玄武岩纤维表面改性及其性能研究

摘  要：采用硅烷偶联剂（KH560）对玄武岩纤维进行表面处理，探究了改性前后的含水量、可燃物含量、耐高温性能的变化。研究表明：改性后含水量减少和可燃物含量减少，耐高温性能增强。最佳的改性条件为KH560质量分数为8%，改性时间8h，改性温度40C。

关键词：玄武岩纤维；表面改性；含水量；可燃物含量；耐高温性能

玄武岩纤维（Basalt Fiber）是一种由天然玄武岩在高温下熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的高性能、环保的新型无机纤维材料。它具有高强度、电绝缘性、耐腐蚀性和耐高温性等优异性能。玄武岩纤维具有类似于天然矿石的硅酸盐结构，因为它的化学组成主要包括二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物。玄武岩纤维具有环保特性，可以在环境中进行自然生物降解，对环境没有危害[1]。玄武岩纤维作为重点发展的四大纤维之一，在多个领域得到了广泛的应用，包括但不限于造船领域、航空领域、汽车行业、纤维增强复合材料等。玄武岩纤维具有良好的力学性能和稳定性，以及优秀的性价比，可以显著提升混凝土的性能，解决普通混凝土材料耐久性不足和抗拉强度较低的问题，故也应用于建筑材料领域。

根据中金普华产业研究院的数据[2]，全球玄武岩纤维市场规模从2013年的1.02亿美元增长到2021年的2.05亿美元，年均复合增长率为9.8%。预计到2028年，全球玄武岩纤维市场规模将达到3.67亿美元，年均复合增长率为8.6%。全球玄武岩纤维市场主要集中在亚洲、美国和欧洲地区，其中美国是最大的消费国，2021年占全球市场份额的32.47%，其次是中国和欧洲，分别占比30.59%和25.31%。中国作为全球最大的玄武岩纤维生产和消费国，拥有丰富的玄武岩资源和完整的产业链。中国已将玄武岩纤维列为战略性新兴产业，并出台了一系列政策支持其发展。同时，中国也面临着技术创新不足、产品质量不稳定、应用领域不广泛等问题。

玄武岩纤维虽然具有许多优良性能，如高强度、耐高温、电绝缘、耐腐蚀等，但在实际应用中仍存在一些问题[3]。玄武岩纤维表面较光滑，含有大量的羟基和氧化物，表面能较低，由于其化学惰性较高，难以与其他材料进行良好的结合，这限制了其在某些领域的应用与其他材料结合时很难发挥自身的优异性能，因此通过改性的方式来改变保持且生产工艺上也可以弥补缺陷，并运用于诸多领域。据实验发现硅烷偶联剂可以通过其表面活性基团与玄武岩纤维表面的羟基化合物反应，增强了玄武岩纤维其它材料之间的粘结作用，这使得玄武岩纤维的应用领域大大增加[4]。柳力[5]、寒冰[6]等人将用硅烷偶联剂KH550对玄武岩纤维表面进行处理后掺入到混凝土中，发现混凝土基体的黏结强度明显增强，内部的微裂纹明显减少。IORIO等[7]对玄武岩纤维进行表面研究，分别采用KH602、KH792、KH550和KH792与KH602混合偶联剂处理，结果表面玄武岩纤维表面进行改性后，其表面粗糙度显著增加。

基于此，本实验采用硅烷偶联剂KH560对水拉丝玄武岩纤维进行表面改性，通过改性前后含水量、可燃物含量、耐高温和耐腐蚀性能的对比来探究表面改性对玄武岩纤维各项性能指标的影响，为提升玄武岩纤维及其复合材料性能提供理论参考。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料和仪器

本文中使用到的主要实验材料和仪器如表1所示。

1.2 玄武岩纤维表面改性方法

改性方法分为预处理和改性处理两个阶段。预处理阶段：将玄武岩纤维浸泡在丙酮溶液之中，洗去玄武岩纤维上的灰尘和杂质，浸泡2h之后将其用大量的水冲洗，随后用电热恒温干燥鼓风箱将表面水烘干。改性阶段：分别配置质量分数为4%，6%，8%的KH560溶液，将玄武岩纤维分别放置其中，分别在30℃，40℃，50℃，的条件下改性4h，8h，24h。

2 实验结果与讨论

2.1 玄武岩纤维含水量测定

对利用KH560改性前后的玄武岩纤维进行了含水量的测试，取一定量的玄武岩纤维，放置于精密天平，记录读数，后将该玄武岩纤维放置于设置温度为120℃的电热恒温干燥鼓风机中，每两个小时取出称量一次，总共称量四次。其实验结果如图1所示。

通过图2可以看出，随着干燥时间增加，改性前后的玄武岩纤维含水量均减小。对比同一干燥时间下不同纤维的含水量发现，进行表面改性后的玄武岩纤维含水量明显高于改性前的玄武岩纤维。且KH560在质量分数8%时含水量较4%、6%时的含水量更高；对相同质量分数、相同浸泡时间、不同温度梯度条件下的纤维的含水量进行对比发现在时间为4h时，含水量先增大后减小、在8h时，含水量是逐渐降低、在24h时，含水量逐渐增大；对相同质量分数、相同温度、不同时间梯度条件下的纤维的含水量进行对比发现在30℃时，含水量逐渐减小、在40℃、50℃时，含水量先减小后增大。

2.2 玄武岩纤维可燃物含量测定

随后，我们对改性前后玄武岩纤维的可燃物含量进行了测试。取测完含水量的玄武岩纤维，放置于精密天平，记录读数，后将该玄武岩纤维放置于坩埚，然后放入温度为525℃的马弗炉中灼烧3h，待马弗炉缓慢降温至室温后，取出坩埚中的玄武岩纤维，记录此时的读数。其实验结果如图2所示。

由图2可以看出，无论是改性前还是改性后的玄武岩纤维随着在马弗炉里面灼烧时间的增加，其可燃物含量逐渐降低。同样地，在相同灼烧时间下，改性后的玄武岩纤维比改性前的可燃物含量更高。对于相同温度、相同浸泡时间、不同KH560质量分数条件下的纤维，随着质量分数的增加可燃物含量降低；对于相同质量分数、相同浸泡时间、不同温度梯度条件下的纤维，可燃物含量主要处于先减小后增大的趋势；对于相同质量分数、相同温度、不同时间梯度条件下的纤维，可燃物含量主要呈增大的趋势。

2.3 玄武岩纤维改性前后耐高温性能对比

为了进一步探究玄武岩纤维表面改性对其性能的影响，我们对比了改性前后纤维的耐高温性能。取一定量的改性前和按照不同质量分数梯度、不同温度梯度以及不同时间梯度改性后的玄武岩纤维分别放入不同的坩埚中，放入525℃的马弗炉中焙烧120min，然后等冷却至室温后，然后利用电子单纤维强力机进行单丝拉伸力学实验，得出其拉伸强度。

对于相同温度、相同浸泡时间、不同KH560质量分数条件下纤维的拉伸强度如图3所示。由图可以看出，随着质量分数的增加，拉伸强度主要呈增大趋势，可见随着增大硅烷偶联剂的质量分数，可以明显增强玄武岩纤维的耐高温性能，在本实验条件下，KH560的质量分数为8%时条件最佳。

对于相同质量分数、相同浸泡时间、不同温度梯度条件下纤维的拉伸强度如图4所示。由图可以看出，在硅烷偶联剂质量分数和浸泡时间一定时，随着温度的增加，拉伸强度还是主要呈现增大的趋势，这是因为纤维经过表面改性后，在高温环境下具有更好的抗氧化和抗热震性能，能够有效地防止纤维表面的氧化和热裂解，从而保持了较高的强度和稳定性。在本实验条件下，在质量分数为8%时，40C条件最佳。

对于相同质量分数、相同温度、不同时间梯度条件下纤维的拉伸强度如图5所示。由图可以看出，浸泡时间在8h时拉伸强度都维持在一个相对比较大的数值，此时的耐高温性能最好。可见，利用硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行表面改性并不是时间越久越好。

3 结论

本文利用表面涂覆的方法对玄武岩纤维进行表面改性，实验发现，经硅烷偶联剂KH560处理后，玄武岩纤维的含水量、可燃物含量以及耐高温性能都有显著的提升。利用控制变量法探究了硅烷偶联剂质量分数、处理温度和处理时间对玄武岩纤维耐高温性能的影响，在本实验条件下，玄武岩纤维的耐高温性能最佳条件在KH560质量分数8%、温度40C、时间8h。

参考文献：

[1] 郭玲. 沸石/玄武岩纤维复合材料的制备及复合机理探究[D]. 河北： 河北质地大学， 2022.

[2] 丁宝明， 张蕾， 刘嘉麒. 中国玄武岩纤维材料产业的发展态势[J]. 中国矿业， 2019， 28（10）： 1-5.

[3] 曹海琳， 张春红， 张志谦， 等. 玄武岩纤维表面涂层改性研究[J]. 航空材料学报， 2007， 27（5）： 77-82.

[4]王林， 王梦尧， 王佩勋， 等. 偶联剂改性玄武岩纤维增强水泥基复合材料力学性能[J]. 材料导报， 2019， 33（Z2）： 273-277.

[5] 柳力， 刘朝晖， 向宇， 等. KH550改性玄武岩纤维的机理及其路用性能[J]. 建筑材料学报， 2017， 20（4）： 623-629.

[6] 寒冰， 高鑫， 宫亚峰， 等. 表面处理对玄武岩纤维活性粉末混凝土力学性能的影响及断裂特性[J]. 吉林大学学报（工板）， 2021， 51（3）： 936-945.

[7] IORIO M， SANTARELLI M L. Surface modification and characterization of basalt fibers as potential reinforcement of concretes[J]. Applied Surface Science， 2018， 27： 1248-1256.

Abstract： The surface treatment of basalt fibers was carried out using silane coupling agent （KH560）， and the changes in moisture content， combustible content， and high temperature resistance before and after modification were investigated. Research has shown that after modification， the water content and combustible content decrease， and the high temperature resistance performance is enhanced. The optimal modification conditions are KH560 mass fraction of 8%， modification time of 8 hours， and modification temperature of 40°C.

Key words： Basalt Fiber; Surface Modification; Water content; Combustible content; High temperature resistance performance