连续玄武岩纤维的研究进展及其应用

李红杰，赵世海，张新建

（1.天津工业大学机械工程学院，天津300387；2.天津工业大学现代机电装备技术天津市重点实验室，天津300387）

连续玄武岩纤维的研究进展及其应用

李红杰1，2，赵世海1，2，张新建1

（1.天津工业大学机械工程学院，天津300387；2.天津工业大学现代机电装备技术天津市重点实验室，天津300387）

连续玄武岩纤维具有耐高温性，化学稳定性，耐腐蚀性，低导热性等许多优良的性能，且制造过程对环境无害，所以得到了越来越广泛的应用。本文介绍了国内外玄武岩纤维的成分、国内外发展进程及现状，并根据对玄武岩纤维的有关特性，分别在军品上、工业上、农业上、日常生活上的有关应用做了综述，并对发展前景进行了展望。

玄武岩纤维；成分；发展现状；应用

连续玄武岩纤维（Continous Basalt Fiber，简称为CBF），是以大自然中火山喷发的火山岩（辉绿岩、玄武岩等）为材料，通过1440℃~1500℃的超高温下持续熔融，再由耐高温的铂铑合金材料制作的漏板拉制成丝。并且在其生产中对周围环境无害，不向空气中排放有毒气体，用完以后还能降解为泥土，被美称为新型高技术环保材料——21世纪。因其防燃烧性能好、又耐高温、耐酸碱，很低的吸湿性、优良的力学性能等，连续玄武岩纤维及其复合材料在国防建设、化工、消防、汽车、建筑、船舶制造、造纸、交通运输、工程塑料、医学、石油、冶金、农业、电子、航天航空等高等技术范畴方面起着举足轻重的作用[1]。

1 玄武岩纤维的组成成分

玄武岩纤维是以大自然的玄武岩矿石为单一原料，而玄武岩矿石是一种常见的基本矿石[2]，通常是由火山喷发后喷出的岩浆经过高温、高压骤减之后形成的。从而造成岩浆中的原本存在的不稳定的组分大部分挥发掉，并最终在地表上冷凝之后成为矿石，因此使矿石的化学性以及热性都很稳定。

玄武岩石的化学的构成成分一般含有：SiO2、MgO、CaO、FeO、A12O3、K2O、Na2O、TiO2、Fe2O3、等及少量杂质，其中主要成分为SiO2、A12O3、CaO和MgO，次要成分是Fe2O3、FeO、TiO2、K2O和Na2O等[3]。而这些构成成分的数量大小和玄武岩纤维本身的独有特性息息相关。例如，SiO2、A12O3、TiO2、Cr2O3和MnO的含量多的话可增强纤维的化学稳定性；SiO2、A12O3、TiO2所占比例含量增加时，可提高熔融体的粘度，从而对生产玄武岩长纤维非常有利；CaO、MgO所占的比例含量增加，则对于原料的熔化和生产玄武岩细纤维非常有利；另外，如果想提高玄武岩纤维平时的使用温度可在原材料的选取制作中引入大量的Fe2O3（矿石）即可。

2 玄武岩纤维的国内外发展及现状

2.1 国外玄武岩纤维研究发展及现状

国外的生产技术要从生产玄武岩岩棉开始。1840年，英国的威尔斯首先成功制取出以玄武岩为原材料的岩棉，这在当时是一个不小的成就，迄今已有160多年的历史[4，5]。继而美国人研究出一种方法可以从玄武岩纤维中抽出细丝，是当时的可观的成就。然而大范围的开发研究、生产玄武岩纤维始于前苏联，苏联的研究院于1953~1954年研究出玄武岩纤维的生产技术[6，7]。之后，前苏联的全苏玻璃钢与玻璃纤维科研院乌克兰分院也着手研究玄武岩纤维技术。紧接着1985年，乌克兰纤维实验室建成第一台具有200孔漏板的组合炉拉丝工艺的工业化生产炉，在乌克兰的纤维实验室设计出来，这在当时也是第一台[6，8]，后来工艺拉丝技术分别经过了三个历程：全铂坩埚式的拉丝工艺、多块漏板组合式拉丝炉拉丝工艺、池窑拉丝工艺。20世纪90年代，俄罗斯、乌克兰的军品项目有些方面已经启用当时研制的玄武岩纤维。随着1991年前苏联的解体，玄武岩纤维的生产技术被解密，研究项目被公开来，并大量应用于民用方面的项目。90年代后期，俄罗斯又成功开发出新的工艺和新的生产玄武岩纤维的设备[9]，不仅促进了玄武岩纤维生产的发展，而且大大拓展了其在市场的应用前景。

2002年以前，前苏联主要用于军工行业的连续玄武岩纤维产品的物资每年大概有500吨之多。截至2005年，俄罗斯生产的玄武岩连续纤维年产量达350~1500t，同样产能的生产线在俄罗斯、格鲁吉亚、乌克兰、白俄罗斯、哈萨克斯坦共有11条之多[10]。到2007年，俄罗斯又增设了2条。近几年来，据不完全统计，全世界CBF的实际生产总量不超过3×103t，其中乌克兰1×103t，俄罗斯0.9×103t，中国0.8×103t，其他国家不足300 t；全球有生产CBF的基地10多家，其中俄罗斯3家，乌克兰4?家，中国4家，其他国家2家等。

2.2 我国玄武岩纤维的发展及现状

我国的国家建筑材料科学院和南京玻璃纤维研究设计所于20世纪70年代起就着手研究玄武岩纤维[11]。近年来，我国在玄武岩纤维研究方面进展较为迅速，其中，吴智深、刘建勋、董世成、于守富等人分别针对玄武岩本身的难熔性，低传热性，易析晶，粘度大等特点，设计了适合大规模生产的，效率高的电加热式生产连续玄武岩纤维的窑炉，改善并提高了生产玄武岩连续纤维的工艺[12-14]。陈自力等人针对漏板在1400℃左右高温易变形、力学性能降低等缺陷设计了在在漏板的流液槽内部设置加强管，且与外界连通，但不与玄武岩熔液直接接触，保证了其管状处的低温，从而保证器力学性能不发生变化，进而对流液槽进行很好的支撑，避免了漏板的高温形变发生[15]。樊霆，童庆，叶文玲等人也对玄武岩的矿物组成形态，熔融析晶性能等做了大量的理论研究和实验[16]。2002年，我国将“连续玄武岩纤维及其复合材料”列入国家863计划。目前，上海俄金玄武岩纤维有限公司已经研究出生产连续玄武岩纤维的研发成果，并成功实现了工业化生产。该企业采用的是创新型的电熔炉、火焰炉、气电结合的生产技术和“一步法”的生产工艺，并以纯自然玄武岩为原料生产纤维，而且有关的军工和民用领域的用户都认可该企业生产的多轴向织物树脂基复合材料及玄武岩纤维片材等复合材料产品，奠定了今后大规模稳定生产连续玄武岩纤维的基础。目前，我国对连续玄武岩纤维的自行开发以及生产制备能力已完全掌握，关于其生产的相关企业在我国也越来越多，除了之前提到的之外，主要还有山西巴塞奥特、四川航天拓鑫、营口洪源、河北通辉、牡丹江金石、江苏天龙、辽宁金石、吉林通鑫、浙江石金等10多家生产企业，生产总产能约为1.75×104t/a[8]，其中规模较大和技术过硬的公司属浙江石金和航天拓鑫有限公司。在熔炉工艺方面，从火焰熔炉到气电结合炉，再到全电熔炉加热，技术娴熟，整个过程都能很好的实现自动化控制，且无二氧化碳等气体排放，不会污染环境。而且有关企业还改进了漏板拉丝工艺，漏板孔数达到400孔，成功提高生产效率，降低了生产成本，前景广阔。

3 玄武岩纤维的应用

3.1 连续玄武岩纤维在军品上的应用

CBF具有良好的技术特性：其容重和热导率以及吸湿率都低，这样能够降低本身的结构质量并且不易被腐蚀介质腐蚀，有很强的化学稳定性，利于形成新型复合的结构材料，长期处于一定介质中，其强度也不会发生大的变化。其在军品和民用领域方面的应用就是利用的这些特性。它可以将军品上用到武器装备材料进行换代升级，从而可以提升军队的战斗力；可以替代玻璃纤维制造军队绝热制品和复合材料以及硬质性防护装甲，例如用玄武岩纤维制作的玻璃钢管，当其管径为25 mm，壁厚为4 mm，线密度为1.475 kg/m时，比利用E玻纤生产的玻璃钢管要高的多[17]，最大压力高达56.5 MPa；除了可用作高压高温绝热材料以外，还可用作超低温绝热材料，像液氮（-196℃）容器以及设备。在某些应用碳纤维制造武器装备的领域，利用玄武岩纤维替代它，还可以降低其制造成本；另外，还可以将军品和民品技术结合起来，寓军于民，在某些重大高科技领域里可有利的推动我国未来军事高技术产业的发展。

3.2 连续玄武岩纤维在工业上的应用

由于玄武岩纤维具有最佳的性能，它还广泛应用到很多工业领域，例如在化学工业中用作耐腐蚀材料；在汽车领域中用作耐磨损、磨擦材料，抗低速冲击材料，汽车的高温绝缘材料；建筑领域的增强材料，土木材料，防火耐火材料，船舶的绝热隔音材料等[6]。比如，用作汽车的车顶内衬，主要考虑到玄武岩的可回收性，这也是目前制造商考虑用玄武岩纤维材料的关键因素之一。用玄武岩纤维作汽车的制动垫片和离合器的摩擦片以及橡胶技术制品等，主要考虑到它的耐摩擦磨损、耐冲击性，低吸湿性，耐化学腐蚀，寿命长，对环境友好。玄武岩合成树脂基材料用在建筑上面，可以取代传统的碳化合物，并改善建筑物的抗震性能。另外，由于玄武岩中导电氧化物含量不到20%，可以将其应用于电子工业上的耐热绝缘材料，比如印刷线路板的制造，天线整流罩或者雷达无线电装置等。这主要取决于被浸润剂处理过的玄武岩纤维与一般玻璃纤维相比，具有比较低的介电损耗角的正切值。

3.3 连续玄武岩纤维在农业上的应用

利用玄武岩纤维的较低的吸湿性、透水性与柔性，可以将其制作的棉性板材作为农业培养基。此玄武岩棉板经过一系列的冻结和解冻，浸湿和干燥的工艺循环操作，还具有很好的物理与化学稳定性。利用玄武岩纤维能够耐腐蚀，抗空气等的大气氧化作用，还可以用作临水的建筑，比如用于挡水坡土坝的加固，防护堤河建筑和沟渠等。

3.4 连续玄武岩纤维在日常生活上的应用

利用玄武岩纤维具有较高的吸声系数，玄武岩纤维可用于高效隔音材料，比如在一些电影院或者一些其他需要隔音的公共大厅可以用它制作吸声毡或吸声板，还可用作汽车的消声器等；又由于具有较高的过滤系数，可将玄武岩纤维制作成一些过滤性的材料，比如在一些环境监管部门中空气净化设备，水处理厂的污水处理，用作催化剂的载体，降解废水以达到水的循环利用以及家用中的烟气过滤设备中的高温过滤材料等，都可以用玄武岩纤维制作的高温材料予以代替，而且成本低廉，寿命较高[18]。

利用连续玄武岩纤维的优良的物理化学力学性能，比如耐腐蚀性，耐高温低温性等特性，将连续玄武岩纤维增强复合材料应用到包装箱产品上，将使包装箱具有很好综合机械性能。如果发生火灾时，由于耐高温，隔热性好，在一段时间内，箱体外部温度不会传热到里面物品，从而在有限时间内减少财产损失[19]，所以玄武岩纤维还可做成消防人员的防护衣，保护消防人员的人身安全，例如黄明等人已经研制出碱性玄武岩纤维耐火材料以及含有玄武岩纤维的防护服[20]。

4 我国玄武岩纤维发展前景

我国玄武岩矿床分布广泛，储量很多，这样就保证有充足的原料储备，加之制作玄武岩纤维和复合纤维的工艺流程简单，性能优异，制作成本相对比较低廉，制作过程中无有害气体释放到大气中，且可以在玻璃纤维、石棉、和碳纤维等需求不足或者性能要求更高的方面进行替代，潜力很大，可以在我国新材料领域方面发挥无可替代的作用，属于国家提倡发展的产业方向；目前，我国玄武岩纤维的研究与制备以及应用开发仍处在一个初级阶段，需要持续开发玄武岩纤维，不仅要对其本身特性，制备研究开发，还要对其复合材料，制品等的研究与开发，并大力拓展其在各个方面的应用领域。这样将更有利于我国纺织经济、国防军工领域、土木建筑领域、消防防弹领域、交通运输领域、石油化工领域、电子工业及其体育休闲领域和医学领域的发展。但针对技术方面，我国还需要和乌克兰、俄罗斯等技术先进的国家进行技术探讨与研究合作。故最近几年玄武岩纤维和玻璃纤维之间的竞争不会太激烈。

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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

李红杰（1989-），女，山东菏泽人，在读硕士，主要研究方向为纺织机械设计及自动化。