玄武岩纤维

玄武岩纤维
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摘要玄武岩纤维相对于其它纤维,在许多方面具有更优越的特性。

本文介绍了玄武岩纤维的主要性能、纤维制品及应用领域，并对其发展前景给出了建议。

关键词玄武岩纤维；性能；纱线；织物；应用
前言
近几年来,随着石油、钢材等不可再生资源的加速消耗，使得资源开发变得愈加紧张，按照当今的开采及耗损量，据保守估计，石油及钢材只能维持30～50年。

因此，开发可替代钢材的材料显得尤为重要。

在50年代末，就有人提出以石代钢的想法，自70年代，玄武岩纤维的成功研发，使得这一想法得以实现。

玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成[1]。

玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。

玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能。

此外，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。

我国已把玄武岩纤维列为我国重点发展的四大纤维之一，在我国基本上实现了工业化生产。

玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤材料以及防护,航空航天领域等多个方面得到了广泛的应用[2-3]。

玄武岩属于火山喷出岩,是地球上存在和分布最广的矿物之
一。

用它生产的连续纤维与普通岩棉相比,在纤维质量方面有了质的飞跃,它所表现出来的高弹性模量、高热稳定性以及优异的耐酸碱性,使其得到广泛的应用。

用它制作的管道可用来输送各种浸蚀性液体、气体和散装材料以及构建排污系统等。

从上世纪60年代开始,前苏联对它进行了大量的研究,并于1985年在乌克兰建成第一个工业化生产炉,产品主要应用于军工行业,如今已达到700t/a的规模。

Owens Corning公司从1972~1975年,对其进行了研究,但并未达到工业化生产。

德国的DBW公司于上世纪80年代展开了这方面的工作,由于技术的原因,2年后也停止了。

近年来,美国、韩国、中国和日本相继展开了这方面的研究工作,其中美国已经达到了1000~1500t/a的规模[4]。

1 玄武岩纤维的制备方法[5]
与一般玻璃纤维的熔制相比,玄武岩熔体的透热性差,易结品,润湿角小,因而在拉丝成型时比其他玻璃纤维更难控制。

同时由于含铁的氧化物,玄武岩熔体表面硬化速度比玻璃熔体快,而内部黑色熔体传热又差,因此必须设计特殊的池炉和电热拉丝装置,以保证产品达到预期的产量和质量,减少断头。

1.1 蒸汽或压缩空气垂直喷吹法
蒸汽或压缩空气垂直喷吹法是利用位于漏板下的喷嘴喷出高速气流垂直冲击漏嘴流出的熔体流股,在高速气流的作用下,熔体流股被分散并被牵引伸成许多细纤维。

这种方法生产的纤维直径为7μm~14μm,长径比为l:1000~3000,常用作生产普通玄武岩棉。

1.2 离心喷吹法
离心喷吹法是熔体不断落入离心机的分配器内,在离心力的作用下,熔体从分配器向外甩至离心机的内表面,并从离心器筒体壁上的0.8μm~1.2μm的小孔甩出。

软化的细流股在高温高速的气流中被拉伸成细纤维。

生产的纤维直径为1μm~14μm的短纤维,也可生产普通玄武岩棉。

这种工艺的不利之处在于所采用的铂铑漏板重量达2.5kg,且漏板稳定性不高,使用不超过3个月就需替换、维修和补充贵重材料的消耗。

1.3 火焰喷吹法
火焰喷吹法是生产玄武岩超细纤维的主要方法,其工艺过程如下:将玄武岩原料加入池窑,熔化后从漏嘴流出,在漏板下方形成一次纤维;一次纤维在旋转胶辊和导丝装置的引导下,被成排地送到燃烧器喷出的高温高速气流中,经二次熔化、拉伸,形成20nm~200nm的定长超细纤维。

其中由于玄武岩熔体的透热性比玻璃熔体低,容易结晶,拉丝区域的黏度高,必须建造特殊熔炉和拉丝装置。

池窑是生产玄武岩纤维的关键设备,必须对熔化温度和气氛进行严格控制。

胡显奇[6]的专利中采用中高频(1kHz~300kHz)感应加热法熔化玄武岩,该专利与传统的熔融技术及装置相比,具有热能均匀分布且利用率高、熔化温度高、连续加热和熔融速度快、装置简单、成本低、熔融体温度和钻度容易实行自动化控制等优点。

2 玄武岩纤维的性能
2.1 良好的拉伸强度
玄武岩纤维具有较高的拉伸强度和弹性模量，玄武岩纤维在70℃水作用下，其强度可保持1200h，而一般玻璃纤维不超过200h就失强；在100℃～250℃温度下的拉伸强度可提高30%，而一般玻璃纤维却下降23%。

玄武岩纤维的拉伸强度是普通钢材的10～15倍，是E 玻璃纤维的1.4～1.5倍。

加拿大Albarrie公司研制出的玄武岩纤维拉伸强度甚至达到4840MPa，其力学性能见表1[7]：
表1 玄武岩纤维与其他高性能纤维力学性能的比较
项目拉伸强度
/MPa
弹性模量
/GPa
断裂伸长
率/%
E玻璃纤维Kevla纤维
碳纤维
玄武岩纤维(乌克兰产 ) 310～3800
275～3034
250～3500
300～3500
76～78
124～131
230～240
79.～93.1
4.7
2.3
1.2
3.2
玄武岩纤维
(加拿大产)
4840 89 3.1
2.2 高的耐腐蚀性和化学稳定性
玄武岩纤维在碱性溶液中具有独一无二的化学稳定性,耐酸性比ECR 玻璃纤维还好,具有明显的耐酸耐碱性同时成本却大大降低[5]。

在表2两种纤维的对比中可以看出,被盐酸和氢氧化钠溶液浸泡的玄武岩纤维和玻璃纤维的质量损失率较小,并且大部分在前12h,说明玄武岩纤维和玻璃纤维因腐蚀而发生质量改变是开始的12 h 之内
发生, 随着时间的增加质量变化逐渐降低, 腐蚀速率随时间的延长呈逐渐减小趋势。

总体看来两种纤维的耐酸性能都要好于耐碱性能。

玄武岩纤维和玻璃纤维都是以无机硅酸盐纤维, 经过制纤维工艺的加工, 使得纤维表面都有了很多的活性单元, 在与酸或碱接触的开始时间, 这些活性单元会快速发生化学反应降低表面能, 部分的溶解到溶液中,而在表面形成惰性单元,随着腐蚀时间的延长,惰性单元的反应就要慢很多, 使得纤维的质量变化变慢。

玄武岩纤维在酸碱环境下耐久性能要比玻璃纤维优秀很多, 尤其是在碱性环境下质量损失要少2一3个百分点, 说明了玄武纤维具有优秀的耐酸碱性能[8]。

表2 经不同酸碱浸泡的两种纤维质量变化前后对照表
2.3 突出的耐高温性和低温热稳定性
玄武岩纤维的耐热性和耐高温的石英玻璃纤维接近。

在400℃条件下，其断裂强度仍保持在85%左右；在300℃的条件下，其抗拉强度
能保持80%以上。

这说明连续玄武岩纤维有优良的耐温特性，与碳纤维相比其耐热氧化性能更加突出，可以作为耐高温材料使用。

在长期处于低温－196℃液氮介质作用后，其强度不发生变化，足以说明它是有效的低温绝热材料[7]。

2.4 良好的耐水性
玄武岩细纤维的耐水性远远好于玻璃纤维，吸湿率在0.2%～0.3%之间，而且其吸收能力不随时间变化，这就保证了它在使用过程中的热稳定性、使用周期性长和环境协调性好。

2.5 高电绝缘性能和介电性能
玄武岩连续纤维具有良好的电绝缘性能和介电性能，其体积电阻率和表面电阻率比E玻纤还要高一个数量级，玄武岩中含有质量分数不到20%的导电氧化物，经过用专门浸润剂处理的玄武岩纤维的介质损失角正切比玻璃纤维低50%，可广泛用于电子工业制作印制电路板。

2.6 防电磁辐射的特性
玄武岩纤维镀镍后的复合材料可以用于防电磁辐射[9]。

依据成分的不同，这些材料反射电磁辐射或吸收电磁辐射。

如果在建筑物的墙体中，增加一层玄武岩纤维布，则能对各种电磁波起到良好的屏蔽作用。

2.7 高的弹性模量
玄武岩纤维的弹性模量与昂贵的S 玻璃纤维相近,强度相当;用于织造织物重量在150～210g/ m2的产品时,织造性能良好;可用以代替S 等玻璃纤维制造绝热制品和复合材料,制造硬质装甲和各种GFRP
产品。

例如,利用E 玻璃纤维生产玻璃钢管,只能耐25个大气压,管径最大为2m;而用玄武岩纤维做玻璃钢管,则可耐60个大气压,管径可达3m。

在某些场合,玄武岩纤维甚至可以部分代替每吨售价在20余万元的碳纤维或芳纶纤维[10]。

3 玄武岩纤维的应用
由于玄武岩纤维具有高力学强度、低导热系数、良好的热振稳定性、防火性、耐腐蚀性、耐用性和环保洁净性,以及其材料自身的质量轻,结构性能与结构质量的比值优良,因此,可广泛应用于石油、化工、建筑、航空航天、汽车制造、电子、冶金等领域。

3.1 玄武岩纤维在国防军工领域方面的应用
玄武岩纤维是续碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维。

它是21世纪在国防军工领域有着非常重要应用的一种高技术纤维,是体现国防科技战略布局的一种新材料。

玄武岩纤维为增强体可制成各种性能优异的复合材料,在航空航天、火箭、导弹、战斗机、核潜艇、军舰、坦克等武器装备的国防军工领域有广泛的应用。

它可以促进军队武器装各的升级换代,增强军队的战斗力;可在某些领域替代碳纤维,节约相关武器装备的制造成本;可形成新的军民两用技术。

因此,开展玄武岩纤维在国防军工领域的应用研究有着十分重要的战略意义和现实意义[11]。

3.2 玄武岩纤维在土木建筑领域的应用
玄武岩纤维抗拉强度高,同时耐酸又耐碱,与混凝土有着基本相同的成分,密度也接近,所以玄武岩纤维的相容性和分散性好于其他
增强纤维,可用来替代钢筋作混凝土建筑结构的增强材料,不仅能提高建筑物强度,还能大大延长建筑物的使用寿命。

它能从根本上大副度地提高建筑质量,增强抗震加固、抗冲性、防火安全性、吸声、消声和保暖节能效果。

同时也能作为建设堤坝和灌溉工程用增强材料以及港口码头建设的增强材料。

用玄武岩连续纤维编织物和无捻粗纱制成的土工材料,可用来加固堤坝、水电站水坝、高速公路和立交桥等[5]。

3.3 玄武岩纤维在交通运输方面的应用
玄武岩纤维是天然绿色的新材料,将为交通运输领域的基础建设发挥升级换代的作用。

日本发明了一种汽车用的材料,其内外表面是由玄武岩纤维编织的纤维板,而内层是由三维网状玄武岩纤维组成的骨架结构,骨架内由热硬化性添加剂和聚亚胺醋填充,通过热挤压形成一种高硬、高强、易处理的材料。

此外,玄武岩纤维还用于汽车货架、车内扶手、公共车行李架、汽车制造用输送架、冷藏车结构、隔热壁板、座椅等。

3.4 玄武岩纤维在摩擦材料中的应用[12]
汽车用摩擦材料目前大多是采用石棉材料。

虽然石棉材料具有强度高、表面活性好、摩擦磨损性能好、混合料分散均匀等优异的性能但由于石棉是一种危害人类健康的致癌物质,且石棉粉尘的污染非常大,因此从20世纪80年代中期开始,以美国为代表的发达国家即禁止生产和使用石棉制品,我国也于最近宣布到2003年禁止在汽车摩擦材料中使用石棉,非石棉型摩擦材料的开发成为必然趋势。

非石棉型摩
擦材料在配方设计时,主要应考虑两个方面的因素:一是必须满足汽车制动时应达到的各项性能;二是必须满足使用安全,舒适平稳,对人体无害、无污染。

玄武岩纤维不仅强度高、热稳定性好、不易损伤对偶、磨损低、摩擦系数稳定,而且价格适宜,将成为无石棉纤维的首选材料。

4 结语
玄武岩纤维集多种优良功能于一体,但是玄武岩纤维生产难度很高，目前全世界仅有俄罗斯、乌克兰、中国等少数几个国家掌握了该生产技术，全世界的总产量低，但是我们相信随着玄武岩纤维生产技术的提高及对玄武岩纤维产品性能研究的不断进步，对玄武岩纤维的需求量会不断增加，加之它又是一种高科技含量和高附加值的新产品，其将拥有广阔的市场前景，将会为企业带来巨大的经济效益和社会效益。

因此加快对玄武岩纤维及其制品的研究与开发符合国家产业化发展政策，有利于促进我国矿产资源的合理开发和综合利用，对促进我国建立一种低投入、高产出、少排放、能循环、可持续发展的资源节约型、环境友好型社会有着举足轻重的意义。

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