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玄武巖纖維(BF)是一種以玄武巖礦石為原料制備的纖維材料。玄武巖是一種火山巖,由于其豐富的化學成分和特殊的結構,使得它具有優異的物理和化學性能,適合用于纖維材料的制備。

玄武巖纖維是一類優良纖維材料,有著良好的物理性質和化學穩定性。它不僅具備高強度、耐熱和阻燃性,,還具有環境友好的特性。玄武巖纖維以及其制備的復合材料已經在軍工領域、土木工程建筑材料、過濾材料等多個領域得到了廣泛應用。隨著技術的不斷發展,玄武巖纖維在各個領域的應用前景廣闊,將為各行各業帶來更多創新和發展機會。但由于其表面比較光滑,與其他材料不易結合,須對其進行表面改性進行改善。

等離子體改性技術,已被廣泛應用于微納米結構材料的表面處理領域。這項技術在改性高性能纖維方面,能夠有效的增加纖維自身粗糙度;提高纖維表面活性能能團含量;提升聚合接枝反應概率;改善纖維表面活性等方式,優化纖維與基體材料的能量吸收機制,從而增強高性能纖維與基體材料間的界面結合強度。

等離子體處理對玄武巖纖維表面的影響

表面形貌分析

采用掃描電鏡觀察BF等離子表面改性前后的表面形貌,如圖1-1(a-e)為玄武巖纖維經過不同時間等離子體處理后的SEM圖像,圖1-1(a)是未處理的BF試樣的微觀形貌圖像,從圖中可以看出未處理的纖維表面非常光滑,未見到雜質和凹凸不平的現象,但是等離子體處理后出現了許多粒狀突起,在處理1min時圖(b)這些粒狀凸起較小但是排列密集,十分細微。隨著處理時間的加長至3min圖(d)后,原本微小的粒狀凸變得更為立體,這些點狀蝕刻在纖維表面越來越多,面積越來越大,凸起的越來越明顯,這些點狀凸起提高了纖維表面的比表面積,進而增大了表面的接觸面積;處理后的纖維表面由光滑變得粗糙,可以提高其親水性。

圖1-1 等離子體處理玄武巖纖維表面形貌變化

水接觸角分析

如下圖1-2顯示了,不同等離子體表面改性處理時間下,BF表面的水接觸角大小圖像,選取代表性的幾個接觸角圖像進行分析。

圖1-2 玄武巖纖維接觸角等離子處理前后圖像

由上圖的BF纖維改性前后接觸角圖像所示,水接觸角的大小間接反應了纖維的吸水能力,從圖中可以直觀的看到,與未處理的BF相比,經過等離子體處理后,玄武巖纖維的接觸角顯著降低,從原本的疏水狀態鈍角轉變為親水狀態的銳角。這一變化清晰地表明,低溫等離子體處理有效提升了BF纖維表面的潤濕性能,不僅減小了接觸角,還增大了其表面能。這是因為氣體放電時會生成能量范圍為0-20eV的正負離子、電子及一系列亞穩態粒子,而C-C/C-H鍵強度在2.6-5.2eV范圍內,因此在等離子體能量的轟擊下,碳碳鍵斷開形成末端自由基,同空氣中電離的氧氣等離子體結合形成親水性羧酸基團，從而提高了玄武巖纖維表面的親水性。

綜上所述：等離子體表面改性不僅可以調控玄武巖纖維表面形貌,還能提高其表面活性引入極性官能團，增加親水性,提高化學反應的可能性,這有助于增強玄武巖纖維與其他材料之間的粘接性和相容性,提高其與其他材料之間的結合強度。