上浆剂对纤维表面特性的作用机制

2026-04-07 10:23:22, Eric Brendle Gravite Science

基于反气相色谱无限稀释条件下的玄武岩与碳纤维对比研究

摘要

采用无限稀释反气相色谱（ IGC- ID ）对市售上浆玄武岩纤维（ B3 ）进行表面表征，以未上浆氧化碳纤维（ CFnE ）、环氧上浆碳纤维（ CFE ）、溶剂退浆碳纤维（ CFdE ）、未氧化未上浆碳纤维（ CF ）为参比，定量分析色散表面能、表面纳米形貌、极性相互作用能及酸碱特性。

结果表明：上浆玄武岩纤维 B3 的色散表面能为 38.0±0.8 mJ /m² ，形貌指数比 RIM=2.540 ，总极性相互作用能 ΣISP=65.5 kJ/mol ，酸性常数 Ka=5.2 、碱性常数 Kb =74.2 ，各项参数与环氧上浆碳纤维 CFE 高度接近。上浆剂通过物理包覆与化学官能团修饰，完全屏蔽纤维基底本征特性，主导表面能、形貌、极性与酸碱行为，使不同基底纤维呈现一致的界面性能，为复合材料界面设计提供关键依据。

关键词：上浆剂；玄武岩纤维；碳纤维； IGC ID ；表面特性；界面相容性

引言

玄武岩纤维兼具高比强度、耐腐蚀性与成本优势，是碳纤维的重要替代增强材料。纤维表面特性直接决定复合材料界面结合强度，而上浆剂作为纤维表面改性层，对界面浸润、粘结与力学传递起决定性作用。目前缺乏对上浆剂作用机制的定量表征，难以指导配方设计与基体匹配。

无限稀释反气相色谱（ IGC ID ）可在零表面覆盖下精准测定固体表面能、纳米形貌、酸碱作用等参数，适用于纤维表面微区分析。本文采用 IGC ID 系统表征上浆玄武岩纤维表面参数，与多类型碳纤维对比，揭示上浆剂对纤维表面特性的影响机制，为增强纤维选型与界面优化提供数据支撑。

实验部分

2.1 实验材料

上浆玄武岩纤维 B3 （ Filava ISOMATEX 公司）；

参比碳纤维：未上浆氧化 CFnE 、环氧树脂上浆 CFE 、四氢呋喃索氏退浆 CFdE 、未氧化未上浆 CF （ Hexcel 公司）。

2.2 测试条件

设备： Adscientis Neuron IC

测试温度 30 ℃ ，色谱柱 30 cm ，样品装填量 3.7024 g ；载气为氦气，流速 20 mL/min ；

死体积保留时间测定探针为甲烷；

正构烷烃探针： C6–C10 ；

支链 / 环烷烃探针：异辛烷、 2,2 二甲基己烷、环辛烷；

极性探针：乙腈、三氯甲烷、丙酮、乙酸乙酯、乙醚、四氢呋喃、苯。

2.3 数据计算

色散表面能（ γ _s^d ）： Dorris Gray 法，正构烷烃系列计算；

表面形貌：形貌指数 IM 、形貌指数比 RIM=IM(CyC8)/IM( 支链 ) ；

极性相互作用：总极性相互作用能 ΣISP ；

酸碱特性： Gutmann 酸常数 Ka 、碱常数 Kb 。

结果与讨论

3.1 色散表面能对比

纤维色散表面能反映非极性相互作用强度，直接影响树脂浸润。测试数据显示：

B3 与 CFE 色散能高度一致，显著低于未上浆碳纤维。说明 “ 上浆剂完全取代基底纤维本征表面能 ” ，决定纤维表面非极性行为。

3.2 表面纳米形貌特征

形貌指数 IM 与 RIM 可区分硬纳米粗糙表面与软溶解表面：

RIM>2 表明上浆纤维进入溶解区，呈现 “ 软表面 ” 特征；

未上浆纤维为硬纳米粗糙表面。

上浆剂形成均匀包覆层，消除基底微观粗糙度，构建低阻抗、高相容表面。

3.3 极性相互作用能

极性相互作用能 ΣISP 反映纤维与极性基体的作用强度：

B3 与上浆 / 退浆碳纤维处于同一区间，表现中高极性；未上浆碳纤维极性显著偏低。上浆剂提供稳定极性官能团密度，统一纤维表面极性水平。

3.4 酸碱特性分析

酸碱特性决定界面化学键合能力：

B3 与 CFE 均呈 “ 强路易斯碱性 ” ，碱性占绝对主导；未上浆碳纤维酸碱活性弱。上浆剂引入碱性官能团，定向调控表面酸碱特征，适配环氧等极性基体体系。

3.5 上浆剂影响机制

“ 物理包覆屏蔽 ” ：上浆剂形成连续薄膜，覆盖纤维基底，消除材质差异；
“ 表面能重构 ” ：以涂层表面能取代基底能，实现低表面能、高浸润性；
“ 形貌软表面化 ” ：降低粗糙度，进入溶解区，提升界面相容性；
“ 极性与酸碱定向调控 ” ：引入极性 / 碱性官能团，实现界面可设计化。

数据证明：上浆剂主导纤维表面特性，与基底材质无关。

结论

上浆玄武岩纤维 B3 的色散表面能、形貌、极性、酸碱参数与环氧上浆碳纤维 CFE 高度匹配： γ _s^d =38.0 mJ /m² ， RIM=2.540 ， ΣISP=65.5 kJ/mol ， Ka=5.2 、 Kb =74.2 ；
上浆剂以物理包覆 + 化学官能团修饰，完全屏蔽基底纤维本征特性，主导表面能、形貌、极性与酸碱行为；
IGC ID 可有效区分上浆软表面与未上浆纳米粗糙表面，为复合材料界面优化提供定量方法；
上浆玄武岩纤维可作为环氧上浆碳纤维的功能替代材料，适用于中等表面能、强碱性界面需求场景。

参考文献

[1] Huve J, Brendlé E. Étude de fibres de carbone & basalte par CGI[R]. Internal report, 2019.

[2] Dorris G M, Gray D G. The surface energy of solids: determination from contact angles[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1980, 77: 353 362.

[3] Brendlé E, Papirer E. Surface characterization of carbon fibers by inverse gas chromatography at infinite dilution[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1997, 194: 207 216.

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