等离子接枝处理玄武岩纤维表面的机理研究.pdf

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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. [2]孙宝磊.PBO纤维等离子体改性及复合材料界面性能的研究   [D].大连:大连理工大学,2009. [3]周晓东,张翼,潘伟等.粉末浸渍长玻璃纤维增强聚丙烯的注塑  [J].中国塑料,2001,10:47-50.      [4]VaratharajanR,MalhotraSK,VijayaraghavanI,eta1.Mechanical       — andmachiningcharacteristicsofGF/PPandGF/Polyestercompos  ites[J].MaterSciEngB,2006,132:134-137.   [5]宋秋霞,刘华武,钟智丽,徐萍.硅烷偶联剂处理对玄武岩单丝拉  伸性能的影响[J].天津工业大学学报,2010,29(1):20-22.     [6]郑安呐,胡福增.树脂基复合材料界面结合的研究I:界面分析              及界面剪切强度的研究方法[J].玻璃钢/复合材料,2004,9 (5):12-15.   Ⅱ [7]郑安呐,胡福增.树脂基复合材料界面结合的研究:界面优化    及界面横晶的研究[J].玻璃钢/复合材料,2004,9(5):16一l9.     【8]王恒武,王继辉,朱京杨,高国强.纤维增强树脂基复合材料界面           粘结强度测试方法探讨[J].玻璃钢/复合材料,2003,5(3): 4245.      [9]刘亚兰.玄武岩纤维增强树脂复合机理的研究[D].北京:北京  林业大学,2011.    [1O]张莉.玄武岩纤维表面处理对复合材料性能的影响[D].北京:  北京林业大学,2012.     [11]李志军,程光旭,韦玮.等离子体处理在玻璃纤维增强聚丙烯复   合材料中的应用[J].中国塑料,2000,14(6):45-49.        [12]刘亚兰,申士杰,李龙,邵灵敏.偶联剂处理玻璃纤维表面的研   究进展[J].绝缘材料,2010,43(4):34.39.   [13]ZebarjadSM.Theinf   luenceofglassf     iberonfracturebehaviorof   isotacticpolypropylene[J].MaterDes,2003,7:531-535.    [14]Jinshijiu,ZhangChunxin,wangXia,YuYunzhao.PlasmaModi-       fiedPolyaramidFiberSurfaceandFiber/EpoxyInterface[J].Jour-   nalofAdhesion,1996,59:251-263.               [15]许小方.玄武岩纤维增强环氧树脂复合工艺和机理的研究   [D].北京:北京林业大学,2010.      【16]刘新宇,秦伟,王福平.冷等离子体接枝处理对碳纤维织物/环     氧复合材料界面性能的影响[J].航空材料学报,2003,4(23): 4O43.      ’     MECHANISMRESEARCHoNBASALTFIBERWI1HPLASMAGRAFTEDTREATMENT    — LIWei-an,SHENShi-jie,MAChunmei         (CollegeofMaterialScienceandTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)                  Abstract:Theaimofthisstudywastoexplorethemechanismofbasaltfiberafterplasmagraftedwithmaleie               anhydride.Threedifferentfibersweretreatedincludingbasaltfiber,basaltfiberdealtwithKH550andbasaltfiber                  dealtwithKH570.TheplasmagraftofmaleicanhydrideontheSUl ̄aeeofbasaltfiberwasgeneratedandconfirmed   byFFIR,XPS.Themorpholog                — yofthegraftedfiberSUl ̄acewasobservedwithSEM.Itisconcludedthatmaleican                   hydridewassuccessfullygraftedonthreekindsofbasaltfibersurfaceandCOORgroupwasintroducedonthefiber.   O/Cwasincreaseda          fterplasmagraftedtreatmentandthelargestincreasementwasonf     iberthatwastreatedwith      KH570,whichwasfrom0.74to1.139.     Keywords:basaltfiber;plasmagraft;maleicanhydride    e|稻 ;
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