论文总字数：20361字

摘 要

玄武岩纤维是一种新型无机高性能纤维材料，与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维共称为我国四大高性能纤维。连续玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料具有良好的力学性能好，可循环利用，符合我国绿色发展和可持续发展的发展观念。但通常情况下玄武岩纤维与聚丙烯树脂界面结合性较差，所制得的复合材料达不到目标性能要求。本文针对玄武岩纤维与聚丙烯界面结合力弱的问题，通过对玄武岩纤维浸润剂的对比研究，总结出浸润剂的作用原理，找出最适合玄武岩增强聚丙烯复合材料制备的浸润剂配方，解决在玄武岩增强聚丙烯复合材料制备过程中浸渍效果不佳的问题，为制备高性能玄武岩纤维复合材料提供技术支持。同时本文采用一种实验室自制的膨胀型阻燃剂，研究其对玄武岩增强聚丙烯复合材料阻燃性能和力学性能的影响，在不降低复合材料性能的前提下提高其阻燃性能。

关键词：玄武岩纤维；聚丙烯；浸润剂；阻燃

Abstract

Basalt fiber is a new type of inorganic high-performance fiber material, which is called the four high-performance fibers in China together with carbon fiber, aramid fiber and ultra-high molecular weight polyethylene fiber. Continuous basalt fiber reinforced polypropylene composites have good mechanical properties and can be recycled, which accords with the development concept of green development and sustainable development in China. However, in general, the interface adhesion between basalt fiber and polypropylene resin is poor, and the composites can not meet the target performance requirements. In this paper, aiming at the problem of weak interfacial adhesion between basalt fiber and polypropylene, through the comparative study of basalt fiber sizing agent, the action principle of basalt fiber sizing agent is summarized, and the sizing agent formula which is most suitable for the preparation of basalt reinforced polypropylene composites is found to solve the problem of poor impregnation effect in the preparation of basalt reinforced polypropylene composites and provide technical support for the preparation of high performance basalt fiber composites. At the same time, an intumescent flame retardant made in laboratory was used to study the effect of intumescent flame retardant on the flame retardancy and mechanical properties of basalt reinforced polypropylene composites.

Key words: basalt fiber; polypropylene; sizing agent; Flame retardant

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1前言 1

1.2聚丙烯概述 1

1.2.1聚丙烯（PP） 1

1.2.2聚丙烯改性研究 2

1.3玄武岩纤维概述 2

1.3.1玄武岩纤维 2

1.3.2玄武岩纤维改性 3

1.4浸润剂概述 4

1.4.1浸润剂的组成 4

1.4.2浸润剂的作用及要求 5

1.5玄武岩增强聚丙烯复合材料研究进展 5

1.5.1力学性能研究进展 5

1.5.2界面研究进展 5

1.5.3浸润剂研究进展 6

1.6论文主要研究内容 7

第二章 实验部分 8

2.1玄武岩增强聚丙烯复合材料浸润剂研究 8

2.1.1实验原料及仪器 8

2.1.2浸润剂的配制 8

2.1.3浸润剂性能表征 9

2.1.4复合材料制备 10

2.1.5复合材料性能表征 10

2.2玄武岩增强聚丙烯复合材料阻燃性能研究 10

2.2.1实验原料及仪器 10

2.2.2阻燃剂的制备 11

2.2.3阻燃PP的制备 11

2.2.4玄武岩增强聚丙烯复合材料样品制备 12

2.2.5测试与表征 12

第三章 实验结果与讨论 13

3.1浸润剂配方设计 13

3.1.1浸润剂表面张力分析 13

3.1.2浸润剂稳定性分析 13

3.1.3浸润剂膜粘接强度分析 13

3.1.4浸润剂对复合材料力学性能的影响 13

3.1.5成膜剂的选择 14

3.1.6偶联剂的选择 15

3.1.7润滑剂及抗静电剂的选择 15

3.2玄武岩增强聚丙烯复合材料阻燃性能分析 16

3.2.1阻燃剂含量对CBF/PP复合材料阻燃性能的影响 16

3.2.2阻燃剂含量对CBF/PP复合材料力学性能的影响 16

第四章 结论 18

参考文献 19

致 谢 20

第一章 绪论

1.1前言

自从国家开放发展以来，我国各个领域发展状态相当可观，基础设施（大跨建筑、桥梁、隧道）的体量和数量均位于世界的前列。但是伴随着基础设施服役时间的不断推进，工程建筑都逐渐暴露出了一些问题，例如：寿命短、修复较困难、维护建筑的资金需求量大。相对来说，传统的建筑材料缺点十分明显，它们存在耐腐蚀性能差、自重大、使用年限短等诸多的问题，随着国家建筑行业的飞速发展，这部分传统的建筑材料已经不能够满足我国现有的建筑材料需求标准，发展具有轻质、高强、耐腐蚀及耐疲劳性能的纤维复合材料很快成为许多研究学者的首要目标。

根据调查，以碳纤维为代表的复合材料作为加固材料在新建建筑中也有应用，但碳纤维复合材料作为土木工程材料却存在不少的问题，比较明显的是价格高、生产工艺控制水平不高以及与传统建筑材料兼容性差。芳纶纤维虽然强度很高，但是蠕变率大，价格昂贵，也并不适宜作为建筑材料使用。至于玻璃纤维，虽然它价格较为低廉，但是它的蠕变性能和耐腐蚀性能都相对而言比较差，并不太适合在建筑领域进行应用。值得一提的是玄武岩纤维，它是一种新型高性能纤维材料，根据研究表明，其能耗只有碳纤维的十六分之一，其单位成本低于玻璃纤维，特别是远低于碳纤维等高性能纤维^[1]。同时，玄武岩纤维的蠕变率大概只占芳纶纤维的四分之三。而且，玄武岩纤维的力学性能和耐腐蚀性能都比普通玻璃纤维更好^[2]。除此之外，玄武岩纤维还具有高抗拉强度、耐高温、耐腐蚀、绝热隔音等优异性能，是新型建筑材料的不二之选。

近些年来，玄武岩纤维增强复合材料及其制品（包括筋材、网格、型材、拉索、连接件等）作为建筑结构装饰材料和建筑多功能装饰材料（包括地暖板、隔音板、防磁绝缘等）在结构和建筑多功能领域中已经得到了广泛应用^[3]，并且其用量已经超过了碳纤维。所以，玄武岩纤维增强复合材料在建筑用材方面受到了广泛关注，如何能够充分利用玄武岩纤维的优异性能成为当前研究建筑材料的相关人员需要面对和解决的难题。

1.2聚丙烯概述

1.2.1聚丙烯（PP）

聚丙烯（polypropylene，简称PP），日常人们称之为百折胶，是五大通用型树脂材料中的一种，它的密度很小（0.89-0.91g/cm³），可以漂浮在水面之上。它是一种无色半透明的固体物质，具有优异的抗热变形性能、抗弯曲疲劳性能和耐腐蚀性能。因此，人们将聚丙烯广泛应用于多个领域，如：机械、汽车、建筑、食品工业等。

1.2.2聚丙烯改性研究

聚丙烯是一种非极性聚合物，与极性的纤维、填料等相容性较差，但是，改性之后的聚丙烯，力学性能是有所增强的，能够较好地代替热固性工程塑料，实现资源的回收利用。

聚丙烯改性技术主要是通过两种方式对聚丙烯进行改性。第一种方式是物理方法，主要是通过熔融共混、填充等方法向聚丙烯基体中添加有机或无机助剂从而得到具有较高性能的聚丙烯复合材料。

另一种方式则是化学方法，通过共聚、交联、接技、添加成核剂等方法使聚丙烯的分子结构发生改变，从而提高其机械性能、耐热性、耐老化性等性能^[4]。近几年来，关于聚丙烯的改性技术得到了广大的研究和发展，相关的研究人员通过改性让聚丙烯更好的与其他材料相互结合，更好地发挥聚丙烯以及其他材料的优异性能，拓宽聚丙烯的已有应用领域，从而达到创造其更高经济价值的目的。

1.3玄武岩纤维概述

1.3.1玄武岩纤维

玄武岩纤维是一种新型的无机纤维，是通过将玄武岩岩石料置于1450℃-1500℃熔融之后，再用铂锗合金拉丝拉制而成。连续玄武岩纤维的主要化学成分如表1-1所示。SiO₂占玄武岩纤维的主要组成部分，它组成的结构骨架有效的保证了玄武岩纤维本身的化学稳定性和优异的力学性能；Al₂O₃的含量其次，它为玄武岩纤维的化学稳定性、力学性能和热稳定性提供了重大的贡献^[5]；而其中的MgO、K₂O、Na₂O、TiO₂等物质成分，虽然含量相对较少，但它们的作用却不容忽视。它们的存在大大地提高了玄武岩纤维的耐化学腐蚀能力和防水性能^[6]。

表1-2为玄武岩纤维与其他高性能纤维物化性能的对比^[7]。可以看出，玄武岩纤维的密度相对较高，抗拉强度可与E-玻璃纤维相当，弹性模量要高于E-玻璃纤维，与S-玻璃纤维的弹性模量相差无几。碳纤维虽具有良好的力学性能，可是它的昂贵造价却是一直阻碍其应用研究。至于玄武岩，它的原料容易获取、价格相对低廉、生产过程没有污染，并且使用后的废弃料都能够在降解之后后很快成为土壤母质，对环境不造成污染。另外，玄武岩纤维使用温度范围具备优势，能够在-269˚C～650˚C范围内正常使用，而且它的导热系数仅为0．031～0．048。总的来说，玄武岩纤维具有良好的耐低温、耐高温、隔热、阻燃等性能。

在成型工艺上，玄武岩纤维与玻璃纤维相有些类似，目前玻璃纤维使用的模塑工艺基本上都可以用来生产玄武岩增强复合材料。同时，玄武岩纤维也能够与任何标准树脂体系相容，这说明了玄武岩纤维广泛利用的可行性。相比玻璃纤维而言，玄武岩纤维具有更加优异的力学性能；相比碳纤维而言，玄武岩纤维具有更高的性价比，除此之外，玄武岩纤维还具有其他的优势：阻燃、隔音、防磁、环保等。总的来说，玄武岩纤维复合材料在玻璃纤维和碳纤维复合材料之间是处于最佳性价比位置的^[8]。

表1-1 玄武岩连续纤维的主要化学成分

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