玄武巖纖維主要特性研究現狀

陳 鵬，張諶虎，王成勇，石開儀，雷以柱

（1.六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州六盤水553004；2.中國礦業大學化工學院）

隨著中國環保工作執行力度的不斷加大，新型環保材料的研發越來越受到重視［1-2］。玄武巖纖維是利用天然玄武巖經高溫熔融、拉絲而得的無機纖維，具有良好的耐高溫、耐酸腐蝕、耐磨擦等性能以及抗拉強度高、絕緣性好等特性。此外，其生產過程環保，使用過后可以直接回歸自然，被稱為“21世紀的綠色環保材料”［3］。因此，其已被廣泛用于制備水泥基、樹脂基、金屬基等纖維增強復合材料以及絕緣、保溫、隔音等材料［4-9］。玄武巖纖維優良的物理、化學、力學等性能，主要受其化學組成與浸潤劑涂層的影響［10］。作為中國重點發展的四大纖維之一的玄武巖纖維，雖然起步較晚，但發展較為迅速。近年來，關于玄武巖纖維增強復合材料的研究與工程實踐報道很多，但有關玄武巖纖維基本性能及其影響因素的文獻較少。為了更深入地研究玄武巖纖維的基本性能，本文從物理特性、化學特性、力學性能等方面對該纖維基本特性的研究進展進行了綜述，著重介紹了影響其基本力學性能的因素。

1 玄武巖纖維的基本組成

制備該纖維的玄武巖化學組成有SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O及少量雜質，其中主要成分為SiO2、Al2O3、FexOy、MgO和CaO，不同地區的玄武巖制成的纖維，其化學組成有較大差異，適宜熔融拉絲制備纖維的玄武巖各組分含量如表1所示［11-15］。

表1 玄武巖原料的化學組成

化學組分含量的不同對玄武巖纖維的基本性質影響較大：組成纖維骨架的酸性氧化物SiO2和Al2O3含量較高時，有利于纖維的彈性與化學穩定性［16］；堿性氧化物MgO與CaO的存在，不利于纖維的 化 學 穩 定 性［17］；Fe2O3與FeO的 含 量 會 影 響 纖 維的顏色，同時Fe3+的含量較高時會降低纖維的抗拉強度［9］；其他的化學組分也會對纖維的化學穩定性、耐高溫性等產生一定的影響［11，18］。

2 玄武巖纖維的物理特性

由于玄武巖纖維特殊的空間網絡結構，使其具有良好的物理特性。1）電絕緣性與介電性能良好。玄武巖纖維的體積電阻較高，為1×1012Ω·m，明顯高于無堿玻璃纖維，1 MHz條件下的介電常數為2.2～2.7［19-20］。值得一提的是，中德兩國科學家合作采用化學氣相沉積技術，并利用玄武巖纖維本身所具有的金屬元素，成功實現了在玄武巖纖維表面生長出碳納米顆粒涂層或碳納米管，將該纖維由絕緣體轉變為了導體［21］。2）優良的吸波性能。樹脂基玄武巖纖維增強復合板，在8～18 GHz下進行測試時，發現 該 材 料 具 有 一 定 的 吸 波 性 能［22］。3）隔 熱［23］、隔聲性能好。玄武巖纖維的熱傳導系數為0.031～0.038 W/（m·K）［24］，曹海琳等［25］在空氣氛圍下對玄武巖纖維進行熱處理，發現溫度小于200℃時，纖維的抗拉強度沒有明顯變化。玄武巖纖維的吸音系數為0.9～0.99，明顯高于E-玻璃纖維［26］。

如圖1所示，玄武巖纖維原絲為圓柱形，且表面光滑，其對水和空氣的阻力小，是理想的過濾材料［27-28］。

圖1 玄武巖纖維原絲掃描電鏡圖［10］

3 玄武巖纖維的化學特性

玄武巖纖維的化學穩定性良好，主要表現為優良的耐酸性、較強的耐堿性、耐水性和低吸濕性［29-30］。玄武巖纖維中的硅氧化物、鋁氧化物等硅酸鹽礦物，在一定程度上影響其耐酸堿性，除在較高濃度的強酸、強堿條件下，其均表現出良好的化學穩定性。在80℃、2 mol/L的H2SO4溶液中侵蝕1 h后，玄武巖纖維的質量保留率大于93%、抗拉強度與彈性模量保留率接近90%；在80℃、2 mol/L的堿溶液中侵蝕1 h后，玄武巖纖維的質量保留率大于93%、抗拉強度與彈性模量保留率大于80%［31］。研究表明，玄武巖纖維在沸水中浸泡3 h后的質量保留率為99.6%，抗拉強度保留率達到99.8%，幾乎沒有發生變化。玄武巖纖維的吸濕性低，在相對濕度為65%時，其回潮率小于0.1%［32］。

4 玄武巖纖維的力學特性及其影響因素

4.1 玄武巖纖維的力學特性

玄武巖纖維是一種脆性材料，其理論抗拉強度為3 000～4 840 MPa，彈性模量為90～110 GPa，斷裂伸長率為3.2%左右。其抗拉強度是E型玻璃纖維的1.4～1.5倍，與S型玻璃纖維的抗拉強度相當，明顯優于芳綸、聚丙烯纖維、氧化鋁纖維等［33］。目前，市場上玄武巖纖維的抗拉強度普遍在2 000～2 500 MPa，明顯低于其理論抗拉強度［10］，因此研究影響玄武巖纖維力學性能的因素，進而優化這些因素，對于提高玄武巖纖維的力學性能至關重要。

4.2 影響玄武巖纖維力學特性的主要因素

4.2.1 化學成分對玄武巖纖維力學性能的影響

玄武巖纖維的空間網絡結構是影響其力學性能的關鍵因素，其空間網絡結構連接越緊密，力學性能越高。SiO2與Al2O3是構成玄武巖纖維空間網絡結構骨架的氧化物，其含量的高低決定了纖維空間網絡結構的緊密程度。Mg、Ca、Na、K等堿金屬與堿土金屬會破壞纖維的空間網絡結構，使其聚合度降低［11］。王寧［31］對玄武巖纖維進行紅外光譜與拉曼光譜表征發現：在1 002 cm-1處的Si—Onb極性鍵，表明其主要成分為硅酸鹽；450 cm-1處由Al—Obr—Al對稱彎曲振動引起的峰，說明部分Al取代Si進入骨架結構，起到空間網絡形成體的作用；720 cm-1處由AlⅣ—Onb對稱伸縮振動引起的弱峰，表明部分Al—Obr—Al被堿金屬或堿土金屬破壞，且330 cm-1處的峰是典型堿（堿土）金屬R+—O（R2+—O）的振動峰。

統計學研究表明，Fe3+的含量越高，玄武巖纖維的表面缺陷越多，力學性能越差［10］。對玄武巖纖維進行SEM-EDS表征發現，纖維表面比較光滑，但是存在大小不一、形狀各異的凸起缺陷，凸起處與纖維本體結構的主要化學成分基本一致，但含量不同，Fe的含量明顯較高［31-34］。

礦物組分對玄武巖纖維力學性能的影響。玄武巖的礦物組成主要有斜長石、輝石、石英、正長石與橄欖石等硅酸鹽礦物及其他雜質，這些礦物是其化學元素的存在形式。理論上硅酸鹽礦物含量越高，纖維的空間網絡結構越緊密，抗拉強度也越高，但礦物組分對玄武巖的熔融溫度、熔體黏度、析晶溫度等均有影響，從而影響玄武巖纖維熔融拉絲的過程，進而影響該纖維的力學性能。例如玄武巖各礦物組分熔點不同（斜長石、輝石、石英與正長石等礦物熔點較低，橄欖石熔點較高），在高溫條件下，熔點高的礦物難以完全融化，會造成熔體的不均質性，進而引起玄武巖纖維內部結構的不均勻性，在微不均勻處易產生應力集中現象，從而造成纖維力學性能下降［35-36］。

4.2.2 浸潤劑涂層對玄武巖纖維力學性能的影響

如前所述，玄武巖纖維表面存在凸起等缺陷，浸潤劑主要是通過修復玄武巖纖維的表面缺陷來增強其力學性能。由于玄武巖纖維是一種無機纖維，脆性大是該纖維原絲的一大特性，浸潤劑涂層能夠有效改變該纖維的集束性與柔順性，從而提高其力學性能。通過力學試驗證明，涂覆浸潤劑之后，玄武巖纖維的抗拉強度能夠提高25%，其原因是浸潤劑涂層可以有效地降低玄武巖纖維表面沖擊裂紋尖端的應力集中，提供可靠的愈合功能，從而大大提高纖維的抗拉強度［37-38］。

利用原子力顯微鏡（AFM）對涂覆浸潤劑前后的玄武巖纖維表面粗糙度進行表征，如圖2、圖3所示，發現涂覆浸潤劑后的玄武巖纖維表面比相同區域未涂覆浸潤劑的纖維表面粗糙度明顯提高，這有助于玄武巖纖維增強復合材料中纖維與基體材料的相互作用，進而增強玄武巖纖維增韌復合材料的力學性能［10］。

值得注意的是，不同類型的浸潤劑在玄武巖纖維表面改性上的作用不同，在纖維拉絲成型涂覆浸潤劑的過程中，應考慮纖維產品的用途，選用合適的浸潤劑。

圖2 涂覆浸潤劑的玄武巖纖維AFM圖［10］

圖3 未涂覆浸潤劑的玄武巖纖維AFM剖面圖［10］

5 結語

1）玄武巖纖維的空間網絡結構決定了其具有優良的物理與力學特性，其化學成分決定了其有良好的化學穩定性。2）玄武巖的成分是影響其纖維的內因，全面系統地研究玄武巖的化學成分與礦物組分對其熔融拉絲過程的影響，是提高玄武巖纖維力學性能的根本所在。3）目前，玄武巖纖維用浸潤劑多為有機試劑，且多借用于玻璃纖維的浸潤劑，而該纖維為無機物，因此在浸潤劑的專用性及浸潤劑與纖維基體的結合性上均表現不理想，故體系化開發玄武巖纖維專用無機浸潤劑迫在眉睫。中國的玄武巖纖維產業發展迅速，但是還有許多問題需要解決，在今后的發展中，希望國家在科學研究投入、政策導向、人才培養等方面給予玄武巖纖維產業更多的支持。