纳米SiO_2改性玄武岩纤维涂层浆料的制备及应用

󰀁纳米SiO2改性玄武岩纤维涂层浆料的制备及应用

陈国荣1,3,曹海琳2,3,姜雪3,黄玉东2󰀁(1󰀁哈尔滨工业大学材料科学与工程学院博士后

流动站,哈尔滨150001;2󰀁哈尔滨工业大学化工学院,哈尔滨150001;

3󰀁深圳航天科技创新研究院深圳市复合材料重点实验室,广东深圳518057)

󰀁󰀁摘󰀁要:经KH550改性的纳米SiO2粒子(150nm),能够稳定分散在玄武岩纤维涂层浆料中,对浆料的粒径及表面

张力影响不大。玄武岩纤维表面经改性纳米SiO2改性后,有效地改善了纤维表面粗糙度,使断裂强力提高18󰀁75%,层

间剪切强度提高18󰀁76%。纳米SiO2改性的玄武岩连续纤维及其复合材料断面SEM分析表明,玄武岩连续纤维表面

均匀涂覆一层纳米SiO2颗粒,使玄武岩连续纤维与环氧树脂的界面相容性大大提高,复合材料断面非常整齐。改性纳

米SiO2在玄武岩纤维及环氧树脂之间起桥梁作用。

关键词:改性纳米SiO2;涂层浆料;玄武岩纤维;力学性能;复合材料

中图分类号:TQ630󰀁4󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:0253-4312(2010)06-0029-04

PreparationandApplicationofNano-SiO2ModifiedSizingforBasaltFiber

ChenGuorong1,3,CaoHailin2,3,JiangXue3,HuangYudong2

(1.MaterialScienceandTechnologyPost-doctorateMobileStation,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;

2.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;3󰀁Shenzhen

KeyLaboratoryofCompositesMaterial,ShenzhenAcademyofAerospaceTechnology,Shenzhen,Guangdong518057,China)

󰀁󰀁Abstract:Nano-SiO2modifiedwithKH550canbedispersedinsizing,withloweffectonthesizeand

surfacetensionofsizing.Thesurfaceroughnessofbasaltfiber(BF)increasesobviouslyaftercoatingwith

sizingmodifiedwithnano-SiO2,aswelltheincreasesofbreakingstrengthby18󰀁75%andinterlaminar

shearstrengthby18󰀁76%.Itwasconfirmedbytheobservationofdynamiccontactanglemeter(DCAM)and

scanningelectronicmicroscopy(SEM)thattheinterfacecompatibilitybetweenfibersandmatrixresinwas

improved.Thenano-SiO2functionsasbridgebetweenfibersandepoxyresin.

󰀁󰀁KeyWords:modifiednano-SiO2;sizing;basaltfiber;mechanicalproperty;composite

作者简介:陈国荣(1973󰀂),女,博士后,主要从事玄武岩纤维表面涂层及其应用等方面的研究。0󰀁引󰀁言

玄武岩纤维是新型的矿石纤维,它是以玄武岩为主要原

料,经高温熔化、冷却提炼出岩石绒制成的一种新型纤维材

料[1-2]。它不仅具备石棉和玻璃纤维产品的许多优良性能,还

具备了其他优良特性,如耐高热700 (保温保冷)、耐超低温

(-270 )、高强度、高弹性模量、导热系数小、隔热、吸音、隔

音、耐酸碱腐蚀、防水防潮、丝体表面光滑、可纺性好,耐磨损、手感柔软并对人体无害。不仅用于航天、航空等尖端新材料制

品,还可用于一般工业,如阻燃材料、过滤材料、隔音材料、保温

材料、隔热消防服装、工程和结构材料、耐腐蚀材料、耐劣化材

料、耐摩擦材料、抗干扰材料、绝热保温材料[3]。在军事工程上

也具有很好的开发价值,可以制造浮动码头、坑道、隧道内壁、军事工程建筑、军用机场建筑以及作为防弹衣的原料。如坦克

外皮、雷达天线罩、特殊绳索、防弹背心、防弹毛毯等[4]。

玄武岩纤维也是一种脆性材料,在其拉丝工艺中必须通

过涂油器将涂层浆料均匀涂覆在其表面,形成一层保护层,保

护玄武岩纤维的力学性能不受损,并赋予玄武岩纤维进一步

加工所需要的性能。因此,涂层的组成决定了玄武岩纤维的

性能及应用[5]。目前对高性能纤维上浆的研究比较成熟,都

采用乳液型涂层浆料进行高性能纤维上浆处理,即以一种树

脂为主体,配以一定量的乳化剂,以及少量交联剂、助剂制成

乳液,它一般不容易在导辊上残留下树脂,不污染环境[6]。在

玄武岩纤维有机涂层浆料中引入纳米SiO2,以改变玄武岩纤

维表面粗糙度及表面性能,提高玄武岩纤维力学性能及复合

材料的界面性能。

29第40卷第6期涂料工业Vo.l40󰀁No.62010年6月PAINT&COATINGSINDUSTRYJun.2010󰀁1󰀁实󰀁验

1󰀁1󰀁原󰀁料

环氧乳液(环氧值0󰀁48~0󰀁54eg/100g):粒径D50=

0󰀁279󰀁m,D10=0󰀁154󰀁m,D90=0󰀁527󰀁m,自制[7];纳米

SiO2:粒径150nm,自制;r-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550):南

京奥城化工有限公司;环氧树脂618:江苏三木化工有限公司;

2-乙基-4-甲基咪唑:天津化学试剂有限公司;润滑剂、抗

静电剂等助剂:专业厂家购买;玄武岩矿石:山西大同。

1󰀁2󰀁改性纳米SiO2粒子涂层浆料的制备

1󰀁2󰀁1󰀁改性纳米SiO2粒子的制备

将粒径为150nm左右的纳米SiO2粒子用球磨分散于去

离子水中,将pH调整至5~6,然后加入一定比例的表面改性

剂KH550,在88 下高速搅拌3h。处理后对粒子进行离心

分离、水洗,丙酮洗、反复操作3次,干燥,备用[8]。

1󰀁2󰀁2󰀁纳米SiO2粒子改性的玄武岩纤维涂层浆料

制备

按浆料质量分数0󰀁2%称取纳米SiO2粒子,用20倍的去

离子水超声分散3h,在搅拌条件下滴入质量浓度10%的环氧

乳液中,继续高速搅拌2h。依次按比例加入润滑剂、抗静电

剂、偶联剂,稀释到所需浓度,持续搅拌2h,得到白色均一的

玄武岩纤维涂层浆料,备用[9]。

1󰀁2󰀁3󰀁玄武岩纤维表面纳米改性工艺

玄武岩纤维表面纳米改性工艺如图1所示。

图1󰀁玄武岩纤维浸渍工艺Fig.1󰀁Thedipcoatingtechnicsofbasaltfiber

1󰀁3󰀁性能分析与测试

1󰀁3󰀁1󰀁断裂强力

根据GB/T76903󰀂2001,对玄武岩纤维进行断裂强力测

试。采用圆弧型夹具,夹钳面有保护层粘贴。试验机拉伸速

度200mm/min,公称有效长度500mm。断裂强力取10个有

效样品的平均值。

1󰀁3󰀁2󰀁层间剪切强度测试

按照GB3357󰀂1982!单向纤维增强塑料层间剪切强度实

验方法∀制作复合材料,截取尺寸为长#宽#厚=10mm#

6mm#2mm的试样,进行ILSS测试。实验在CMT7504型电

子万能实验机上进行。

实验中采用环氧树脂作为基体树脂,以不同涂层的玄武

岩纤维作为增强纤维,制作玄武岩纤维复合材料。1󰀁3󰀁3󰀁仪器分析

将KBr粉末与待测粉末在玛瑙研钵中充分研磨,然后压

片(20MPa下保持5s),用美国Nicolet公司生产的NICOLET

-380红外光谱仪进行测试;采用日立S-4700型扫描电子显

微镜,对玄武岩纤维及复合材料形貌进行表征分析,扫描加速

电压15kV;利用Mastersizer2000激光粒度分析仪对涂层浆料

进行粒径测试,去离子水为分散介质,搅拌速度2500r/min,

遮光度5%,重复测试3次,以平均数据为准。

1󰀁3󰀁4󰀁表面张力

使用德国Dataphysics公司的OCA20视频法接触角测量

仪,利用视频法对涂层浆料进行表面张力的测试。首先用表

面/界面张力仪测试该液态物质的密度,获取相应的参数。然

后在视频光学接触角测量仪中测试,当液滴在滴落前达到最

大体积值时,得到的是液体最大表面张力。

2󰀁结果与讨论

2󰀁1󰀁改性纳米SiO2粒子表征分析

在88 条件下,利用KH550对纳米SiO2粒子进行改性,

对改性样品进行了红外分析,见图2。

图2󰀁纳米SiO2粒子用KH550改性前后的红外谱图Fig.2󰀁TheFT-IRanalysisofSiO2beforeandaftermodifiedwithKH550由图2可以看出,与未改性的纳米SiO2红外曲线相比,改

性后的纳米SiO2红外吸收曲线,在2860cm-1左右出现了亚

甲基C󰀂H特征吸收峰,在1070~1100cm-1左右的反对称

Si󰀂O伸缩振动峰宽度变大,说明硅烷偶联剂已经接枝到纳米

SiO2粒子上,得到了目标产品。

2󰀁2󰀁纳米SiO2改性涂层浆料的稳定性

对涂层浆料表面张力的分析也可以看出经纳米SiO2粒子

改性的涂层浆料是否稳定。如果加入纳米粒子后,浆料中的

组分与纳米粒子产生交联或者聚结,会出现沉降或破乳,那么

涂层浆料的表面张力会发生很大变化,为此,对改性前后浆料

进行表面张力测试,见图3。

由图3可以看出3种涂层浆料的表面张力分别为:

48󰀁98mN/m、49󰀁02mN/m和49󰀁46mN/m,3者相差不大,也

就是说,在涂层浆料中加入纳米SiO2粒子后,对浆料的稳定性

未产生影响。

30陈国荣等:纳米SiO2改性玄武岩纤维涂层浆料的制备及应用