玄武岩纤维的研究进展、性能及其产品应用
发布者：孙建磊 李龙 张胜靖 发布时间：2011-1-26 14:42:00
玄武岩纤维的研究进展、性能及其产品应用--------《中国纤检》
The Development，Characteristic and Application of Basalt Fiber
文/孙建磊 李龙 张胜靖
摘要：玄武岩纤维属于高科技纤维,其应用领域广泛。文章阐述了玄武岩纤维国内外研究的最新进展,讨论了玄武岩纤维的性能以及我国玄武岩纤维生产技术存在的一些主要问题。文章还重点介绍了玄武岩纤维的产品及其应用。
关键字：玄武岩纤维；进展；性能；产品；应用
Abstract：The Basalt fiber belongs to the high-tech textile fiber, its application field is wide. The article elaborates the development of basalt fiber at home and abroad, discussed the basalt fiber performance as well as some main questions of basalt fiber production technology existed in our country. The article also highlights the products and applications of basalt fiber.
Key words：basalt；fiber；development；performance；products；applications
玄武岩纤维是玄武岩石料经过1450℃～1500℃熔融后，再通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。作为矿产资源中的一种，玄武岩矿石资源比较丰富，价格低廉，熔化后不需要经过净化过滤即可制成纤维。玄武岩纤维和玻璃纤维相似，其性能介于高强度S玻璃纤维和无碱E玻璃纤维之间，纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色，有些似金色[1]。玄武岩纤维的耐温范围比较宽泛,可以应用在－260℃～＋800℃的条件中，而玻璃纤维的适用温度仅在－60℃～＋450℃之间，其耐碱性能和耐酸性能都要优于普通的玻璃纤维，抗氧化耐水解性能也比玻璃纤维要好得多,弹性模量是玻璃纤维的1.3倍左右,可以达到100GPa,而玻璃纤维只有70～80GPa,抗拉强度甚至可以达到4000MPa以上[2]。据专家预测，玄武岩纤维制造业将成为迅速崛起的新兴材料产业之一[3]。因此，对玄武岩纤维的开发与研究具有显著的经济效益和良好的社会效益。
1 玄武岩纤维研究的国内外最新进展
近年来，国内外研究者开始从事玄武岩纤维的研究并取得了一定的进展。我国对于玄武岩纤维的研究还处于起步阶段，俄罗斯与乌克兰在该研究领域代表着世界的先进水平,他们主要采用铂金管分流器，加热式管状流液洞,同时使用中心取液法,配合较小的漏板、很短的漏嘴和热风式丝根冷却器等一系列专有技术和技术诀窍,使玄武岩纤维产品稳定,并运用上述技术开发了上百种玄武岩纤维产品[4]。近几年来, 、日本、德国等国都加强了对玄武岩纤维的研究开发,并取得了一系列新的研究成果。我国在上世纪90年代中期,南京玻璃纤维研究设计院开始对玄武岩纤维进行研究。其中,刘柏森、斯维特兰娜、何建生等[5]针对玄武岩熔体透热性低、易结晶、拉丝黏度高等特性,研究了一种生产连续玄武岩纤维的池窑，主要是在玻璃纤维池窑的基础上，通过在熔化池与作业区之间增加分隔墙、上升通道、热屏、薄层熔融体溢流带和溜槽等部分，保证了流入拉丝作业漏板的熔融体的质量和参数的稳定；王岚和李振伟[6]针对玄武岩熔点高、熔融体易结晶、漫流等问题，对普通玻璃纤维用铂金漏板中漏嘴进行改进,制成了玄武岩纤维用的铂金漏板，此种漏板中漏嘴出口与入口的直径比为1∶1.05～1.3,高度为2～7mm,壁厚为0.2～0.7mm，这样的漏板有效地解决了料液在漏板上的析晶、漫流等问题，降低了拉丝工作的劳动强度，并提高了产品成品率；奥斯诺斯?谢尔盖?彼得洛维奇、李中郢[7]通过研究玄武岩矿石的熔融体制取短纤维的工艺和设备,给出了矿石的熔融温度范围、拉丝的温度范围、喷吹短纤维的喷吹压力值和喷吹气流速度的范围，明确了玄武岩短纤维生产设备的构成；闫全英、胡琳娜、谈和平等[8、9]也对玄武岩成型工艺中粘流性、高温粘度、析晶性能等在理论上做了大量的研究。据了解，2000年日本丰田公司在乌克兰投资，依靠乌克兰技术，建成工业化生产玄武岩纤维基地，开始玄武岩纤维制造业为民品服务。2001年我国哈尔滨工业大学组建了专门的研究队伍致力于玄武岩纤维制备技术的研发。2002年,连续玄武岩纤维被列为我国863高科技项目(2002AA334110)。2003 年该计划成果与浙江民营企业对接克服了氧化还原不好等技术难题,现已掌握了玄武岩纤维生产所有工艺技术。并于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玄武岩纤维奠定了基础。
2 玄武岩纤维的主要成分
在原料的选择上，玄武岩纤维要求玄武岩熔化温度、成形温度、析晶上限温度必须在一定可控制范围之内,这就需要对玄武岩矿物进行筛选。用于制造纤维的玄武岩要求SiO2含量高于
50%,Al2O3含量在18%左右,这种成分赋予玄武岩熔体高粘度的特性。此外,由于高含量的铁使熔体呈黑棕色,透热性只为普通浅色玻璃透热性的20%，制造玄武岩纤维的玄武岩成分中要求FeO和Fe2O3含量高达9%～14%。为了提高玄武岩纤维防水性能和耐腐蚀性能，还要求成分中含有一定量的 K2O、MgO和TiO2,拉制优良的纤维所需的玄武岩的成分见表1。随着现代表征技术的进步,玄武岩纤维的结构日益清晰。目前,业内人士普遍认为:玄武岩纤维内部为非晶态物质,具有远程无序、近程有序的结构特征,主要由[SiO4]四面体形成骨架结构,四面体的两个顶点互相连接成[SiO3]n链,铝原子可以取代硅氧四面体中的硅,也可以以八面体的形式存在于硅氧四面体的空隙中链的侧方由钙、镁、铁、钾、钠、钛等金属阳离子进行连接。处于玄武岩纤维表面的金属离子因配位数不能满足而从空气和水中缔合质子或羟基,导致表面的羟基化[10]。
表1 玄武岩纤维的主要组成成分
化学成分/% SiO2 Al2O3 FeO＋Fe2O3 CaO MgO TiO2 Na2O＋K2O 其他
最低 45 12 5 6 3.0 0.9 2.5 2.0
最高 69 19 15 12 7.0 2.0 6.0 3.5
3 玄武岩纤维的性能
3.1优异的力学性能
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4840 MPa，其力学性能见表2[11]:
表2 玄武岩纤维与其他高性能纤维力学性能的比较
项 目 E-玻璃
纤维 Kevlar
纤维 碳纤维
玄武岩纤维
(乌克兰产 ) 玄武岩纤维
(加拿大产)
拉伸强度/MPa 3100～3800 2758～3034 2500～3500 3000～3500 4840
弹性模量/GPa 76～78 124～131 230～240 79.3～93.1 89
断裂伸长率/% 4.7 2.3 1.2 3.2 3.1
3.2 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[12]。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[13]在长期处于低温－196℃液氮介质作用后，其强度不产生变化，足以说明它是有效的低温绝热材料。
3.3 高的声绝缘特性
玄武岩纤维隔音效果好,可用作隔音材料,其声绝缘性见表3。
表3 直径1～3μm的玄武岩超细纤维材料的隔音特性
频段/Hz 100～200 300～900 1200～7000
法向吸音系数 0.15 0.86～0.99 0.74～0.99
注:材料密度15kg/m，厚度30mm，材料与绝缘板间距100 mm
3.4 高的耐腐蚀性与化学稳定性
玄武岩纤维在酸、碱溶液中，具有极高的化学稳定性。该性质决定了玄武岩纤维能够广泛应用于处于高湿度、酸、碱、盐类介质作用的建筑结构。
3.5 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。
3.6 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。
3.7 良好的兼容性
玄武岩纤维可以用于制作性能良好的玄武岩塑料制品。玄武岩纤维可以替代玻璃纤维用于路面工程的土工格栅。玄武岩纤维具有比玻璃纤维更好的性能,可更有效地防止道路反射裂缝、龟裂等质量通病。
3.8 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[14]。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。
4 玄武岩纤维的产品及其应用
玄武岩纤维制品是玄武岩纤维应用的一个主要方面,仅从民用的角度观察,玄武岩纤维可以通过不同材料结合、通过不同设计方法得到品种繁多制品。根据玻璃钢产业的统计,玄武岩纤维可以按照相应的方式得到类似的制品[15、16]。