玄武岩纤维在橡胶行业的应用

2017-03-29杨堃

世界橡胶工业 2017年2期

关键词：传动带橡胶制品短纤维

杨堃

（山西晋投玄武岩开发有限公司, 山西大同 037000）

玄武岩纤维在橡胶行业的应用

杨堃

（山西晋投玄武岩开发有限公司, 山西大同 037000）

对玄武岩纤维和芳纶纤维做了对比分析，并介绍了玄武岩纤维在橡胶制品中的应用。

玄武岩纤维; 橡胶; 应用

0 前言

20世纪60年代美国杜邦公司开始对芳纶进行研究开发，至今，芳纶纤维已在橡胶行业中占据较大用量，约占芳纶纤维总消耗量的20%[1]。然而，芳纶纤维抗紫外线能力较差，熔点和分解温度较低，易燃烧并排放有害气体，且价格昂贵。

玄武岩纤维具有高强度、高模量、耐温性能佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、价格比芳纶更便宜等优势，作为21世纪生态环保的绿色新材料[2]，能够在橡胶行业中代替芳纶纤维。作为第四个高性能纤维，玄武岩纤维可以很好地应用于轮胎、传送带、输送带、胶管、胶带等橡胶制品。对玄武岩纤维和芳纶纤维进行了比较分析，并对玄武岩纤维在橡胶制品方面的应用作一简单介绍。

1 玄武岩纤维和芳纶纤维的对比分析

玄武岩连续纤维是以纯天然的、火山爆发形成的玄武岩矿石为原料，破碎成1～2 cm的碎石，在1450～1500 ℃的高温熔炉里熔融后，拉丝制得。它和生产玻纤的工艺不一样，在生产过程中不会加入助剂，也不会产生废弃物和有害气体，在生产过程中几乎不会影响环境，同时能很好地与土壤结合，在几百年后自然降解为土壤母质，不会对环境造成二次污染[3]。

作为人造无机纤维，玄武岩连续纤维已得到广泛应用，其主要成分详见表1。

表1 玄武岩纤维的主要成分单位:%

玄武岩纤维与芳纶纤维的对比详见表2。从表2可以看到：

1)玄武岩纤维的拉伸强度比芳纶纤维的高，弹性模量也不逊色于芳纶纤维，远远超过另一些天然纤维和合成纤维，因此玄武岩纤维具有很好的力学性能。

2）玄武岩纤维的使用范围很广，在600 ℃的高温环境下，其断裂强度仍是原始强度的80%；哪怕-196 ℃，其断裂强度也没有太大的变化。然而，芳纶纤维在300 ℃的环境下就会发生软化、熔融的现象；在温度稍低的情况下，纤维就很脆。玄武岩纤维的耐高低温效果很好。

3）在酸性和碱性的环境中，玄武岩纤维的断裂强度、拉断伸长率、质量损失保持率都很高。芳纶纤维只有在酸性环境中，其断裂强度、拉断伸长率和质量损失保持率比较高，但在碱性环境中效果不太好。玄武岩纤维的耐酸耐碱性都非常好。

4）我国有玄武岩纤维的自主知识产权，目前有生产厂家30多家，产量很大，价格相对便宜。芳纶纤维则大部分仍需依赖进口，价格昂贵。

表2 玄武岩纤维与芳纶纤维的对比

2 玄武岩纤维在橡胶制品中的应用

2.1 在轮胎中的应用

将玄武岩短纤维用在轮胎的各个部件上，既可以很好地改善橡胶的使用性能，同时又降低了生产成本；轮胎的质量可以减轻，提高了车的安全性，降低了其与地面的滚动阻力，驾驶的灵活性、舒适性也非常好。

2.1.1 胎面胶

玄武岩短纤维补强胎面胶时，应该沿轮胎半径方向取向（即垂直于路面），可降低滚动阻力12%～18%。再加上玄武岩短纤维有着优异的力学性能，可提高与地面的耐磨性；在高速行驶时，可大大降低胎面与地面摩擦产生的热量，使得轮胎在行驶过程中有较高的横向刚度，驾驶的灵活性得以改善。随着玄武岩短纤维的加入、炭黑用量的减少，使得轮胎的滚动阻力、转向响应性都得到改善，也不会影响胎面对地面的抓着力。这样就不用再花时间去改用两层结构胎面，而轮胎的抓着性能照样能够提高[4]。在废旧轮胎翻新时加入1%～2%的玄武岩短纤维，翻新轮胎的龟裂性好、耐尖锐物刺穿，整个轮胎的使用寿命延长了。玄武岩短纤维橡胶复合材料用作胎面胶，在加工上能使挤出物的尺寸稳定性提高[5]。

2.1.2 胎侧胶

胎侧胶能防止胎体受机械损伤、大气作用及潮湿影响。为了更好地发挥其作用，在里面可适当加入玄武岩短纤维。玄武岩纤维的主要化学成分是二氧化硅，它能加强纤维的化学稳定性和机械强度，同时可以降低含胶率，减少成本。玄武岩短纤维可作补强性填料，不仅绝热，老化性能亦好，可防止胶料提早硫化。

2.1.3 气密层胶

玄武岩短纤维用于轮胎气密层，可以很好地保护气密层，提高厚度的均匀性。轮胎在行驶中，气密层不会由于生热而产生硬化，气密层的橡胶弹性有所提高，减少内层损伤。

2.1.4 胎圈包布和子口包布

玄武岩纤维布可以更好地取代胎圈包布和子口包布所用的传统织物。由于玄武岩纤维布具有良好的耐磨性、隔热性，加工工艺简单，效率高，成本明显下降。

2.2 在非轮胎橡胶制品中的应用

据不完全统计，非轮胎橡胶制品的用量是轮胎用量的17～18倍，它们虽工艺简单，但成本较高。为了更好地降低成本、提高质量，玄武岩短纤维作为以前未被充分利用的补强材料，在胶管、胶带等橡胶制品中应用广泛。

2.2.1 胶管

胶管是由内外层和骨架层构成的，骨架层的材料以前用的都是棉纤维、各种合成纤维、碳纤维、钢丝等。然而随着胶管工艺要求的不断提高，为使管体达到优异的综合性能，玄武岩短纤维进入了行业视野。玄武岩短纤维的绝热性和耐腐蚀性非常好，对一些需要在高温下工作或输送化学品及成品油的胶管而言，使用玄武岩短纤维作为骨架材料是较好的首选材料。一般而言，胶管制造首先是挤出耐胶层，其次进行编织或者缠绕，再其次是挤出外胶层，最后是硫化等复杂的工序。为简化制造工序，用玄武岩短纤维代替一般织物制造增强胶管，可达到更好的效果。玄武岩短纤维能充当汽车冷却装置软管、大口径采油胶管、大口径输泥浆软管、高压航空胶管等产品的增强材料，被胶管制造商热捧[6]。玄武岩纤维补强胶管目前在发达国家应用较多，而我国在这项技术上还是空白，需要引起更多专家及研究者的关注。

2.2.2 胶带

传动带和输送带作为胶带的两种主要产品而被广泛应用。前者主要应用在工业、汽车和农机用的传动带、捻线机的锭带等，后者广泛用于煤炭、水泥、钢铁、冶炼等行业。

玄武岩纤维具有强度高、弹性模量高、耐温性好等特点，常被用在传动带中。强度高，可以用于材料和能源消耗小的大功率传动带；弹性模量高，可以用于尺寸稳定性好、传动比准确、工作寿命长的传动带；耐温性好，可以用于高温工作场合依然尺寸不变的传动带。

玄武岩纤维具有突出的耐高温性能,弹性模量高、稳定性好，不易变形。玄武岩纤维用作输送带的骨架材料不容易变形，从而很好地避免了输送带的“跑长”问题。玄武岩纤维中含有近20%的导电氧化物，在生产中可以减少静电的产生。另据有关资料介绍[7]，玄武岩纤维在交变载荷作用下的稳定性和耐久性也很好。由连续纤维制成的细棒在长时间(超过9 a)经受交变载荷作用后几乎没有疲劳破坏的痕迹,即未出现裂纹或其他破坏症状。耐疲劳性好这一特性，正是输送带带芯骨架材料所需要的。