CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2011年第30卷第8期·1766·
化工进
展
玄武岩纤维聚合物复合材料的研究进展
尚宝月1，杨绍斌2
（1辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新 123000；2辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，
辽宁阜新 123000）
摘要：玄武岩纤维的综合性能优异，是聚合物复合材料的理想增强体，在高强度、耐高温、耐酸碱腐蚀、耐烧蚀和耐摩擦等特殊领域展示了良好的应用前景。本文对玄武岩纤维聚合物基复合材料研究中的纤维与基体的界面改性、不同聚合物基体的复合材料以及玄武岩纤维与其它纤维的混杂三个方面进行了综述。目前对于玄武岩纤维界面性质的基础研究深度不足，有些复合材料的研究和制备方法还没有应用于玄武岩纤维上，使得玄武岩纤维复合材料的优势还没有得到充分的发挥。因此，应结合玄武岩纤维及其复合材料的特性，开发适用性强的和性价比好的产品，扩大应用范围。
关键词：玄武岩纤维；聚合物；界面改性；复合材料
中图分类号：TQ 343.4 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2011）08–1766–06 Research progress of basalt fiber reinforced polymer composites
SHANG Baoyue1，YANG Shaobin2
（1College of Resources and Environmental Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，Liaoning，China；
2College of Material Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，Liaoning，China）Abstract：Basalt fiber is an ideal reinforcing material for polymer composite and shows good prospect in high-strength，high temperature，alkali/acid resistance，ablation resistance，abrasion resistance，and other special areas. In this paper，three aspects of basalt fiber reinforced polymer composites are reviewed，including interfacial modification between fiber and polymer，the composite based on different polymer matrix and the basalt fiber hybrid with other fibers. At present，the basic research for the interfacial properties of basalt fiber is not adequate. The research and preparation methods of other composites have not yet been applied to basalt fiber，which made the advantages of basalt fiber composites not fully expressed. It is necessary to develop applicable and cost-effective products and expand its application scope based on the characteristic of basalt fiber and its composites.
Key words：basalt fiber；polymer；interface modification；composite materials
聚合物基纤维增强复合材料是结构材料中发展最早、研究最多的一类复合材料，具有密度小、比强度和比模量高、安全性好、可设计性强、成型工艺简单等特点，广泛应用于国民经济的机械制造、航空航天、船舶制造、化工、建筑、汽车制造和军工等领域。玄武岩纤维（basalt fiber，BF）是继碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维之后的高技术纤维[1]，具有高强度、高模量、耐高低温性能好（－260～650 ℃）、耐酸碱性强、绿色无污染等优点。作为聚合物复合材料的理想增强材料，BF 聚合物复合材料经历了较为广泛的研究。随着BF 及其复合材料制备技术的完善以及成本的降低，BF 将成为纤维及其复合材料领域不可替代的重要产品，在未来国民经济中将发挥越来越大的作用。本
收稿日期：2011-02-08；修改稿日期：2011-03-17。
第一作者：尚宝月（1985—），女，硕士研究生。E-mail baoyue_shang @。联系人：杨绍斌，博士，教授，从事矿物材料的研究开发。E-mail yangshaobin@。
第8期尚宝月等：玄武岩纤维聚合物复合材料的研究进展·1767·
文综述了BF增强聚合物复合材料的研究进展。
1 玄武岩纤维基本特点
连续BF是以纯天然火山岩（玄武岩）为原料，在1450～1500 ℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的一种连续无机纤维。玄武岩原矿主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO 等多种成分组成，制造BF的矿石的化学组成范围见表1 [2]。
表1 制造BF的矿石的化学组成范围
化学组分质量分数/% 化学组分质量分数/%
SiO245～60 MgO 3～7
Al2O312～19 TiO20.9～2.0
Fe2O3/FeO 5～15 Na2O 2.5～6.0 CaO 6～12 其它 2.0～3.5
表2列出了连续BF与其它纤维物理化学性能的比较[3]。BF耐酸碱性好[4-6]，品质好的BF拉伸性能与S-玻璃纤维相当[7]。BF的热稳定性好[8]，稳定使用最高温度达到650 ℃，在500 ℃时仍具有65%的强度保持率[9]，综合性能具有比较明显的优势。但是BF用于聚合物复合材料时，密度较大，韧性差，与聚合物界面的相容性差。BF增强聚合物复合材料的研究主要是扬长避短，获得性能优良的复合材料。
2 玄武岩纤维聚合物复合材料的界面改性
BF聚合物复合材料的界面改性技术多借鉴玻璃纤维的界面处理方式，包括纤维界面性质改性和聚合物界面性质改性。
2.1 纤维的界面改性
2.1.1 偶联剂处理法
偶联剂处理法是应用最广泛的一种处理方法，偶联剂的一端与纤维表面的基团反应，形成共价键等化学键合，另一端与高分子聚合物发生化学反应或物理缠绕，可以增加纤维与树脂的结合力。对硅烷偶联剂的研究较多，如王静[10]采用硅烷偶联剂KH-550、KH-560和KH-570处理BF制备不饱和聚酯复合材料，发现KH-560处理效果相对较好，但偶联剂的不同对复合材料性能影响较小。王广健等[11]采用硅烷偶联剂A-1100对纤维进行处理，发现复合过滤材料的抗张强度和耐破度分别提高了10%和12%。杨小兵[12]的研究表明，有机铬偶联剂甲基丙烯酸氯化铬盐（沃兰）可以提高BF乙烯基树脂复合材料的力学性能，但改善效果比KH-550稍差。
2.1.2 表面涂层法
表面涂层法是将聚合物涂覆在纤维表面，保护纤维免受损伤，提高纤维的集束性和浸润性；涂层中若有反应性官能团还可以在纤维表面与基体树脂之间建立化学结合。国外多采用乳液型浆料进行纤维的上浆处理，即以一种树脂为主体，配以一定量的乳化剂、交联剂和助剂制成的乳液。姜雪[13]和陈国荣等[14]针对BF制备了环氧型浸润剂和聚氨酯型浸润剂，它们中都有反应性官能团的作用，使纤维的断裂强度及其复合材料的力学性能均得到提高。其中环氧型浸润剂的纤维集束性好于聚氨酯型浸润剂，但聚氨酯型浸润剂在纤维表面成膜较软，树脂易浸入其中。在浸润剂中添加经偶联剂改性的纳米SiO2，增加了纤维表面粗糙度与亲油性，使BF与
表2 BF与其它纤维物化性能的比较
性能玄武岩纤维 E-玻纤 S-玻纤芳纶Kevlar 49 碳纤维HS
密度/g·cm－3 2.65～3.05 2.55～2.62 2.46～2.49 1.44 1.78 拉伸强度/MPa 3000～4840 3100～3800 4590～4830 2758～3034 2500～3500
弹性模量/GPa 79.3～93.1 76～78 88～91 124～131 230～240
断裂伸长率/% 3.15 4.70 5.60 2.30 1.20 线膨胀系数/℃×106 6.5～8.0 5.4 2.9 ——
软化点/℃960 850 1056 ——
最高使用温度/℃650 350 300 250 500 耐化学性耐酸耐碱耐碱一般耐碱一般耐酸一般不作用
