玄武巖纖維：21世紀的新型環(huán)保纖維

　　玄武巖纖維是一種由天然巖石制成的纖維。上世紀50年代初期，德國、捷克和波蘭等東歐國家以玄武巖為原料，采用離心法生產出了纖維平均直徑為25μm～30μm的玄武巖棉。上世紀60年代初期，美國、前蘇聯、德國等大力發(fā)展垂直立吹法生產工藝，使玄武巖棉產量迅速增長。波蘭的玄武巖棉廠共有12座熔窯，年產玄武巖9000噸～10000噸。原捷克的玄武巖棉廠有7座熔窯，每座熔窯日產玄武巖棉2.4噸～2.9噸，年產玄武巖棉5000噸～6000噸，大量用于建筑和工業(yè)保溫，部分取代石棉用于生產石棉水泥制品，并使石棉水泥制品的強度得到提高。  

　　上世紀60年代初，前蘇聯引進了德國立吹法制造礦物棉的生產專利，在消化、吸收的基礎上，成功地將該項技術應用于玄武巖棉的生產。設計生產能力為日產38噸～40噸玄武巖棉，從而大大加快了前蘇聯玄武巖棉工業(yè)的發(fā)展。此外，前蘇聯還進行了玄武巖長纖維增強混凝土的研究工作，證明了在所研究的5種無機纖維中，玄武巖纖維具有最好的抵抗水泥硬化時析出的Ca（OH）2的侵蝕。1973年，前蘇聯新聞機構報道了有關玄武巖纖維材料在其國內廣泛應用的情況。  

　　玄武巖纖維的研究工作主要集中在前蘇聯。全蘇玻璃鋼與玻璃纖維科學研究院烏克蘭分院早在上世紀60年代～70年代就致力于這方面的研究工作。1985年，第一座連續(xù)玄武巖纖維工業(yè)化生產線在烏克蘭纖維實驗室（TZI）建成投產，年產量為260噸，產品主要用于國防軍工。目前，俄羅斯、烏克蘭等國家已采用400孔池窯拉絲工藝生產連續(xù)玄武巖纖維及其制品，年產量700噸左右。美國則采用800孔池窯拉絲工藝，年產量為1000噸～1500噸。  

　　連續(xù)玄武巖纖維（見圖1）具有優(yōu)良的力學性能、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和電絕緣性能。定長纖維具有優(yōu)良的耐熱性、熱振穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和優(yōu)良的隔熱吸音性能，因此具有廣闊的應用前景。制備連續(xù)玄武巖纖維的原料玄武巖（見圖2）,是由巖漿形成的基本礦石，是一種硬而致密的深色火山巖，主要礦物質是斜長石，在俄羅斯烏拉爾山脈、美國西部、印度尼西亞、菲律賓、越南等地有廣泛礦藏分布。我國的黑龍江、寧夏、四川、山東、河北等地也有豐富的儲量。而玻璃纖維則由葉臘石、石英砂、石灰石、硼鈣石、硼鎂石、螢石等原料制成。由于玄武巖熔化過程中沒有硼和其他堿金屬氧化物排出，使連續(xù)玄武巖纖維制造過程的池爐排放煙塵中無有害物質析出，不向大氣排放有害氣體，無工業(yè)垃圾及有毒物質污染環(huán)境。它在很大程度上可代替玻璃纖維，被廣泛用于航天航空、石油化工、汽車、建筑等多領域，因而，連續(xù)玄武巖纖維被譽為21世紀“火山巖變絲”、“點石成金”的新型環(huán)保纖維。  

　　增強復材的競爭性材料  

　　采用天然耐火玄武巖擠出的連續(xù)纖維，在幾乎所有的用途方面都可以用來替代石棉纖維。近10年，玄武巖纖維已成為增強復合材料的競爭性材料。雖然目前玄武巖纖維尚未得到廣泛使用，但已逐漸進入消費者視線，價位處于高強玻璃纖維和無堿玻璃纖維之間，但卻有著與高強玻璃纖維相似的性能。玄武巖礦石原料不僅廉價且隨地可取，其價格僅相當于鋪路石料價，占玄武巖纖維生產成本的3%～5%,而生產玄武巖纖維只是將礦石在熔化爐中進行熔化后進入接絲漏板纖維成形，這就是連續(xù)玄武巖纖維生產的全部工藝過程。與玻璃纖維一樣，玄武巖纖維也是用鉑銠合金漏板拉制而成。在纖維冷卻時涂覆浸潤劑，纖維送入拉絲設備和卷繞設備，然后繞在紗筒上。  

　　由于玄武巖纖維比玻璃纖維更有磨損性，價格昂貴的漏板需要經常整修。隨著漏板的磨損，漏板上的圓孔會變得不均勻，進而影響了工藝控制，如不進行定期維修，不圓的孔徑會導致纖維直徑不在正常范圍之內，生產出的無捻粗紗也無法預測斷裂荷載。由于在加工和維修方面存在上述差異，使玄武巖纖維的生產成本超過了無堿玻璃纖維，但是玄武巖纖維的支持者稱它在復合材料用途中明顯優(yōu)于無堿玻璃纖維。玄武巖短切氈、無捻粗紗和單向織物比同類型的無堿玻纖產品有著更高的斷裂載荷和更高的楊氏模量（材料的剛性參數）.近年飛速發(fā)展的風力發(fā)電機葉片產業(yè)受材料剛性左右的因素日益突出。玄武巖纖維的模量和拉伸強度分別比無堿玻纖高15%和25%,因而將成為1.5兆瓦或2兆瓦風力發(fā)電機葉片承力部位的理想材料。   [Page]

　　玄武巖纖維的特性與應用  

　　與玻璃纖維、巖棉、石棉、化學纖維相比，玄武巖纖維及其制品同時在很多方面表現出異常的優(yōu)越性能。主要表現在以下幾個方面：①高使用溫度。玄武巖纖維的使用溫度范圍為-260℃～880℃，這一溫度遠遠高于聚丙聚纖維、芳綸纖維、無堿E玻纖、石棉、巖棉、不銹鋼，接近硅纖維、硅酸鋁纖維和陶瓷纖維；②較低的熱傳導系數。玄武巖纖維的熱傳導系數為0.031W/m·K～0.038W/m·K,低于芳綸纖維、硅酸鋁纖維、無堿玻纖、巖棉、硅纖維、碳纖維和不銹鋼；③高的彈性模量。玄武巖纖維的彈性模量為：9100kg/mm2～11000kg/mm2,高于無堿玻纖、石棉、芳綸纖維、聚丙稀纖維和硅纖維；④經熱處理后強度的損失較低，低于無堿玻纖（其他纖維暫無數據提供）;⑤化學穩(wěn)定性（耐酸堿腐蝕能力）較強，高于巖棉、無堿玻纖、硅纖維；⑥吸音系數較高，玄武巖纖維的吸音系數為0.9～0.99,高于無堿玻纖和硅纖維；⑦比體積電阻較高，玄武巖纖維的比體積電阻為1×102ohm.m,大大高于無堿玻纖和硅纖維；⑧較低的吸濕性，玄武巖纖維的吸濕性低于0.1%,低于芳綸纖維、巖棉和石棉。  

　　連續(xù)玄武巖纖維可被制成粗紗、細紗、土工布、編織布、短切紗（見圖3）、針刺氈、套管等，應用于不同領域。玄武巖纖維具有優(yōu)越的化學、物理、力學及高溫性能，因此它可在各行各業(yè)獲得廣泛的應用。  

　?、俜阑鸶魺犷I域的應用：玄武巖纖維織成的防火布耐高溫、隔熱效果好、無熔融滴落、無有毒氣體排出、無熱收縮，是防火服、防火毯、防火簾的優(yōu)良材料，耐溫可高達650℃，極限氧指數大于68,大大優(yōu)于芳綸等到有機纖維。  

　　②基礎設施領域的應用：玄武巖纖維拉伸強度高、耐酸堿、化學性能穩(wěn)定，可部分替代碳纖維片，用于基礎設施的修復、更新和加固；亦可替代聚脂纖維、聚炳烯纖維、聚炳烯腈纖維，用于增強砂漿混凝土和瀝青混凝土，具有較強的防滲抗裂功效，可廣泛用于高速公路、飛機跑道、海港碼頭、水電工程建筑等基礎設施領域。  

　?、墼诃h(huán)保領域的應用：玄武巖纖維是一種新型的綠色環(huán)保材料，可用于環(huán)保領域有害介質、氣體的過濾、吸附和凈化，特別是在高溫過濾領域，玄武巖纖維的長期使用溫度是650℃，遠優(yōu)于傳統(tǒng)過濾材料，是過濾基布、過濾材料、耐高溫氈的首選材料。  

　?、苄鋷r纖維增強塑料（BFRP）的應用：以玄武巖纖維為增強體的復合材料可用于防彈裝甲、雷達罩、炮管熱護、吸波透波隱身材料等國防領域；也可用于車船結構、耐壓耐腐蝕管道、纏繞鋼瓶、印刷電路板等民用領域。  

　　另外，玄武巖纖維還是碳纖維的低價替代品，具有一系列優(yōu)異性能。尤為重要的是，由于它取自天然礦石而無任何添加劑，是目前為止唯一的無環(huán)境污染的、不致癌的綠色健康玻璃質纖維產品。所以玄武巖纖維在復合材料的增強材料領域的應用，已引起廣泛的重視并將快速發(fā)展。  

　　高技術纖維是國防軍工建設和支撐高科技產業(yè)發(fā)展的重要基礎材料，它直接關系到國防科技工業(yè)的建設和國民經濟支柱產業(yè)的升級。玄武巖纖維就是繼碳纖維、芳綸、超高相對分子質量聚乙烯纖維之后的第四大高技術纖維。它是21世紀在國防軍工領域有著非常重要應用的一種高技術纖維，是體現國防科技戰(zhàn)略布局的一種新材料。  

　　從新材料的制造成本看，中國具有低成本制造玄武巖纖維得天獨厚的條件。國家863計劃該課題的研究成果表明，我國擁有完全自主知識產權的低成本、大規(guī)模發(fā)展玄武巖纖維的新技術、新裝置和新工藝。從全球的發(fā)展水平看，全世界玄武巖纖維的技術及規(guī)模尚處于初級階段，這給我們追趕乃至超過國外的先進技術水平提供了很大的發(fā)展空間和市場機遇。在碳纖維短缺的時期，要積極開發(fā)新產品，以變應變，把碳纖維的短缺當作一個契機或轉機，開發(fā)以玄武巖纖維為原料的新產品。新產品開發(fā)要源于市場，更要高于市場，應主動去引導市場，例如利用玄武巖纖維優(yōu)異的綜合性能和良好的性價比，去開發(fā)出更多的新產品。與其他高科技纖維的發(fā)展相比，我國玄武巖纖維的發(fā)展有希望“后來者居上”,并最終成為全世界最大的生產及應用大國。   　
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