玄武巖纖維組成及優(yōu)異性能

金友信

（天津工業(yè)大學(xué),天津 300160）

綜述

玄武巖纖維組成及優(yōu)異性能

金友信

（天津工業(yè)大學(xué),天津 300160）

文章主要概述了玄武巖纖維的優(yōu)異性質(zhì),包括玄武巖纖維的組成及化學(xué)耐久性、物理性能、機(jī)械力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性能等。

玄武巖纖維;組成;優(yōu)異性能

1 概述

玄武巖連續(xù)纖維以純天然玄武巖礦石為原料,將礦石破碎后加入熔窯中,在1450～1500℃熔融后,制成玄武巖纖維。玄武巖連續(xù)纖維的制備由原料制備工藝、熔制工藝、成型工藝和退解工藝組成。玄武巖的化學(xué)組成一般為：SiO2、A 12O3、CaO、M gO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O 等及少量雜質(zhì),其中主要成分為 SiO2、A 12O3、CaO和M gO,次要成分是Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O等。

2 不同化學(xué)組分會(huì)賦予纖維特定的性能

SiO2是玄武巖所含有的主要氧化物,由它組成的結(jié)構(gòu)骨架有利于纖維的彈性和化學(xué)穩(wěn)定性。當(dāng)SiO2含量增高時(shí)能提高熔體的粘度,一方面有利于制取長(zhǎng)纖維,但另一方面也使原料熔化困難,增加熔體形成纖維的溫度。A 12O3在纖維中也進(jìn)入結(jié)構(gòu)骨架網(wǎng)絡(luò),有利于提高纖維的化學(xué)穩(wěn)定性,當(dāng)A 12O3含量較少時(shí),可改善熔體的粘度,對(duì)制取細(xì)纖維有利。但A 12O3大量提高時(shí),則使熔體的粘度增加,原料熔化變得困難起來(lái),必須提高熔化溫度和熔體形成纖維時(shí)的溫度。

CaO在纖維結(jié)構(gòu)中不利于形成堅(jiān)固的骨架,因?yàn)樗且环N弱堿性的氧化物,其作用與酸性的氧化物SiO2、A 12O3相反,能夠降低纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和熔體的粘度,并有利于原料的熔化和制取細(xì)纖維。

M gO按其化學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō)類似于CaO,也屬于堿性氧化物,它對(duì)熔體的粘性和纖維網(wǎng)絡(luò)的影響近似于CaO。根據(jù)實(shí)驗(yàn),往配料中加入M gO時(shí)在相當(dāng)程度上可以替代CaO的影響。當(dāng)部分取代時(shí)可適當(dāng)提高纖維的化學(xué)耐久性和表面張力并擴(kuò)大熔體形成纖維時(shí)的粘度范圍,對(duì)制造短纖維的工藝操作有利,但當(dāng)M gO含量或取代CaO量較高時(shí)則不利于熔體形成纖維并容易產(chǎn)生渣球,M gO含量較高時(shí)會(huì)增大析晶傾向。

TiO2在玄武巖中含量較低,它的存在可提高纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和熔體的表面張力和粘度,有利于形成長(zhǎng)纖維。

Fe2O3和FeO在熔化過(guò)程中由于焦炭的還原作用會(huì)發(fā)生價(jià)態(tài)變化,甚至還原成金屬鐵。另外Fe2O3還具有強(qiáng)烈的染色作用并提高表面張力,容易在制取纖維的過(guò)程中產(chǎn)生黑色渣球。但是另一方面,在原材料配方中大量引入 Fe2O3（礦石）后可提高纖維的使用溫度。

K2O、Na2O可以降低熔化溫度、熔體粘度,加寬成型溫度范圍,但同時(shí)又降低了纖維的化學(xué)耐久性和使用溫度。

當(dāng)高爐礦渣中含有少量M nO或采用錳礦作為主要原料時(shí),能降低熔化溫度,并提高纖維的化學(xué)穩(wěn)定性。

Cr2O3能提高纖維的化學(xué)耐久性,也提高熔體的表面張力,容易產(chǎn)生渣球。

根據(jù)以上的分析我們可以得出如下結(jié)論：

（1）SiO2的含量增加有利于提高纖維的彈性;

（2）SiO2、A 12O3、TiO2、M nO 和 Cr2O3的含量增加可提高纖維的化學(xué)穩(wěn)定性;

（3）SiO2、A 12O3、TiO2含量增加時(shí) ,可提高熔體的粘度,有利于制取長(zhǎng)纖維;

（4）CaO、M gO的含量增加有利于原料的熔化和制取細(xì)纖維;

（5）在原料配方中大量引入 Fe2O3（礦石）后可提高纖維的使用溫度。

根據(jù)上述分析結(jié)果,通過(guò)選取特定成分含量的玄武巖,我們可以設(shè)計(jì)出以下具有特殊優(yōu)異性能的特種玄武巖連續(xù)纖維：①高彈性玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料;②優(yōu)質(zhì)耐化學(xué)腐蝕性玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料;③使用溫度高于800℃的玄武巖連續(xù)纖維;這正是本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)所在,它在制造普通玄武巖連續(xù)纖維的基礎(chǔ)上,根據(jù)玄武巖中化學(xué)成分含量的不同,有側(cè)重性地選取不同成分含量的玄武巖,使得制造出的玄武巖連續(xù)纖維具有特殊的優(yōu)異性能。我們所拉制的特種玄武巖連續(xù)纖維性能與普通玄武巖連續(xù)纖維相比,其性能有了很大的提高。普通玄武巖連續(xù)纖維的彈性模量在90～110（GPa）之間,高彈性玄武巖連續(xù)纖維的彈性模量在110～220（GPa）之間。耐化學(xué)腐蝕性玄武巖纖維的化學(xué)穩(wěn)定性也有了很大提高,具體參數(shù)如表1所示：

表1 普通玄武巖纖維與耐化學(xué)腐蝕玄武巖纖維的化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)比

3 主要技術(shù)性能指標(biāo)

纖維材料有很多種,如碳纖維、陶瓷纖維、硅土纖維、玻璃纖維、化學(xué)纖維、金屬纖維、木纖維等。與這些纖維相比,玄武巖纖維在許多方面都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

這些優(yōu)異的性能主要表現(xiàn)在下述方面：

3.1 玄武巖纖維優(yōu)異的化學(xué)性能

玄武巖纖維含有的 K2O、M gO和 TiO2等成分,對(duì)提高纖維耐化學(xué)腐蝕及防水性能起到了重要的作用。表2對(duì)比玄武巖纖維與玻纖的化學(xué)穩(wěn)定性。從對(duì)比中可以看出,在酸溶液（2 mol/L HCL）中煮沸3 h后,玄武巖纖維的重量損失率為2.2%,而無(wú)堿玻纖損失率為38.9%,幾乎是玄武巖纖維的20倍。說(shuō)明玄武巖纖維在酸性介質(zhì)中具有更加穩(wěn)定的化學(xué)性。其耐酸性能大大優(yōu)于玻纖。在堿溶液（2 mol/L NaOH）中煮沸3 h后,玄武巖纖維的重量損失率比無(wú)堿玻纖減少20%,說(shuō)明玄武巖纖維比無(wú)堿玻纖具有更優(yōu)異的耐堿性能（注：無(wú)堿玻纖是玻纖毓中耐堿能力最好的纖維）。在煮沸的水溶液中,玄武巖纖維的耐水能力也大大優(yōu)于玻璃纖維,是玻纖的3.5倍。在室溫水溶液中,玄武巖纖維24 h的吸水性（%）為0.02,而無(wú)堿玻纖為1.7,其防水能力是玻纖的85倍。

表2 玄武巖纖維與玻纖的化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)比

3.2 玄武巖纖維優(yōu)異的物理性能

玄武巖屬難熔礦石,熔化溫度在1500℃以上,燒結(jié)溫度達(dá)1060℃,普通玄武巖纖維的有效使用溫度范圍為-260～700℃,特種玄武巖纖維則高達(dá)982℃。說(shuō)明玄武巖纖維具有優(yōu)異的耐高溫和耐低溫性能,其使用溫度范圍大大超過(guò)其它類別纖維。

玄武巖纖維的熱傳導(dǎo)系數(shù)低于其它類別纖維。因而具有優(yōu)良的絕熱性能。玄武巖纖維的吸音系數(shù)大于玻纖等其它纖維,故是一種理想的隔音材料。玄武巖纖維的比體積電阻比無(wú)堿玻纖高一次方,具有優(yōu)良的電絕緣性能,是一種理想的電絕緣電子材料。表3列出了各種纖維材料物理性能的對(duì)比。

表3 各種纖維材料物理性能的對(duì)比

3.3 玄武巖纖維優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能

玄武巖纖維具有很高的拉伸強(qiáng)度,見表4。與無(wú)堿（E）玻纖及碳纖維相當(dāng),在所有類別纖維中是最高的。玄武巖纖維的彈性模量是無(wú)堿玻纖的1.5倍,是高強(qiáng) S玻纖的1.9倍,僅低于碳纖維。從機(jī)械力學(xué)性能看,玄武巖纖維是介于碳纖維與玻璃纖維之間的一種纖維,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚丙烯等化纖及木纖。因此,玄武巖纖維是一種非常理想的復(fù)合材料加強(qiáng)纖維。對(duì)于玄武巖纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料,表5列出了各種加強(qiáng)纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合形成的復(fù)合材料的性能對(duì)比。從表5中可以看出,玄武巖纖維單向增強(qiáng)復(fù)合材料,其抗拉強(qiáng)度與無(wú)堿玻纖相當(dāng),但拉伸模量高出無(wú)堿玻纖50%～70%,高出 S玻纖93%,高出A ramid纖維20%。

表4 各種纖維的機(jī)械力學(xué)性能對(duì)比

3.4 玄武巖纖維優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能

除了上述性能外,玄武巖纖維還具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。高溫穩(wěn)定性是指在加熱等高溫條件下保持其各項(xiàng)力學(xué)、物理及化學(xué)性能的能力。表6列出了玄武巖纖維與無(wú)堿玻纖在高溫條件下抗拉強(qiáng)度下降的對(duì)比。從對(duì)比中可以看出,玄武巖纖維的高溫力學(xué)性能大大優(yōu)于無(wú)堿玻纖。試驗(yàn)還指出,玄武巖纖維還具有優(yōu)異的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。玄武巖纖維在70℃熱水作用下在1200 h后才失去部分強(qiáng)度,而在此條件下無(wú)堿玻纖經(jīng)過(guò)200 h后基本上失去強(qiáng)度。

表5 各種纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的機(jī)械性能比較

表6 玄武巖纖維與無(wú)堿玻纖高溫力學(xué)性能對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

玄武巖纖維及其復(fù)合材料可以較好地滿足國(guó)防建設(shè)、交通運(yùn)輸、建筑、石油化工、環(huán)保、電子、航空、航天等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料的需求,對(duì)國(guó)防建設(shè)、重大工程和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)具有重要的推動(dòng)作用。它

既是21世紀(jì)符合生態(tài)環(huán)境要求的綠色材料,又是一個(gè)在世界高技術(shù)纖維行業(yè)中可持續(xù)發(fā)展的有競(jìng)爭(zhēng)力的新材料產(chǎn)業(yè)。尤其是我國(guó)已經(jīng)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的玄武巖纖維制造技術(shù)及工藝,并且以“后來(lái)居上”的后發(fā)展優(yōu)勢(shì)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平,因此,大力發(fā)展玄武巖纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)無(wú)疑具有重要的意義。

[1] 謝爾蓋.李中郢.玄武巖纖維材料的應(yīng)用前景[J].纖維復(fù)合材料,2003,（3）：17—20.

[2] 霍冀川,雷永林,王海濱,劉樹信.玄武巖纖維的制備及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2006,（S1）：382—385.

[3] 沈曉梅,劉華武,劉長(zhǎng)雷.玄武巖纖維的發(fā)展及其應(yīng)用[J].山東紡織科技,2007,（3）：48—51.

Composition and Superior Property of Basalt Fibre

J IN You-xin
（Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China）

The superior p roperty of basalt fibre was generally introduced,incuding its composition,chem ical envionmental resistance,physical and mechanical p roperty and high temperature resistance,etc.

basalt fibre;composition;superio r p roperty

TS102.4+1

A

1009-3028（2010）02-0037-04

2010-02-08

金友信（1986—）,男,浙江平陽(yáng)人,學(xué)士。