玄武巖纖維的性能及應(yīng)用

張 瑋,譚艷君,劉姝瑞,霍 倩

(1西安工程大學(xué),陜西西安710048；2.東莞德永佳紡織制衣有限公司,廣東東莞523138)

0 前言

玄武巖纖維的原料為天然的玄武巖(即火山噴出巖、熔漿巖),其在高溫下破碎融熔,后經(jīng)拉絲漏板紡成的無(wú)機(jī)連續(xù)纖維,是前蘇聯(lián)研發(fā)成功的高科技纖維,也是我國(guó)重點(diǎn)研究的四大高新技術(shù)纖維之一[1]。玄武巖纖維在高溫條件下力學(xué)性能好、耐化學(xué)腐蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、彈性模量高,同時(shí)又有獨(dú)特的電學(xué)性能,能吸波、能過(guò)濾。玄武巖纖維及其復(fù)合材料在土建、復(fù)合材料增強(qiáng)材料、過(guò)濾材料、軍工材料等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。但玄武巖也存在自身的不足,例如表面光滑,與其他材料不易融合；同時(shí)玄武巖成分的波動(dòng),會(huì)造成不同產(chǎn)地玄武巖性能的波動(dòng),但玄武巖價(jià)格低,綠色環(huán)保,在很多使用諸如碳纖維、凱夫拉芳綸纖維這類(lèi)高性能纖維的地方,可使用玄武巖纖維進(jìn)行替換,可大大降低生產(chǎn)使用成本。因此,對(duì)于玄武巖纖維的性能研究、可用性能的挖掘、使用范圍的探究必不可少。

1 玄武巖纖維的結(jié)構(gòu)與性能

1.1 玄武巖纖維表面結(jié)構(gòu)及成分

玄武巖纖維是由天然的、耐多種酸腐蝕的二氧化硅及其它氧化物組成的,經(jīng)高溫熔融拉制成的無(wú)機(jī)連續(xù)纖維。纖維外表光滑,有金屬光澤,以層狀結(jié)構(gòu)單元為主,鏈狀結(jié)構(gòu)單元和島狀結(jié)構(gòu)單元為輔,屬“類(lèi)平面結(jié)構(gòu)”[2]。

地球熔巖形成的玄武巖纖維,含多種化學(xué)成分,不同礦床,化學(xué)成分含量變化大,同時(shí)玄武巖纖維的性能受化學(xué)成分含量的影響。玄武巖纖維中含量最高也是最主要的成分是SiO2,其次是Al2O3,而后是含鐵氧化物(FeO、Fe2O3)等。其中二氧化硅和氧化鋁的含量是影響纖維的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性,含鐵氧化物是影響纖維的導(dǎo)熱性能和使用溫度,氧化鈣、氧化鎂的含量影響纖維的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性,而二氧化鈦的含量對(duì)熔化材料制備細(xì)纖維有影響[3]。所以不同地區(qū)的玄武巖其性能會(huì)隨化學(xué)成分含量的不同而不同。主要成分及占比如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維的各成分占比

1.2 玄武巖纖維的性能

1.2.1 化學(xué)性能

玄武巖纖維是比傳統(tǒng)無(wú)機(jī)纖維更耐化學(xué)腐蝕的纖維。王明飛等人對(duì)玄武巖纖維的酸堿腐蝕后的表面形態(tài)和性能進(jìn)行研究[4],發(fā)現(xiàn)經(jīng)鹽酸腐蝕后,第一階段,由于纖維表面的堿性氧化物與鹽酸發(fā)生反應(yīng),生成水和可溶鹽,玄武巖纖維表面出現(xiàn)裂縫,形貌遭到輕微破壞；第二階段,纖維表面裂縫部分被經(jīng)鹽酸進(jìn)一步腐蝕的玄武巖纖維生產(chǎn)難溶物附著而得到部分愈合；第三階段,由于纖維內(nèi)部物質(zhì)溶于鹽酸而出現(xiàn)表面片狀物脫落,纖維表面腐蝕加劇。纖維斷裂強(qiáng)力的變化與形貌變化一致,呈現(xiàn)三階段變化,先急劇下降,后緩慢提升,到達(dá)峰值后斷裂強(qiáng)力因纖維遭到不可逆腐蝕而再次下降。玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度的變化是先急劇下降而后緩慢下降最后趨于平緩。經(jīng)強(qiáng)堿腐蝕的玄武巖纖維,由于其主要成分與之反應(yīng)生成可溶于強(qiáng)堿溶液的偏鋁酸鹽和硅酸鹽,因此纖維表面在腐蝕過(guò)程中不斷有層狀脫落物產(chǎn)生,且脫落后又有堿液滲入,繼續(xù)腐蝕,形成坑狀結(jié)構(gòu),相比酸腐蝕,堿腐蝕的破壞程度更嚴(yán)重,單絲拉伸強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度下降更迅速,損傷更嚴(yán)峻。在模擬海水的條件下處理玄武巖纖維2小時(shí),其強(qiáng)度與未經(jīng)處理的纖維強(qiáng)力下降5%左右,可適用于海水處理。

1.2.2 熱學(xué)、力學(xué)性能

環(huán)境溫度的改變,不影響玄武巖纖維的干絲拉-拉疲勞性能,但會(huì)影響玄武巖纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的疲勞性能,溫度升高,樹(shù)脂粘結(jié)性能降低,復(fù)合材料的疲勞性能降低。趙古先對(duì)此進(jìn)行研究,得到了玄武巖纖維復(fù)合材料的疲勞損傷的剛度退化修正模型[5],通過(guò)室溫下材料的疲勞壽命和材料在不同溫度環(huán)境下的靜態(tài)強(qiáng)度便能預(yù)測(cè)出復(fù)合材料在一定溫度環(huán)境下的疲勞壽命。

作為復(fù)合材料增強(qiáng)材料, 玄武巖纖維可提升材料的斷裂韌性、拉伸性能、彎曲性能。丁開(kāi)鋒等人,在制備玄武巖纖維/不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料層壓板時(shí)[6],發(fā)現(xiàn)加入長(zhǎng)度6毫米的玄武巖纖維,達(dá)到面密度為30g/m2時(shí),其復(fù)合材料層間拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性、彎曲強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率以及能量吸收均得到大幅提升。

朱德舉等人對(duì)玄武巖織物增強(qiáng)堿激發(fā)砂漿試件高溫后的抗彎力學(xué)性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)隨溫度升高,玄武巖纖維和基體均遭到劣化,故試件的抗彎承載力線性下降,從多重開(kāi)裂的破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱我涣芽p破壞,在800℃處理1小時(shí),殘留的抗彎強(qiáng)度僅剩1.67MPa,經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂涂層改性的試件,只在600℃以下的條件下對(duì)抗彎強(qiáng)度有增強(qiáng)效果,超過(guò)600℃仍會(huì)大幅度下降[7]?？椢飳訑?shù)能提高試件高溫后的力學(xué)性能,但溫度越高,提升效果越低,600℃以上基本沒(méi)有提升效果。堿激發(fā)砂漿基體的試件比硅酸鹽水泥砂漿試件的耐高溫性更好。對(duì)比了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高溫后的拉伸力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能較差,剪切性能較好,二者的拉伸強(qiáng)度、極限應(yīng)變、韌性和剪切強(qiáng)度均隨溫度的升高,先上升后下降,但其彈性模量變化小[8]。

1.2.3 電磁學(xué)性能

玄武巖纖維的介電常數(shù)小,比玻璃纖維、凱夫拉芳綸纖維、石英纖維小,介電損耗相差不大,其對(duì)電磁波反射損失與材料的空間分布相關(guān),不與厚度成正比。姚勇等人使用真空灌注成型法,制備出對(duì)電磁波的反射損失小于10dB、具有較佳透波性的玄武巖纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料[9]。

劉元軍等人使用石墨烯對(duì)玄武巖纖維織物進(jìn)行雙層涂層整理,發(fā)現(xiàn)織物力學(xué)性能隨涂層厚度的增加而變強(qiáng),不同涂層厚度的織物對(duì)不同頻率的電磁波影響不同[10]。2毫米涂層對(duì)頻率為0MHz～1500MHz電磁波的極化能力、對(duì)0MHz～40 MHz的屏蔽能力、對(duì)700MHz～1500MHz的損耗能力和對(duì)1250MHz～1500MHz的衰減能力最強(qiáng)；1.5毫米的涂層分別對(duì)頻率0MHz～700MHz、0MHz～1250MHz的損耗能力、衰減能力最強(qiáng)。

2 應(yīng)用

2.1 吸波材料

因玄武巖纖維的透射電磁波、吸收電磁波的性能,呂麗華等人將玄武巖纖維長(zhǎng)絲紗作為透波層,將織成蜂窩狀的玄武巖長(zhǎng)絲與聚氨酯硬質(zhì)泡沫一起形成截面為三角形的吸波層,再加上用于增強(qiáng)二次吸收、可反射電磁波的碳纖維長(zhǎng)絲作為反射層,所得三維立體結(jié)構(gòu)的吸波性好、厚度小、持久耐用、成本低、綠色環(huán)保[11]。

林湘生等人研發(fā)的新型水泥基吸波材料,主要在透波骨料(膨脹珍珠巖)和介電損耗吸波材料(石墨)中,增加既能提高材料韌性又能增強(qiáng)助力吸波性使用玄武巖纖維[12]。該新型玄武巖纖維不僅具有更佳的吸波性,頻帶寬,同時(shí)力學(xué)性能也得到提升。

馮強(qiáng)等人將在酸性或堿性或鹽溶液中浸潤(rùn)并剪切成小段的玄武巖纖維加入造孔劑材料中,并混合均勻,制成球形顆粒,并與基體材料均勻混合壓制,制得有很多玄武巖纖維的孔洞,增大了內(nèi)孔的比表面積、吸音效果顯著的吸音材料[13]。

2.2 土木建筑

土木建筑中,玄武巖纖維主要是應(yīng)用其較強(qiáng)的力學(xué)性能及耐熱性能,作為增強(qiáng)材料或者與其他材料進(jìn)行復(fù)合,也有使用玄武巖纖維對(duì)建筑廢棄物進(jìn)行處理再利用。

在古建筑修復(fù)過(guò)程中,傳統(tǒng)的糯米灰漿因其早期強(qiáng)度低、凍融次數(shù)少、收縮率不夠,在應(yīng)用過(guò)程中受限,而在6.5%的糯米漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的玄武巖纖維,制備出的玄武巖纖維-糯米灰漿,綜合性能最佳,可提高灰漿的力學(xué)性能,增加凍融次數(shù),收縮率得到改善,可用于古建筑修復(fù)[14]。

謝金等人,使用偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅,通過(guò)上漿,與玄武巖纖維通過(guò)表面均勻涂覆進(jìn)行復(fù)合,再采用環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)手工鋪料,與表面粗糙度提高的玄武巖纖維緊密結(jié)合,制備得到納米二氧化硅/玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂層狀復(fù)合材料[15]。復(fù)合材料降解溫度提高10℃,抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比環(huán)氧樹(shù)脂材料高,在95℃的濕熱條件下老化,兩強(qiáng)度損失均較小。這些優(yōu)異性能使得復(fù)合材料在建筑材料具有較大使用優(yōu)勢(shì)。

周宏元等人為再利用固體的建筑廢棄物,采用玄武巖纖維平紋織物對(duì)不同的廢棄物進(jìn)行約束,發(fā)現(xiàn)經(jīng)單層平紋織物約束的磚渣顆粒峰值荷載和混凝土顆粒的峰值荷載均隨粒徑增大而降低,其中建筑廢棄磚渣顆粒在平紋織物約束下具有更穩(wěn)定的平臺(tái)段和明顯的壓實(shí)應(yīng)變,是很好的吸能結(jié)構(gòu)[16]。同時(shí)多層玄武巖纖維織物可顯著提高廢棄磚渣顆粒的吸能和峰值荷載,但由于沒(méi)有明顯的壓實(shí)應(yīng)變和平臺(tái)階段,不屬于良好的吸能結(jié)構(gòu)。

2.3 防護(hù)與軍工

在防護(hù)工程和軍工的應(yīng)用上,玄武巖纖維主要有增強(qiáng)材料、加固材料、防潮、利用電磁學(xué)干擾電磁信號(hào)、屏蔽電磁波、軍事通訊、飛機(jī)、火箭、宇宙飛船的耐熱材料等應(yīng)用。

由于玄武巖纖維的價(jià)格較碳纖維和芳綸低,同時(shí)在一些性能上與碳纖維、芳綸接近,因此為了更好的性?xún)r(jià)比,在防護(hù)工程和軍工領(lǐng)域的某些加固、增強(qiáng)材料使用方面可替換碳纖維、芳綸,例如橋梁加固,立柱纏繞加固,外墩柱抗震加固,板梁、柱、墻等結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng),防空隧道、地下鐵道、地下室等的相關(guān)防護(hù)工程的加固。同時(shí)玄武巖纖維優(yōu)異的耐腐蝕特性,在混凝土防護(hù)工程中,玄武巖纖維的增強(qiáng)材料,用于此類(lèi)基體的復(fù)合材料,可減少降低防護(hù)工程因受酸、堿、鹽、高濕作用而造成的損傷,延長(zhǎng)沿海碼頭、隧道、洞庫(kù)、機(jī)場(chǎng)跑道等防護(hù)工程的使用壽命[17]。

作為最早前蘇聯(lián)研發(fā)用于軍工領(lǐng)域的玄武巖纖維,在坦克、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)、軍艦、軍事通訊等方面的應(yīng)用,不僅可促進(jìn)武器裝備的升級(jí),同時(shí)可以降低成本,例如可替代凱夫拉纖維制作防彈背心,與其他纖維混紡制備阻燃防護(hù)服,以及軍事通訊中的電絕緣材料等[18]。

作為風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機(jī)葉片的增強(qiáng)材料,玄武巖纖維憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性,也有一定的應(yīng)用潛力。肖志杰等人使用3D打印技術(shù),制備玄武巖纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料,用于大型風(fēng)力發(fā)電葉片的增強(qiáng)材料[19]。發(fā)現(xiàn)增加打印層高,復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)減小,彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度降低；加快打印速度,玄武巖纖維包覆聚乳酸纖維的效果變差,彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均降低；升高3D打印的溫度,試樣的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度均增加。

2.4 過(guò)濾及水處理材料

多孔、表面光滑、截面為圓形規(guī)整的玄武巖纖維,密度小、比表面積大,使得它可以作為過(guò)濾材料、水處理材料,用于化學(xué)冶煉、電力水泥、食品等行業(yè)產(chǎn)生的粉塵、氣體、顆粒的過(guò)濾和污水處理應(yīng)用,再加之耐高溫、耐酸堿物質(zhì),對(duì)高溫?zé)煔狻⑺釅A性物質(zhì)均可以有效過(guò)濾和去除[20]。

彭毅和王浩明對(duì)表面經(jīng)過(guò)處理的玄武巖纖維濾料的過(guò)濾性能和表面形態(tài)進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)處理后起初過(guò)濾透氣性好,阻力增加慢,后隨著過(guò)濾的不斷進(jìn)行,濾料表面開(kāi)始堆積大量粉塵,阻力增加變快,但是玄武巖纖維濾料過(guò)濾效率依然優(yōu)異[21]。

姜昊等人使用玄武巖纖維紗線和聚四氟乙烯紗線并線復(fù)合紗線所織機(jī)織布為基布,在其表面涂覆聚四氟乙烯膜或聚氨酯膜或聚酰亞胺膜,制備出可用于高溫過(guò)濾煙氣及塵土顆粒的玄武巖纖維機(jī)織布過(guò)濾材料[22]。

張金路使用玄武巖纖維為主體,讓聚苯硫醚包住玄武巖纖維,而后以包覆后的纖維與耐熱纖維在基布上形成濾層,再?gòu)?fù)合聚四氟乙烯,得到不變形、壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度高,能在400℃到450℃連續(xù)工作的玄武巖濾袋[23]。

張曉穎等人,對(duì)新型無(wú)機(jī)微米級(jí)纖維填料(改性玄武巖纖維填料)與細(xì)菌間的附著情況使用擴(kuò)展DLVO理論構(gòu)建了動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,同時(shí)在處理生物接觸氧化反應(yīng)池的合成市政污水時(shí),使用改性玄武巖纖維作為填料,發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維填料對(duì)微生物有強(qiáng)附著力,枯草芽孢菌在填料表面牢固粘附,且可大幅去除COD、氨氮和總氮,且可長(zhǎng)期維持改性玄武巖纖維的生活接觸氧化反應(yīng)的穩(wěn)定運(yùn)行,可在環(huán)境工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用[24]。玄武巖纖維光熱膜在太陽(yáng)光照射下可進(jìn)行高效連續(xù)的水蒸發(fā),對(duì)有機(jī)染料、油水混合物、海水淡化的去除率均為99%,故其可在水處理、水凈化、海水淡化方向進(jìn)行應(yīng)用[25]。

2.5 汽車(chē)工業(yè)

玄武巖纖維主要應(yīng)用在汽車(chē)外飾、汽車(chē)整流罩以及汽車(chē)氣瓶上,基本以較好的性?xún)r(jià)比、環(huán)保性替代碳纖維、玻璃纖維以及金屬材料,具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。除此之外,玄武巖纖維在汽車(chē)工業(yè)中的復(fù)合材料的應(yīng)用基本處于萌芽和研究階段,離工業(yè)化生產(chǎn)還需要一段距離。由于玄武巖的環(huán)保優(yōu)勢(shì),目前研究主要集中在增強(qiáng)復(fù)合材料去可代替碳纖維、玻璃纖維,樹(shù)脂基材料替代傳統(tǒng)金屬材料,汽車(chē)行業(yè)朝向輕量化、高強(qiáng)剛度好的方向發(fā)展,以及玄武巖纖維聚合物在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用探討[26]。

由于玄武巖纖維具有優(yōu)異的吸音性能、高溫下過(guò)濾性和穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕,且綠色環(huán)保,被應(yīng)用于汽車(chē)的摩擦材料,例如:摩托車(chē)剎車(chē)片、汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)、高溫過(guò)濾汽車(chē)尾氣材料、吸音減震隔熱不釋放有毒氣體的內(nèi)飾材料等[27-28]。

2.6 其他應(yīng)用

玄武巖纖維的表面光滑,呈化學(xué)惰性,與其他基體粘結(jié)性差,在一定程度上影響它的應(yīng)用。因此需對(duì)其進(jìn)行改性,拓寬它的應(yīng)用范圍。例如,和晉川等人使用經(jīng)氨基反應(yīng)制備出的兩種新型表面改性劑,分別對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行改性,再制備改性玄武巖纖維增強(qiáng)尼龍66復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)改性后的復(fù)合材料熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)異、與尼龍66相容性好,與玻璃纖維/尼龍66復(fù)合材料相比,無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均更佳[29]

劉淑強(qiáng)等人對(duì)玄武巖纖維表面使用經(jīng)偶聯(lián)劑KH550改性的納米二氧化硅進(jìn)行粗糙化處理,纖維比表面積增大、表面粗糙度增加、吸濕性和摩擦性增強(qiáng)、透濕率和極性提高、拉伸力學(xué)性能提高[30]。

3 展望

玄武巖纖維因其優(yōu)異的熱學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)等特性,再加之較其他高性能纖維成本低,玄武巖纖維未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。無(wú)論是軍工、民工還是基建,無(wú)論是作為濾袋、軍事設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料還是過(guò)濾材料、隔音隔熱材料,玄武巖纖維及其復(fù)合材料都有用武之地。目前在產(chǎn)業(yè)用紡織品上,玄武巖纖維開(kāi)始展露,但在日常服飾中,玄武巖纖維使用很少,未來(lái)可以利用其電磁學(xué)、耐熱性等性能,朝著智能紡織品方向應(yīng)用,為服裝紡織品注入新的生機(jī)。