石鑫玄武巖纖維

近日，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室研究人員在玄武巖纖維的高性能化研究中取得進展。針對玄武巖纖維是絕緣材料特點，研究人員制備出基于導(dǎo)電納米復(fù)合材料的功能型浸潤劑，并采用全實驗法優(yōu)化浸潤劑配方。在此基礎(chǔ)上，以玄武巖礦石為原料，結(jié)合纖維在制備過程中涂覆浸潤劑這一工藝，在實驗室自建的50孔拉絲設(shè)備上批量制備出導(dǎo)電玄武巖纖維。

玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)過礦石粉碎、熔融、拉絲和涂覆浸潤劑制成的絲狀材料。該類纖維由于具有較好的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和耐腐蝕能力，因此在交通、建筑和海洋等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。玄武巖纖維本身是絕緣材料，不具備導(dǎo)電性能，但是材料在生產(chǎn)和使用過程中，纖維之間的摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，影響了纖維的集束、加工和應(yīng)用方便性，同時也限制其在高性能材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

研究表明，研發(fā)的功能型浸潤劑具有良好的分散穩(wěn)定性和較好的電學(xué)性質(zhì)，其電導(dǎo)率超過200 μS/cm；對材料的微觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)，浸潤劑在玄武巖纖維表面成膜性能良好，厚度約為500 nm，浸潤劑涂層使得玄武巖纖維在宏觀上由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，電導(dǎo)率超過10 S/cm，滿足材料在抗靜電領(lǐng)域的應(yīng)用；與未涂覆浸潤劑的玄武巖纖維相比，導(dǎo)電玄武巖纖維的單絲拉伸強度提升20%，相關(guān)機理研究發(fā)現(xiàn)，浸潤劑通過裂紋鈍化、橋接等方式，有效降低玄武巖纖維表面的應(yīng)力集中，對纖維表面的結(jié)構(gòu)缺陷起到一定的修復(fù)作用。相關(guān)研究成果發(fā)表在Materials Today Communications上。

此外，該研究以玄武巖纖維織物為原料，在無外加催化劑條件下通過化學(xué)氣相沉積法在其表面直接生長碳納米管，并以該纖維材料作為增強相，與高分子基體進行有效復(fù)合，制備出高分子納米復(fù)合材料，研究復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。結(jié)果顯示，玄武巖纖維在高溫下表面會析出尺寸在10-100 nm的納米顆粒，并隨處理溫度的升高，納米顆粒的結(jié)晶度也明顯提高。在高溫條件下，析出的納米顆粒可作為催化劑實現(xiàn)碳納米管的原位可控生長。碳納米管在玄武巖纖維織物上的直接生長，解決了納米顆粒在高分子基體中難分散、易團聚等問題，為高效制備納米復(fù)合材料提供新方法。對納米復(fù)合材料電磁屏蔽性能機理研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合體系中具有的納米-微米多層結(jié)構(gòu)提高了電磁波在材料內(nèi)部的多重反射幾率，材料內(nèi)部通過電荷傳輸、偶極子極化、電容雙電層結(jié)構(gòu)等對電磁波的吸收以及多重反射所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，使得納米復(fù)合材料具有較好的電磁屏蔽性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在Carbon上，并被選為該雜志第167期封面。

相關(guān)研究成果已申請專利，研究工作得到中科院“西部之光”交叉團隊-重點實驗室合作研究專項、中科院“十三五”規(guī)劃重點培育方向等項目的資助。