国内外玄武岩纤维耐腐蚀性能对比研究

研究与开发　合成纤维工业，２０１５，３８（５）：９　ＣＨＩＮＡ　ＳＹＮＴＨＥ邯【Ｃ　ＦＩＢＥＲ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ国内外玄武岩纤维耐腐蚀性能对比研究　姚勇　，徐鹏　，刘静　，赖娜　，陈中武　（１．四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司成都６１０１００；２．哈尔滨工业大学化工学院，哈尔滨１５０００１）　摘　要：对国内外玄武岩纤维的耐腐蚀性能进行了研究，并对其腐蚀机理进行了探讨。结果表明：国产玄　武岩纤维（Ｔｘ）在水、酸、碱腐蚀后的质量变化幅度略小于国外同类型产品（ＫＶ）；去离子水处理后ＴＸ的强　度保留率为８３．５７％，ＫＶ的则为９０．１７％；２　ｍ０Ｌ／Ｌ盐酸处理后ＴＸ的强度保留率为９０．２１％，ＫＶ的则为　８９．７ｌ％；２　ｍｏＬ／Ｌ　Ｈ２ＳＯ４处理后ＴＸ的强度保留率为６５．６６％，ＫＶ的则为６４．９８％；５％ＮａＯＨ溶液处理后ＴＸ　的强度保留率为５８．１４％，ＫＶ的则为７３．３８％；饱和Ｃａ（ＯＨ）２溶液处理后ＴＸ的强度保留率为８７．７５％，ＫＶ　的则为７２．６７％；酸对玄武岩纤维的腐蚀由外而内逐步进行，碱对玄武岩纤维的腐蚀几乎内外同步进行。　关键词：玄武岩纤维腐蚀性能对比机理　中图分类号：ＴＱ３４３　．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１．ＯＧ４１（２０１５）０５—０００９—０３　

玄武岩纤维是一种性能优异的无机纤维，原　料易取价廉，生产过程绿色环保。由于其强度高　且耐高温等特点，玄武岩纤维在航空航天、建筑、　汽车、消防等领域获得了广泛的应用¨Ｉ３　。就目　前涉及的应用领域来看，对玄武岩纤维的性能利　用尚不全面，包括其优异的耐腐蚀性能。目前，对　玄武岩纤维耐腐蚀性能的研究较多，但存在数据　不稳定、腐蚀机理分歧严重等问题　。获得权　威的比较数据、推导合理的腐蚀机理，是正确认识　玄武岩纤维、合理拓展其应用领域的必经之路。　作者采用具有代表性的国外Ｋａｍｅｎｎｙ　Ｖｅｋ公　司玄武岩纤维产品和国内四川航天拓鑫玄武岩实　业有限公司产品进行了耐腐蚀性能对比，并对玄　武岩纤维的酸／碱腐蚀机理进行了探讨，以期为拓　展玄武岩纤维的应用领域提供数据支撑。　１　实验　１．１材料与试剂　国产玄武岩纤维无捻粗纱（ＴＸ）：直径１３　ｉｘｍ，线密度为１　２００　ｔｅｘ，四川航天拓鑫玄武岩实　业有限公司产；国外玄武岩纤维无捻粗纱（ＫＶ）：　直径１３　Ｉｘｍ，线密度为１　２００　ｔｅｘ，俄罗斯Ｋａｍｅｎｎｙ　Ｖｅｋ公司产；ＮａＣ１、浓ＨＣ１、浓Ｈ２ＳＯ４、Ｃａ（ＯＨ）２、　ＮａＯＨ：分析纯，国药集团化学试剂有限公司产。　１．２主要仪器与设备　ＵＰＴ．１１超纯水器：四川优普超纯科技有限公　司制；ＰＨＳ－３Ｅ　ｐＨ计：上海仪电科学仪器股份有限　公司制；ＹＧ００１Ｄ单纤维强力机：常州第二纺织仪　器厂制；ＸＧＩ－）．１　Ａ纤维直径细度分析仪：上海新科　仪器有限公司制；Ｉｎｓｐｅｃｔ　Ｆ场发射扫描电子显微　镜：美国ＦＥＩ公司制；Ｘ射线能谱仪：配备Ｏｘｆｏｒｄ，　美国ＦＥＩ公司制；Ｘ．ＭＡＸ能谱仪：英国Ｏｘｆｏｒｄ公　司制；Ｖｅｒｔｅｘ　７０型傅里叶变换红外光谱仪：德国　Ｂｒｕｋｅｒ公司制。　１．３耐腐蚀性能实验方法　（１）水处理：去离子水中９５℃水浴２　ｈ（室温　下ｐＨ值为６．３４）；（２）模拟海水处理：３．５％ＮａＣ１　溶液中６０　ｃｌ：水浴２　ｈ（室温下ｐＨ值为５．８１）；　（３）碱处理：质量分数５％的ＮａＯＨ溶液（室温下　ｐＨ值为１３．４９）中９５℃水浴２　ｈ或饱和Ｃａ（ＯＨ）：　溶液（室温下ｐＨ值为ｌ２．０９）中９５　ｃ【＝水浴４　ｈ；　（４）酸处理：２　ｍｏｌ／Ｌ的ＨＣ１或Ｈ２ＳＯ　溶液中　６０　ｃＩ＝水浴２　ｈ。处理完毕后均采用去离子水将纤　维洗净并于１０５　ｏＣ烘干３０　ｍｉｎ后待测。　１．４测试　力学性能：参考ＧＢ／Ｔ　１４３３７－－２００８和ＡＳＴＭ　Ｃ１５５７－－４）３（２０１３）制备单丝试样，手工分离玄武　岩纤维单丝，胶粘在４０　ｍｍ×２０　ｍｍ的纸框上，试　样长度２０　ｒＤ＿ｍ，拉伸速度１０　ｍｍ／ｍｉｎ，预加张力　０．５　ｃＮ。有效数据２Ｏ个取其平均值。　扫描电镜一Ｘ射线能谱（ＳＥＭ—ＥＤＳ）：参考ＧＢ／　

收稿日期：２０１５．０４－２７；修改稿收到日期：２０１５—０７－２０。　作者简介：姚勇（１９８７一），男，研究生，研究方向为纤维　复合材料。Ｅ・ｍａｉｌ：ｙａｏｙｏｎｇ５＠１２６．ｔｏｍ。　基金项目：四川省战略性新兴产业发展专项基金项目　（ＳＣ２０１２５１０１　１２０４０）。　第５期　姚勇等．国内外玄武岩纤维耐腐蚀性能对比研究　量均显著低于纤维内部，Ｓｉ的含量基本不变，表　明纤维中的相关金属氧化物成分与ＨＣ１发生了　反应而溶出。该结果表明酸对玄武岩纤维的腐蚀　是由外而内逐步进行的，结论与文献［８］一致。　表３酸和碱处理后ＴＸ的元素含量　Ｔａｈ．３　Ｅｌｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ＴＸ　ａｆｔｅｒ　ａｃｉｄ　ａｎｄ　ａｌｋａｌｉ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　％　

由表３还可知，ＴＸ玄武岩纤维经ＮａＯＨ处理　后其纤维内部和表面的元素含量并无显著差异，　但对比各元素纤维中心（相当于未腐蚀处）的数　据可以发现，碱处理后纤维Ｏ元素含量明显增　加，其他元素含量下降。原因是ＳｉＯ　骨架与　ＮａＯＨ反应生成可溶的Ｎａ　ＳｉＯ，转移到溶液中，同　时附于其上的其他纤维成分或溶出或剥落，形成　图１所示的形貌。该结论表明碱对玄武岩纤维的　腐蚀机理与酸腐蚀不同，几乎是内外同步腐蚀。　２．５　ＦＴＩＲ分析　由图２可知，ＴＸ经酸处理后３　４５０　ｃｍ　和　１　６３０　ｃｍ　附近的吸收峰明显增强，表明引人较　多的一ＯＨ；２　８５３　ｃｍ　和２　９２４　ｃｍＩ１为一ＣＨ，与　

一ｃＨ　伸缩振动峰，表明纤维表面仍有浸润剂残　留，间接证明浸润剂中的硅烷偶联剂成分是以化　学键合的方式存在于玄武岩纤维表面，在较为苛　刻的酸／碱条件下也无法将浸润剂完全除净　。　

图２　ＴＸ经酸／碱处理前后的ＦＦＩＲ　Ｆｉｇ．２　ＦＴＩＲ　ｏｆ　ＴＸ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ａｃｉｄ　ａｎｄ　ａｌｋａｌｉ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　１一未处理；２一Ｈｃｌ处理；３一Ｎａ０Ｈ处理　

另外，：ｓｉ一０一ｓｉ（Ａ１）反对称伸缩振动从　１　００５　ｃｍ　移到１　０８０　ｃｍ～，表明纤维中Ａｌ¨含　量明显降低；Ｓｉ（Ａ１）一０的对称伸缩振动从７２９　ｃｍ　移到７９＇５　ｃｍ～，表明纤维中Ａｌ¨含量明显降　低；９４７　ｃｍ　出现新的ｓｉ一０Ｈ峰，说明酸性介质　中的Ｈ　和纤维网络骨架结构中的金属阳离子发　生离子交换，从而形成新的Ｓｉ—ＯＨ键。由此可　得出酸腐蚀：是由外而内逐步进行的。ＴＸ经碱处　理后２　８５３　ｅｍ　和２　９２４　ｃｍ　吸收峰明显减弱，　表明纤维表面的浸润剂大部分脱落或分解；１　００５　ｃｍ　和４６３　ｃｍ　处的峰更加尖锐，表明更多的　ｓｉ一０一Ｓｉ（Ａ１）和Ｓｉ（Ａ１）一０纤维骨架暴露出来，　即碱对纤维的腐蚀作用剧烈，几乎内外同步进行。　

３结论　ａ．国产玄武岩纤维在模拟海水、酸、碱处理　后的质量变化幅度小于国外同类型产品，去离子　水处理后的失重率则略大。　ｂ．国产玄武岩纤维的耐水性略逊于国外同　类型产品，耐碱性各有所长，耐酸性相近。　ｃ．酸对玄武岩纤维的腐蚀由外而内逐步进　行，碱对玄武岩纤维的腐蚀几乎内外同步进行。　

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［２］　［３］　

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Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＰＢＯ　ｆｉｂｅｒ　Ｌｉｕ　Ｓｈｕｒｕｉ，Ｔａｎ　Ｖａｎｊａｎ，Ｈｕｏ　Ｑｉａｎ，Ｍａ　Ｊｉａｌｉ　（Ｔｅｘｔｉｌｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ　ａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００４８）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｐｏｌｙ（Ｐ－ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　ｂｅｚｃｌｂｉｓｏｘａｚｏｌｅ）（ＰＢＯ）ｆｉｂｅｒ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｏｆ３６５　ａｍ（ＵＶＡ），３０８　ｎｍ（ＵＶＢ）ａｎｄ　２５４　ｍｍ（ＵＶＣ）．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ＰＢＯ　ｆｉｂｅｒ　ｗａｓ　ｍｏｓｔ　ｓｅｎｓｉ－　ｔｉｖｅ　ｔｏ　ＵＶＣ，ｍｏｒｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔｏ　ＵＶＢ　ａｎｄ　ｌｅａｓｔ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔｏ　ＵＶＡ；ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＢＯ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｍａｉｎｅｄ　ａｂｏｕｔ　５７％，ｔｈｅ　ｐｅｅｌｉｎｇ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ａｐｐｅａｒｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅ　ｂｒｅａｋａｇｅ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃＭ　ｂｏｎｄｓ　ｏｃｃｕｒｅｒｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｆｉｂｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ｒｅ－　ｔａｒｄａｎｅｅ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ　ｄｒｏｐｐｅｄ　ａｓ　ＰＢＯ　ｆｉｂｅｒ　ｗａｓ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ＵＶＣ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　２６４　ｈ：ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＢＯ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｍａｉｎｅｄ　ａ＿　ｂｏｕｔ　６８％ａｎｄ　ｇｒｏｏｖｅｓ　ａｐｐｅａｒｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｆｔｅｒ　２６４一ｈ　ＵＶＢ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｗｈｅ　ｎ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｔａｒｔｅｄ　ｔｏ　ｐｅｅｌ，ｔｈｅ　ｃｈｅｍｉ—　ｃａｌ　ｂｏｎｄｓ　ａｓｌｏ　ｂｅｇａｎ　ｔｏ　ｂｒｅａｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｃｙ　ｓｌｉｓｈｆｌｙ　ｄｒｏｐｐｅｄ　ａｆｔｅｒ　２８８－ｈ　ＵＶＢ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ　ｒｅａｃｈｅｄ　ａｂｏｕｔ　７３％，ｇｒｏｏｖｅｓ　ａｐｐｅａｒｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗｉｔｈ　ｎｏ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｐｅｅｌｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｏｎｄｓ　ｈａｒｄｌｙ　ｂｒｏｋｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｆｉｂｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｅｙ　ｄｉｄ　ｎｏｔ　ｃｈａｎｇｅ　ｍｕｃｈ　ａｆｔｅｒ　２６４－ｈ　ＵＶＡ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ；；ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ　ｉｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗａｖｅ—　ｌｅｎｇｔｈ　ｍａｄｅ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔｉｎｇ　ｏｘｙｇｅｎ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ＰＢＯ　ｆｉｂｅｒ　ｓｌｉｇｈｆｌｙ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｎｅａｒｌｙ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｄｅｇｒｅｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙ（ｐ－ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　ｂｅｎｚｏｂｉｓｏｘａｚｏｌｅ）ｆｉｂｅｒ；ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｃｅ；　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ