将玄武岩纤维加工成多轴经编纺织品

T. Bäz

BasaltFaserNetzwerk公司(德国)

1 熔融岩体

玄武岩纤维由尺寸为5～10 cm的玄武岩石制成，当将温度精确控制在1 300～1 450 ℃时，玄武岩发生熔融。熔融的玄武岩在特定的熔体压力下通过喷嘴喷出，可得到连续的超细纤维，纤维表面涂有浆料后，能够满足在纺织品生产过程中的应用。可将玄武岩纤维加工成工业长丝纱线、粗纱、加捻纱和合股纱线及帘子线。根据其结构与构成，所得材料的线密度为20～4 800 tex。玄武岩纤维也可制成短纤维，用于生产非织造布、纬编织物、机织物、经编织物及多轴向纺织品。目前，全球已有约20家玄武岩纤维供应商，主要分布在东欧和中国，产能约为 35 000 t/a。原料组成和制造工艺的不同，导致制成的玄武岩纤维品质存在差异。

2 黑色的“绿色”纤维

玄武岩纤维的主要特征在于其耐高温性能，它们可以在-260～800 ℃的较宽温度范围内使用。这些由黑色熔岩制成的纤维也具有良好的耐化学性，尤其是耐酸、耐碱和耐溶剂性能，它们还具有优良的抗紫外辐射性能、抗生物影响及耐腐蚀性能(表1)。此外，玄武岩纤维还具有优异的力学性能(表2)。它们的长度膨胀系数较低，并且具有较高的抗扭曲性和抗弯曲性。这意味着在复合材料中使用玄武岩纤维制备成型的3D半成品时，相比碳纤维其更不易断裂。这有利于成品部件的强度，且强度增加可达200%。此外，玄武岩纤维是电绝缘的。除具有一定的性质和特征外，玄武岩纤维还具有生态优势。这种天然材料的数量足够大，可在不添加任何其他添加剂的情况下进行加工，且可100%回收。当用于塑料复合材料时，玄武岩的耐高温性意味着可通过简单的熔化方法实现其与复合材料中其他物质的分离。生产玄武岩纤维时，其工艺对环境的影响也低于同类产品。例如，因能耗较低，生产1 t玄武岩纤维时产生的CO2量比生产玻璃纤维约少1 t，而比生产碳纤维要少20 t。

表1 玄武岩纤维的特性及其应用领域(来源：BasaltFaserNetzwerk)

表2 玄武岩纤维与几种纤维的性能对比(来源：Sebastian Nendel. Cetex，信息由制造商提供，未经标准化测试)

3 技术用全能纤维

玄武岩纤维(图1)具备的特性使其尤其适用于产业应用领域。最新的研究结果表明，玄武岩纤维已实现了在一些产业终端的应用。在这些应用中，最具潜力的应用(已获得一些初步实践经验)是用作热介质的过滤材料，如用于垃圾焚烧厂和混凝土工厂的热过滤材料，用作公路、高速公路及滑雪场的坡面固定材料，用于防火、隔音和土地恢复，以及用作绝缘网、排水材料及农业领域等。

玄武岩纤维的一个较有前途的应用是用作混凝土和复合材料的增强材料。在混凝土结构中，由耐腐蚀的多轴向纺织品代替钢制成的增强材料，可使混凝土部件更薄、更轻质。玄武岩纤维还可用于替代复合材料生产中的玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维。它们易于回收利用，为开发资源节约型工艺带来了许多可能性，该工艺可用于生产和加工具有优异力学性能和均衡成本效益的纤维增强材料半产品。

图1 玄武岩纤维

4 轻型建筑解决方案的增强材料

在用作复合体系的增强材料时，玄武岩纤维常被加工成无纬(UD)、多轴和双轴纺织品(图2)，或粗糙的经编网格结构(图3)。也可将玄武岩纤维整合到经编间隔织物的覆盖面(图4)。

图2 由玄武岩制成的双轴织物

图3 在插纬经编机上制备的玄武岩纤维网格

图4 表面含有玄武岩纤维的粗糙的经编间隔织物

在生产玄武岩纤维基材方面，目前获得的经验主要基于德国Cetex纺织和加工机械研究所(非营利性的纺织和加工机械研究所)所开展的项目。该研究所已制备出面密度高达400 g/m2(取决于输入材料量)的单层UD纺织品。其最大加工速度为40 m/min，最大幅宽为800 mm。该UD纺织品具有均匀的纱线张力，这是由于各纱线张力可单独调节所致。此外，该纺织品中纱线完全伸直且纱线间无间隙。

使用Cut&Lay多轴经编机制备了具有不同铺设角度和面密度的纺织品。基体材料为未浸渍的干燥的UD织物，以0°、90°、±45°、±30°和±60°的角度插入，并在缝合结合点用不同线密度的纱线在经编织物或编链组织中进行黏合。机器最大工作宽度为100 in(254 cm)。当生产速度为4 m/min时，该工艺在运行中没有出现任何问题。玄武岩纤维如同玻璃纤维一样易加工。

如果干燥的UD纺织品在到达缝编点前，其两面都覆盖有薄膜网(如聚丙烯制成的薄膜网)，则可在后续成型加工和注射工艺中将其进一步加工成有机板材。纱线层的不同角度(即半成品的不同构造)可使它们能够承受任何可能发生的负荷。

5 展望

玄武岩的成分变化很大，这取决于它的出产地。基础岩石不含任何石英，但它含有各种不同的矿物质，主要成分是硅。制约玄武岩纤维终端应用进一步发展的挑战之一是对各种不同纤维品质的评估。纤维的规格也必须适应最终用途的需要，并纳入适用的标准。此外，还必须进一步发展整个生产链的可重复性技术。一般而言，提高对技术纤维的认识和信心水平也非常重要。

德国Basaltfasernetzwerk公司承担了玄武岩纤维开发的所有这些任务。公司致力于研究和开发玄武岩纤维，同时研究它们在纺织工业、轻质结构工程领域、建筑业及其他诸多领域的可能应用。