玄武岩纤维的研究进展\性能及其产品应用

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。

关键词:玄武岩纤维;进展;性能;产品;应用

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70GPa～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2mm～7mm,壁厚为0.2mm～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、高温黏度、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,目前技术已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黏度的特性。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,导致表面羟基化[10]。

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]。

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,其强度不发生变化,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。

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]。

(1)玄武岩纤维无捻粗纱

用多股平行原丝或单股平行原丝不加捻状态下并合而成的集束体。应用领域:缠绕各种耐高温、耐超低温、耐化学腐蚀、耐高压管道、储罐、气瓶,编织各种方格布、土工布用作建筑的修补和加固,耐高温的SMC、BMC、DMC短切纤维与塑料复合做增强材料,还用作防弹防护材料。

(2)玄武岩纤维纺织纱

由多根连续玄武岩纤维原丝经一次加捻而成的纱线。大体可以分为织造用纱和其他工业用纱[17]。应用领域:织造耐酸碱、耐高温的布和带,针刺毡用基布,电绝缘板用基布,电绝缘用纱,缝纫线,帘子线,高档的耐高温耐化学性织物。

(3)玄武岩纤维布

采用玄武岩纤维细纱(单丝直径一般小于9微米)加工而成的纺织布。产品应用:覆铜板基布,针刺毡基布,防火布基布,防辐射材料基布,建筑工程修补加固的基布,尤其适用于军队防毒、防辐射、防火、防化学腐蚀和屏蔽性强的装备和设施的篷布。

(4)玄武岩纤维防火布

用 GBF的7～9微米连续玄武岩纤维细纱编织而成的,其中有平纹布、缎纹布等,经耐高温、无毒害的涂层处理。产品应用:适于造船业、大型钢结构和电力维修的现场焊接、气割的防护用品纺织、化工、冶金、剧院、军工等通风防火和防护用品,消防头盔、护颈织物,玄武岩纤维防火布为不燃材料,在1000℃火焰作用下,不变形、不爆炸、耐火在一个小时以上。可在潮湿、蒸汽、烟雾、含化学气体的环境下起到防护作用。还适用于避火消防服、隔火帘、防火毯、防火包、电焊、防火布围墙等。

(5)玄武岩纤维土工布

以耐酸强的玄武岩纤维为原料,编织成格栅布,在经过沥青处理后烘干成型。玄武岩纤维混凝土在常温下弹性模量与沥青混凝土模量比高达24:1,具有很高的抗变形能力,断裂延伸率在3.4%左右。产品应用:是增强砂浆混凝土防渗抗裂的优良建筑材料,与沥青混合搅拌用于路面施工[18]。

(6)玄武岩纤维短切纱

用连续玄武岩纤维原丝短切而成的产品。一般其上涂有硅烷偶联剂。所以玄武岩纤维短切纱是增强热塑性树脂首选材料,同时还是用于砂浆/混凝土和沥青/混凝土最佳的防渗抗裂增强材料[19]。产品应用:适用于增强热塑性树脂,是制造SMC、BMC、DMC的优质材料;由于具有良好的性价比,特别适合与树脂复合用做汽车、火车、舰船壳体的增强材料;用于水电站大坝的防渗抗裂抗压和延长道路路面使用寿命的增强材料;还可用于热电厂的冷凝塔、核电厂的蒸汽水泥管道;用于耐高温针刺毡、汽车吸音片、热轧钢材、铝管等。

(7)玄武岩纤维针刺毡

由单纤维无序交错穿插,形成无定向三维微孔结构。产品应用:高级空气过滤材料,电子行业的过滤、吸音、隔热、防振材料,化工、有毒有害气体、烟尘过滤材料,汽车、轮船舰艇的隔热、保温、消音材料[20]。

(8)玄武岩纤维表面毡

用于复合材料,不但能形成树脂量80%的富树脂层,使制品表面有一个色泽光亮平整的表面,同时提高制品的防渗漏、防腐蚀能力。玄武岩纤维表面毡的粘接性与树脂的相容性很好,能提高异性复合材料的成型性。同时还是拉挤和缠绕成型复合材料的首选材料;可部分替代纤维、芳纶幅面毡。

(9)连续玄武岩纤维膨体纱

将玄武岩纤维原丝通过膨胀体纱机,在高速空气进入成型膨化通道中形成紊流,利用这种紊流将玄武岩纤维分散开,使其形成毛圈状纤维,从而赋予玄武岩纤维蓬松性,制造成膨体纱。产品应用:制造耐高温过滤布,制造防火窗帘布,用膨体纱与连续纤维混织,是制造耐高温过滤布、高等级针刺毡的优良材料。

(10)连续玄武岩纤维套管

由玄武岩纤维编织而成,使用时一般都需经过加工和表面处理。产品应用:适于电器、电机的剥线部位的绝缘管,还可用作定纹管、电刷软管、耐高温复合管的基材使用。

(11)玄武岩纤维短切原丝毡

用连续玄武岩纤维原丝短切成50mm的定长纤维,均匀分布在成型网带上,经过粘结剂后再烘干而成的卷材。由于玄武岩纤维的电绝缘性好,具有透波和吸波性能,弹性模量高,是造船、管、罐、板、雷达罩、雷达天线、体育场游泳池等的增强材料。

(12)玄武岩纤维多轴向布

采用国际先进的多轴向编织设备和工艺编织而成。产品应用:风力发电叶片、船舶、汽车、高速列车、体育用品、建筑物的补强和航天、航空、防弹、防护等领域。

5玄武岩纤维生产技术存在的主要问题

玄武岩纤维的生产工艺虽然非常简单,但由于纯天然玄武岩熔体导热性能差,析晶上限温度较高容易析晶,而且容易造成漫流,成纤黏度控制区间较窄,对于天然玄武岩矿物相和成分必须进行严格的筛选。因此生产玄武岩纤维过程中有着成纤难度大、工艺控制条件严格和设备适应性高等技术难点。目前世界上最大的玄武岩熔池窖年产才几百吨,拉丝板的最多喷嘴孔数为800孔,而真正投入工业化生产的却只有200孔。因此,在进行生产能力更高的多孔喷嘴技术上,需要取得突破性进展[21]。

6结束语

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,全世界的总产量不足3500吨,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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(作者单位:西安工程大学,纺织与材料学院)