劉造芳,張得昆，張 星

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著環(huán)境友好型社會的發(fā)展,綠色可循環(huán)材料已成為應用領域日益增長的必然需求。玄武巖纖維是以天然的火山巖為原料,經(jīng)高溫(1 450～1 500 ℃)拉絲而成的一種新型無機環(huán)保纖維[1],其與碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高技術(shù)纖維相比,除具有高強高量的特性外,還具有較好的耐溫性(-269～650 ℃)、抗氧化性、絕緣性等,可廣泛用于建筑、電子、化工等領域[2-4]。此外玄武巖纖維原料來源豐富,價格相對較低,其產(chǎn)品還可代替價格昂貴的碳纖維、芳綸纖維等應用于某些領域。

但玄武巖纖維表面光滑、纖維間抱合力較差,將其用于紡織加工難度較大[5]。而濕法非織造工藝具有原料適應范圍廣、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點[6],因此利用濕法非織造工藝制備玄武巖纖維濕法非織造薄氈,不僅降低了生產(chǎn)成本、效率高,也符合當今時代綠色環(huán)保的主題。 然而玄武巖纖維與玻璃纖維結(jié)構(gòu)相似,主要成份都為SiO2、A12O3、Fe2O3等,親水性差,因此玄武巖纖維表面也會存在著大量的陰離子基團,易引起水分子的極化,使纖維表面帶負電,導致纖維間產(chǎn)生靜電,相互纏繞、難以分離[7-8]。而纖維在懸浮液中的均勻分散是濕法非織造布生產(chǎn)的關鍵,因此解決玄武巖纖維分散性差的問題,是制備玄武巖纖維濕法非織造布的前提。目前,國內(nèi)外幾乎沒有有關玄武巖纖維濕法非織造布的研究,因此可借鑒提高玻璃纖維等無機纖維分散性的方法來改善玄武巖纖維的分散性。

肖仙英等[9]在玻璃纖維水溶液中加入表面活性劑 PEO 來改善纖維在水中的分散狀況,但分散劑濃度過大時,會影響成型時的濾水速率,降低生產(chǎn)效率。楊棹航等[10]提出可以通過打漿在纖維懸浮液中施加動力來改善無機纖維的分散性,但大部分無機纖維性脆,打漿容易對纖維造成損傷。胥紹華[11]提出降低懸浮液中的pH值有利于減小玻璃纖維產(chǎn)生的靜電,從而改善玻璃纖維在懸浮液中的分散性能,但懸浮液中的pH值過低,可能會腐蝕生產(chǎn)儀器。而目前通過利用鹽酸改性來提高纖維分散性的研究鮮有報道,大多數(shù)有關鹽酸改性玄武巖纖維的研究,都是為了提高玄武巖纖維與基體材料之間的附著力和界面結(jié)合強度[12-13]。因此文中利用鹽酸對玄武巖纖維進行改性,有利于解決玄武巖纖維難分散的問題,對今后玄武巖纖維濕法非織造薄氈的開發(fā)和生產(chǎn)有著積極的推進作用。

1 實 驗

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料 玄武巖纖維(70 mm×67.33 tex,浙江石金玄武巖公司)、丙酮(天津市大茂化學試劑廠)、無水乙醇(分析純,天津市大茂化學試劑廠)、鹽酸(北京藍弋化工產(chǎn)品有限責任公司)。

1.1.2 儀器 JA3003型電子天平(上海皓莊儀器公司)、燒杯、量筒、剪刀、玻璃棒等。

1.2 響應面實驗方案設計

經(jīng)大量實驗,確定了Box-Behnken實驗設計中心點即鹽酸濃度(A)為4 mol/L,改性時間(B)為10 h,改性溫度(C)為40 ℃,并以鹽酸濃度、改性時間和改性溫度3個因素為自變量,以分散度為響應值設計三因素三水平的響應面實驗,實驗因素與水平編碼見表1。

表 1 響應面實驗因素與水平編碼

1.3 玄武巖纖維改性工藝

酸處理前，為了清除玄武巖纖維表面的雜質(zhì),將其放入丙酮溶液中浸泡2 h后,用無水乙醇沖洗若干次,放入90 ℃的烘箱中烘干備用。

根據(jù)表1所設計的響應面實驗方案將鹽酸稀釋到相應的濃度(2 mol/L,4 mol/L,6 mol/L),再將裝有配置好鹽酸濃液的燒杯放到水浴鍋中,加熱到相應的溫度(25 ℃,40 ℃,55 ℃),隨后將玄武巖纖維放入達到特定溫度的鹽酸溶液中改性一定時間(6 h,10 h,14 h)。達到改性時間后,將玄武巖纖維取出,在90 ℃的烘箱中烘干,并用剪刀將玄武巖纖維剪切到5 mm左右,作為備用。其中,在鹽酸溶液升溫和玄武巖纖維改性過程中,需用保鮮膜封住燒杯口,防止鹽酸揮發(fā)。

1.4 分散度性能測試

纖維分散程度的表征方法主要分為兩類,一類是通過直觀方法對纖維的分散情況進行分析如分散度法、沉降時間、沉降速率等,另一類則是通過測定纖維懸浮液的表面張力、動電電位和吸光度等參數(shù)來表征纖維的潤濕或分散性能[14-15]。由于分散度法較為簡便,故本文采用分散度法來表征。分散效果的好壞與分散度的大小成正比關系[17],其具體操作方式為:用電子天平稱取一定量的短切玄武巖纖維放入500 mL的燒杯中,用玻璃棒輕輕攪拌后靜置5 min,觀察玄武巖纖維懸浮液的沉降情況,計算分散度：

y=(v0-v1)/v0×100%

(1)

式中:v0為開始沉降濕纖維懸浮液的總高度,mL;v1為懸浮液中上層清液的高度,mL;y為分散度,%。

2 結(jié)果與分析

響應面法通過對指定設計空間內(nèi)樣本點的集合進行有限的實驗設計，應用響應面法不僅可得到響應目標與設計變量之間的變化關系，而且可以得到優(yōu)化方案，使目標函數(shù)達到最優(yōu)[17]。采用Design-expert 10.0中的Box-Behnken組合實驗進行玄武巖纖維的分散性能優(yōu)化，優(yōu)化組合共有17組，優(yōu)化實驗結(jié)果見表2。響應面實驗設計方差分析見表3。

表 2 響應面分析法實驗結(jié)果

2.1 模型建立與顯著性分析

使用Design expert 10.0軟件對數(shù)據(jù)進行二次多項式回歸擬合,最終得到分散度(y)與鹽酸濃度(A)、改性時間(B)、改性溫度(C)之間的二次回歸方程

表 3 響應面實驗設計方差分析

注: ***為差異極顯著(P<0.001);**為差異高度顯著(P<0.01);*為差異顯著(P<0.05)。

F值越大,說明實驗因素對響應值的影響程度越大,因此由表3可得,影響玄武巖纖維分散度因素的主次順序為改性時間>改性溫度>鹽酸濃度。

2.2 因素交互作用對玄武巖纖維分散度的影響

通過Expert-design 10.0軟件分析鹽酸濃度、改性時間、改性溫度這3個因素兩兩交互對最終響應值分散度的影響。圖1～3為三因素兩兩交互的響應面曲線和等高線圖,等高線為橢圓形,則說明交互作用顯著。

2.2.1 改性時間和鹽酸濃度對分散度的影響 從圖1可看出,玄武巖纖維在懸浮液中的分散性隨著改性時間的增加而提高,但鹽酸濃度的改變對分散度值的影響較小。這也說明了在改性過程中改性時間對玄武巖纖維分散性的提高具有顯著影響,鹽酸濃度則影響較小。這與方差分析結(jié)果一致。改性時間的提高能顯著提高玄武巖纖維的分散性,這可能是因為隨著鹽酸改性時間的增加,降低了玄武巖纖維表面的ζ電位,減弱了纖維間的靜電現(xiàn)象,從而提高了分散性,因為纖維表面的ζ電位是引起靜電現(xiàn)象的根本原因,ζ電位越高,靜電效應越顯著,纖維越不易被分散[19]。

圖 2 溫度和鹽酸濃度對分散度的影響

2.2.2 改性溫度和鹽酸濃度對分散度的影響 從圖2可以看出,當改性溫度在25～40 ℃時,隨著溫度的增加,玄武巖纖維的分散性提高緩慢,當溫度大于40 ℃時,隨著溫度的提高,玄武巖纖維的分散性顯著提高。但鹽酸濃度的改變,對玄武巖纖維的分散性的提高仍不明顯。這可能是因為玄武巖纖維的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO等,這些氧化物在水中會呈現(xiàn)出不同的酸堿性,SiO2代表弱酸組分,CaO代表強堿組分,因而玻璃纖維表面具有一種充裕的弱酸點和一種較低濃度的強堿點,由于這些氧化物的緣故使纖維在水中時表面容易形成帶相反電荷的基點,從而使纖維間容易互相吸引、絮聚成團[20]。而隨著溫度的升高,鹽酸溶液中的H+離子運動加劇,從而增大了H+與纖維表面碰撞次數(shù),使得玄武巖纖維表面變成了均勻的酸性,降低了纖維表面的ζ電位,使得纖維的分散性能提高。MARTIN等[21]認為Zeta電位會因溫度不同而變化,溫度升高,體系的Zeta電位負值就會變大,而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是由于帶電離子的運動速度隨著溫度的升高加快所致。

2.2.3 改性時間和改性溫度對分散度的影響 從圖3可以看出,玄武巖纖維的分散度隨著改性時間和改性溫度的增大而提高,但改性時間對分散度的影響較改性溫度大。

從圖1～3可知,改性時間和鹽酸濃度,改性溫度和鹽酸濃度以及改性時間和改性溫度的交互作用對玄武巖纖維的分散度均有顯著影響。綜上分析可得,改性溫度和改性時間對分散度影響顯著,而鹽酸濃度則影響較小。

2.3 最佳工藝參數(shù)優(yōu)化

通過Expert-design 10.0軟件分析可得,玄武巖纖維分散性的最佳工藝參數(shù)為鹽酸濃度2.095 mol/L,改性時間13.99 h,改性溫度54.259 ℃。考慮到實際操作,將最佳的工藝參數(shù)設為鹽酸濃度2.1 mol/L,改性時間14 h,改性溫度54.3 ℃。在此條件下,重復5次實驗,測得玄武巖纖維的平均分散度為84%,與預測值84.134%相差不大,這表明該模型分析得出的最佳工藝參數(shù)與實際情況擬合良好。

3 結(jié) 論

(1) 利用Box-Behnken響應面法，以鹽酸濃度、改性時間和改性溫度3個因素為自變量,以分散度為響應值,設計三因素三水平實驗并建立回歸模型。結(jié)果表明,響應面模型與實際情況擬合良好,能較好地預測玄武巖纖維的分散度,并得出影響玄武巖纖維分散度的因素依次為改性時間>改性溫度>鹽酸濃度。

(2) 結(jié)合實際操作,確定優(yōu)化玄武巖纖維的最佳工藝參數(shù)為:鹽酸濃度2.1 mol/L,改性時間14 h,改性溫度53.4 ℃。