連續(xù)玄武巖纖維的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

李紅杰，趙世海，張新建

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

連續(xù)玄武巖纖維的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

李紅杰1，2，趙世海1，2，張新建1

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

連續(xù)玄武巖纖維具有耐高溫性，化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性，低導(dǎo)熱性等許多優(yōu)良的性能，且制造過程對(duì)環(huán)境無害，所以得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文介紹了國內(nèi)外玄武巖纖維的成分、國內(nèi)外發(fā)展進(jìn)程及現(xiàn)狀，并根據(jù)對(duì)玄武巖纖維的有關(guān)特性，分別在軍品上、工業(yè)上、農(nóng)業(yè)上、日常生活上的有關(guān)應(yīng)用做了綜述，并對(duì)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

玄武巖纖維；成分；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用

連續(xù)玄武巖纖維（Continous Basalt Fiber，簡稱為CBF），是以大自然中火山噴發(fā)的火山巖（輝綠巖、玄武巖等）為材料，通過1440℃~1500℃的超高溫下持續(xù)熔融，再由耐高溫的鉑銠合金材料制作的漏板拉制成絲。并且在其生產(chǎn)中對(duì)周圍環(huán)境無害，不向空氣中排放有毒氣體，用完以后還能降解為泥土，被美稱為新型高技術(shù)環(huán)保材料——21世紀(jì)。因其防燃燒性能好、又耐高溫、耐酸堿，很低的吸濕性、優(yōu)良的力學(xué)性能等，連續(xù)玄武巖纖維及其復(fù)合材料在國防建設(shè)、化工、消防、汽車、建筑、船舶制造、造紙、交通運(yùn)輸、工程塑料、醫(yī)學(xué)、石油、冶金、農(nóng)業(yè)、電子、航天航空等高等技術(shù)范疇方面起著舉足輕重的作用[1]。

1 玄武巖纖維的組成成分

玄武巖纖維是以大自然的玄武巖礦石為單一原料，而玄武巖礦石是一種常見的基本礦石[2]，通常是由火山噴發(fā)后噴出的巖漿經(jīng)過高溫、高壓驟減之后形成的。從而造成巖漿中的原本存在的不穩(wěn)定的組分大部分揮發(fā)掉，并最終在地表上冷凝之后成為礦石，因此使礦石的化學(xué)性以及熱性都很穩(wěn)定。

玄武巖石的化學(xué)的構(gòu)成成分一般含有：SiO2、MgO、CaO、FeO、A12O3、K2O、Na2O、TiO2、Fe2O3、等及少量雜質(zhì)，其中主要成分為SiO2、A12O3、CaO和MgO，次要成分是Fe2O3、FeO、TiO2、K2O和Na2O等[3]。而這些構(gòu)成成分的數(shù)量大小和玄武巖纖維本身的獨(dú)有特性息息相關(guān)。例如，SiO2、A12O3、TiO2、Cr2O3和MnO的含量多的話可增強(qiáng)纖維的化學(xué)穩(wěn)定性；SiO2、A12O3、TiO2所占比例含量增加時(shí)，可提高熔融體的粘度，從而對(duì)生產(chǎn)玄武巖長纖維非常有利；CaO、MgO所占的比例含量增加，則對(duì)于原料的熔化和生產(chǎn)玄武巖細(xì)纖維非常有利；另外，如果想提高玄武巖纖維平時(shí)的使用溫度可在原材料的選取制作中引入大量的Fe2O3（礦石）即可。

2 玄武巖纖維的國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀

2.1 國外玄武巖纖維研究發(fā)展及現(xiàn)狀

國外的生產(chǎn)技術(shù)要從生產(chǎn)玄武巖巖棉開始。1840年，英國的威爾斯首先成功制取出以玄武巖為原材料的巖棉，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)不小的成就，迄今已有160多年的歷史[4，5]。繼而美國人研究出一種方法可以從玄武巖纖維中抽出細(xì)絲，是當(dāng)時(shí)的可觀的成就。然而大范圍的開發(fā)研究、生產(chǎn)玄武巖纖維始于前蘇聯(lián)，蘇聯(lián)的研究院于1953~1954年研究出玄武巖纖維的生產(chǎn)技術(shù)[6，7]。之后，前蘇聯(lián)的全蘇玻璃鋼與玻璃纖維科研院烏克蘭分院也著手研究玄武巖纖維技術(shù)。緊接著1985年，烏克蘭纖維實(shí)驗(yàn)室建成第一臺(tái)具有200孔漏板的組合爐拉絲工藝的工業(yè)化生產(chǎn)爐，在烏克蘭的纖維實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出來，這在當(dāng)時(shí)也是第一臺(tái)[6，8]，后來工藝?yán)z技術(shù)分別經(jīng)過了三個(gè)歷程：全鉑坩堝式的拉絲工藝、多塊漏板組合式拉絲爐拉絲工藝、池窯拉絲工藝。20世紀(jì)90年代，俄羅斯、烏克蘭的軍品項(xiàng)目有些方面已經(jīng)啟用當(dāng)時(shí)研制的玄武巖纖維。隨著1991年前蘇聯(lián)的解體，玄武巖纖維的生產(chǎn)技術(shù)被解密，研究項(xiàng)目被公開來，并大量應(yīng)用于民用方面的項(xiàng)目。90年代后期，俄羅斯又成功開發(fā)出新的工藝和新的生產(chǎn)玄武巖纖維的設(shè)備[9]，不僅促進(jìn)了玄武巖纖維生產(chǎn)的發(fā)展，而且大大拓展了其在市場(chǎng)的應(yīng)用前景。

2002年以前，前蘇聯(lián)主要用于軍工行業(yè)的連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)品的物資每年大概有500噸之多。截至2005年，俄羅斯生產(chǎn)的玄武巖連續(xù)纖維年產(chǎn)量達(dá)350~1500t，同樣產(chǎn)能的生產(chǎn)線在俄羅斯、格魯吉亞、烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克斯坦共有11條之多[10]。到2007年，俄羅斯又增設(shè)了2條。近幾年來，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界CBF的實(shí)際生產(chǎn)總量不超過3×103t，其中烏克蘭1×103t，俄羅斯0.9×103t，中國0.8×103t，其他國家不足300 t；全球有生產(chǎn)CBF的基地10多家，其中俄羅斯3家，烏克蘭4?家，中國4家，其他國家2家等。

2.2 我國玄武巖纖維的發(fā)展及現(xiàn)狀

我國的國家建筑材料科學(xué)院和南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)所于20世紀(jì)70年代起就著手研究玄武巖纖維[11]。近年來，我國在玄武巖纖維研究方面進(jìn)展較為迅速，其中，吳智深、劉建勛、董世成、于守富等人分別針對(duì)玄武巖本身的難熔性，低傳熱性，易析晶，粘度大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合大規(guī)模生產(chǎn)的，效率高的電加熱式生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維的窯爐，改善并提高了生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的工藝[12-14]。陳自力等人針對(duì)漏板在1400℃左右高溫易變形、力學(xué)性能降低等缺陷設(shè)計(jì)了在在漏板的流液槽內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)管，且與外界連通，但不與玄武巖熔液直接接觸，保證了其管狀處的低溫，從而保證器力學(xué)性能不發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)流液槽進(jìn)行很好的支撐，避免了漏板的高溫形變發(fā)生[15]。樊霆，童慶，葉文玲等人也對(duì)玄武巖的礦物組成形態(tài)，熔融析晶性能等做了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)[16]。2002年，我國將“連續(xù)玄武巖纖維及其復(fù)合材料”列入國家863計(jì)劃。目前，上海俄金玄武巖纖維有限公司已經(jīng)研究出生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維的研發(fā)成果，并成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。該企業(yè)采用的是創(chuàng)新型的電熔爐、火焰爐、氣電結(jié)合的生產(chǎn)技術(shù)和“一步法”的生產(chǎn)工藝，并以純自然玄武巖為原料生產(chǎn)纖維，而且有關(guān)的軍工和民用領(lǐng)域的用戶都認(rèn)可該企業(yè)生產(chǎn)的多軸向織物樹脂基復(fù)合材料及玄武巖纖維片材等復(fù)合材料產(chǎn)品，奠定了今后大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維的基礎(chǔ)。目前，我國對(duì)連續(xù)玄武巖纖維的自行開發(fā)以及生產(chǎn)制備能力已完全掌握，關(guān)于其生產(chǎn)的相關(guān)企業(yè)在我國也越來越多，除了之前提到的之外，主要還有山西巴塞奧特、四川航天拓鑫、營口洪源、河北通輝、牡丹江金石、江蘇天龍、遼寧金石、吉林通鑫、浙江石金等10多家生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)總產(chǎn)能約為1.75×104t/a[8]，其中規(guī)模較大和技術(shù)過硬的公司屬浙江石金和航天拓鑫有限公司。在熔爐工藝方面，從火焰熔爐到氣電結(jié)合爐，再到全電熔爐加熱，技術(shù)嫻熟，整個(gè)過程都能很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，且無二氧化碳等氣體排放，不會(huì)污染環(huán)境。而且有關(guān)企業(yè)還改進(jìn)了漏板拉絲工藝，漏板孔數(shù)達(dá)到400孔，成功提高生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，前景廣闊。

3 玄武巖纖維的應(yīng)用

3.1 連續(xù)玄武巖纖維在軍品上的應(yīng)用

CBF具有良好的技術(shù)特性：其容重和熱導(dǎo)率以及吸濕率都低，這樣能夠降低本身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量并且不易被腐蝕介質(zhì)腐蝕，有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，利于形成新型復(fù)合的結(jié)構(gòu)材料，長期處于一定介質(zhì)中，其強(qiáng)度也不會(huì)發(fā)生大的變化。其在軍品和民用領(lǐng)域方面的應(yīng)用就是利用的這些特性。它可以將軍品上用到武器裝備材料進(jìn)行換代升級(jí)，從而可以提升軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力；可以替代玻璃纖維制造軍隊(duì)絕熱制品和復(fù)合材料以及硬質(zhì)性防護(hù)裝甲，例如用玄武巖纖維制作的玻璃鋼管，當(dāng)其管徑為25 mm，壁厚為4 mm，線密度為1.475 kg/m時(shí)，比利用E玻纖生產(chǎn)的玻璃鋼管要高的多[17]，最大壓力高達(dá)56.5 MPa；除了可用作高壓高溫絕熱材料以外，還可用作超低溫絕熱材料，像液氮（-196℃）容器以及設(shè)備。在某些應(yīng)用碳纖維制造武器裝備的領(lǐng)域，利用玄武巖纖維替代它，還可以降低其制造成本；另外，還可以將軍品和民品技術(shù)結(jié)合起來，寓軍于民，在某些重大高科技領(lǐng)域里可有利的推動(dòng)我國未來軍事高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.2 連續(xù)玄武巖纖維在工業(yè)上的應(yīng)用

由于玄武巖纖維具有最佳的性能，它還廣泛應(yīng)用到很多工業(yè)領(lǐng)域，例如在化學(xué)工業(yè)中用作耐腐蝕材料；在汽車領(lǐng)域中用作耐磨損、磨擦材料，抗低速?zèng)_擊材料，汽車的高溫絕緣材料；建筑領(lǐng)域的增強(qiáng)材料，土木材料，防火耐火材料，船舶的絕熱隔音材料等[6]。比如，用作汽車的車頂內(nèi)襯，主要考慮到玄武巖的可回收性，這也是目前制造商考慮用玄武巖纖維材料的關(guān)鍵因素之一。用玄武巖纖維作汽車的制動(dòng)墊片和離合器的摩擦片以及橡膠技術(shù)制品等，主要考慮到它的耐摩擦磨損、耐沖擊性，低吸濕性，耐化學(xué)腐蝕，壽命長，對(duì)環(huán)境友好。玄武巖合成樹脂基材料用在建筑上面，可以取代傳統(tǒng)的碳化合物，并改善建筑物的抗震性能。另外，由于玄武巖中導(dǎo)電氧化物含量不到20%，可以將其應(yīng)用于電子工業(yè)上的耐熱絕緣材料，比如印刷線路板的制造，天線整流罩或者雷達(dá)無線電裝置等。這主要取決于被浸潤劑處理過的玄武巖纖維與一般玻璃纖維相比，具有比較低的介電損耗角的正切值。

3.3 連續(xù)玄武巖纖維在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

利用玄武巖纖維的較低的吸濕性、透水性與柔性，可以將其制作的棉性板材作為農(nóng)業(yè)培養(yǎng)基。此玄武巖棉板經(jīng)過一系列的凍結(jié)和解凍，浸濕和干燥的工藝循環(huán)操作，還具有很好的物理與化學(xué)穩(wěn)定性。利用玄武巖纖維能夠耐腐蝕，抗空氣等的大氣氧化作用，還可以用作臨水的建筑，比如用于擋水坡土壩的加固，防護(hù)堤河建筑和溝渠等。

3.4 連續(xù)玄武巖纖維在日常生活上的應(yīng)用

利用玄武巖纖維具有較高的吸聲系數(shù)，玄武巖纖維可用于高效隔音材料，比如在一些電影院或者一些其他需要隔音的公共大廳可以用它制作吸聲氈或吸聲板，還可用作汽車的消聲器等；又由于具有較高的過濾系數(shù)，可將玄武巖纖維制作成一些過濾性的材料，比如在一些環(huán)境監(jiān)管部門中空氣凈化設(shè)備，水處理廠的污水處理，用作催化劑的載體，降解廢水以達(dá)到水的循環(huán)利用以及家用中的煙氣過濾設(shè)備中的高溫過濾材料等，都可以用玄武巖纖維制作的高溫材料予以代替，而且成本低廉，壽命較高[18]。

利用連續(xù)玄武巖纖維的優(yōu)良的物理化學(xué)力學(xué)性能，比如耐腐蝕性，耐高溫低溫性等特性，將連續(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用到包裝箱產(chǎn)品上，將使包裝箱具有很好綜合機(jī)械性能。如果發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于耐高溫，隔熱性好，在一段時(shí)間內(nèi)，箱體外部溫度不會(huì)傳熱到里面物品，從而在有限時(shí)間內(nèi)減少財(cái)產(chǎn)損失[19]，所以玄武巖纖維還可做成消防人員的防護(hù)衣，保護(hù)消防人員的人身安全，例如黃明等人已經(jīng)研制出堿性玄武巖纖維耐火材料以及含有玄武巖纖維的防護(hù)服[20]。

4 我國玄武巖纖維發(fā)展前景

我國玄武巖礦床分布廣泛，儲(chǔ)量很多，這樣就保證有充足的原料儲(chǔ)備，加之制作玄武巖纖維和復(fù)合纖維的工藝流程簡單，性能優(yōu)異，制作成本相對(duì)比較低廉，制作過程中無有害氣體釋放到大氣中，且可以在玻璃纖維、石棉、和碳纖維等需求不足或者性能要求更高的方面進(jìn)行替代，潛力很大，可以在我國新材料領(lǐng)域方面發(fā)揮無可替代的作用，屬于國家提倡發(fā)展的產(chǎn)業(yè)方向；目前，我國玄武巖纖維的研究與制備以及應(yīng)用開發(fā)仍處在一個(gè)初級(jí)階段，需要持續(xù)開發(fā)玄武巖纖維，不僅要對(duì)其本身特性，制備研究開發(fā)，還要對(duì)其復(fù)合材料，制品等的研究與開發(fā)，并大力拓展其在各個(gè)方面的應(yīng)用領(lǐng)域。這樣將更有利于我國紡織經(jīng)濟(jì)、國防軍工領(lǐng)域、土木建筑領(lǐng)域、消防防彈領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、石油化工領(lǐng)域、電子工業(yè)及其體育休閑領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。但針對(duì)技術(shù)方面，我國還需要和烏克蘭、俄羅斯等技術(shù)先進(jìn)的國家進(jìn)行技術(shù)探討與研究合作。故最近幾年玄武巖纖維和玻璃纖維之間的競爭不會(huì)太激烈。

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Applications and Development of Continuous Basalt Fiber

LI Hong-jie1，2，ZHAO Shi-hai1，2，ZHANG Xin-jian1
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin City Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Continuous basalt fiber has many excellent properties such as high temperature resistance，chemical stability，corrosion resistance，low thermal conductivity，and the manufacturing process is harmless to the environment，so it has been more and more widely used.This paper introduces the development process and status quo of basalt fiber domestic components，both at home and abroad，and according to the characteristics of the basalt fiber，respectively，application of daily life in the military，industrial，agricultural,were reviewed.And the development prospect.

basalt fiber；components；current development；applications

TS102.4

A

1672-545X（2016）11-0256-04

2016-08-04

李紅杰（1989-），女，山東菏澤人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。