玄武巖纖維高性能化研究獲進展

近日，中國科學院新疆理化技術研究所環境科學與技術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，研究人員製備出基於導電納米複合材料的功能型浸潤劑，並採用全實驗法優化浸潤劑配方。在此基礎上，以玄武巖礦石為原料，結合纖維在製備過程中塗覆浸潤劑這一工藝，在實驗室自建的50孔拉絲設備上批量製備出導電玄武巖纖維。

玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經過礦石粉碎、熔融、拉絲和塗覆浸潤劑製成的絲狀材料。該類纖維由於具有較好的熱穩定性、力學性能和耐腐蝕能力，因此在交通、建築和海洋等領域有廣泛應用。玄武巖纖維本身是絕緣材料，不具備導電性能，但是材料在生產和使用過程中，纖維之間的摩擦會產生靜電，影響了纖維的集束、加工和應用方便性，同時也限制其在高性能材料領域的應用。

研究表明，研發的功能型浸潤劑具有良好的分散穩定性和較好的電學性質，其電導率超過200 μS/cm；對材料的微觀形貌觀察發現，浸潤劑在玄武巖纖維表面成膜性能良好，厚度約為500 nm，浸潤劑塗層使得玄武巖纖維在宏觀上由絕緣體轉變為導體，電導率超過10 S/cm，滿足材料在抗靜電領域的應用；與未塗覆浸潤劑的玄武巖纖維相比，導電玄武巖纖維的單絲拉伸強度提升20%，相關機理研究發現，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力集中，對纖維表面的結構缺陷起到一定的修復作用。相關研究成果發表在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氣相沉積法在其表面直接生長碳納米管，並以該纖維材料作為增強相，與高分子基體進行有效複合，製備出高分子納米複合材料，研究複合材料的電磁屏蔽性能。結果顯示，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，並隨處理溫度的升高，納米顆粒的結晶度也明顯提高。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，為高效製備納米複合材料提供新方法。對納米複合材料電磁屏蔽性能機理研究發現，複合體系中具有的納米-微米多層結構提高了電磁波在材料內部的多重反射機率，材料內部通過電荷傳輸、偶極子極化、電容雙電層結構等對電磁波的吸收以及多重反射所產生的協同效應，使得納米複合材料具有較好的電磁屏蔽性能。相關研究成果發表在Carbon上，並被選為該雜誌第167期封面。

相關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」規劃重點培育方向等項目的資助。

通過納米複合技術賦予傳統玄武巖纖維多功能性質

來源：中國科學院新疆理化技術研究所