连续玄武岩纤维的研究进展及应用_吴佳林

连续玄武岩纤维（ Continous Basalt Fibre，以 下简称 CBF） 是一种无机纤维。它是以天然玄武 岩矿石作 为 原 料，将 其 破 碎 后 加 入 熔 窑 中，在 1 450 ～ 1 500 ℃ 熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板 制成的连续 纤 维［1］。 由 于 玄 武 岩 熔 化 过 程 中 没 有硼和其它碱金属氧化物排出，使玄武岩连续纤 维的制造过程对环境无害，无工业垃圾，不向大 气排放有害气体，故 CBF 被誉为 21 世纪的新材 料［2］。玄武岩纤维一般可分为普通玄武岩棉、超 细玄武岩纤维和 CBF。与碳纤维、芳纶、超高相对 分 子 质 量 聚 乙 烯 纤 维 等 其 它 高 科 技 纤 维 相 比， CBF 具有许多独特的优点，如突出的力学性能、 耐高温、耐酸 碱、吸 湿 性 低，此 外 还 有 绝 缘 性 好、 绝热隔音性能优异、良好的透波性能等优点。以 CBF 为增强体可制成各种性能优异的复合材料， 可广泛应用 于 航 空 航 天、建 筑、化 工、医 学、电 子、农业等军工和民用领域。
（ 2） 耐酸碱过滤材料。玄武岩纤维具有稳定 的化学性能，当需要对含有酸碱性物质的材料进 行过滤时，可以选用化学稳定性非常好的玄武岩 纤维作为 过 滤 材 料。 冯 建 民 等［17］ 研 究 了 玄 武 岩 针刺滤料与其他三种市场上常见的针刺过滤毡， 30 ℃ 下经酸碱溶液不同时间的腐蚀后的拉伸性 能变化。结果表明，玄武岩纤维复合针刺过滤材 料 耐 酸 性 能 优 良，耐 酸 性 与 其 他 三 种 针 刺 毡 相 当，耐碱性略优于它们； 另外玄武岩纤维复合针 刺过滤材料本身的耐酸性优于耐碱性。王明超 等［18］研究玄武岩纤维在 2 mol / L NaOH 中煮沸 3 h，玄武岩纤维质量仅损失 2． 2% ，玄武岩纤维的 耐酸性优于耐碱性。 2． 4 CBF 在公路交通领域的应用
表明，玄武岩纤维具有比玻璃纤维更好的耐酸碱 腐蚀性和高温稳定性能，为玄武岩纤维纱在纺织 生产方面的应用提供基础。何青［9］在横机上，选 用玻璃纤维纱与毛腈混纺纱作为玄武岩纤维纱的 对比纱，在不同工艺参数下编织圆筒形平针和 1 × 1 罗纹织物，分析比较这些参数对线圈长度及 纱线强力损伤率的影响趋势，重点探讨玄武岩纤 维纱线的可编织性，并最终得出它的最佳编织工 艺范围，为玄武岩纤维纱选择合理的编织工艺参 数提供可靠的依据，具有实际应用价值。
（ 2） 建筑结构加固、修复方面。将玄武岩纤 维制成织物或片材，黏贴到混凝土表面用于混凝 土的补强、修复与加固。目前常用的加固材料主 要是碳纤维和芳纶纤维，然而这两种纤维成本均 相对较高。随着玄武岩纤维的出现，尤其是其具 有高强、高模的特点，成为纤维材料补强的替代 品［14］。
（ 3） 玄武岩纤维增强塑料（ FRP） 筋方面。把 玄武岩纤维制成束状的玄武岩纤维增强塑料筋用 在现浇混凝土结构中代替钢筋，用于新建结构。 长期以来，在钢筋混凝土结构中一直存在钢筋锈 蚀引起的结构耐久性问题，特别是在一些侵蚀环 境下的钢筋混凝土结构，由于混凝土的碳化和氯 离子的侵蚀，使混凝土逐渐中性化，钢筋钝化膜 受到破坏后，钢筋开始被腐蚀。而玄武岩纤维由 于独特的性能，如耐高温和低温热稳定性、高的 耐酸碱性和化学稳定性、耐紫外线光照、抗老化性 能良好、性 价 比 高 等 优 点，可 将 其 制 成 玄 武 岩 FRP 筋用于混凝土结构或预应力混凝土结构来代 替钢筋和 预 应 力 钢 筋。 邹 鹏 程 等［15］ 进 行 了 玄 武 岩纤维布约束钢筋混凝土圆柱段的轴心受压试 验，并且根据试验数据作出了玄武岩纤维布约束 钢筋混凝土柱的应力 － 应变曲线。 2． 3 CBF 在过滤环保领域的应用
（ 2） 玄武岩纤维布是采用玄武岩纤维纱加工 而成的织物，包括基布、防火布、土工布和多轴 向布等。MING Zhi-hong 等［10］在电脑横机上分别 编织连续玄武岩纤维变化纬平针和不同垫纱比的 衬垫织物 4 种预制件。通过 VARTM 技术制成复 合材料，测试样品的纵向、横向拉伸性能。结果 表明： 衬垫纱的浮线可以明显提高织物的横向拉 伸性能，为玄武岩纤维及纬编增强复合材料的生 产设计和 应 用 提 供 依 据。 张 明 星［11］ 以 玄 武 岩 纤 维梭织平纹织物和针织罗纹、双罗纹、纬平针及 罗纹空气层 4 种针织物为试验材料，通过测试， 得出拉伸载荷 － 伸长位移曲线，分析了载荷与伸 长位移间的内在关系，为玄武岩纤维纺织增强体 的应用提 供 了 依 据。 徐 艳 华［12］ 分 别 选 用 不 同 线 密度的高强高模量玄武岩纤维作为经纱、纬纱和 针织纱编织织物，采用 VARTM 工艺制作玄武岩 纤维 /乙烯复合材料。测试复合材料的拉伸性能， 结果表明： 这种复合材料具有较好的轴向拉伸性 能，横向和纵向的拉伸性能均优于斜向，其拉伸 断裂均为脆性断裂。
第 41 卷第 3 期 2012 年 9 月
化纤与纺织技术 Chemical Fiber ＆ Textile Technology
文章编号： 1672 － 500X（ 2012） 03 － 0038 － 04
Vol． 41 No． 3 Sep． 2012
连续玄武岩纤维的研究进展及应用
吴佳林
（ 广东职业技术学院，广东 佛山 528041）
摘 要： 介绍了连续玄武岩纤维的国内外发展现状，重点介绍了玄武岩纤维及其复合材料的应用，并展
望了其发展的意义。
关键词： 连续玄武岩纤维； 复合材料； 进展； 应用
中图分类号： TQ343
文献标志码： A
doi： 10． 3969 / j． issn． 1672 － 500x． 2012． 03． 010
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化纤与纺织技术
第 41 卷
工程领域，引起国内外专家的广泛关注。近年来 玄武岩纤维在建筑领域的应用主要体现在以下几 个方面。
（ 1） 纤维增强混凝土方面。在搅拌混凝土的 同时加入短切玄武岩纤维制成玄武岩纤维增强混 凝土，用于 新 建 结 构。 李 为 民 等［13］ 研 究 了 短 切 玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应，给出了 不同体积掺量的玄武岩纤维混凝土的应力 － 应变 曲线，并且通过试验得出了不同纤维体积掺量的 玄武岩纤维混凝土的冲击韧性随平均应变率的变 化曲线，从而得出结论： 在一定体积掺量情况下 玄武岩纤维的增韧效果优于碳纤维 ，并且确定 了最佳体积掺量。
（ 3） 玄武岩纤维毡是由玄武岩单纤维无序交 错穿插而形成的无定向三维微孔结构，主要包括 玄武岩纤维针刺毡、玄武岩纤维表面毡和玄武岩 纤维短切原丝毡。玄武岩纤维毡多用于复合材 料，由于玄武岩纤维的电绝缘性好，具有透波和 吸波性能，是高性能汽车和舰船的优质材料。 2． 2 CBF 在建筑领域的应用
随着我国连续玄武岩纤维的批量生产，由于 玄武岩纤维良好的性能，这种材料开始引入土木
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璃纤维研究设计所曾先后进行相应的研究，但没 获得成功。玄武岩纤维项目在 2001 年 6 月被列 为中俄两国政府间科技合作项目； 2002 年 8 月， 我国将“连 续 玄 武 岩 纤 维 及 其 复 合 材 料 ”列 入 国 家 863 计划。目前该项目成为各地发展高技术材 料热门选择的对象。“十五”期间，拥有自主知识 产权的 863 计划成果为玄武岩纤维项目的产业化 奠定了坚实的基础。2003 年，该 863 计划成果与 浙江民营企业对接成立了横店集团上海俄金玄武 岩纤维有限公司。2004 年开始在上海实现产业 化，目前技术己经达到国内领先水平，部分技术 达到国际先进水平和领先水平。从而为今后大规 模稳定生产 CBF 奠定了基础。2008 年被列为国 家重点新产品项目。近年来，玄武岩纤维在我国 发展较为迅速，我国成为拥有世界上最领先的玄 武岩纤维生产技术的几个国家之一，多家研究机 构相继发表了许多研究成果。国内生产玄武岩纤 维企业主要有上海横店、浙江石金、四川航天拓 鑫、牡丹江金 石、山 西 巴 塞 奥 特、辽 宁 金 石、营 口洪源、江苏天龙、河北通辉等 9 家。2010 年纤 维总产量粗略统计在 2 000 t 左右，有专家学者 预测： 2020 年为 10 万 t 左右［6］。
随着工业的不断发展，由此带来的一系列环 境污染的问题也越来越严重，大量工业三气排放
是对大气造成污染的主要原因，提高排放烟气的 洁净程度是有利于环境保护的必要措施。玄武岩 纤维由于其良好的特性，可作气固分离和液固分 离的多种过滤材料，因此可以在过滤材料领域发 挥较大的作用。
（ 1） 耐高温过滤材料。受高温烟气工况条件 的 限 制，一 般 的 纤 维 不 适 合 作 高 温 烟 气 过 滤 材 料，目前用于高温烟气过滤的材料主要有芳纶、 玻璃纤维、聚苯硫醚和聚四氟乙烯等高性能纤维。 芳纶纤维的极限氧指数值为 29% ，属于难燃纤 维。芳纶纤维是水解性纤维，耐氧化性差，不能 用于高温烟气中含有水分和氧化物的工况条件， 使用温度也不宜超过 190 ℃ 。玻璃纤维使用温度 为 260 ℃ ，最高使用温度在 290 ～ 450 ℃ 。但是 玻璃纤维耐磨性差，耐折性差，不耐 HF，影响其 使用寿命。聚苯硫醚、聚酰亚胺和聚四氟乙烯等 高性能纤维虽然综合性能较好，但价格较高，主 要依赖进口。玄武岩纤维的使用温度范围为 － 269 ～ 700 ℃ ，最高使用温度在 860 ～ 900 ℃ ，具 有突出的 耐 温 性 能，而 且 价 格 合 理，性 价 比 高， 是未来高温过滤材料的首推材料［16］。
1 CBF 发展现状
1． 1 国外发展现状 以玄武岩为主要原料生产的岩棉自从 1840
年首先在英国威尔斯试制成功到现在已有 160 多 年的历史［3］。前 苏 联 莫 斯 科 玻 璃 和 塑 料 研 究 院 于 1953 ～ 1954 年开发出 CBF［4］。l959 年德国人 报道有关玄武岩棉的生产装置。1960 ～ 1970 年， 前苏玻璃钢与玻璃纤维科研院乌克兰分院根据前 苏联国防部的指令，着手研制 CBF。乌克兰建筑 材料工业部设立了专门的绝热隔音材料科研生产 联合体，主要任务是研制 CBF 及其制品制备工艺 的生产线。联合体的科研实验室于 1972 年开始 研究制备 CBF，曾经研制出 20 多种 CBF 制品的 生产工艺［5］； 1985 年 CBF 研制成功并实现了工业 化生产。由此可知，CBF 开发成功和投入生产的 历史有 30 多年左右。在这期间，乌克兰、俄罗 斯、美国等几个国家都陆续建立起了 CBF 制造工 厂。近几年来，国际上例如美国、日本、德国等 一些科技发达国家都加强了对 CBF 这一新型非 金属无机纤维的研究开发，并取得了一系列新的 应用研究成果。 1． 2 国内发展现状
玄武岩纤维在路面及混凝土结构中具有单丝 抗拉强度极高、弹性模量高、断裂延伸率适中、抗 锈蚀能力极 强，生 产 工 艺 短、能 耗 低、性 价 比 高、 纯天然绿色环保等特点，尤其是在建设创新型国
我国玄武岩分布很广，因此具有稳定的原料 来源。我国对于玄武岩纤维的研究始于 20 世纪 70 年代起，当时国家建筑材料科学院和南京玻
收稿日期： 2012 － 07 － 16 作者简介： 吴佳林（ 1982 － ） ，男，湖北黄冈人，讲师，研究方向： 功能纺织品及纳米纤维制品。
第3 期
吴佳林： 连续玄武岩纤维的研究进展及应用
2 连续玄武岩纤维的应用
2． 1 CBF 在纺织领域的应用 玄武岩纤维具有较高的强度和适当的断裂伸
长，这些力学性能指标有利于纺织加工生产。目 前，玄武岩纤维在纺织领域的应用研究主要有以 下三个方面： 玄武岩纤维纱； 玄武岩纤维布； 玄 武岩纤维毡。
（ 1） 玄武岩纤维纱的品种主要有玄武岩纤维 纱、玄武岩纤维无捻粗纱、玄武岩短纤纱与玄武岩 纤维膨体纱。玄武岩纤维纺织纱是由多根连续玄 武岩纤维原丝经一次加捻而成的纱线。大体可以 分为织 造 和 其 他 工 业 用 纱。 赵 明 良 等［7］ 研 究 和 确定了适合在改进的环锭纺细纱机上纺制棉 / 玄 武岩纤维赛络纺包芯纱的工艺参数； 周荣稳等［8］ 通过与玻璃纤维对比，研究了玄武岩纤维纱线拉 伸性能、耐热水、耐酸碱性以及耐高温性能，结果