玄武岩连续纤维的基本特性

第26卷第5期2005年10月纺　织　学　报Journal of T extile Research V ol.26,N o.5Oct.,2005

・综合述评・

玄武岩连续纤维的基本特性

崔毅华

(嘉兴学院,浙江嘉兴　314001)

摘　要　对玄武岩连续纤维的化学成分及物理化学性能进行了研究分析,为开发新一代产业用纺织品提供依据。关键词　玄武岩连续纤维;增强纤维;化学成分;性能

中图分类号:TS 102151 文献标识码:A 文章编号:025329721(2005)0520120202

Primary properties of basalt continuous filament

C UI Y i 2hua

(Jiaxing Univer sity ,Jiaxing ,Zhejiang 314001,China )

Abstract The com position ,physical and chemical properties of basalt continuous filament are investigated ,providing a reference basis for developing a new generation of industrial textiles.

K ey w ords basalt continuous filament ;rein forced fiber ;chemical com position ;property

作者简介:崔毅华(1946-),男,副教授,硕士。主要研究领域为产业用纺织品的研究与开发。

玄武岩连续纤维是以纯天然玄武岩矿石为原料,将矿石破碎后放进池窑中,经1450～1500℃的高温熔融后,通过喷丝板拉伸成连续纤维

[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,玄武岩连续纤维是21世纪又一种新型的环保型纤维。

玄武岩连续纤维是用于复合材料的一种新型优质增强材料。用玄武岩连续纤维增强的复合材料其强度、化学稳定性、电绝缘性能均优于玻璃纤维增强材料,可在很大程度上替代玻璃纤维、碳纤维,广泛用于航空航天、石油化工、建筑、汽车等领域。本文对玄武岩连续纤维的化学成分和基本特性进行研究分析,为开发新一代产业用纺织品提供参考依据。

1　玄武岩连续纤维的化学成分

玄武岩连续纤维是用单一的玄武岩矿石为原料制造出来的。玄武岩是由岩浆形成的基本矿石。而玻璃纤维则由叶蜡石、石英砂、石灰石、硼钙石、硼镁石、莹石等原料制成。玄武岩连续纤维的制造省去了多种原料配料过程,同时玄武岩在池窑熔化过程

中没有硼和其它碱金属氧化物析出,在池炉排放的烟尘中无有害物质。SiO 2是玄武岩连续纤维最主要的成分,占45%～60%

[2]

,被称为网络形成物,它保

持了纤维的化学稳定性和机械强度;Al 2O 3的含量也较高,占12%～19%[2]

,提高了纤维的化学稳定性、

热稳定性和机械强度,为提高复合材料的力学性能

打下良好的基础;CaO 的含量为6%～12%[2]

,对提高纤维耐水的腐蚀、硬度和机械强度都是有利的;

Fe 2O 3和FeO 的含量在5%～15%[2]

,含铁量高,使纤维呈古铜色;另外,玄武岩纤维中还含有Na 2O ,K 2O ,MgO 和T iO 2等成分,对提高纤维的防水性和耐

腐蚀性有重要作用。

2　玄武岩连续纤维的物化性能

211　外观特性

玄武岩连续纤维外表呈光滑的圆柱状,其截面呈完整的圆形。这是由于纤维成形过程中,熔融玄武岩被牵伸和冷却成固态的纤维前,在表面张力作用下收缩成表面积最小的圆形所致。玄武岩连续纤维由于表面光滑,所以纤维之间抱合力非常小,并影响到与树脂的复合效果。但是光滑的表面,对气体和液体通过的阻力小,因此制作过滤材料比较理想。

由于玄武岩连续纤维光滑的外表而影响了与树脂的复合效果,因此对玄武岩连续纤维的表面修饰十分必要,纤维的表面处理可采用等离子法、机械处理、阴极氧化法、电晕放电法、辐射处理、活化热处理等方法。经处理后的玄武岩连续纤维表面粗糙度增

加,几何形态发生变化,大大增加了纤维与树脂的接触面,增强了与树脂的抱合力,从而赋予复合材料更为优异的拉伸强度和弹性模量。

212　拉伸强度

玄武岩连续纤维的强度远远超过天然纤维和合成纤维,所以是理想的增强材料。玄武岩连续纤维的拉伸强度为4100～4500MPa[3],高于其它一些常见高技术纤维的拉伸强度,例如E2玻纤的拉伸强度为3100～3800MPa,K evlar49为2758～3034MPa,碳纤维为2500～3500MPa[4]。

213　弹性模量

由于玄武岩连续纤维的弹性伸长较小,拉伸试验测定时纤维易在夹具中滑移等原因,采用声波法测试其弹性模量,即测定声波在纤维中的传播速度,根据音频讯号发生器输入的准确频率和纤维密度,按E=01098・C2・ρΠg=01098・(λf)2・ρΠg计算而得。式中,E为弹性模量(G Pa);C为声波速度(cmΠs);λ为声波波长(cm);f为声波频率(1Πs);ρ为纤维密度(gΠcm3);g为重力加速度(cmΠs2)。玄武岩连续纤维的弹性模量为225G Pa[3],与碳纤维相当,碳纤维的弹性模量为230～240G Pa,而高于其它一些高技术纤维的弹性模量,例如E2玻纤为76～78G Pa, K evlar49为124～131G Pa[2]。用直径小于1μm的玄武岩纤维制成的毡压缩比在5∶1以上,其弹性极佳。214　电性能

E2玻纤具有良好的电绝缘性能和介电性能,在常温下其体积电阻率和表面电阻率均大于1015Ω・cm。而玄武岩连续纤维的体积电阻率和表面电阻率比E2玻纤还要高一个数量级,玄武岩连续纤维具有良好的介电性能,可广泛用于电子工业制作印刷电路板。

215　化学稳定性

化学稳定性是指纤维抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力。通常以受介质侵蚀前后的质量损失和强度损失来度量。表1是玄武岩连续纤维和E2玻纤在不同介质中煮沸3h后质量损失率[2]。表2是2种纤维在不同介质中浸泡2h后强度保留率[4]。

表1　不同介质中煮沸3h后质量损失率%介质玄武岩纤维E2玻纤

H2O012017

NaOH510610

HCl2123819

由表1可见,在HCl中煮沸3h后,E2玻纤质量损失为3819%,玄武岩连续纤维仅为212%。从表1、2看出,玄武岩连续纤维比玻璃纤维具有更稳定

表2　不同介质中浸泡2h后的强度保留率%介质玄武岩纤维E2玻纤

H2O9816～99189810～9910

HCl6915～82145210～5410

NaOH8318～86156010～6512

的化学性能。该特性为玄武岩连续纤维在桥梁、隧道、堤坝等混凝土结构以及沥青混凝土路面、飞机起落跑道等经常受到高湿度、酸、碱类介质作用的建筑结构中的应用开辟了广阔的前景。玄武岩连续纤维的最高使用温度为650℃,高于其它一些高技术纤维,如碳纤维的最高使用温度为500℃,E2玻纤为350℃,K evlar49为250℃[4]。由于玄武岩连续纤维的使用温度高达650℃,再加上它的耐酸、耐碱等性能,因而玄武岩连续纤维是用于高温腐蚀性气体和烟层过滤、腐蚀性液体过滤的优质材料。

216　隔音性

玄武岩连续纤维有着优良的隔音、吸声性能。表3列出了玄武岩连续纤维在不同音频下的吸声系数[2]。由表3可见,随着频率增加,其吸声系数显著增加。玄武岩连续纤维的吸湿性极低,吸湿能力只有012%～013%[4],而且吸湿能力不随时间变化,使玄武岩连续纤维制作的隔音材料在航空、船舶等需要低湿性材料的领域有着广阔的前景。

表3　30mm厚玄武岩连续纤维板的吸声系数

音频ΠH z吸声系数

100～3000105～0115

400～9000122～0175

1200～70000185～0193

3　结　论

1)玄武岩连续纤维具有良好的物理化学性能。与玻璃纤维相比,玄武岩连续纤维具有力学强度高、耐温、耐酸碱、隔音、电绝缘等优异性能,是用于复合材料的一种低成本、高性能的新型优质增强材料。

2)玄武岩连续纤维表面光滑,对气体和液体通过的阻力小,最高使用温度650℃,耐酸、耐碱和耐水的化学稳定性,使玄武岩连续纤维是高温腐蚀性气体和烟层过滤,腐蚀性液体过滤的优质材料。

参考文献:

[1]　Jiri M ilitky.R ock into yarn[J].T extile Asia,1995,26(9):100-

101.

[2]　谢尔盖.玄武岩纤维材料的应用前景[J].纤维复合材料,

2003,(3):18-19.

[3]　邢声远.化工产品手册2纺织纤维卷[M].第4版.北京:化工出

版社,2005.467.

[4]　石钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及其应用[J].玻璃纤维,

2003,(4):28-29.

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