玄武岩纤维和玻璃纤维的比较

玄武岩纤维和玻璃纤维的比较

在全球的大部分国家中都可以找到坚硬而致密的火山岩。玄武岩作为一种火成岩，它是从熔融状态下演变而成。玄武岩通过浇铸工艺制成瓦及板用于建筑市场已有多年历史。此外，在工业用途方面浇铸的玄武岩钢管内衬也有很高的耐磨性。玄武岩在粉碎状态下还可以用作混凝土的集料。

后来，采用天然耐火玄武岩挤出的连续纤维，在几乎所有的用途方面都可以用来替代石棉纤维。近十年，玄武岩纤维已成为增强复合材料的竞争性材料。这一姗姗来迟的产品的支持者声称他们产品的性能与S-2玻璃相似，其价格则介于S-2玻璃和E玻璃之间，甚至有可能成为碳纤维的较为便宜的替代品。

法国的Paul Dhe是第一个有从玄武岩挤出纤维的想法的人。他在1923年申请了一项美国专利。大约在1960年，美国和前苏联都开始研究玄武岩的用途，尤其是在军事硬件如火箭上的用途。

在美国西北部，集中了大量的玄武岩层。华盛顿州立大学的R.V.Subramanian对玄武岩的代学成份、挤出条件和玄武岩纤维的理化特性进行了研究。欧文斯科宁(OC)公司和其他几家玻璃公司都进行了一些独立研究项目,并取得了一些美国专利。大约在1970年前后,美国玻璃公司放弃了玄武岩纤维的研究,将战略重心定于其核心产品,研发出了包括OC公司的S-2玻纤在内的许多更好的玻璃纤维。与此同时,东欧方面的研究工作仍在继续,自上世纪50年代在莫斯科、布拉格和其他地区从事这方面研究工作的独立机构被前苏联国防部收归国有,集中于前苏联乌克兰的基辅附近的研究院和工厂进行研制。1991年苏联解体后，苏联的研究成果被解密，开始用于民用产品。

今天，玄武岩纤维的研究、生产和大部分市场化的努力都是基于那些曾与苏维埃集团结盟的国家的研究成果。目前生产和销售玄武岩的公司有：Kamenny Vek公司（俄罗斯）、Technobasalt公司（乌克兰）、横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司（简称GBF）和玻璃钢及纤维研究院（乌克兰）。

Basaltex公司是比利时Masureel Holding公司的子公司，它和美国Sudaglass Fiber Technology公司分别向欧洲和北美市场提供织造和非织造玄武岩纤维增强材料。

玄武岩纤维是采用在许多方面类似于玻纤拉丝的连续方法制造而成。首先需要将开采出的玄武岩进行粉碎处理和洗涤，然后装入与投料机相连的料仓内，由投料机将原料投入到用天然气加热的窑炉的熔化部。实际上这一过程比生产玻璃纤维要简单，因为玄武岩的成份更不复杂。一般玻璃成份中除50% SiO2外，其他成份还包括氧化硼、氧化铝和/或其他几种材料。这些材料在进入窑炉之前必须分别投入称量系统。不同于玻璃，玄武岩纤维不含第二种原料。生产过程只需要一条单独的投料线将粉碎的玄武岩送入熔窑。换言之，玄武岩纤维制造商对玄武岩原料的纯度和稳定性的直接控制工作更少。虽然玄武岩和玻璃都是硅酸盐，但熔融玻璃冷却后形成非晶状固体，而玄武岩具有晶体结构。玄武岩含有三种硅酸盐矿物质：斜长石、辉石和橄榄石。斜长石为一些由硅酸钠和硅酸钙组成的三晶长石。辉石为含有镁、铁、钙三种金属氧化物中任意两种氧化物的晶体硅酸盐。橄榄石是含有硅酸镁和硅酸铁的硅酸盐。这种成份变异意味着构成玄武岩的矿物水平和化学组成可以因地域关系存在很大差别。甚至于岩浆在接近地表时的冷却速率也会影响到晶体结构。Basaltex公司负责研发的人士指出，尽管

能够从世界各地的矿井或露天进行开采，实际上全球只有几十个地区的玄武岩经过分析适合于制造连续细纤维。Technobasalt公司负责销售的人士认为，乌克兰地区的玄武岩成份非常适合于制造连续细纤维。Kamenny Vek公司所用的玄武岩原料都取自乌克兰西部。该公司在俄罗斯有一座备用矿，其玄武岩化学成份虽然接近主要原料开采源，公司仍然倾向于使用同一来源开采的原料。

将粉碎后的玄武岩送入窑炉后，在1500℃的温度下形成液态（玻璃熔点为1400～1600℃）。与透明的玻璃不同，不透明的玄武岩不传输红外能量只是吸收能量。因此很难利用普通玻璃窑上部的气体燃烧器对整个玄武岩混料进行均匀加热。在上部气体燃烧器的作用下，熔化的玄武岩必须置于池内若干小时，确保均匀的温度分布。为了对原料进行均匀加热，生产厂商采用了多种方法，包括在池内放置电极。比起使用电加热，Technobasalt公司更倾向使用燃气加热，这是出于对质量的考虑，尽管这样做增加了制造成本。该公司采用了两步加热法，在分开的区段分别安装了加热控制系统。他们认为只有在窑炉出料区靠近拉丝漏板的位置需要安装很精确的温度控制系统，在初始加热区可以使用相对简单的控制系统。

和玻璃纤维一样，玄武岩纤维也是用铂铑合金漏板拉制而成。在纤维冷却时涂覆浸润剂，纤维送入拉丝设备和卷绕设备，然后绕在纱筒上。

由于玄武岩纤维比玻璃纤维更有磨损性，昂贵的漏板需要经常整修。随着漏板的磨损，漏板上的圆孔变得不均匀，影响了工艺控制。如不进行定期维修，不圆的孔径会导致纤维直径不在正常范围之内，生产出的无捻粗纱也无法预测它的断裂荷载。玻璃纤维漏板在使用6个月或更长时间后需要进行重新加工，而过去用于拉制玄武岩纤维的漏板的使用期限只有3～5个月，但Kamenny Vek公司经过工艺控制方面的改进已经使漏板的寿命延长到了6个月。

总之，由于在加工和维修方面存在上述差异使玄武岩纤维的生产成本超过了E玻璃纤维，但是玄武岩纤维的支持者称它在复合材料用途中明显优于E 玻璃纤维。玄武岩短切毡、无捻粗纱和单向织物比同类型的E玻纤产品有着更高的断裂载荷和更高的杨氏模量（材料的刚性参数）。比利时Leuven大学复合材料系专门从事玄武岩纤维和E玻纤研究的Ignaas Verpost教授进行了一项试验。用环氧树脂浸渍E玻纤和玄武岩无捻粗纱后，缠绕在一芯轴上，然后压实层合材料直至其完全固化，分别切下135㎜×15㎜的试样测量厚度。然后对试样进行三点弯曲试验（ISO 178）和ILSS试验（ISO14130）来测强度和刚性。试验结果显示，虽然每块试样中的纤维含量均为40%，但玄武岩环氧试样的强度比E玻纤环氧试样高13.7%，刚性高17.5%，而玄武岩试样比E玻纤试样重3.6%。此外，玄武岩纤维天然耐受紫外线和高能量电磁辐射，在低温下仍能保持真性能，具有更好的耐酸性。据报道，玄武岩纤维在安全操作和空气质量方面没有问题。Technobasalt公司人士称，由于玄武岩是火山活动的产物，其成纤过程比玻纤对环境的影响更小，在成纤过程中可能释放的“温室”气体在几百万年前岩浆喷发时就已释放出来。玄武岩属于百分之百的惰性物质，与空气与水不发生毒性反应，为不燃和防爆物质。

在将玄武岩纤维转换成有用的增强材料时，生产厂商总会面临新的挑战。例如，Basaltex公司以前就曾发现直接从织布机织出的玄武岩织物在加工时脆而易损，强烈弯折时会使纤维断裂，对皮肤还有刺激作用。

为了使产品更稳定，Basaltex公司研发了一种有利于产品后道加工的专有硅烷浸润剂技术。这种纤维涂层加热后不发毒烟，也不会降低纤维的阻燃性