摘 要

玄武岩纤维应用领域广泛，但是存在表面光滑且表面活性低的问题。作为复合材料增强体时，与树脂的界面粘结强度低，影响性能，限制其应用。

本文从两个方面改善玄武岩纤维复合材料的界面粘结性能，一是采用偶联剂及酸刻蚀的方法对玄武岩纤维进行表面处理，增加纤维同树脂接触的表面积，二是选择聚氨酯、环氧树脂及环氧树脂加丁腈橡胶的体系作为树脂基体，选择出其中与纤维浸润性更好的树脂种类。采用染料渗透和水扩散试验方法对复合材料的界面粘结性能进行评价。

结果表明，在不同树脂体系的选择中，E-51环氧树脂体系能够通过染料渗透测试，且水扩散测试泄漏电流小，效果优于聚氨酯及加入增韧剂的组分树脂。当选用E-51环氧酸酐树脂体系时，采用1%的KH560处理玄武岩纤维，染料渗透通过率达到100％，水扩散测试泄露电流仅为0.007mA，效果最好。而采用酸刻蚀处理方法时合适的实验条件为选择浓度为1mol/L的盐酸，刻蚀温度为60℃进行纤维表面处理，染料渗透通过率达到100％，水扩散测试泄露电流仅为0.035mA，效果比较好。

关键词：玄武岩纤维；偶联剂；酸刻蚀；染料渗透；水扩散

Abstract

Basalt fiber has been used in an increasing number of areas. But the surface of the fiber is so smooth in low chemical activity that the fiber cannot be bonded with resin matrix enough tight, which will limit the use of the basalt fiber reinforced resin matrix composites.

This article plans to take two aspects into consideration to enhance the bond performance of the basalt fiber reinforced composites. One is to use coupling agent and acid etching making the surface tough with more chance to get in touch with the resin matrix, the other is to choose the better resin matrix from the polyurethane resin、epoxy resin and epoxy resin with nitrile-butadiene rubber, which can increase the possibility of reaction between the fiber and the resin matrix, bonding two parts much more tight . Dye penetration and water diffusion test method have been taken to judge the interfacial properties.

The research shows that E-51 epoxy resin has the best testing result among the other two resins. 1％KH560 coupling agent deal with the basalt fiber can make it better to contact with E-51 epoxy resin in the result of 100％ throughput rate in dye penetration test and 0.007mA leakage current in water diffusion test. While using acid etching method, choosing 1mol/L HCl under the 60℃ etching temperature ,the testing result indicates the best, 100％ throughput rate in dye penetration test and 0.035mA leakage current in water diffusion test.

Key words：basalt fiber；coupling agent；acid etching；dye penetration

water diffusion

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

1 绪 论 1

1.1 玄武岩纤维表面处理方法 1

1.1.1 偶联剂处理 1

1.1.2 酸刻蚀处理 2

1.1.3 涂层处理 2

1.1.4 等离子接枝处理 3

1.2 树脂的选择 3

1.2.1 选择表面活性高的树脂 3

1.2.2 加入增韧剂 4

1.2.3 加入稀释剂 4

1.3 复合材料界面表征方法 4

1.3.1常见的界面表征方法 4

1.3.2 染料渗透及水扩散试验 6

1.4本论文研究目的与内容 6

1.4.1 研究目的与意义 6

1.4.2 主要研究内容 6

2 实验部分 7

2.1 实验原料及仪器 7

2.1.1 原材料 7

2.1.2 实验设备与仪器 7

2.2 实验方法 8

2.2.1染料渗透测试实验 8

2.2.2 水扩散测试实验 11

3 结果与讨论 12

3.1 树脂基体种类对界面性能的影响 12

3.2偶联剂种类对界面性能的影响 14

3.3 偶联剂用量对界面性能的影响 15

3.4 酸刻蚀处理对界面性能的影响 17

4 结 论 19

参考文献 20

致 谢 21

1 绪 论

近年来，随着科学技术及生产工艺的不断进步，复合材料领域也向着不同的方向迈步。从过去使用的传统的玻璃纤维，到现在对很多综合性能更好的纤维的选择，玄武岩纤维正凭借着它各方面优异性能逐步占据复合材料纤维增强体的市场。玄武岩纤维具有良好的化学耐久性、物理机械性能以及高温稳定性能，这些特性决定了它在船舶、汽车制造乃至航天航空等领域的发展与应用。相应的，玄武岩纤维也成为了继碳纤维、芳纶纤维及超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维^[1]。

基于全球范围内对于玄武岩纤维复合材料的研究现状，不难得出这方面研究还处于起步阶段的结论^[2]。在国内，目前对于玄武岩纤维复合材料的研究主要涉及对于其力学性能的研究、结构设计、生产工艺技术以及微观结构等方面^[3]。尽管各方面都已经有一些研究成果，但为了能够更加深入的认识及应用玄武岩纤维复合材料，相应的研究还需要从深度和广度等不同方向展开。

尽管在大的形势下，玄武岩纤维凭借其优异的性能逐渐广泛的被应用，仍然有一些不能避免的问题需要面对。玄武岩纤维由于表面非常光滑且表面化学活性基团不多，呈现出一定程度的反应钝性^[4]。在用作复合材料增强体方面，与树脂之间的界面结合会存在一定的问题。对于纤维增强复合材料的来说，纤维与基体树脂之间的界面结合性能会在很大程度上影响材料的性能。因此，研究讨论如何有效提高玄武岩纤维复合材料的界面结合情况具有非常重要的实际意义。

1.1 玄武岩纤维表面处理方法

对于玄武岩纤维表面处理的研究已经有一定的基础，在实际的应用中，各种表面处理方法都能够改善玄武岩纤维与树脂基体间的界面粘结性能。目前研究采用过的各种纤维表面处理有如下的几种方法。

1.1.1 偶联剂处理

傅宏俊^[5]等人研究过硅烷偶联剂结合乳液型浆料织造性能，且与复合材料界面力学性能得到改善。用偶联剂对纤维表面进行处理是一种非常常见的纤维表面处理方法，其原理是偶联剂表面有很多活性的基团，一端同纤维表面的基团进行反应，另一端同高分子聚合物发生物理缠绕或者化学反应^[6]，从而如桥梁一般连结起树脂基体与纤维，增强纤维与树脂间的粘合，达到改善复合材料界面性能的目的。