玄武巖纖維的研究進(jìn)展及應(yīng)用

張曉青，馮 靜，王仁舒，秦小山

(六盤(pán)水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，六盤(pán)水 貴州 553004)

玄武巖纖維，是以大自然中天然玄武巖為原料，通過(guò)熔融拉絲等工藝制備而得的一種新型高性能無(wú)機(jī)礦物纖維。它具有力學(xué)強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、價(jià)格低廉、原料易得、低導(dǎo)熱性和較好的介電性能等多重優(yōu)良性能[1]，制造過(guò)程無(wú)危害，能直接降解為泥土，是21世紀(jì)的“綠色工業(yè)材料”。玄武巖纖維及其復(fù)合材料在電子、汽車、消防、建筑、工程塑料、農(nóng)業(yè)、軍事、石油、航天航空、造船業(yè)等高科技技術(shù)范圍方面都有著至關(guān)重要的地位，應(yīng)用前景廣闊。

1 玄武巖成分

玄武巖的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、和MgO，其次為Fe2O3、FeO、TiO2、K2O和Na2O[2]。玄武巖纖維中SiO2、Al2O3、TiO2所占比例增加能提高熔融體的粘度，對(duì)生產(chǎn)極其有利[3]。CaO能增加其抗?jié)B性，K2O、MgO等成分能提高纖維的耐化學(xué)腐蝕及防水性能，在制作過(guò)程中增加更多的Fe2O3(礦石)可提高玄武巖纖維的使用溫度[3]。

2 玄武巖纖維的國(guó)內(nèi)外發(fā)展

國(guó)外最早以玄武巖為原料首次生產(chǎn)巖棉是在19世紀(jì)40年代的英國(guó)威爾斯[4]，至今已有170多年。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)莫斯科玻璃和纖維研究院開(kāi)發(fā)出了連續(xù)玄武巖纖維(CBF)[5]。80年代中期，第一臺(tái)具有200孔漏板的組合爐拉絲工藝的工業(yè)化生產(chǎn)爐在烏克蘭實(shí)驗(yàn)室建成[3-6]。20世紀(jì)90年代，由于前蘇聯(lián)的解體，玄武巖纖維的生產(chǎn)技術(shù)被公開(kāi)化并大量應(yīng)用于民用方面，在此之前，前蘇聯(lián)的玄武巖纖維產(chǎn)品主要應(yīng)用于軍工行業(yè)。國(guó)際上，一些科技發(fā)達(dá)的國(guó)家例如美國(guó)、日本、德國(guó)等都加強(qiáng)了對(duì)玄武巖纖維的研究開(kāi)發(fā)，不僅如此，加拿大、英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)也接二連三的加大國(guó)防科研的投入，開(kāi)展了玄武巖纖維在國(guó)防軍事領(lǐng)域的應(yīng)用[7]，并取得了顯著的成果。

我國(guó)最早研究玄武巖纖維是在20世紀(jì)90年代于南京玻璃纖維研究院開(kāi)展的，專注于玄武巖纖維隔熱材料復(fù)合材料的研究，主要用于戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼[8]。隨后全國(guó)致力于玄武巖纖維的開(kāi)發(fā)，由于CBF應(yīng)用廣泛，需求量日漸增大，玄武巖纖維在我國(guó)迎來(lái)了發(fā)展的黃金時(shí)代。

3 玄武巖纖維的應(yīng)用

張運(yùn)華，姚麗萍等人指出經(jīng)表面處理后的玄武巖纖維增強(qiáng)了水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能[9]。陳峰等人提出了玄武巖纖維能增強(qiáng)混凝土的延性、抗沖擊性、抗?jié)B性[10]。

崔光耀等人研究指出相對(duì)于鋼筋混凝土，玄武巖纖維混凝土襯砌的初裂荷載提高了20%；參入玄武巖纖維后襯砌結(jié)構(gòu)的韌性增強(qiáng)，襯砌初裂后仍可承擔(dān)較大的彎矩和變形[11]。Jong Sim的研究中指出，相對(duì)于普通的混凝土，玄武巖纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度是普通混凝土的0.5～1倍，延伸率提高了3～5倍[12]。目前玄武巖纖維混凝土主要應(yīng)用于道路修筑、房地產(chǎn)建筑、機(jī)場(chǎng)跑道、隧洞、橋梁等方面的工程。

工業(yè)中，鐘晨等人在其研究中指出玄武巖纖維復(fù)合材料應(yīng)用于艦船結(jié)構(gòu)制造不僅能提高船體強(qiáng)度，還能降低制造成本[13]。在汽車領(lǐng)域里可用于制作汽車的制墊片和離合器的摩擦片。電子工業(yè)上，BF具有良好的介電性能,非常適合用于耐熱介電材料[6]。又由于其耐高溫、耐腐蝕且絕緣性能好，可用于制作雷達(dá)無(wú)線電裝置、天線整流罩、玄武巖纖維絕緣紙等。在火力發(fā)電、鋼鐵工業(yè)、石油化工中，會(huì)產(chǎn)生大量的高溫粉塵氣體，氣體排放前須經(jīng)除塵，而玄武巖纖維則是最理想的高溫過(guò)濾材料[14]。

農(nóng)業(yè)中，玄武巖纖維復(fù)合材料制作的塑料支架可在葡萄園、獼猴桃園等藤本植物中廣泛應(yīng)用，軍事上可作防護(hù)裝甲、炮彈箱、防爆毯。

日常生活中，胡琳娜等人研究了玄武巖纖維和植物纖維制備復(fù)合紙板及型體材料可生產(chǎn)一次性餐、飲盒具及農(nóng)用育苗缽和襯墊包裝材料等[15]，且廢棄后可直接降解為泥土，減少環(huán)境污染。玄武巖纖維具有較高的吸聲系數(shù)，可用于制作高效消音材料[16]。耐高溫又可用于消防服、防火毯的制作;家庭裝修中使用玄武巖壁紙不僅耐磨而且經(jīng)濟(jì)性高。

4 結(jié)語(yǔ)

由于玄武巖纖維優(yōu)異的綜合性能和性價(jià)比高，玄武巖纖維在多個(gè)行業(yè)(航空航天、新能源、海洋、生物醫(yī)學(xué)、通訊信息、軍工)中廣泛應(yīng)用，并帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)，形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。據(jù)業(yè)內(nèi)專家Ben Rasmussen在他的文章中指出：“現(xiàn)在世界最大的潛在復(fù)合材料制造商和終端用戶是中國(guó)”。而我國(guó)六盤(pán)水地區(qū)玄武巖含量豐富，且我們又有著低成本制造玄武巖纖維得天獨(dú)厚的條件。玄武巖纖維作為新型綠色材料有著龐大的市場(chǎng)，若能加以利用，必定能給本地區(qū)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效。