淺談玄武巖纖維的性能應用及發展

余奕發

摘要：玄武巖屬于火山噴出巖，是地球上存在和分布最廣的礦物之一。用它生產的連續纖維與普通巖棉相比，在纖維質量方面有了質的飛躍，它所表現出來的高彈性模量、高熱穩定性以及優異的耐酸堿性，使其在修理公路、鐵路、機場跑道方面得到廣泛的應用。近年來，美國、韓國、中國和日本相繼展開了這方面的研究工作。

關鍵詞：玄武巖纖維 ? 性能應用 ?發展

一、玄武巖纖維的性能及用途

玄武巖纖維（CBF）是以玄武巖為原料，利用鉑銠合金拉絲漏板在1500℃高溫熔融后快速拉制而成的連續纖維，其外觀為金褐色，屬于非金屬的無機纖維，被稱為21 世紀無污染的“綠色工業原材料”。與碳纖維、芳綸纖維、超高分子纖維，并稱四大高技術纖維。

玄武巖纖維

（一）良好的拉伸強度及增強效應

玄武巖纖維在70℃水作用下其強度可保持1200h，而一般玻璃纖維不到200h便失去強度;在100～250℃溫度下的拉伸強度可提高30%，而一般玻璃纖維卻下降23%。單纖維拔絲試驗表明，玄武巖纖維與環氧聚合物的粘合能力高于玻璃纖維，而且在采用硅烷偶聯劑處理后還會進一步提高。因此，玄武巖纖維可以代替即將禁用的石棉作為耐高溫結構復合材料、橡膠技術制品等的增強材料，也可用于制作制動器、離合器等的磨擦片的增強材料。

（二）高的耐腐蝕性和化學穩定性

玄武巖纖維在堿性溶液中具有獨一無二的化學穩定性，耐酸性比ECR玻璃纖維還好，具有明顯的耐酸耐堿性同時成本卻大大降低。可應用于纖維增強混凝土構建和土木材料中。特別是在橋梁、隧道、堤壩、樓板這些混凝土結構以及瀝青混凝土路面、飛機起落跑道等經常受到高濕度、酸、堿、鹽類介質作用的建筑結構中具有廣闊的應用前景。

（三）良好的絕緣性

玄武巖纖維的介電損耗角正切與玻璃纖維相近，用專門浸潤劑處理過的玄武巖纖維，其介電損耗角正切比一般玻璃纖維還低50%，可用其制造高壓（達250KV）電絕緣材料、低壓（500V）裝置、天線整流罩以及雷達無線電裝置等，前景十分廣闊，專門浸潤劑處理的玄武巖纖維還可用于制造新型耐熱介電材料。

（四）耐高溫和低溫熱穩定性

耐熱性接近于耐高溫的石英玻璃纖維，在400℃下工作時，其斷裂強度能夠保持原始強度的85%;在600℃下工作時，其斷裂強度能夠保持原始強度的80%，礦棉在相同情況下只能保持50%～60%的原始強度，玻璃棉則完全破壞。如果玄武巖纖維預先在780～820℃下進行處理，纖維能在860℃下工作而不會出現收縮。在長期處于低溫（-196℃）液氮介質作用下，玄武巖纖維的強度不會發生改變，是有效的低溫絕熱材料。

（五）高的彈性模量

玄武巖纖維的彈性模量與昂貴的S玻璃纖維相近，強度相當;用于織造織物重量在150～210g/㎡的產品時，織造性能良好;可用以代替S等玻璃纖維制造絕熱制品和復合材料，制造硬質裝甲和各種GFRP產品。例如，利用E玻璃纖維生產玻璃鋼管，只能承受25個大氣壓，管徑最大為2m;而用玄武巖纖維做玻璃鋼管，則可承受60個大氣壓，管徑可達3m。在某些場合，玄武巖纖維甚至可以部分代替每噸售價在20余萬元的碳纖維或芳綸纖維。

（六）隔熱隔音性能

玄武巖纖維及其制品具有極高的隔熱、隔音的結構特性，其吸音系數比E玻璃還高，是高效的隔音材料，能以稀釋氈或板的形式用于公共大廳，汽車船舶制造上用于絕熱隔音材料。

二、玄武巖纖維制備方法及應用

根據熔融原料所使用的容器不同，生產方法分為坩堝法和池窯法兩種。前者是將玄武巖混合料加入坩堝內，經過高溫熔融、澄清均化，融化后的原料融體經漏嘴流出，被拉成纖維。該方法的能源利用率很低，坩堝的有效利用率只有10%～18%。池窯拉絲法又稱直接法，它是把原料制成配合料直接加入到窯內，經過高溫熔融、澄清均化，熔體直接流入成型通路，經漏嘴流出后拉成纖維。與坩堝法相比，該法生產纖維的過程簡單、直接、節能。纖維類型不同，其制備方法略有差異。

（一）玄武巖纖維短切紗

玄武巖纖維短切紗是用連續玄武巖纖維原絲短切而成的產品。玄武巖纖維短切紗是增強熱塑性樹脂的優良材料，同時還是增強混凝土的優良材料。玄武巖纖維具有優良的耐化學性，特別具有耐堿性、耐海水腐蝕性的優點。將短切玄武巖纖維摻入瀝青混合料可以成倍地提高瀝青路面的抗車轍能力和公路使用壽命。

（二）玄武巖纖維復合筋

玄武巖纖維復合筋是以玄武巖纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，經拉擠工藝和特殊的表面處理形成的一種新型非金屬復合材料。其具有高強、輕質、耐腐蝕等優異的理化性質。同時，玄武巖纖維復合筋的熱膨脹系數與混凝土相近，確保了混凝土與筋材的同步變形。加之由于該材料在縱向可連續生產，用于連續配筋水泥混凝土可根據路段長度進行配置減少了鋼筋配筋縱向焊接工序，大大提高了工程建設進度，具有廣泛的工程應用前景。

三、國內外研究現狀

俄羅斯與烏克蘭在玄武巖纖維的研究、生產及制品開發上代表了世界的最高水平，其采用鉑金管分流器，加熱式管狀流液洞，同時采用了中心取液法，配合較小的漏板，很短的漏嘴和熱風式絲根冷卻器等一系列專有技術，使玄武巖纖維產品穩定，且已開發了上百種玄武巖纖維制品。美國雖然對其研究相對較晚，但使用800孔漏板拉絲技術，其產品基本用于軍工方面，民用方面鮮有報道。近幾年來，日本、德國等地都加強了對玄武巖纖維這一新型非金屬無機纖維的研究開發，并取得了一系列新的應用研究成果。

在上世紀90年代中期，南京玻璃纖維研究設計院就開始了玄武巖纖維的研究。其中，劉柏森、斯維特蘭娜、何建生等針對玄武巖熔體透熱性低，易結晶、拉絲黏度高等特性，研究了一種生產連續玄武巖纖維的池窯，它是在玻璃纖維池窯的基礎上，通過在熔化池與作業區之間增加分隔墻，上升通道，熱屏、薄層熔融體溢流帶和溜槽等部分，保證了流入拉絲作業漏板的熔融體的質量和參數的穩定;王嵐和李振偉針對玄武巖熔點高，熔融體易結晶、漫流等問題，對普通玻璃纖維用鉑金漏板中漏嘴進行改進，制成了玄武巖纖維用的鉑金漏板，此種漏板中漏嘴出口與入口的直徑比為1∶1.05～1.3，高度為2～7mm，壁厚0.2～ 0.7mm，這樣的漏板有效地解決了料液在漏板上的析晶、漫流等問題，降低了拉絲工作的勞動強度并提高了產品成品率;奧斯諾斯 謝爾蓋 彼得洛維奇、李中郢通過研究玄武巖礦石的熔融體制取短纖維的工藝和設備，給出了礦石的熔融溫度范圍、拉絲的溫度范圍、噴吹短纖維的噴吹壓力值和噴吹氣流速度的范圍，明確了玄武巖短纖維生產設備的構成;閆全英、胡琳娜、談和平等也對玄武巖成型工藝中粘流性、高溫粘度、析晶性能等在理論上做了大量的研究。

四、結論

玄武巖纖維具有許多玻璃纖維所不具有的耐熱、耐酸堿、絕緣性及化學穩定性等特征，且生產原料易得，貯量豐富，工業生產無“三廢”排放，在工農業生產、軍事上及瀝青混凝土路面具有極大的用途。玄武巖纖維的制備與應用開發在國內尚處于初始階段，其發展前景不可估量。