玄武岩纤维的性能及应用

魏 晨，郭荣辉

(四川大学轻工科学与工程学院，四川成都 610065)

作为21世纪绿色环保高性能无机纤维材料之一，玄武岩纤维具有优异的力学性能、化学稳定性、耐高温性等特点[1]。玄武岩纤维来自大自然中的天然玄武岩。玄武岩纤维是通过熔融纺丝拉伸工艺，在极高温的条件下将玄武岩高温熔融，通过喷丝板拉伸得到的连续纤维。因此，玄武岩纤维通常也会被一些文献称为玄武岩连续纤维[2]或连续玄武岩纤维[3]。

1 玄武岩纤维的基本组成

玄武岩(即玄武岩、安山玄武岩、辉绿岩、辉长岩、闪石及其它岩石)是由岩浆形成的一种基本矿石，大自然剧烈演变的磨砺(古代火山活动)保证了玄武岩纤维的热稳定性和化学稳定性[4]。玄武岩矿石的化学成分是相对稳定的，尤其是在同一个火山地域范围之内，玄武岩纤维化学成分稳定性会更高。

玄武岩是火山活动的结果。因此，玄武岩是一种硅酸盐无机物，其密度范围是2.6 g/cm3～2.7 g/cm3，主要由二氧化硅和铝、镁、钙的氧化物组成。此外，玄武岩成分中还含有少量其他的金属氧化物(Fe2O3、FeO、TiO2、K2O 和 Na2O 等)[5]。

玄武岩纤维化学组分会对其性能产生比较大的影响。SiO2是玄武岩纤维中最主要的成分，含量为45%～60%，二氧化硅晶体的网络结构保证了纤维的化学稳定性和力学强度；Al2O3也是玄武岩纤维中的基本成分，含量为12%～19%，Al2O3具有化学稳定性、耐高温性，为提高玄武岩纤维复合材料的化学稳定性、耐高温性和力学性能提供了可能性；CaO的含量为6%～12%，有利于纤维耐水性、力学强度和纤维硬度的提高，纤维会呈古铜色，这是因为 Fe2O3和 FeO的含量也较大，在 5%～15%[4]，一般都是在10%以上[6]，而铁元素往往成红褐色和黑色，它会对玄武岩纤维的颜色有较大的影响。另外，玄武岩纤维中的其他组分也会有利于纤维的耐水性和耐化学腐蚀的提高。

化学成分的改变对玄武岩纤维的生产制造也有较大的影响。玄武岩纤维的生产目前较多采用熔融拉丝的方法，熔融体粘度和熔融温度是纺丝工艺中比较重要的工艺参数，熔体粘度越高，越有利于生产。 根据上述分析，SiO2、TiO2、Al2O3在玄武岩纤维比例的增加都能够使玄武岩的熔体粘度提高[7]。在玄武岩纤维的制作过程中，如果增加更多的Fe2O3，则能够提高玄武岩纤维的使用温度。

2 玄武岩纤维的国内外发展现状

2.1 玄武岩纤维国外发展现状

玄武岩纤维最早在1953～1954年间，由苏联莫斯科玻璃和塑料研究院研究开发。到2002年，前苏联已经能够每年生产500吨左右连续玄武岩纤维的产品，玄武岩纤维在当时主要用于军工行业。国际上，一些科技发达的国家例如美国、日本和德国等都加强了对玄武岩纤维的研究开发，不仅如此，加拿大、韩国、英国等国也加大国防科研的投入，开展了玄武岩纤维在国防军事领域的应用[8]，并都取得了显著的成果。

2.2 玄武岩纤维国内发展现状

我国最早开始研究玄武岩纤维是在1990年后，在南京玻璃纤维研究院开展，研究方向是玄武岩纤维隔热材料复合材料[9]。随后全国也开始致力于玄武岩纤维的开发，其中连续玄武岩纤维应用广泛，需求量日渐增大[1]，这促进了我国在玄武岩纤维的研究和发展。我国在2002年11月，将“玄武岩纤维及其复合材料”批准列为863国家计划(2002AA334110)[10]。

在2004年，玄武岩纤维在上海实现工业化，属于当时国内领先水平，产业部分技术已能达到当时国际的先进水平，为今后大规模稳定生产玄武岩纤维奠定了基础。

近年来，丰富的天然玄武岩生产的玄武岩纤维是一个重要的硅酸盐纤维家族，且它具有十分优秀的化学稳定性、可再生性、生物相容性、机械模量和强度、隔热隔音性能和抗电磁辐射等性能，其单位成本低于玻璃纤维，特别是远低于碳纤维等高性能纤维。因此，这些环保、低成本的特点使玄武岩纤维成为复合材料的组成之一。例如，玄武岩纤维与生物降解脂肪族聚酯制备绿色复合材料，是一种良好替代的增强剂；玄武岩纤维复合材料也可利用在3D打印技术[11]；且到目前为止，在土木工程领域玄武岩纤维的应用还处于探索阶段，但前途不可估量[12]。因此，无论在国内外，玄武岩纤维在21世纪的发展前途无量。

3 玄武岩纤维的性能

3.1 玄武岩纤维的外观特性

由于大部分玄武岩纤维中含铁量是较高的，导致玄武岩纤维的外观大多数呈深棕色[13]，因此会发现玄武岩纤维色泽与碳纤维十分相似。如图1所示，玄武岩纤维拥有与其他人造化学纤维相似的表面形貌，即整体看来是光滑的圆柱状，其截面由于在拉伸过程中受到表面张力的影响，也是呈几乎完美的圆形[3]。

玄武岩之间抱合力非常小，这是因为玄武岩纤维表面的粗糙度比较小。因此，在与树脂复合作为增强材料时，这会极大地影响到与树脂的复合效果，玄武岩纤维复合材料的制备往往需进行一定的表面改性处理，增大其粗糙度。但是光滑的表面对气体和液体通过的阻力小，用玄武岩纤维产品是比较理想的过滤材料。

图1 玄武岩纤维电镜图[4]

3.2 优异的力学性能

玄武岩纤维具有优异的抗拉伸强度和模量。玄武岩连续纤维的强度远远超过天然纤维和合成纤维，属于高性能纤维，是理想的增强材料。玄武岩连续纤维的拉伸强度高于其它一些常见高性能纤维的拉伸强度(表1)。玄武岩纤维抗拉比强度在高性能纤维中也是突出的。其比强度高出金属的1～1.5倍，高出E－玻璃纤维的0.4～0.5倍[4]。此外，玄武岩纤维的弹性模量较大，其弹性模量显著优于E－玻璃纤维[6]。

表1 各种材料的拉伸强扶

3.3 高电绝缘性

玄武岩纤维具有高电绝缘性。研究表明，玄武岩纤维的表面电阻率和体积电阻率是E－玻璃纤维的10倍以上[3]，可大于10000Ω·cm。因为玄武岩纤维具有良好的电绝缘性，玄武岩纤维可以在电绝缘材料[15－16]上有广阔的应用，例如制造高压(达250千伏)电绝缘材料[4]。

3.4 良好的隔音隔热性能

玄武岩纤维具有优异的隔音隔热性能。从结构上看，玄武岩纤维的多孔结构被证实具有较好的吸音能力，玄武岩纤维吸音系数较高，可用来作为卓越的吸音材料[17]。另外，玄武岩纤维的导热系数低，能被应用于保温绝热领域。

由于玄武岩纤维吸音系数是高于大多数高性能纤维的，而且具有隔热功能，能用于各种公共场合的吸引地板或者地毡[18]。玄武岩纤维产品应用于工农业及住房建筑中，能够吸收噪音，还能够起到保温绝热的作用，防止火灾的发生。

3.5 化学稳定性

玄武岩纤维具有良好的化学稳定性，能够耐酸耐碱。玄武岩纤维中硅氧化合物、氧化铝等硅酸盐成分会影响玄武岩纤维的耐酸耐碱性能，常规玄武岩纤维在除了强酸溶液外，均能具有良好的化学稳定性。玄武岩纤维可以应用在经常受到高湿度、各类介质作用的建筑结构中，正是因为其具有良好的化学稳定性[16]，特别是混凝土行业的增强材料，往往以玄武岩纤维作为替代品。此外，玄武岩纤维也具有高耐久性。研究表明，玄武岩纤维制成的材料在超过九年的长时间内，经受交变电流作用后几乎没有任何破损、强力下降的痕迹显现[9]，这也使得其在建筑结构的增强材料领域开辟了广阔的前景。

玄武岩纤维也具有低吸湿性和耐水性的特点。玄武岩纤维的吸湿率是玻璃纤维吸湿率的12%～15%[16]，属于低吸湿纤维。此外，玄武岩纤维在温热水中也能保持较高的强度，而其他高性能纤维，如玻璃纤维，在70℃条件下，经过200小时后基本上失去强度，但是玄武岩纤维在其6倍时长后才失去部分强度[16]。基于以上特点，玄武岩纤维在飞机、火箭、船体制造业等需要吸湿率较低材料的领域，能够得到广泛的应用。

3.6 耐高温性能

玄武岩纤维具有耐高温性。常见的高性能纤维最高使用温度见表2。可见，玄武岩纤维的耐高温性甚至优于碳纤维。

表2 几种高性能纤维的最高使用温度[16]

玄武岩纤维的热稳定性能很好，玄武岩纤维的断裂强度在400℃～600℃温度下工作时能够保持在百分之八十多。在这个温度范围内，耐高温性能很好的矿棉也只能保持一半的强度，而E－玻璃纤维则完全失去力学性能[16]。玄武岩纤维的耐热性比E－玻璃纤维和矿棉好得多，接近石英玻璃纤维。目前石英玻璃纤维是耐高温材料最好的产品，但是石英玻璃纤维价格贵、产量低，玄武岩纤维是制造业中耐高温材料的良好替代品。

3.7 与金属、塑料良好的兼容性

玄武岩纤维具有良好的与材料兼容性。玄武岩纤维与金属、树脂等材料复合使用，比一般高性能纤维有具有更强的相对粘合强度。但是玄武岩纤维表面摩擦力小，与材料的抱合力不大，如果要作为复合材料依然需要进行一定表面改性[3]。玄武岩纤维往往与碳纤维进行复合，得到更高性能的材料。碳纤维的价格昂贵，产量也不大，如果加入低成本的玄武岩纤维能降低其成本，且如果在玄武岩纤维中加入一定比例的碳纤维，并对复合材料进行一定的处理，其强度和模量都能够得到显著的提升。

4 玄武岩纤维的应用

玄武岩纤维作为一种环保型新材料，其来源广，资源丰富，生产过程不会带来环境压力，且具有良好的化学稳定性、耐化学 腐蚀性、耐高温性，优异的力学强度、抗拉伸能力、隔音隔热等性能。因此，玄武岩纤维和其他纤维复合材料的应用领 域范围十分广泛[16]。

目前国外利用玄武岩纤维制备复合材料的研究较多，而国内对玄武岩纤维的复合应用研究相对较少。玄武岩纤维及其复合材料在生活生产中随处可见。随着人们对玄武岩纤维及其复合材料的深入探究，玄武岩纤维的其他性能也逐渐被发现，通过改性处理等方法，玄武岩纤维及其复合材料在高端科学技术领域的高强度、耐高温等也有着其广阔的应用前景。

4.1 工业管材领域

由于玄武岩纤维的高强度和抗拉伸能力，用玄武岩纤维制造管材是十分常见的。在石油行业、各种化工工业中不同用途的管材都可以由玄武岩纤维制造，这种管材检修期可相对缩短，其断裂和被腐蚀的危险也相对降低。例如输送高含量硫化氢和CO2的天然气管线[16]，采用玄武岩纤维管材，避免腐蚀性液体和气体腐蚀破坏管道。在冶金方面，玄武岩纤维的耐高温性也能得到很好的应用。

此外，玄武岩纤维还可被应用于各种运输容器、绝缘支架等方面。这在我国西 部开发中能够起到重要的作用，仅输油输气管道主管线一项就需要8000 km多[16]，还不包括输油输气管支线工程，而玄武岩纤维的应用能够极大的降低工程项目的成本。

4.2 交通运输领域

玄武岩纤维可用于汽车部件及车内装修，车外耐摩擦材料、车罩材料等[19－20]。据报道，在日本的一个汽车制造工厂开发出用玄 武岩纤 维作保温吸音材料，以此替代玻纤作消 音器填充物，获得了成功，并开始了批量生产。此外，玄武岩纤维可制成多种复合材料应用于其他交通运输领域，例如，增强材料，可制备如汽车发动机、汽车废气排放系统的绝热、吸音材料；飞 机机体的部件、整体框架；轮船的隔板和构架增强材料等。

4.3 建筑领域

玄武岩纤维具有较高的力学强度，且其耐久性也很好。因此，将玄武岩纤维应用于工业建筑领域是目前研究的一大热点。玄武岩纤维优异的力学强度使得其在抗震增强上能够提高建筑质量，而其吸音性能、绝热性能和耐高温性能，对建筑的安全、保暖性也能够起到提升的作用。玄武岩纤维往往会作为混凝土的增强材料，以此应用于建筑行业。此外，玄武岩纤维和无捻粗纱也能够编织成工业材料，在桥梁、大坝等结构中进行增强。玄武岩纤维也可以与各种其他纤维复合，制得增强塑料、橡胶制品等。其中，利用玄武岩纤维作为钢筋的替代品，用在混凝土中的增强材料是最近国内外的研究热点。玄武岩纤维作为一种新兴的绿色硅酸盐纤维材料，是其它纤维材料的良好替代品[21]。在土木工程方面，在混凝土中掺入一定量的短切玄武岩纤维，可以有效改善素混凝土的脆性问题，显著加强素 混凝土抗压、抗拉以及抗 折等力学性能[12]。此外，玄武岩纤维布也可以用于加固混凝土结构[22]。虽然国内外在玄武岩纤维加固混凝土构件方面进行了一些试验研究，但是对掌握玄武岩纤维加固混凝土构件的破坏特征和承载力提高程度并基于此得到玄武岩纤维加固结构构件的设计方法，还有许多工作需要完善和进一步开展[13]。

4.4 吸附领域

玄武岩纤维经过表面改性处理，可应用于水处理吸附以及生物催化领域。

玄武岩纤维用于水质净化用微生物载体领域，取得了较好的脱氮除碳效果[23－24]。但玄武岩纤维表面光滑，不利于微生物在其表面附着，需要对玄武岩纤维进行表面处理，采用酸刻蚀玄武岩纤维可保证其本身的基本强度不受破坏的同时增大其表面粗糙度。因此，采用酸碱刻蚀法对玄武岩纤维进行表面处理，以增加微生物与玄武岩纤维间的接触面积，促使更多微生物附着其表面，能够进一步提高玄武岩纤维的生物亲和性及其作为微生物载体时的水质处理效果[25－27]。

此外，玄武岩纤维中的 MgO、CaO、Fe2O3、K2O对生物质催化气化都有很好的催化作用。所以，采用玄武岩纤维作气化的催化剂载体，是一个值得尝试的选择[28]。

4.5 过滤材料领域

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、形态、结构特点等。玄武岩纤维是具有多 孔结构的纤维，表面是光滑的圆柱形，截面是规整的圆形。玄武岩纤维的比表面积大，密度较小，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[29－31]。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[29]。

5 结束语

玄武岩纤维具有力学强度高、耐热性好、耐腐蚀性好、价格低廉、原料易得、低导热性和较好的介电性能等多重优良性能，并且制造过程环保无危害，能直接降解为泥土，被称为21世纪的“绿色工业材料”。玄武岩纤维及其复合材料在建筑、工程塑料、农业、军事、石油、航天航空、造船业等高科技技术范围方面都有着至关重要的地位，应用前景广阔，特别是目前玄武岩纤维在混凝土建筑领域作为增强材料的研究十分火热。但是，目前玄武岩纤维仅在科学研究领域有比较大的突破，如何将玄武岩纤维及其复合材料大批量的生产且应用于不同的行业领域，仍是现在亟待解决的问题。