玄武岩纤维(BF)是一种以玄武岩矿石为原料制备的纤维材料。玄武岩是一种火山岩,由于其丰富的化学成分和特殊的结构,使得它具有优异的物理和化学性能,适合用于纤维材料的制备。

玄武岩纤维是一类优良纤维材料,有着良好的物理性质和化学稳定性。它不仅具备高强度、耐热和阻燃性,,还具有环境友好的特性。玄武岩纤维以及其制备的复合材料已经在军工领域、土木工程建筑材料、过滤材料等多个领域得到了广泛应用。随着技术的不断发展,玄武岩纤维在各个领域的应用前景广阔,将为各行各业带来更多创新和发展机会。但由于其表面比较光滑,与其他材料不易结合,须对其进行表面改性进行改善。

等离子体改性技术,已被广泛应用于微纳米结构材料的表面处理领域。这项技术在改性高性能纤维方面,能够有效的增加纤维自身粗糙度;提高纤维表面活性能能团含量;提升聚合接枝反应概率;改善纤维表面活性等方式,优化纤维与基体材料的能量吸收机制,从而增强高性能纤维与基体材料间的界面结合强度。

等离子体处理对玄武岩纤维表面的影响

表面形貌分析

采用扫描电镜观察BF等离子表面改性前后的表面形貌,如图1-1(a-e)为玄武岩纤维经过不同时间等离子体处理后的SEM图像,图1-1(a)是未处理的BF试样的微观形貌图像,从图中可以看出未处理的纤维表面非常光滑,未见到杂质和凹凸不平的现象,但是等离子体处理后出现了许多粒状突起,在处理1min时图(b)这些粒状凸起较小但是排列密集,十分细微。随着处理时间的加长至3min图(d)后,原本微小的粒状凸变得更为立体,这些点状蚀刻在纤维表面越来越多,面积越来越大,凸起的越来越明显,这些点状凸起提高了纤维表面的比表面积,进而增大了表面的接触面积;处理后的纤维表面由光滑变得粗糙,可以提高其亲水性。

图1-1 等离子体处理玄武岩纤维表面形貌变化

水接触角分析

如下图1-2显示了,不同等离子体表面改性处理时间下,BF表面的水接触角大小图像,选取代表性的几个接触角图像进行分析。

图1-2 玄武岩纤维接触角等离子处理前后图像

由上图的BF纤维改性前后接触角图像所示,水接触角的大小间接反应了纤维的吸水能力,从图中可以直观的看到,与未处理的BF相比,经过等离子体处理后,玄武岩纤维的接触角显著降低,从原本的疏水状态钝角转变为亲水状态的锐角。这一变化清晰地表明,低温等离子体处理有效提升了BF纤维表面的润湿性能,不仅减小了接触角,还增大了其表面能。这是因为气体放电时会生成能量范围为0-20eV的正负离子、电子及一系列亚稳态粒子,而C-C/C-H键强度在2.6-5.2eV范围内,因此在等离子体能量的轰击下,碳碳键断开形成末端自由基,同空气中电离的氧气等离子体结合形成亲水性羧酸基团，从而提高了玄武岩纤维表面的亲水性。

综上所述：等离子体表面改性不仅可以调控玄武岩纤维表面形貌,还能提高其表面活性引入极性官能团，增加亲水性,提高化学反应的可能性,这有助于增强玄武岩纤维与其他材料之间的粘接性和相容性,提高其与其他材料之间的结合强度。