浅谈玄武岩纤维的性能应用及发展

余奕发

摘要：玄武岩属于火山喷出岩，是地球上存在和分布最广的矿物之一。用它生产的连续纤维与普通岩棉相比，在纤维质量方面有了质的飞跃，它所表现出来的高弹性模量、高热稳定性以及优异的耐酸碱性，使其在修理公路、铁路、机场跑道方面得到广泛的应用。近年来，美国、韩国、中国和日本相继展开了这方面的研究工作。

关键词：玄武岩纤维   性能应用  发展

一、玄武岩纤维的性能及用途

玄武岩纤维（CBF）是以玄武岩为原料，利用铂铑合金拉丝漏板在1500℃高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色，属于非金属的无机纤维，被称为21 世纪无污染的“绿色工业原材料”。与碳纤维、芳纶纤维、超高分子纤维，并称四大高技术纤维。

玄武岩纤维

（一）良好的拉伸强度及增强效应

玄武岩纤维在70℃水作用下其强度可保持1200h，而一般玻璃纤维不到200h便失去强度;在100～250℃温度下的拉伸强度可提高30%，而一般玻璃纤维却下降23%。单纤维拔丝试验表明，玄武岩纤维与环氧聚合物的粘合能力高于玻璃纤维，而且在采用硅烷偶联剂处理后还会进一步提高。因此，玄武岩纤维可以代替即将禁用的石棉作为耐高温结构复合材料、橡胶技术制品等的增强材料，也可用于制作制动器、离合器等的磨擦片的增强材料。

（二）高的耐腐蚀性和化学稳定性

玄武岩纤维在碱性溶液中具有独一无二的化学稳定性，耐酸性比ECR玻璃纤维还好，具有明显的耐酸耐碱性同时成本却大大降低。可应用于纤维增强混凝土构建和土木材料中。特别是在桥梁、隧道、堤坝、楼板这些混凝土结构以及沥青混凝土路面、飞机起落跑道等经常受到高湿度、酸、碱、盐类介质作用的建筑结构中具有广阔的应用前景。

（三）良好的绝缘性

玄武岩纤维的介电损耗角正切与玻璃纤维相近，用专门浸润剂处理过的玄武岩纤维，其介电损耗角正切比一般玻璃纤维还低50%，可用其制造高压（达250KV）电绝缘材料、低压（500V）装置、天线整流罩以及雷达无线电装置等，前景十分广阔，专门浸润剂处理的玄武岩纤维还可用于制造新型耐热介电材料。

（四）耐高温和低温热稳定性

耐热性接近于耐高温的石英玻璃纤维，在400℃下工作时，其断裂强度能够保持原始强度的85%;在600℃下工作时，其断裂强度能够保持原始强度的80%，矿棉在相同情况下只能保持50%～60%的原始强度，玻璃棉则完全破坏。如果玄武岩纤维预先在780～820℃下进行处理，纤维能在860℃下工作而不会出现收缩。在长期处于低温（-196℃）液氮介质作用下，玄武岩纤维的强度不会发生改变，是有效的低温绝热材料。

（五）高的弹性模量

玄武岩纤维的弹性模量与昂贵的S玻璃纤维相近，强度相当;用于织造织物重量在150～210g/㎡的产品时，织造性能良好;可用以代替S等玻璃纤维制造绝热制品和复合材料，制造硬质装甲和各种GFRP产品。例如，利用E玻璃纤维生产玻璃钢管，只能承受25个大气压，管径最大为2m;而用玄武岩纤维做玻璃钢管，则可承受60个大气压，管径可达3m。在某些场合，玄武岩纤维甚至可以部分代替每吨售价在20余万元的碳纤维或芳纶纤维。

（六）隔热隔音性能

玄武岩纤维及其制品具有极高的隔热、隔音的结构特性，其吸音系数比E玻璃还高，是高效的隔音材料，能以稀释毡或板的形式用于公共大厅，汽车船舶制造上用于绝热隔音材料。

二、玄武岩纤维制备方法及应用

根据熔融原料所使用的容器不同，生产方法分为坩埚法和池窑法两种。前者是将玄武岩混合料加入坩埚内，经过高温熔融、澄清均化，融化后的原料融体经漏嘴流出，被拉成纤维。该方法的能源利用率很低，坩埚的有效利用率只有10%～18%。池窑拉丝法又称直接法，它是把原料制成配合料直接加入到窑内，经过高温熔融、澄清均化，熔体直接流入成型通路，经漏嘴流出后拉成纤维。与坩埚法相比，该法生产纤维的过程简单、直接、节能。纤维类型不同，其制备方法略有差异。

（一）玄武岩纤维短切纱

玄武岩纤维短切纱是用连续玄武岩纤维原丝短切而成的产品。玄武岩纤维短切纱是增强热塑性树脂的优良材料，同时还是增强混凝土的优良材料。玄武岩纤维具有优良的耐化学性，特别具有耐碱性、耐海水腐蚀性的优点。将短切玄武岩纤维掺入沥青混合料可以成倍地提高沥青路面的抗车辙能力和公路使用寿命。

（二）玄武岩纤维复合筋

玄武岩纤维复合筋是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，经拉挤工艺和特殊的表面处理形成的一种新型非金属复合材料。其具有高强、轻质、耐腐蚀等优异的理化性质。同时，玄武岩纤维复合筋的热膨胀系数与混凝土相近，确保了混凝土与筋材的同步变形。加之由于该材料在纵向可连续生产，用于连续配筋水泥混凝土可根据路段长度进行配置減少了钢筋配筋纵向焊接工序，大大提高了工程建设进度，具有广泛的工程应用前景。

三、国内外研究现状

俄罗斯与乌克兰在玄武岩纤维的研究、生产及制品开发上代表了世界的最高水平，其采用铂金管分流器，加热式管状流液洞，同时采用了中心取液法，配合较小的漏板，很短的漏嘴和热风式丝根冷却器等一系列专有技术，使玄武岩纤维产品稳定，且已开发了上百种玄武岩纤维制品。美国虽然对其研究相对较晚，但使用800孔漏板拉丝技术，其产品基本用于军工方面，民用方面鲜有报道。近几年来，日本、德国等地都加强了对玄武岩纤维这一新型非金属无机纤维的研究开发，并取得了一系列新的应用研究成果。

在上世纪90年代中期，南京玻璃纤维研究设计院就开始了玄武岩纤维的研究。其中，刘柏森、斯维特兰娜、何建生等针对玄武岩熔体透热性低，易结晶、拉丝黏度高等特性，研究了一种生产连续玄武岩纤维的池窑，它是在玻璃纤维池窑的基础上，通过在熔化池与作业区之间增加分隔墙，上升通道，热屏、薄层熔融体溢流带和溜槽等部分，保证了流入拉丝作业漏板的熔融体的质量和参数的稳定;王岚和李振伟针对玄武岩熔点高，熔融体易结晶、漫流等问题，对普通玻璃纤维用铂金漏板中漏嘴进行改进，制成了玄武岩纤维用的铂金漏板，此种漏板中漏嘴出口与入口的直径比为1∶1.05～1.3，高度为2～7mm，壁厚0.2～ 0.7mm，这样的漏板有效地解决了料液在漏板上的析晶、漫流等问题，降低了拉丝工作的劳动强度并提高了产品成品率;奥斯诺斯 谢尔盖 彼得洛维奇、李中郢通过研究玄武岩矿石的熔融体制取短纤维的工艺和设备，给出了矿石的熔融温度范围、拉丝的温度范围、喷吹短纤维的喷吹压力值和喷吹气流速度的范围，明确了玄武岩短纤维生产设备的构成;闫全英、胡琳娜、谈和平等也对玄武岩成型工艺中粘流性、高温粘度、析晶性能等在理论上做了大量的研究。

四、结论

玄武岩纤维具有许多玻璃纤维所不具有的耐热、耐酸碱、绝缘性及化学稳定性等特征，且生产原料易得，贮量丰富，工业生产无“三废”排放，在工农业生产、军事上及沥青混凝土路面具有极大的用途。玄武岩纤维的制备与应用开发在国内尚处于初始阶段，其发展前景不可估量。