評估BF復(fù)合材料性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
2.1.3 BF納米SiO2表面改性
玄武巖纖維常用的表面改性方法有：酸堿刻蝕、涂層處理、偶聯(lián)劑處理、等離子體改性等，近幾年來由于納米材料研究的興起，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)納米SiO2也能對玄武巖纖維進(jìn)行表面改性。
由于納米SiO2具有表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)等納米效應(yīng)，使得BF纖維的微納米結(jié)構(gòu)得到了一定程度的改善，并且纖維上的納米SiO2能夠減少纖維內(nèi)部的裂縫和氣泡等缺陷[32]，因此納米SiO2能改善BF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，提高基體與纖維的層間剪切強(qiáng)度和BF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能。
圖6為經(jīng)納米SiO2改性后的玄武巖纖維SEM[33]圖，納米SiO2顆粒均勻地分布在玄武巖纖維上，涂覆在BF表面的納米SiO2顆粒有效地改善了BF的表面粗糙度，提高了BF與環(huán)氧樹脂的兼容性。
圖6 經(jīng)納米SiO2改性后的玄武巖纖維SEM圖
經(jīng)納米SiO2改性后，玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂基體結(jié)合緊密，與未經(jīng)改性的玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比，層間剪切強(qiáng)度和沖擊性能均有顯著提高[34-35]，且纖維束的抗拉強(qiáng)度也得到了提高[36]，表4列舉了幾種采用SiO2改性的BF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能。
表4 幾種采用SiO2改性的BF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能
2.2 乙烯基酯樹脂基體的BF復(fù)合材料
乙烯基酯樹脂是由不飽和脂肪酸與低分子量環(huán)氧樹脂通過開環(huán)加成化學(xué)反應(yīng)并以苯乙烯稀釋制得[37]，乙烯基酯樹脂既具有聚酯樹脂良好的加工操作性能和室溫固化性能，又具有環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能、韌性與耐腐蝕性[38]，且其價(jià)格相對較低，因此當(dāng)玄武巖纖維以乙烯基酯樹脂為基體時(shí)，其性能也經(jīng)常用于對照環(huán)氧樹脂基體。
2.2.1 力學(xué)性能
乙烯基酯與環(huán)氧樹脂基的玄武巖纖維復(fù)合材料最大拉伸強(qiáng)度對比見表5。以玄武巖纖維作為增強(qiáng)體的乙烯基酯樹脂的靜態(tài)拉伸強(qiáng)度值與環(huán)氧樹脂相近，但其疲勞壽命卻明顯低于后者[39]，且BF與乙烯基酯樹脂的結(jié)合強(qiáng)度要稍低于環(huán)氧樹脂 [40]，纖維與環(huán)氧樹脂基體在界面處具有更好的黏結(jié)性，因此也表現(xiàn)出比乙烯基酯樹脂基體更好的剪切和壓縮強(qiáng)度[41]。
表5 乙烯基酯與環(huán)氧樹脂基的玄武巖纖維復(fù)合材料最大拉伸強(qiáng)度對比 單位:MPa
2.2.2 混雜纖維復(fù)合材料
與環(huán)氧樹脂相似，采用混雜纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹脂基體同樣也是改善復(fù)合材料力學(xué)性能的一種有效方法。BF與CF混雜增強(qiáng)乙烯基酯樹脂時(shí)，在纖維總體積分?jǐn)?shù)一定的情況下，隨著混雜纖維中BF所占比例的增大，乙烯基酯樹脂復(fù)合材料的彈性模量逐漸減小，拉伸強(qiáng)度先增大后減小，拉伸斷裂伸長率逐漸增大[42]。
BF和亞麻混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的失效模式是基體開裂、分層、纖維斷裂和纖維拔出的組合[43]，與純亞麻增強(qiáng)的復(fù)合材料相比，摻入玄武巖纖維后的混雜復(fù)合材料的沖擊性能得到了顯著改善[44]，同時(shí)也能提高復(fù)合材料的耐久性與防水性能[45]。
2.2.3 樹脂改性
納米SiO2顆粒不僅可改性玄武巖纖維，當(dāng)其直接添加到樹脂基中后仍然能起到改性的作用。表6為不同含量的SiO2顆粒對兩種BF/樹脂復(fù)合材料的改性效果[46]。由表可看出，改性后環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能稍佳。當(dāng)SiO2顆粒添加量達(dá)到3%時(shí)，玄武巖纖維/乙烯基酯樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最大值，其拉伸、彎曲和沖擊強(qiáng)度相比較未做處理的復(fù)合材料分別提高了17%、17%和94%。
表6 不同含量的SiO2顆粒對兩種BF/樹脂復(fù)合材料的改性效果
除了采用SiO2進(jìn)行改性外，研究還發(fā)現(xiàn)在乙烯基酯樹脂中植入多壁碳納米管可以改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。Su等[47]采用多壁碳納米管對玄武巖纖維/乙烯基酯樹脂進(jìn)行改良，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.3%的多壁碳納米管改性乙烯基酯樹脂表現(xiàn)出較高的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度;Chen等[48]對多壁碳納米管植入乙烯基酯樹脂改善復(fù)合材料力學(xué)性能的研究也得到了類似的結(jié)果。
2.3 酚醛樹脂基體的BF復(fù)合材料
酚醛樹脂具有優(yōu)異的耐熱性、阻燃性、黏接性能以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是最早工業(yè)化的合成樹脂，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于耐熱材料、摩擦材料、機(jī)械、汽車、通信以及軍事等領(lǐng)域[49-50]。
與上述兩種樹脂的適用領(lǐng)域不同，酚醛樹脂具有優(yōu)異的耐高溫性能與耐磨性能，當(dāng)以BF作為增強(qiáng)體時(shí)，由酚醛樹脂作為基體制備的摩擦材料與耐熱材料均表現(xiàn)出了較佳的使用性能。
2.3.1 摩擦性
研究認(rèn)為玄武巖纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料摩擦性能良好的原因之一是玄武巖纖維具有良好的熱特性和黏結(jié)性，當(dāng)其與酚醛樹脂復(fù)合后進(jìn)一步提高了材料的耐磨性[51]。
BF的含量對BF/酚醛樹脂復(fù)合材料的摩擦性能有一定影響，BF/酚醛樹脂復(fù)合材料的內(nèi)部剪切強(qiáng)度隨著BF含量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，當(dāng)BF含量達(dá)到15%時(shí)材料具有最高的內(nèi)部剪切強(qiáng)度[52]，如圖7所示。
圖7 玄武巖纖維含量與內(nèi)部剪切強(qiáng)度的關(guān)系
酚醛樹脂作為常用的耐摩擦材料，近年來已出現(xiàn)了大量利用BF增強(qiáng)的酚醛樹脂摩擦材料，F(xiàn)eng等[53]采用SiC顆粒與玄武巖纖維作為增強(qiáng)體，設(shè)計(jì)出了一種以酚醛樹脂為基體的摩擦材料，其摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.11～0.13之間，具有良好的摩擦磨損性能。胡先剛[54]同樣對BF/酚醛樹脂復(fù)合材料的摩擦性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)偶聯(lián)劑改性后的BF/酚醛樹脂復(fù)合材料的升溫摩擦因數(shù)最穩(wěn)定，磨損率最低。
2.3.2 熱性能
玄武巖纖維的含量對復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有一定的影響，圖8為不同體積分?jǐn)?shù)下的BF/酚醛樹脂復(fù)合材料TGA曲線。當(dāng)玄武巖纖維的含量為6%時(shí)，BF/酚醛樹脂復(fù)合材料的重量損失最小，具有最佳的熱穩(wěn)定性。
圖8 不同體積分?jǐn)?shù)下的BF/酚醛樹脂復(fù)合材料TGA曲線
BF/酚醛樹脂復(fù)合材料的主要失效機(jī)制是纖維拔出和分層[55-56]。Eslami-farsani等[57]研究并對比了熱循環(huán)對兩種纖維增強(qiáng)酚醛樹脂的硬度影響，圖9為不同熱循環(huán)次數(shù)下BF/酚醛樹脂和CF/酚醛樹脂復(fù)合材料硬度的變化。由圖可知，在20次熱循環(huán)后，BF/酚醛樹脂復(fù)合材料的硬度值趨于穩(wěn)定，但CF/酚醛樹脂在20次循環(huán)后硬度值持續(xù)下降，試驗(yàn)表明BF/酚醛樹脂復(fù)合材料硬度的逐漸穩(wěn)定意味著老化材料中發(fā)生了某種永久性的硬化。
圖9 不同熱循環(huán)次數(shù)下BF/酚醛樹脂與CF/酚醛樹脂復(fù)合材料硬度的變化
3、 熱塑性樹脂
常用的一些熱塑性樹脂有聚丙烯、聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮以及其他一些工程塑料等[58]。熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有成型周期短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，且在使用過程中熱塑性樹脂易修復(fù)、無須低溫貯存、無貯存期、廢品可回收再利用[59]，已被廣泛應(yīng)用于纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料基體中，如玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。
3.1 聚丙烯基體的BF復(fù)合材料
聚丙烯(PP)因其力學(xué)性能好、無毒、相對密度低、耐熱、耐化學(xué)藥品、容易加工成型等優(yōu)良特性，已成為五大通用合成樹脂中增長速度最快的品種[60]。但聚丙烯本身也具有一些缺點(diǎn)，如低剛度、低強(qiáng)度等[61]。在聚丙烯中加入一些增強(qiáng)材料，如纖維、納米CaCO3等，能夠顯著地改善聚丙烯材料的性能[62]，玄武巖纖維作為增強(qiáng)體在PP基體中得到了大量的研究與應(yīng)用。
3.1.1 力學(xué)性能
在PP中摻入玄武巖纖維能有效地改善材料的力學(xué)性能，不同BF含量的PP復(fù)合材料力學(xué)性能見表7。當(dāng)玄武巖纖維的含量達(dá)到20%時(shí)，復(fù)合材料有最佳的力學(xué)性能表現(xiàn)。
表7 不同BF含量的PP復(fù)合材料力學(xué)性能
3.1.2 玄武巖纖維與玻璃纖維
目前對玻璃纖維與玄武巖纖維在PP中的適配性問題沒有統(tǒng)一的答案，玻璃纖維和玄武巖纖維都與PP基體具有相似的黏結(jié)強(qiáng)度[65]，但BF/PP的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度略高于GF/PP[66]，Sakthivel等[67]也得到了類似的結(jié)果，其試驗(yàn)表明玄武巖纖維增強(qiáng)聚丙烯的力學(xué)性能優(yōu)于玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯。但也有研究顯示GF/PP復(fù)合材料比BF/PP復(fù)合材料具有更高的拉伸性能[65]，Czigány[68]的研究顯示玻璃纖維和玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能相似，且玻璃纖維增強(qiáng)后的性能要高于玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
3.2 聚酰胺基體的BF復(fù)合材料
聚酰胺(PA)是世界上第一類合成纖維，俗名尼龍。起初，尼龍一直被應(yīng)用于纖維領(lǐng)域，后來為了滿足工業(yè)制品輕量化以及企業(yè)降成本的需求，開始將尼龍開發(fā)生產(chǎn)成注塑制品以應(yīng)用于工程塑料領(lǐng)域來取代金屬制品[69]。纖維增強(qiáng)聚酰胺制備的復(fù)合材料因具有較高的耐摩擦性，耐腐蝕性和耐熱性等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[70-71]。
玄武巖纖維表面光滑、化學(xué)活性低，很難與PA基體產(chǎn)生良好的界面結(jié)合，這也是制備玄武巖纖維/PA復(fù)合材料的難點(diǎn)，因此，目前對于改良玄武巖纖維與PA基體界面結(jié)合的研究較多。
3.2.1 纖維改性
采用硅烷偶聯(lián)劑處理玄武巖纖維是一種常用的改性方法，研究表明硅烷偶聯(lián)劑能有效改善玄武巖纖維與聚酰胺的界面性能[72]，增強(qiáng)玄武巖纖維與聚酰胺之間的界面黏結(jié)[73]，且在相同纖維含量下，處理后的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度要高于未處理的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，并具有與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相似的性能[74]。
研究還發(fā)現(xiàn)硅炭黑(SiCB)[75-76]和石墨烯(GR)[77-78]也能很好地改善該種復(fù)合材料的界面性能，其改性原理是石墨烯涂敷到玄武巖纖維表面后會形成機(jī)械嚙合的納米級界面，從而增強(qiáng)了玄武巖纖維與PA基體之間的界面黏結(jié)。
3.2.2 樹脂改性
將納米或微米級增強(qiáng)體使用在PA基體中時(shí)，可對玄武巖纖維/PA復(fù)合材料的性能進(jìn)行改善[79]。Meszaros設(shè)計(jì)出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的玄武巖纖維和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2%的多壁碳納米管(MWCNT)增強(qiáng)聚酰胺混雜材料，玄武巖纖維的存在可使納米粒子在聚酰胺基體中分布得更加均勻。SEM與TEM結(jié)果顯示納米增強(qiáng)體均勻分布在基體中，且復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了顯著的改善，同時(shí)，將碳納米管與表面處理的蒙脫土(MMT)作為材料的增強(qiáng)體后，可改善復(fù)合材料的塑性與彈性[80]。
4、 結(jié)論
玄武巖纖維在保留較高性能的同時(shí)，其本身又具備相當(dāng)高的性價(jià)比，這使得BF在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域得到了重視。但玄武巖纖維的性能及其所制備的樹脂復(fù)合材料與碳纖維復(fù)合材料仍然具有較大的差距，且相較于玻璃纖維來說，玄武巖纖維的優(yōu)勢表現(xiàn)得并不明顯。
(1)在倡導(dǎo)工業(yè)綠色發(fā)展的今天，玄武巖纖維的研究與應(yīng)用對推進(jìn)綠色發(fā)展的進(jìn)程是非常重要的。
(2)BF/樹脂復(fù)合材料的研究主要集中在熱固性樹脂上，其中又以環(huán)氧樹脂得到的應(yīng)用與研究最多，與乙烯基酯樹脂的研究方向類似，而酚醛樹脂的研究則更多地集中在摩擦性能與耐熱性能上。
(3)目前對BF熱塑性樹脂復(fù)合材料的研究較少，本文認(rèn)為開發(fā)研究熱塑性樹脂復(fù)合材料對推動玄武巖纖維樹脂復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展是有利的。
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