CN101125738A - 玄武岩纤维的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工艺简单、处理效果好、成本较低的玄武岩纤维的表面处理方法，其特点是：使等离子体发生装置中的放电电极产生等离子体，并让玄武岩纤维从等离子体中通过，从而使玄武岩纤维表面得到改性处理。经过本发明所述方法处理过的玄武岩纤维同有机基体材料之间的复合性能得到了大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及到对玄武岩纤维表面进行改性处理的方法。
背景技术
连续玄武岩纤维(Continuous Basalt Fibre简称CBF)是以天然的火山喷出岩作为原料，经熔融纺丝制成的连续纤维。它具有力学性能好、耐高低温性能好(可在-269～700℃范围内连续工作)、性价比高、耐酸耐碱、抗紫外线性能好、耐环境性能好、绝缘性能好、吸湿性低、抗辐射、良好的透波性能等优点。以连续玄武岩纤维为增强体可制成各种性能优异的复合材料，广泛应用于消防、环保、航空航天、汽车船舶制造、工程塑料、建筑等军工、民用领域。
但是，由于玄武岩纤维表面的惰性，其同有机基体材料之间的复合性能很差，因而利用玄武岩纤维制备各种复合材料前要对玄武岩纤维表面进行改性处理，以提高其同有机基体材料之间的复合性能。传统的对玄武岩纤维表面进行修饰处理的方法有机械处理、化学处理(铬酸、醋酸、碱液、无机盐——如：二氯化锌、三氯化铁等)、阴极氧化法、辐射处理、活化热处理等。经处理后的玄武岩纤维表面粗糙度增加、几何形态发生变化，扩大了纤维的表面积，使其在与其它纤维间的物理接触增加(即摩擦粘附)，提高了机械联结性能。但以上这些方法能耗大，对环境污染性大，而且作用效果也较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种工艺简单、处理效果好、成本较低的玄武岩纤维的表面处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的具体技术方案是：所述的玄武岩纤维的表面处理方法，其特点是：使等离子体发生装置中的放电电极产生等离子体，并让玄武岩纤维从等离子体中通过，从而使玄武岩纤维表面得到改性处理。
本发明进一步的技术方案是：再用树脂对经等离子体改性处理过的玄武岩纤维进行接枝和包覆。
上述的树脂选自乙烯-醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯树脂、聚酯弹性体、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂。
上述的等离子体发生装置可选用射频等离子体发生器，等离子体放电模式是常压下大面积介质阻挡放电。
上述的等离子体发生装置的放电功率为50～1000W，优选为100～800W；等离子体作用于玄武岩纤维表面的处理时间为3～60秒。
本发明所述方法的技术原理是：等离子体被认为是除了固态、液态和气态以外的物质第四态。低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至十几电子伏特，大于材料的结合键能，完全可以破坏材料的化学键而形成新键，其能量远低于高能放射性射线，只涉及材料表面，不影响材料的本体性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性，利用等离子体对材料表面进行处理可引起材料表面的物理和化学改性。等离子体表面处理工艺具有刻蚀、活化、交联等作用。通过等离子体表面处理，材料表面发生多种物理、化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能等分别得到改善，使材料表面由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘结和亲水性，有利于粘结、涂敷和印刷。
本发明的优点是：工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、成本低、不易引起环境污染，并且还可以降低能耗，经过本发明所述方法处理过的玄武岩纤维同有机基体材料之间的复合性能得到了大大提高。
附图说明
图1是本发明所述玄武岩纤维的表面处理方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案作进一步描述。
参见图1所示，将待处理的玄武岩纤维1沿轴向穿过射频等离子体发生器2中的放电电极21之间，在射频等离子体发生器2的后面设置有一个盛装树脂溶液的样品池4，所述的树脂选自乙烯-醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯树脂、聚酯弹性体、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂等，工作时用汽油、无水乙醇、丙酮等溶剂将树脂溶解配制成浓度为2～15％的溶液，并将该树脂溶液装在样品池4中。经过等离子体处理后的玄武岩纤维1在四个压辊装置3的导引下，穿过盛装有树脂溶液的样品池4、并浸透树脂溶液，利用树脂对玄武岩纤维1进行接枝和包覆，然后出样品池4，在后部有一个自动收卷机6，可以将处理后的玄武岩纤维1进行在线收卷，通过调节收卷轴的转速来调节玄武岩纤维的走线速度。调节样品池4和收卷机6之间的距离，以保证浸透树脂溶液的玄武岩纤维1上的溶剂得到充分地挥发，在它们之间还可以安装一个加热装置5，以尽量使玄武岩纤维1上的溶剂得到充分地挥发。工作时，接通电源，使射频等离子体发生器2正常工作，调节等离子体放电功率为500W，调节两个放电电极21之间的距离为5毫米，使其在常压下通过介质阻挡放电方式产生高能量的、均匀的等离子体。玄武岩纤维经过等离子体放电电极之间时，其表面得到处理。调节收卷轴的转速，使玄武岩纤维的走线速度为30米/分钟，这样可以保证玄武岩纤维被等离子体处理的时间在8秒钟左右，使之受到充分的处理。经过等离子体处理后的玄武岩纤维1经过树脂溶液受到充分浸润，然后在线干燥，最后由收卷机6收卷。
经等离子体处理后玄武岩纤维表面发生如下的物理化学变化：(1)玄武岩纤维表面的部分化学键断开，形成化学活性高的自由基；(2)以等离子体状态存在的氧原子和离子等自由基，迅速与玄武岩纤维表面的自由基结合，形成新的化学键；(3)玄武岩纤维表面受到轰击和刻蚀，微观结构由光滑变粗糙，有利于有机基体材料如树脂的渗透。玄武岩纤维表面的碳含量降低3.9％，氧含量增大21％，表明材料表面得到有效的刻蚀和化学键重组。经过玄武岩纤维表面对蒸馏水的润湿性测试，未处理的玄武岩纤维表面的润湿角为95-110°，而经过等离子体处理后，润湿角降低到30-60°，表明玄武岩纤维对极性液体的润湿性得到显著提高，树脂溶液能够有效渗透玄武岩纤维。功率越大，处理时间越长，润湿角降低幅度越大。所形成的活性基团的活性在大气中保持活性的时间约为10天左右；由于润湿角的改变、极性基团的形成以及表面的刻蚀作用，使经过处理的玄武岩纤维同有机基体材料(如树脂)界面之间的胶合作用得到很大提高。
由于等离子体处理后的玄武岩纤维表面的活性存在时效性，为了解决此问题，我们将等离子体处理后的玄武岩纤维立即用树脂进行接枝和包覆，包覆后的玄武岩纤维同树脂之间的相容性很好，集束性很好，整体拉伸强度也得到提高；这样既保持了玄武岩纤维表面的活性，又可以提高处理后的玄武岩纤维同基体树脂之间的界面胶合强度。
Claims (8)
1.玄武岩纤维的表面处理方法，其特征在于：使等离子体发生装置中的放电电极产生等离子体，并让玄武岩纤维从等离子体中通过，从而使玄武岩纤维表面得到改性处理。
2.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于：再用树脂对经等离子体改性处理过的玄武岩纤维进行接枝和包覆。
3.根据权利要求2所述的表面处理方法，其特征在于：所述的树脂选自乙烯—醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、苯乙烯—异戊二烯—苯乙烯嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯树脂、聚酯弹性体、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂。
4.根据权利要求1、2或3所述的表面处理方法，其特征在于：所述的等离子体发生装置是射频等离子体发生器，等离子体放电模式是常压下大面积介质阻挡放电。
5.根据权利要求1或2或3所述的表面处理方法，其特征在于：所述的等离子体发生装置的放电功率为50～1000W，
6.根据权利要求5所述的表面处理方法，其特征在于：所述的等离子体发生装置的放电功率为100～800W。
7.根据权利要求4所述的表面处理方法，其特征在于：所述的等离子体发生装置的放电功率为100～800W。
8.根据权利要求1或2或3所述的表面处理方法，其特征在于：等离子体作用于玄武岩纤维表面的处理时间为3～60秒。
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