T. B?z

BasaltFaserNetzwerk公司(德國)

1 熔融巖體

玄武巖纖維由尺寸為5～10 cm的玄武巖石制成，當(dāng)將溫度精確控制在1 300～1 450 ℃時(shí)，玄武巖發(fā)生熔融。熔融的玄武巖在特定的熔體壓力下通過噴嘴噴出，可得到連續(xù)的超細(xì)纖維，纖維表面涂有漿料后，能夠滿足在紡織品生產(chǎn)過程中的應(yīng)用?？蓪⑿鋷r纖維加工成工業(yè)長絲紗線、粗紗、加捻紗和合股紗線及簾子線。根據(jù)其結(jié)構(gòu)與構(gòu)成，所得材料的線密度為20～4 800 tex。玄武巖纖維也可制成短纖維，用于生產(chǎn)非織造布、緯編織物、機(jī)織物、經(jīng)編織物及多軸向紡織品。目前，全球已有約20家玄武巖纖維供應(yīng)商，主要分布在東歐和中國，產(chǎn)能約為 35 000 t/a。原料組成和制造工藝的不同，導(dǎo)致制成的玄武巖纖維品質(zhì)存在差異。

2 黑色的“綠色”纖維

玄武巖纖維的主要特征在于其耐高溫性能，它們可以在-260～800 ℃的較寬溫度范圍內(nèi)使用。這些由黑色熔巖制成的纖維也具有良好的耐化學(xué)性，尤其是耐酸、耐堿和耐溶劑性能，它們還具有優(yōu)良的抗紫外輻射性能、抗生物影響及耐腐蝕性能(表1)。此外，玄武巖纖維還具有優(yōu)異的力學(xué)性能(表2)。它們的長度膨脹系數(shù)較低，并且具有較高的抗扭曲性和抗彎曲性。這意味著在復(fù)合材料中使用玄武巖纖維制備成型的3D半成品時(shí)，相比碳纖維其更不易斷裂。這有利于成品部件的強(qiáng)度，且強(qiáng)度增加可達(dá)200%。此外，玄武巖纖維是電絕緣的。除具有一定的性質(zhì)和特征外，玄武巖纖維還具有生態(tài)優(yōu)勢。這種天然材料的數(shù)量足夠大，可在不添加任何其他添加劑的情況下進(jìn)行加工，且可100%回收。當(dāng)用于塑料復(fù)合材料時(shí)，玄武巖的耐高溫性意味著可通過簡單的熔化方法實(shí)現(xiàn)其與復(fù)合材料中其他物質(zhì)的分離。生產(chǎn)玄武巖纖維時(shí)，其工藝對環(huán)境的影響也低于同類產(chǎn)品。例如，因能耗較低，生產(chǎn)1 t玄武巖纖維時(shí)產(chǎn)生的CO2量比生產(chǎn)玻璃纖維約少1 t，而比生產(chǎn)碳纖維要少20 t。

表1 玄武巖纖維的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域(來源：BasaltFaserNetzwerk)

表2 玄武巖纖維與幾種纖維的性能對比(來源：Sebastian Nendel. Cetex，信息由制造商提供，未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化測試)

3 技術(shù)用全能纖維

玄武巖纖維(圖1)具備的特性使其尤其適用于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。最新的研究結(jié)果表明，玄武巖纖維已實(shí)現(xiàn)了在一些產(chǎn)業(yè)終端的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，最具潛力的應(yīng)用(已獲得一些初步實(shí)踐經(jīng)驗(yàn))是用作熱介質(zhì)的過濾材料，如用于垃圾焚燒廠和混凝土工廠的熱過濾材料，用作公路、高速公路及滑雪場的坡面固定材料，用于防火、隔音和土地恢復(fù)，以及用作絕緣網(wǎng)、排水材料及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域等。

玄武巖纖維的一個(gè)較有前途的應(yīng)用是用作混凝土和復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。在混凝土結(jié)構(gòu)中，由耐腐蝕的多軸向紡織品代替鋼制成的增強(qiáng)材料，可使混凝土部件更薄、更輕質(zhì)。玄武巖纖維還可用于替代復(fù)合材料生產(chǎn)中的玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維。它們易于回收利用，為開發(fā)資源節(jié)約型工藝帶來了許多可能性，該工藝可用于生產(chǎn)和加工具有優(yōu)異力學(xué)性能和均衡成本效益的纖維增強(qiáng)材料半產(chǎn)品。

圖1 玄武巖纖維

4 輕型建筑解決方案的增強(qiáng)材料

在用作復(fù)合體系的增強(qiáng)材料時(shí)，玄武巖纖維常被加工成無緯(UD)、多軸和雙軸紡織品(圖2)，或粗糙的經(jīng)編網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(圖3)。也可將玄武巖纖維整合到經(jīng)編間隔織物的覆蓋面(圖4)。

圖2 由玄武巖制成的雙軸織物

圖3 在插緯經(jīng)編機(jī)上制備的玄武巖纖維網(wǎng)格

圖4 表面含有玄武巖纖維的粗糙的經(jīng)編間隔織物

在生產(chǎn)玄武巖纖維基材方面，目前獲得的經(jīng)驗(yàn)主要基于德國Cetex紡織和加工機(jī)械研究所(非營利性的紡織和加工機(jī)械研究所)所開展的項(xiàng)目。該研究所已制備出面密度高達(dá)400 g/m2(取決于輸入材料量)的單層UD紡織品。其最大加工速度為40 m/min，最大幅寬為800 mm。該UD紡織品具有均勻的紗線張力，這是由于各紗線張力可單獨(dú)調(diào)節(jié)所致。此外，該紡織品中紗線完全伸直且紗線間無間隙。

使用Cut&Lay多軸經(jīng)編機(jī)制備了具有不同鋪設(shè)角度和面密度的紡織品?；w材料為未浸漬的干燥的UD織物，以0°、90°、±45°、±30°和±60°的角度插入，并在縫合結(jié)合點(diǎn)用不同線密度的紗線在經(jīng)編織物或編鏈組織中進(jìn)行黏合。機(jī)器最大工作寬度為100 in(254 cm)。當(dāng)生產(chǎn)速度為4 m/min時(shí)，該工藝在運(yùn)行中沒有出現(xiàn)任何問題。玄武巖纖維如同玻璃纖維一樣易加工。

如果干燥的UD紡織品在到達(dá)縫編點(diǎn)前，其兩面都覆蓋有薄膜網(wǎng)(如聚丙烯制成的薄膜網(wǎng))，則可在后續(xù)成型加工和注射工藝中將其進(jìn)一步加工成有機(jī)板材。紗線層的不同角度(即半成品的不同構(gòu)造)可使它們能夠承受任何可能發(fā)生的負(fù)荷。

5 展望

玄武巖的成分變化很大，這取決于它的出產(chǎn)地。基礎(chǔ)巖石不含任何石英，但它含有各種不同的礦物質(zhì)，主要成分是硅。制約玄武巖纖維終端應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的挑戰(zhàn)之一是對各種不同纖維品質(zhì)的評(píng)估。纖維的規(guī)格也必須適應(yīng)最終用途的需要，并納入適用的標(biāo)準(zhǔn)。此外，還必須進(jìn)一步發(fā)展整個(gè)生產(chǎn)鏈的可重復(fù)性技術(shù)。一般而言，提高對技術(shù)纖維的認(rèn)識(shí)和信心水平也非常重要。

德國Basaltfasernetzwerk公司承擔(dān)了玄武巖纖維開發(fā)的所有這些任務(wù)。公司致力于研究和開發(fā)玄武巖纖維，同時(shí)研究它們在紡織工業(yè)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域、建筑業(yè)及其他諸多領(lǐng)域的可能應(yīng)用。