浅谈玄武岩纤维增强聚合物外文翻译资料

 2022-07-06 13:59:40

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浅谈玄武岩纤维增强聚合物

摘要：近年来，利用环境友好型，天然纤维增强轻质低成本的聚合物复合材料，在全球范围内都能看到。目前广泛使用的一种感兴趣的材料是玄武岩纤维，它具有成本效益，较玻璃纤维具有优异的性能。这些复合材料的突出优点包括具有很高的机械物理化学性质、生物降解性和非研磨性。本文简要介绍了一种用于复合材料增强体的玄武岩纤维，并讨论了其作为玻璃纤维的替代材料。本文还讨论了玄武岩化学的基本原理及其分类。从这个角度，我们试图展示在玄武岩纤维领域的研究出版物和活动的日益增长的趋势。进一步讨论了在特定行业中应用的机械、热和耐化学性能的改进。

1引言

玄武岩自1923年被美国科学家发现以来，是军事研究的首选材料，在二战期间被美国(美国)、欧洲和苏联的国防和航空应用广泛使用。图1展示了广泛使用的玄武岩纤维和碳纤维布。近几十年来，利用玄武岩纤维增强机械性能的研究越来越多，使聚合物工业受到了冲击。这些纤维现在用于制造轻型、高端混合材料用于基础设施和民用应用。

一般来说，混合纳米复合材料是在两种或两种以上的复合材料被嵌入或在一个共同的宿主基质内进行强化时制备的。通过两种或两种材料的混合，实现了一种协同效应，在材料中提供了新的、优良的性能，如提高弹性模量、延展性、轻的重量和阻燃能力。这些品质已经存在于碳纤维(CFs)中，这在大量的大型工程应用中很有用，比如飞机(民用和国防)、汽车、运输、运动设备和建筑。然而，基于cf的复合材料由于纤维的脆性而易受应力集中的影响。碳合成工业的主要缺点是生产费用，因此使用的负荷很低。复合材料(碳纤维增强塑料-CFRP)的缺点和脆性问题可以通过一种混杂技术来解决，即用延性纤维代替碳纤维层。这可能会导致成本效益和物理和机械性能的改善。

利用这种技术，可以合成和制造新型材料。例如，Park和Jang[12]将聚乙烯(PE)的纤维与环氧基体中的碳纤维结合在一起，制造出一种混合的复合材料复合材料。在他们的实验中，他们选择了PE纤维因为它的高强度和高强度和硬度。根据他们的观察结果，得出了混合基复合材料的超力学性能与增强纤维的位置密切相关。因此，当CF被放置在外围(最外层)层时，合成物具有高度的抗弯强度。

基于以上的观察，目前需要强、轻、耐用、经济可行的纤维来制造混合复合材料。目前市面上有几种有机和无机纤维，但很多都不是结构强度或耐久性，或者是在适当的负荷下使用非常昂贵。玄武岩纤维是一种具有极好的模量、高强度、易变形、耐高温、耐高温、耐高温、耐化学、易处理、无毒、自然、环保、价廉的无机纤维。玄武岩纤维是在从盆地基的松软火山岩中挤出后得到的，它是在流动的岩浆中发现的。玄武岩纤维的挤压过程是非常有效的，比任何相互竞争的纤维都要简单。纤维尺寸一般在10-20 微米范围内。其中的一些特性(如玄武岩的拉伸和压缩特性)比e -玻璃纤维更好，而且比它们的碳酸盐要便宜得多。因此，玄武岩纤维作为一种新型的复合材料制备材料，受到越来越多的关注。

基于玄武岩纤维的优点，潜在的应用存在于玄武岩-环氧复合材料的制备中，其重量轻，具有较强的承载力，在大型汽车工业中具有重要的应用价值。目前，由于其优良的力学性能，在汽车工业中广泛采用了CF复合材料。利用这种增强材料，可以使车身重量减少40-60%，但是整个过程的成本在经济上是不可行的。因此，在基于cfrp的复合机械性能损失中，降低生产和交付成本的必要性非常重要。如上所述，玄武岩纤维的低成本和低成本的特性可以使玄武岩成为碳纤维复合材料加固的一个前景。有报道称，在复合材料层中有不同的增强材料的玄武岩纤维的引入。Lopresto等研究并比较了玄武岩纤维增强塑料或聚合物(BFRP)与玻璃纤维增强塑料(GFRP)的压缩强度、杨氏模量和抗弯性能，发现玄武岩具有优越性，具有替代玻璃的潜力。manikandan等人编写了一份类似的报告。另一方面，通过引入纳米颗粒、纤维填充剂和纤维的表面改性，进一步提高了纤维增强塑料的力学、物理和物理化学性能。目前，很少有研究人员对玄武岩纤维进行表面处理，以提高其性能。另一种可能的替代方法是提高玄武岩的性能，之前所讨论的是将其与碳化纤维混合。这将使它的重量非常轻，坚固耐用，同时也为混杂复合材料世界提供了大量的机会。

Carmisciano等[20]，报道了玄武岩纤维增强的复合材料的较高的弯曲模量和层间剪切强度， (BWFRC)。他们还发现，他们制作的BWFRC在和玻璃纤维增强复合材料比较时具有相似的电性能。关于玄武岩纤维的结构特性，有几种报道可以显示材料的混合能力。在此之前，玄武岩是建筑业的首选材料(作为纤维)，作为一种外部或内部的钢筋混凝土材料，已被广泛应用。此外，玄武岩还可用于其他应用，如海洋[、冲击或弹道抵抗应用。Eslami-Farsani等通过切割玄武岩纤维并将其混合在聚丙烯-粘土混合物中制造了一种复合材料。这种方法不仅提高了复合材料的屈服强度，而且大大提高了复合材料的弹性模量。玄武岩的实用性、韧性较强，可以在不同形状的纤维像棍、棒和纺织面料中作为基体的增强体是可能的。

本综述着重介绍了玄武岩纤维稳定、惰性、环保和非反应性强化材料在轻质复合材料的合成和生产中的广泛应用。此外，介绍还强调了使用玄武岩纤维增强的聚合物基体制得的复合材料的应用。

1.1玄武岩的化学组成

玄武岩富含镁、钙、钠、钾、硅和铁的氧化物，还有铝的痕迹。本文描述了玄武岩中化学成分的整体百分比分布。化学成分可能因地理分布而异。玄武岩储量丰富，占地壳的33%。玄武岩纤维由粉末状玄武岩制成，在1500-1700年左右融化，形成一种玻璃状的熔融液体，然后以细线的形式挤压出来。这些纤维是由辉石、斜辉石、橄榄石和斜长石矿物组成。[51]。以上述化学成分为基础，如果玄武岩富含二氧化硅，钠含量较低，则被归类为拉斑玄武岩。如果玄武岩中含有丰富的钠和不足的二氧化硅，则被归类为碱性玄武岩。此外，如果富含氧化铝的矿物含量超过17%，那么玄武岩就被归类为拉斑玄武岩和碱玄武岩之间的中间体。富含镁的玄武岩被称为玻古安山岩，它的钛和其他微量金属含量极低。图3所示为玄武岩中的矿物分布，反映了地质事件中所产生的化学性质和玄武岩的种类。图5所示为玄武岩纤维的基本力学性能(图4)，并与不同的商业纤维进行比较，表明玄武岩具有优良的抗拉强度和良好的模量。与其他材料相比，人们可以推断出，选择的材料是昂贵的、重的、化学性质不稳定的，或很难处理的，需要更长的固化制备方法和方法才能获得好的复合材料。相比之下，玄武岩是环保的、无毒的、轻量的、价格低廉的，是制造复合材料的理想选择。

2增强体的重要性

增强剂是一种聚合物基体中的组成成分，有助于提高强度、硬度、基体相互作用、电导率、耐热性和耐化学性和物理腐蚀。根据不同的复合材料的应用，不同的复合材料有几种类型的增强剂。尽管如此，单链或束状的纤维也被用于像纤维缠绕这样的过程中，但这些纤维被排列和编织成一张纸或织物以方便处理。纤维的各种排列和组合，及其在织物上的取向导致了力学性能的特征变化。简而言之，这些纤维充当负载轴承组件。不同类型的纤维叠加显示在图6中，展示了用于复合材料制造的不同类型的编织织物。

2.1增强纤维的性能

如前所述，增强纤维的力学性能明显高于非增强树脂基复合材料的力学性能。这些复合材料(纤维/树脂基)的性能取决于这些纤维的贡献，这就产生了增强复合材料的协同效应。控制纤维复合材料作用的主要因素是:(1)纤维的内在力学性质，(2)纤维与树脂组分(界面相互作用)的物理化学相互作用，(3)复合材料中纤维的体积分数，(4)复合材料的位置、方向和纤维的铺层，(5)可回收性。

如果满足上述条件，则增强体可以成功地增强了复合材料基体并使其比基体更强和更硬。这有助于减轻变形效应，也可能改变或延迟复合材料的失效机制。

3增强体的物理性质

正如上述所讨论的，当基体中加入增强体时，可以改善复合材料的物理性能。这一部分讨论的是文献中所报道的玄武岩纤维增强复合材料的机械性能和热性能。

3.1机械性能

正如之前所述，由于其机械性能的提高，玄武岩纤维作为纤维类增强体，它的使用比起其它传统纤维（玻璃纤维）已经引起更多的关注。早期有报道表明玄武岩纤维增强复合材料的弹性模量强烈地依赖于单独玄武岩纤维的化学结合和成分。玄武岩纤维也因为其更高的拉伸强度和断裂延伸率而被人所知。有了这些改善参数的帮助，玄武岩纤维也可以提高复合材料的耐冲击性和环境可持续性等性能。今天，仍有关于玄武岩纤维增强复合材料机械性能应用的报道，像热固性塑料，热塑性塑料，冲击行为。最近，Ary Subagia 等人通过真空辅助树脂传递模塑技术制备了玄武岩纤维增强环氧复合材料并在其中加入了微米/纳米的电气石颗粒（0.5-2wt％）结果表明其拉伸强度和弯曲强度分别提高了16%，而拉伸模量和弯曲模量分别提高27%和153%。Sarasini 等人报道了玄武岩纤维的杂化对其准机械性能的影响以及碳纤维增强环氧基层合板的低速冲击行为。他们将两种层合板在三种不同的能量下用不同的顺序堆积（三明治式和夹层式）的方式来测试混杂系统间的相互作用。结果表明以夹层式（玄武岩纤维和碳纤维层交替排列）堆积制备的层合板比单一碳纤维制备的层合板能更好的吸收冲击能量因而提高了抵抗破环的能力。而类似三明治式（玄武岩纤维：碳纤维：玄武岩纤维，3：7：3）混杂层合板表现出很好的弯曲性能。Wang X等人提出一种提高以混杂化为基础的BFRP性能的方法，该设计是在大跨度电缆桥方面应用的优化。获得的结果表明由于纤维混杂的影响，复合材料在模量，潜在强度，以及失效行为上都有所提高。Zhang Y等人使用注塑成型的方法制备了不同含量和不同形式的玄武岩纤维增强聚丁烯琥珀酸盐（PBS）复合材料并评价了其拉伸强度，弯曲，和冲击性能以及热稳定性。他们观察到由于随着复合材料中玄武岩纤维数量的增加提供的协同强度使得PBS基体的拉伸和弯曲性能得到改善。他们表示复合材料的维卡软化点和热变形温度比纯聚合物(PBS)基体高的多。进一步的形态分析表明失效表面有更强的界面粘接且在玄武岩纤维和基体成分之间有更强的连接。当含有玄武岩纤维的复合材料进行其冲击行为的分析时，玄武岩纤维增强的复合材料在复合材料中表现出极好的冲击屏蔽和能量屏蔽。如果玄武岩纤维放置在表面或在复合材料中使用交替层则复合材料会有更高的强度。这种堆积方式会消耗掉大量能量，这些能量会导致在冲击上的一系列变化。弹性变形，塑形变形，摩擦，基体断裂，拉出，分层，脱粘和纤维断裂等变化时提高持续性的行为机制。基于这些因素，可以推测相对于玻璃纤维和碳纤维层合板，玄武岩纤维复合材料层合板在承受载荷方面对冲击器的瞬间高活性能量有更高的耐性。且弯曲性能比拉伸和纤维载荷更加敏感，这意味着纤维增强聚合物基复合材料的拉伸模量主要依赖于纤维模量，树脂基体模量，纤维方向，纤维长度和纤维含量。

提高玄武岩纤维复合材料的另一种方法是通过表面处理（功能化）或使用辉光放电的方法。等离子处理比起常用的湿法加工技术（溶液一般是酸，碱，硅烷类等）是一种对环境更友好的方法。使用这种玄武岩纤维的表面处理可以得到更好的效果。Kurniawan等人研究了大气压力辉光放电等离子体聚合硅烷处理玄武岩纤维的效果，通过辐射玄武岩纤维零到六分钟来评价玄武岩纤维增强聚乳酸复合材料的机械性能和热性能。获得的结果表明复合材料的性能（强度和模量）比起未处理的分别提高了45%和18%。最优的处理时间为4.5min。他们还发现当辐射处理的时间低于1.5min时会导致复合材料性能的下降。这种性能的下降可以归咎于硅烷键的断裂和聚合物中新键的形成。事实上，纤维中Si-C键的断裂能低于聚合物中的碳碳双键，这导致了复合材料甚至在短时间等离子处理时也易受攻击。复合材料的强度不仅取决于纤维的弯曲也依赖于复合材料的基体。复合材料经常有令人兴奋的冲击行为，这是由于界面层树脂和纤维的键和方式。相邻层之间相互重叠使得在分层过程中纤维可以阻止裂纹的扩展。Kim等人以低温大气氧等离子体对玄武岩纤维进行表面处理，研究玄武岩环氧的层间失效和韧性。研究的目标时了解玄武岩纤维的可湿性。获得的结果表明纤维的可湿性随着物理蚀刻的纤维表面功能化的提高而有显著的增加。结果层间失效测试表明当样品用氧气进行等离子处理时强度改善了16%。他们还发现通过表面处理以及可湿性提高和粘接力的共同影响，玄武岩纤维增强树脂基体复合材料的机械性能得到极大改善。类似地，Botev等人使用PP-g-MA对玄武岩纤维进行处理提高了玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的机械性能（冲击强度和拉伸强度）。Bashtannilk等人用盐酸溶液和氢氧化钠溶液腐蚀玄武岩纤维表面使得复合材料填料（玄武岩纤维）和基体（高密度聚乙烯）之间形成很高的结合强度。Czigany等人用一种硅烷前驱体做结合剂对玄武岩纤维进行表面处理进而改善了玄武岩乙烯基酯复合材料的拉伸强度。Fiore分析了混合，自冲铆接，在铆钉上粘接共固化键三种不同的连接方式将铝合金和玄武岩纤维增强聚合物基复合材料。他们也利用手糊和真空袋压的方式制备了用于连接结构的复合材料层合板。结果表明真空袋压的成型方式由于改善了铆钉和BFRP之间的粘接强度因而其平均失效载荷提高了23%。这帮助修改了失效机制。手糊成型方式制备的混合连接层合板的抗咬合性比真空袋压高43%。 另一方面，手糊成型制备的复合材料表现有相同的抗咬合性。如果通过真空袋压获得的共固化粘接，其粘接处的结合电阻将比混合式样高67%。这表明表面处理使得基体的化学官能团和经过表面功能化的纤维之间形成了强键连接协同地为纤维基体媒介提供更高的强度因而提高了复合材料的粘接性能和机械性能。

玄武岩复合材料的优点很久以来一直被用于城市基础设施应用。Sim 等人研究了玄武岩纤维用于增强基础设施工业骨干材料的相关性。他们评价了使用玄武岩纤维的混凝土材料的韧性，机械特性，弯曲强度。该小组使用的是高等级的俄罗斯玄武岩纤维，据报道该纤维的拉伸强度可达1Gpa，是碳纤维的30%，高强玻璃纤维（s-玻璃纤维）的60%。他们还测试了该纤维抵抗天气的能力发现其比玻璃纤维有更高的适应性。他们将纤维放在600℃保存2h发现其仍然保留有原来90%的强

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