楊　莉，吳宜城，沈城偉

(安徽工程大學(xué)紡織服裝學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

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玄武巖纖維的性能及應(yīng)用

楊莉，吳宜城，沈城偉

(安徽工程大學(xué)紡織服裝學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

摘要：玄武巖纖維是一種新型高性能纖維，具有高強(qiáng)、耐高溫、耐燒蝕、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、綠色環(huán)保的優(yōu)異性能特點(diǎn)，可作為替代碳纖維、玻璃纖維的增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中使用。本文介紹了玄武巖纖維的發(fā)展概況、主要性能特點(diǎn)，及主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維纖維形態(tài)性能特點(diǎn)應(yīng)用發(fā)展

0前言

玄武巖纖維與碳纖維、芳綸和高分子量聚乙烯纖維并稱為中國(guó)四大高技術(shù)纖維[1]。玄武巖纖維是以火山噴出巖體為原料，破碎后經(jīng)1450-1500℃的熔窯熔融后拉絲而成的。

玄武巖纖維是在1953-1954年最早由蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院研制成功的，并于1985年在烏克蘭纖維實(shí)驗(yàn)室建成第一臺(tái)可工業(yè)化生產(chǎn)的窯爐，產(chǎn)品主要用于軍工行業(yè)。1991年前蘇聯(lián)解體后，此項(xiàng)目才被公開(kāi)，由于玄武巖纖維優(yōu)異的綜合性能和較高的性價(jià)比，美國(guó)、歐盟等國(guó)家都將其納入了研究領(lǐng)域。目前，俄羅斯、烏克蘭、美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、加拿大等國(guó)家都在進(jìn)行對(duì)玄武巖纖維的發(fā)展研究[2-3]。

我國(guó)是從20世紀(jì)70年代起開(kāi)始對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行研究的，但一直沒(méi)有成功。直到2004年才有所突破，2002年我國(guó)科技部將“玄武巖纖維及其復(fù)合材料”列入國(guó)家863計(jì)劃，2004年橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司采用創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)“一步法”工藝成功實(shí)現(xiàn)了玄武巖纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，使我國(guó)完全掌握了連續(xù)玄武巖纖維的自主研發(fā)和生產(chǎn)。近年來(lái)，我國(guó)玄武巖纖維發(fā)展迅速，目前主要有上海橫店、浙江石金、四川航天拓鑫、牡丹江金石、營(yíng)口洪源、江蘇天龍、河北通輝、營(yíng)口洪源、山西巴塞奧特、吉林通鑫等10家生產(chǎn)企業(yè)，已成為擁有世界最領(lǐng)先的玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)的幾個(gè)國(guó)家之一。有專家預(yù)測(cè)到2020年我國(guó)玄武巖纖維產(chǎn)量可達(dá)到10萬(wàn)t左右[4]。

1玄武巖纖維的性能

1.1玄武巖纖維形態(tài)及成份

圖1所示為玄武巖纖維的表面電鏡圖，如圖中所示玄武巖纖維表面光滑，外觀顏色一般為深棕色，但會(huì)因纖維中所含鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差別有所差異，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，顏色越深，但一般顏色相差不大。玄武巖纖維截面呈圓形，是在熔融冷卻成形前，表面張力作用而導(dǎo)致的。

圖1　玄武巖纖維表面形態(tài)

圖2　玄武巖纖維X射線能譜圖

因玄武巖纖維是由單一玄武巖礦石熔融拉絲而成的，因此成纖后化學(xué)組分不變，圖2所示為玄武巖纖維表面X射線能譜圖。從圖中可發(fā)現(xiàn)，纖維中含有大量的Si、Al、Fe、Ca等元素，玄武巖纖維主要由SiO2、AL2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO及少量雜質(zhì)組成，其中SiO2含量大約在44%～52%左右, AL2O3含量為12%～18%，CaO為6.68%、MgO為7.31%，纖維中不同組分會(huì)使纖維具有特定的性能[5]。

1.2玄武巖纖維的力學(xué)性能

因玄武巖纖維中含有大量的SiO2和AL2O3，所以使其具有良好的力學(xué)性能。表1所示為玄武巖纖維與其他高性能纖維的力學(xué)性能比較[6-7]。

表1　玄武巖纖維與其他高性能纖維力學(xué)性能對(duì)比

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)地及不同生產(chǎn)廠家的玄武巖纖維因成份含量差異，使其力學(xué)性能也不盡相同。玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高，明顯優(yōu)于芳綸和E-玻璃纖維，斷裂伸長(zhǎng)率也比碳纖維大，說(shuō)明玄武巖纖維成品的耐沖擊性優(yōu)于碳纖維成品。因此，玄武巖纖維可作為一種新型增強(qiáng)體材料代替碳纖維和玻璃纖維用于復(fù)合材料的制備加工。

1.3隔熱耐溫性能

玄武巖纖維是一種典型的硅酸鹽型纖維材料，結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)，無(wú)固定熔點(diǎn)，因此具有較好的熱穩(wěn)定性[8]。可在-260～650℃的條件下使用。在400℃的條件下，斷裂強(qiáng)度可保持在85%左右，在600℃的條件下，斷裂強(qiáng)度還能保持80%，玄武巖纖維的導(dǎo)熱系數(shù)小，僅為0.031～0.048，因此玄武巖纖維不但具有耐高溫和耐低溫性能，還具有較好的隔熱保溫性能。

1.4化學(xué)穩(wěn)定性

玄武巖纖維含有少量的Na2O、K2O、TiO2等物質(zhì)，使其具有較好的防水及耐化學(xué)腐蝕性能。玄武巖纖維吸水率為0.12～0.3%，在水中煮沸3h后，質(zhì)量損失率僅為0.4%，強(qiáng)度保持率可達(dá)99.8%。一般情況下玄武巖纖維的耐酸性優(yōu)于耐堿性，且同其他玻璃纖維相比其耐堿性更優(yōu)良。在2mol/L的NaOH溶液中煮沸4h后的纖維質(zhì)量損失率為5.8%。玄武巖纖維耐酸性較耐堿性更好，在2mol/L的HCL溶液中煮沸4h后，纖維損失率僅為3.04%[9]。但也有研究表明，不同產(chǎn)地的玄武巖纖維耐酸堿性有所差異[10]。

1.5環(huán)保性

玄武巖纖維與其他高性能纖維相比，具有較好的環(huán)保特性，主要表現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程和對(duì)工人的安全性方面。首先，玄武巖纖維在熔化過(guò)程中不產(chǎn)生硼和其他堿金屬氧化物等有害物質(zhì)，且本身呈惰性，不燃燒、不爆炸、與空氣和水接觸無(wú)有毒物質(zhì)產(chǎn)生，克服了傳統(tǒng)玻璃纖維材料在制造過(guò)程中的缺點(diǎn)；其次，玄武巖纖維在廢棄后，能自動(dòng)降解為土壤母質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

除上述特點(diǎn)外，玄武巖纖維還具有較好的電絕緣性、良好的吸音性及電磁波屏蔽性能。

2玄武巖纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

玄武巖纖維按熔融原料所使用容器不同，可分為坩堝法和池窯法兩種，但坩堝法能源利用率相對(duì)較低，目前玄武巖纖維生產(chǎn)多用池窯法；按纖維形態(tài)可將其分為玄武巖短纖維、連續(xù)玄武巖纖維和超細(xì)玄武巖纖維。玄武巖纖維存在結(jié)構(gòu)形式不同，其加工工藝和產(chǎn)品性能及應(yīng)用領(lǐng)域也有所差距[11]，目前玄武巖纖維可以無(wú)捻粗紗、膨體紗、玄武巖無(wú)緯布、平紋布、斜紋布、多軸向織物、針刺氈等多種結(jié)構(gòu)形態(tài)存在。

2.1土木建筑領(lǐng)域

玄武巖纖維屬于火山灰質(zhì)材料，活性指數(shù)較高，與水泥有較好的界面結(jié)合性能，是良好的水泥基復(fù)合材料增強(qiáng)體。水泥作為一種脆性材料，在澆注和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中會(huì)在內(nèi)部和表面生成大量的孔隙和裂縫，而玄武巖纖維中所含的SiO2和AL2O3，可與水泥中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等凝膠性物質(zhì)，對(duì)水泥基體中的孔隙及裂縫進(jìn)行有效的修補(bǔ)，使水泥基體各項(xiàng)力學(xué)性能得到改善[12-13]。目前多是將玄武巖以短纖維形式加入到混凝土中制成玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土，同時(shí)，玄武巖纖維還可以織物、片材、復(fù)合筋及格柵的形式用于混凝土建筑的補(bǔ)強(qiáng)、加固和修復(fù)中，如橋梁、隧道、體育館等建筑結(jié)構(gòu)材料的使用。

同時(shí)，還可利用玄武巖纖維耐熱、保溫、吸音等特性用于建筑物外墻保濕防火材料的制備，如浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維防火保溫板已在實(shí)際生產(chǎn)中得到使用。玄武巖纖維還可以編織成土工格柵等形式，與瀝青混合改性，用于提高路面的高溫穩(wěn)定性和耐久性，避免路面開(kāi)裂。

2.2交通領(lǐng)域的應(yīng)用

為了保證汽車質(zhì)輕、低能的目標(biāo)，大量的高性能纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車制造中，目前用于汽車上的復(fù)合材料增強(qiáng)體主要是鋼纖維、碳纖維、礦物纖維及玻璃纖維，而玄武巖纖維的質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、可自然降解等綜合性能比上述高性能纖維更符合對(duì)于汽車復(fù)合材料增強(qiáng)體的要求及發(fā)展趨勢(shì)。玄武巖纖維還可利用穩(wěn)定的高溫摩擦系數(shù)、小的熱衰退性和制動(dòng)噪音低的特點(diǎn)而被用于汽車摩擦材料的制備。如西班牙GALFER公司已將玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于1052系列摩托車剎車片的制造[14]。

同時(shí)，玄武巖纖維材料還可用于汽車內(nèi)飾材料的制備。目前汽車內(nèi)飾材料存在強(qiáng)度不夠高，受熱易揮發(fā)產(chǎn)生有害氣體、以及隔熱吸音性差等缺點(diǎn)，而玄武巖纖維不但可以達(dá)到阻燃、高強(qiáng)及低成本的目的，還可以提高汽車的隔熱和吸音性能。除此以外，玄武巖纖維還可用于汽車高溫過(guò)濾材料的使用，用于汽車尾氣的過(guò)濾。目前，烏克蘭、英國(guó)和俄羅斯等國(guó)家已將玄武巖纖維用于汽輪機(jī)消音、汽車、船舶等行業(yè)尾氣的吸收

2.3軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

玄武巖纖維是由前蘇聯(lián)國(guó)防部下令開(kāi)發(fā)的，因此早期的玄武巖纖維及其制品均用于軍工領(lǐng)域。如1975年7月17是與美國(guó)“阿波羅”號(hào)宇宙飛船完成第一對(duì)接的蘇聯(lián)“聯(lián)盟—19”號(hào)宇宙飛船的結(jié)構(gòu)材料。以玄武巖纖維為增強(qiáng)體加工而成的復(fù)合材料還被用于于飛機(jī)、火箭、戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、坦克、軍艦等領(lǐng)域。不但可在某些領(lǐng)域代替碳纖維的使用，降低武器裝備制造成本；還可以促進(jìn)武器裝備的升級(jí)換代，提高部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。玄武巖纖維織物還可用于個(gè)體防護(hù)裝備，如以色列就利用玄武巖纖維代替凱夫拉纖維作為防彈背心的阻尼層。目前還有將玄武巖纖維與其他纖維混紡，代替Nomex、Kavlar、Teflon等材料用于部隊(duì)阻燃防護(hù)服的開(kāi)發(fā)[15]。除此以外，還以利用玄武巖纖維在高壓250KV和低壓500V設(shè)備上的電絕緣性和對(duì)電磁波的透過(guò)性能，用于軍事中無(wú)線電通訊、天線整流罩、雷達(dá)、及高壓輸送設(shè)備中電絕緣材料的使用。

除上述應(yīng)用外，玄武巖纖維還可被用于大型風(fēng)力葉片增強(qiáng)材料的使用；石油輸油管道、油氣井油管、地面油氣輸送管道中各種管道材料的制備；化學(xué)、冶煉、電力等行業(yè)高溫?zé)煔?、粉塵及酸堿性物質(zhì)的過(guò)濾。

3結(jié)語(yǔ)

玄武巖纖維由于原料豐富、性能優(yōu)異和市場(chǎng)需求廣泛等特點(diǎn)得到了快速發(fā)展，成為了國(guó)家大力支持和鼓勵(lì)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，且還會(huì)隨著科技 的不斷發(fā)展和研究的不斷深入，在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，為我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)提升和高性能纖維的發(fā)展應(yīng)用起到促進(jìn)作用。

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中圖分類號(hào)：TQ325.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)01-0132-04

基金項(xiàng)目：安徽省高等教育提升計(jì)劃省級(jí)科學(xué)研究一般項(xiàng)目(TSKJ2014B21);2014年安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(C14SC04070)

收稿日期：2015-11-08

第一作者：楊莉(1978-)，女，碩士，副教授，研究方向：新型紡織材料與復(fù)合材料。