玄武岩纤维的发展及应用

孙 涵，钟智丽，薛兆磊，王子帅

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

0 引言

玄武岩纤维是一种新型的绿色无机高性能纤维，其原料是火山喷发的玄武岩矿石，在1450℃～1500℃熔融后, 通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维[1-2]。由于它在成纤过程中没有碱性氧化物的排除，不会向大气排放有害气体，且在使用后可以自然降解成土壤母质，是环境友好型高性能纤维。调查发现，目前玄武岩纤维的产量完全达不到需求量。到2017年，全世界生产玄武岩的厂家约有35家，全球玄武岩纤维产量20000吨。其中，中国占有25家，生产量10000吨。我国玄武岩的研发已经跨出跟跑、并跑的阶段，现在属于领跑阶段。预计到2020年我国生产的玄武岩纤维会突破30000吨，成为世界上生产和应用玄武岩纤维的第一大国。

1 国内发展史

我国玄武岩纤维的研发起步比国外晚150年左右，最初的研究主要应用于军工隔热领域。2001年将玄武岩纤维的研发作为中俄政府间的合作项目；2002年被列入863计划；2003年成立横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司；2010年，我国玄武岩纤维的应用主要在建筑、道路、玻璃钢领域；2014年，通过了ISO/TS16949体系认证，使其在汽车领域的应用迅速发展；2017年被列入十三五规划。我国玄武岩纤维的研发正在迅猛发展，各个研究机构的相关科研成果不断推出。中国成为少数几个掌握玄武岩纤维生产技术的国家之一。在2017年，我国玄武岩纤维的产量达到10000吨，预计这个数字会在不低于40%比例增长。

我国拥有丰富的玄武岩火山岩，例如山西省大同境内就有绵延50平方公里的玄武岩火山岩，预估储存量为180亿吨。因此，建立了玄武岩产业园，“十二五”期间得到国家投资25亿元；拥有生产规模世界第一、设备领先、生产工艺获得国家专利的山西晋投玄武岩公司，可以生产多种规格的玄武岩原丝：6μm、9μm、13μm、15μm、 18μm,且拉伸强度高达0.7N/tex以上。位于江苏省的天龙玄武岩连续纤维高科技有限公司成立于2007年，是一家集生产、研发、设备研发、销售等于一体的企业，它能为客户提供多种规格的玄武岩纱线和产品。2018年，四川富润企业旗下的玻纤集团自主研发的全球首个池窑方式生产玄武岩纤维在罗江区成功点火，运行成功后，将成为世界第一家用池窑方式生产玄武岩纤维的企业[3]。此外，主要还有山西巴塞奥特、营口洪源、河北通辉、牡丹江电力等厂家生产玄武岩纤维产品。

2 玄武岩纤维的应用

2.1 过滤领域

应用于过滤用的纤维除了取决于纤维的品种外，还在极大程度上取决于纤维的直径、形状、结构等。玄武岩纤维表面是光滑的圆柱形状，截面是圆形，是具有多孔结构的纤维，孔隙率高、比表面积大、密度小，这些赋予玄武岩纤维优异的过滤性能。光滑的表面可以使流经的气体液体快速通过。过滤过程中材料内部颗粒吸附在纤维表面，促使比表面积扩大，进一步提高过滤效率[4-5]。玄武岩纤维材料可用来净化工业生产中的有害气体和粉尘，如钢铁、水泥、食品等行业，玄武岩纤维是制作过滤设备性价比高的材料。

杭美艳[6]等采用水热法，用TiO2玄武岩纤维制备出复合材料，为废水处理和环境保护增添新材料。它的优点在于：玄武岩表面包覆的TiO2可以增大比表面积，增大过滤时的接触面积。同时玄武岩中存在的金属元素可以成为TiO2的光敏剂，弥补其光催化剂的缺陷，使光吸收波长范围扩大。另外，玄武岩纤维作为骨架也起到过滤作用。Zhang等[7]研究了聚酯编织滤料和连续玄武岩纤维/涤纶编织滤料在高温和热稀释碱性环境条件下织物的稳定性。研究发现，连续玄武岩纤维有助于提高织物滤料在不同浓度的热稀释碱溶液中的尺寸稳定性。

Chen等[8]在一定时间内对玄武岩纤维织物滤布的空气体积进行了测试，分析了透气性与织物结构参数之间的关系。结果表明，纱线的线密度越大，织物透气性越小。过滤织物的空气渗滤率随纬纱密度的增加而降低。将2/2种斜纹织物与纬向织物进行比较，平纹织物的透气性最小，2/2斜纹织物为第二，纬向织物较大。Wang等人[9]研究了由玄武岩和聚砜酰胺纤维组成的袋式除尘器高温过滤复合材料的基本性能。研究表明，该新型过滤材料具有优异的耐热性、透气性和耐酸腐蚀性能。彭毅,王浩明[10]对玄武岩纤维的过滤性能及表面形态开展研究，实验表明，随着过滤的进行，阻力会随着滤料表面粉尘的集聚而增加变快,但过滤效率优秀。

2.2 国防军工领域

玄武岩纤维因为使用温度范围跨度大、热传导系数小、化学稳定性好等特性，适用于国防军工材料。利用温度特性可以作为制备高温隔热材料、超低温隔热材料；利用其性价比高的特性可以用来代替某些碳纤维装备以减轻武器造价；借助其优异的力学性能制造防护盔甲；借助其吸音系数低的特性制造隐身衣等。

为了研究玄武岩纤维增强复合材料的抗弹性能,利用不同树脂基体制作了玄武岩纤维增强复合材料靶板试件,进行了弹道测试。研究了玄武岩纤维增强复合材料的抗侵彻性能和典型破坏模式,并分析了不同树脂基体和不同铺层方式对靶板防弹效果的影响。研究表明,玄武岩纤维增强复合材料在受弹体侵彻时,主要呈现局部破坏,破坏形式是迎弹面的纤维剪切失效、背弹面的拉伸断裂失效[11]。另外,根据轻型防护的要求,提出设计新型防护结构的思路。研究结果可以为轻型复合装甲设计提供参考。为了探究玄武岩纤维复合材料吸声性能，倪广菊等[12]以玄武岩纤维为增强体，以eva为基体，通过热压粘合成功制备出玄武岩纤维复合材料。通过正交试验得出复合材料的最佳工艺条件：纤维长度10mm，复合材料厚度10mm，热压压力6Mpa，热压时间15min。在500Hz～2000Hz的生源频率下吸音系数为0.8，在2000Hz以上吸音系数渐趋于平缓，说明此复合材料的吸声性能优异。

2.3 土木工程领域

目前，国内玄武岩制品最成熟的技术是玄武岩纤维单向布，可制造出弹性模量高达105GPa，单向布抗拉强度大于2100MPa的玄武岩纤维单向布。主要应用于建筑领域某些结构的修补、加固，水电站、堤坝的加固。借助玄武岩纤维拒燃、耐高温、不导电、导热系数低的特性，可以将其应用于墙体保温、屋顶隔热保温、防护板、防火布等领域。玄武岩纤维与混凝土相结合,可以有效地防止产生的裂纹早期干燥收缩,这有助于提高混凝土的早期抗裂性,增强其不渗透性、抗冻性和抗冲击性,使混凝土具有优秀的机械功能、耐用性和技术与经济效益。将玄武岩短切纱加到沥青中，沥青混凝土的低温抗裂性、抗疲劳性能、高温稳定性都显著提高，提高了沥青混凝土的使用寿命。土工格栅是一种新型的格栅，具有加固、保护功能，广泛应用于公路、铁路、水利、煤矿等行业，确保道路得到均匀的荷载和应力，岩土格栅具有较高的抗拉强度和模量性能。此外，还应配备耐碱、热稳定性和其他特殊性能。目前，聚酯和玻璃纤维被用于生产岩土格栅。然而，玻璃纤维的纤维薄弱使其在实际使用过程中更容易受到损害。与玻璃纤维相比，涤纶有很高抗拉强度和韧性，但是当纤维被浸没在碱或酸溶液中时，纤维失去体积和强度，在表面产生反应产物，同时从纤维中观察到显著的力量减少。作为一种新型纤维，玄武岩具有更好的抗拉强度，更大的失效应变，以及对化学攻击、冲击载荷和火焰的良好抵抗，使其成为地质技术格栅的新材料[13-14]。

Qin X等人[15]研究了不同含量(3%～10%)和长度(6mm、9mm和15mm)的玄武岩纤维对沥青胶粘结剂性能的影响。结果表明，玄武岩纤维的添加改善了粘结剂的性能，特别是抗裂性。6mm的玄武岩纤维与沥青粘结剂的接触面积最大，吸附强度高。含量的多少也影响着玄武岩纤维沥青粘结剂的抗裂性和高温流变性。玄武岩纤维可以在沥青中形成稳定的三维网状结构，可以很好的分散应力，从而减缓沥青基的断裂，延长使用寿命。金生吉等人[16]探究了玄武岩纤维混凝土在腐蚀条件下的抗冻融性能，分别测试了增强混凝土在5%NaCl溶液、无腐蚀环境、5%MgSO4溶液、5%NaCl+溶液环境下的抗冻融性。结果表明：玄武岩纤维的加入使混凝土的抗冻融性效果变好，延长了混凝土在腐蚀环境下的使用寿命。

Tang等人[17]研究了玄武岩纤维的增强效果，开发了具有高抗弯能力的建筑砂浆，并通过正交试验和统计分析研究了玄武岩纤维的分馏、水灰比和砂灰比等3个因素，优化了抗弯强度的最佳组合。通过扫描电镜对增强机理和损伤特征进行了分析和评价，结果表明，玄武岩纤维作为增强构件具有良好的抗弯强度增强效果，最大提高率将达到2.91倍。不同年龄层的强度对不同的纤维分数的影响是显著的，比水灰比和砂灰比要大得多。天津工业大学钟智丽教授[18]带领团队依据风机叶片对增强材料的要求，选择玄武岩纤维长丝、芳纶短纤纱作为基本原料，成功制备出了双层玄武岩长丝/芳纶间隔纱织物并制备其复合材料。对复合材料进行了平压、侧压、弯曲、低速冲击、压缩等力学性能测试，结果表明其完全可以用于风机叶片的增强材料。

2.4 汽车领域

目前汽车用的增强纤维主要是矿物质纤维、钢纤维、有机纤维等，这些纤维有一些缺点，比如石棉纤维的生产污染环境，吸入人体致癌；钢纤维易腐蚀；有机纤维制造工艺复杂等等。而玄武岩纤维具有摩擦系数稳定、噪音小等优点，适合用来做摩擦增强材料。目前汽车上使用的高温过滤材料主要包括粘胶纤维、聚酯纤维等，缺点是耐用性能不好，使用寿命短。借助玄武岩纤维的耐高温和耐酸碱性特性、用后可完全降解以及优良的过滤性能，将玄武岩纤维用于汽车过滤材料是今后的发展方向。另外，玄武岩纤维的隔音性能，可以用来制作汽车的车门的垫板、发动机车盖的内部、车顶、车壳等地方。

2.5 橡胶品中的应用

为了延长轮胎的使用寿命，玄武岩短纤维可以极大的应用于轮胎各个部位。比如用在胎面上，可以提高耐磨性，且在高速行驶时可降低轮胎与地面摩擦带来的热量。在对旧轮胎进行翻新时，适当加入一定比例的玄武岩短纤维可以提高轮胎的皲裂性和耐尖锐物刺穿的能力；胎侧胶中加入玄武岩短纤维可以提高轮胎的化学稳定性、机械强度。同时，短纤维的加入减少了用胶量，降低生产成本；用于气密层胶的玄武岩纤维可以提高轮胎的弹性，减少内层的损伤；玄武岩纤维替代传统织物用于胎圈包布，可以提高使用寿命，降低成本。

传送带和输送带的性能是：强度高、耐高温、弹性模量大。由此可见，玄武岩纤维是作为输送带骨架材料的最佳材料，避免了输送带在长时间使用过程中容易“跑长”的问题。而且玄武岩纤维耐疲劳性好，不会造成输送带裂痕[19]。Wu等人[20]为了提高氟橡胶的可用性，采用短玄武岩纤维作为加固材料，制备了短玄武岩纤维/氟橡胶复合材料，并对其力学性能和相容性进行了研究。通过抗拉强度和断裂伸长率的测定，确定了短玄武岩纤维/氟橡胶复合材料的最佳配方。Shadrinov N V等人[21]研究了用玄武岩和碳纤维加固的腈-丁二烯橡胶的性能。根据所引进的纤维数量，建立了磨料磨损和腐蚀环境下的物理力学性能、硬度和稳定性。利用电子和原子力显微镜对增强弹性复合材料的结构性能进行了研究。

3 存在问题

玄武岩纤维虽然是一种绿色环保的高性能纤维，但是一些因素的存在限制了它的发展，使其在高端领域的大规模应用受到限制。具体有以下几点：

3.1 原材料成分问题

由于玄武岩纤维的原材料是火山岩，来自不同矿石产地的原料成分会不一样。即使取自同一地区的矿石，其原料也无法保证成分一致，致使制成的玄武岩产品性能不一致。矿石原料中的含铁量高，会降低熔制效率；且在织造过程中，铁元素的存在会腐蚀铂铑合金漏板。

3.2 熔制问题

玄武岩纤维的生产是采用熔炉的方式，目前用的铂铑合金漏板是200或400孔，这就限制了生产的效率。在采用电熔方式对玄武岩加热时，会因为成分中过高的含铁氧化物而侵蚀加热电极。现有的窑炉结构需要作进一步改进，不然会造成含铁氧化物聚集在合金漏板从而加速对漏板的侵蚀[22]。

3.3 标准化问题

出现在市场的玄武岩纤维产品种类繁多，但是标准缺失严重，没有相应标准对产品进行规范。目前玄武岩虽然有一些标准出台，但是制定标准的归口单位太多，没有成立专业玄武岩标准制定组织，影响工作效率；已经出台的标准数量少，领域涉及不广泛，尚未形成一套完整的标准体系；玄武岩纤维的产业化应用需要相应跨行业标准的制定，目前虽然已经有玄武岩复合材料在建筑、道路等领域的标准，但这远远不够，高端产业用玄武岩纤维复合材料的标准化需要继续推进。

4 结论

因为玄武岩纤维的特点和优势，它被认为是我们未来绿色和可持续发展的材料。玄武岩被誉为本世纪的绿色工业材料，它结合了生态安全、自然寿命和许多其他特征。此外，玄武岩是百分之百的惰性气体，也就是说，它没有空气或水的毒性反应，而且是不可燃和防爆的。由于其高刚性、低伸长率或断裂伸长率高，使它成为当下的有用的强化材料的不二选择。对以后的玄武岩纤维的发展提出以下建议：国家应该做好有关玄武岩纤维的顶层设计，大力支持玄武岩纤维以及相关产品的研发，加大资金注入和高校研究玄武岩小组的成立；重点鼓励相关技术人员创新池窑技术；鼓励正在发展的玄武岩企业向西部有玄武岩矿石的地方转移；进一步推广相关标准的制定，扩大其应用领域，推动玄武岩纤维的产业化应用。