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等离子接枝处理玄武岩纤维表面的机理研究 等离子接枝处理玄武岩纤维表面的机理研究 李伟娜,申士杰,马春梅 (北京林业大学材料与技术学院,北京100083) 摘要:采用等离子接枝法分别对玄武岩纤维、KH550处理玄武岩纤维、KH570处理玄武岩纤维进行表面处理,研究等离子 接枝马来酸酐对纤维表面产生的影响。采用FTIR、XPS和SEM分别表征处理纤维表面的微观形态变化。结果表明,马来酸酐 — 已经成功接枝到BF、BFKH550、BF.KH570三种纤维表面上,并在纤维表面引入COOR官能团。经等离子接枝处理后,三种纤 — 维表面的O/C增大,其中BFKH570增幅最大,由0.74增大到1.139。 关键词:玄武岩纤维;等离子接枝;马来酸酐 ——— 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999(2013)03003405 IH2【】“ Q’+” 一NH2CH2CH2CH2NH 2CH ̄CH2CH2SiOH }oH__{ — +;+7一一; CaH ̄SiOHHO CH CH)COOCHSiOH 避 ‘ ‘ 2fd3;_、一f}— — 1(HfcH1coocHIo c3oH 图1KH550、KH570与纤维表面的作用机理 Fiz.1ThemechanismofKH550/f iberandKH57O/f iber 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 通讯作者: 玄武岩纤维的主要成分是SiO:、AI:O、FeO、 FeO,,与玻璃纤维的化学组成极为相似¨ 。用等 离子对碳纤维表面处理的报道很多,而对玻璃纤维、 玄武岩纤维表面处理的报道却不多。李志军¨ 研 究了等离子体对玻璃纤维处理的机理,表明等离子 体处理可以使玻璃纤维表面的官能团发生变化,产 生轻微刻蚀,扩大玻璃纤维的有效接触面积,改善基 体对玻璃纤维的浸润状况,使玻璃纤维作为增强体 的复合材料的力学性能提高2~3倍,改善了复合材 料的耐湿热稳定性。 本文将采用等离子接枝处理的方法对玄武岩纤 维织物进行表面处理,从微观的角度考察等离子接 枝处理后纤维表面物理变化和化学变化,为更深人 研究BFRP复合材料界面上树脂与纤维之间的界面 结合奠定基础。 1实验部分 1.1实验材料与设备 玄武岩纤维布:辽宁省营口市建筑材料研究所, ≤ ≤ 主要性能参数:纤维平均直径81xm,含水率 ≥℃ ≤ 0.5%,软化温度750,吸湿性10%,酸性系数≥ 1。 等离子设备:TZ.2型微波等离子装置,天津工 业大学。 化学试剂:硅烷偶联剂KH550、KH570,上海耀 华化工厂;马来酸酐(MAH),化学纯;过氧化苯甲酰 (BPO),化学纯。 2Ol2-06-25 “” 国家十二五863课题(2012AA03A204-01) 李伟娜(1987一),女,硕士研究生,主要从事纤维增强树脂复合材料的研究。 申士杰(1957.),男,教授,主要从事木材/玄武岩连续纤维复合材料制造技术的研究,shijies@263.net。 龋 ’ ll3 2013年第3期 玻璃钢/复合材料 35 1.2试验方法 (1)纤维的热处理 将纤维置于250 ̄C的干燥箱中,加热30min,以 去除纤维表面原有的浸润剂。 (2)偶联剂处理 将纤维布分别放人配制好的1%浓度的 KH550、KH570溶液中,浸泡4h,取出,放入110oC的 干燥箱中干燥2h,以加速偶联剂与纤维表面的反 应,取出,得到KH550和KH570处理的玄武岩纤维—— 布(BFKH550、BFKH570)。 (3)等离子接枝处理 分别将BF、BF.KH550、BF.KH570放人等离子 装置中,放电功率为170W,处理时间为5min,将处 理后的纤维布立即放入0.07mol/L的马来酸酐溶液 中,以过氧化苯甲酰作为引发剂,浸泡2h后取出,在℃ 10O的干燥箱中烘干。 2结果分析与讨论 2.1FUR测试结果与分析 等离子接枝处理前后玄武岩纤维的FTIR测试 结果见图2。图2中曲线(a)、(b)、(c)、(d)分别为 — 未处理BF、BF等离子接枝MAH、BFKH550等离子 接枝MAH、BF.KH570等离子接枝MAH的FTIR谱 图。从图中可以看出,四个谱图在900era左右处 均有较强的吸收峰,这是由硅类化合物的官能团si- O键的伸缩振动引起的,700cm左右处的较弱的吸 收峰可能是si.C键伸缩吸收产生的J。 从曲线(b)、(C)、(d)中都可以看到,1704cm 处出现了新增的吸收峰,这是马来酸酐中C=O键 的反对称伸缩耦合峰。曲线(e)、(d)中,均在 1635cm处有吸收峰,为C=C双键的伸缩振动峰, — 对于BFKH550,其表面在接枝之前并没有双键,则 此处的双键可能来源于马来酸酐,即在反应过程中, 马来酸酐部分保留了双键。而对于BF.KH570,y一甲 基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)自身具有 C=C双键,因此这里的C=C双键可能是由于马来 酸酐量小,并没有与KH.570中的双键完全反应而 使KH-570中未反应的双键裸露于表面造成的。在 曲线(b)中此处的吸收峰非常微弱,说明马来酸酐 中的C=C双键与BF表面由等离子引发的活性基 团参与了反应。曲线(b)、(c)、(d)中,1457cm和 1430em处是一CH:的剪刀弯曲振动峰,1261cm处 — 的吸收峰则是CO的伸缩振动峰,均是BF表面没 — 有的官能团,说明马来酸酐已经分别接枝到BF、BF KH550、BF.KH570表面上。硼 姗踟 猢 1500 1O0o 姗 WevenumbeF ̄cm- ’ 图2等离子接枝处理玄武岩纤维FIIR谱图 Fig.2FTIRspectraofBFwithplasmagraftedtreatment 2.2纤维表现的XPS分析 2.2.1XPS测试结果l瑚 1椭 咖 鼬 棚D 铷o 0 Bindingener ̄/ev 图3等离子接枝处理前后玄武岩纤维XPS宽谱图 Fig.3SurveyspectraofBFwithplasmagraftedtre ̄ment 图3为等离子接枝马来酸酐处理玄武岩纤维前 后的XPS宽谱图,可以看出,玄武岩纤维主要由c、 O、Si等化学元素组成,含有少量的Mg、Ca等金属元 素。表1为C、O、Si三种元素在等离子接枝处理前 后的组成比例变化,可以看出,处理前后C、O两种 元素含量变化较大,si含量相对提高,但变化不大。 较空白组来说,c元素经等离子接枝处理后由 44.88%分别降低到41.11%、41.13%、36.09%,O 元素由33.39%分别升高到38.8%、38.76%、— 41.13%。其中,BFKH570变化量最大,c元素降 低19%,O元素升高23.18%。O/C在等离子接枝 — 处理后也有了一定的提高,其中,BFKH570.MAH最 — 高,由0.74增加到1.139,说明BFKH570较BF、— BFKH550经等离子处理后更容易与马来酸酐接枝, 为纤维表面引入了更多的含氧基团。 嚏 蛳啪。㈣懈。㈣啪。㈣姗。∞ 8矗 qp口 36 等离子接枝处理玄武岩纤维表面的机理研究 2013年5月 表1等离子接枝处理对玄武岩纤维表面化学元素的影响 Table1Effectonelementalsurfacecompositionofbasaltfibers 2.2.2C元素的分析 将四种纤维布表面的C元素进行分析,得到表 2所列碳元素窄谱分峰拟合后各种官能团的面积比 和结合能分析数据,图4中(a)、(b)、(C)、(d)分别 —— 为BF、BFMAH、BFKH550-MAH、BF・KH570一MAH 表面C1S的窄谱分峰图,结合图4(a)和表2可以看 到,BF表面C元素有三种波峰,其结合能分别为 284.4ev、285.1ev、286.1ev,所占的比例分别为 29.543%、48.030%、22.427%,推测这三种波峰代 ——— 表的官能团可能为C1:CC/CH,C2:COH,C3:0一 C一0。经过等离子接枝处理后,C元素产生了新的形 态变化,其结合能为288.9ev,推断其官能团为CO- OR键。 表2玄武岩纤维表面CIsXPS分析数据 Table2XPSanalysisdateofC1Sonbasaltfiber C.,2j3:No.3 图4等离子接枝处理前后玄武岩纤维表面C1S窄谱图 (a)未处理BF;(b)等离子接枝BF; (C)等离子接枝BF.KH550; (d)等离子接枝BF-KH570 Fig.4C1SNarrowSpectraofbasaltfiber (a)Untreated;(b)BFwithplasmagrafted;— (C)BFKH550withplasmagrafted;— (d)BFKH570withplasmagrafted — 如表2所示,经过等离子接枝处理后,BF、BF— —— — KH550、BFKH570表面的CC/CH和COH含量均 下降。分别由29.543%下降到16.193%、20.205%、 23.009%,由48.030%下降至033.203%、34.449%、 —— 41.920%,均表现为BF下降最多。而OCO键经 过等离子接枝后含量增加,BF增加最多,BF.KH550 其次,BF.KH570最少。COOR官能团推断一部分来 源于空气等离子对纤维表面的处理,一部分来源于 接枝单体马来酸酐。等离子体作用于纤维表面,将— C.C/CH键和C一0键打开同时引入0元素,形成 — COOR基团,对于马来酸酐,其本身含有O=CO键, 等离子激发纤维表面官能团活性接枝马来酸酐后, — 马来酸酐的O=CO键即被嫁接到纤维表面。 2.2.3化学反应分析 红外图谱和XPS的分析表明,马来酸酐已经成 — 功地接枝到BF、BF.KH550、BFKH570的表面,并在 纤维表面引入了新的官能团,可能发生的化学反应 如下: 38 等离子接枝处理玄武岩纤维表面的机理研究 2013年5月 3结论 FTIR测试结果表明,经等离子接枝处理后,BF — 表面引入了.C=O一键,BFKH550及BF-KH570表面 引入C=C双键,三种纤维表面均成功接枝了马来 酸酐。 XPS分析结果表明,等离子接枝处理后,BF、— BF.KH550、BFKH570表面O/C升高,其中BF. — KH570最高,达到1.139。CC/C-H和C一0H含量降 低,0.C.0含量升高,并引入COOR官能团。 SEM结果表明,经等离子体接枝处理后,三种 — 纤维表面均产生新的附着物,其中BFKH570附着 物量最大,表面最为粗糙。 参考文献 [1]张莉,申士杰,刘亚兰.玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料界面 — 的FTIR和XPS表征[J].玻璃钢/复合材料,2012,(1):1318. 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O/Cwasincreaseda fterplasmagraftedtreatmentandthelargestincreasementwasonf iberthatwastreatedwith KH570,whichwasfrom0.74to1.139. Keywords:basaltfiber;plasmagraft;maleicanhydride e|稻 ;
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