玄武岩纤维的性能及应用

张 玮,谭艳君,刘姝瑞,霍 倩

(1西安工程大学,陕西西安710048；2.东莞德永佳纺织制衣有限公司,广东东莞523138)

0 前言

玄武岩纤维的原料为天然的玄武岩(即火山喷出岩、熔浆岩),其在高温下破碎融熔,后经拉丝漏板纺成的无机连续纤维,是前苏联研发成功的高科技纤维,也是我国重点研究的四大高新技术纤维之一[1]。玄武岩纤维在高温条件下力学性能好、耐化学腐蚀性好、抗拉强度高、弹性模量高,同时又有独特的电学性能,能吸波、能过滤。玄武岩纤维及其复合材料在土建、复合材料增强材料、过滤材料、军工材料等方面有着广泛的应用前景。但玄武岩也存在自身的不足,例如表面光滑,与其他材料不易融合；同时玄武岩成分的波动,会造成不同产地玄武岩性能的波动,但玄武岩价格低,绿色环保,在很多使用诸如碳纤维、凯夫拉芳纶纤维这类高性能纤维的地方,可使用玄武岩纤维进行替换,可大大降低生产使用成本。因此,对于玄武岩纤维的性能研究、可用性能的挖掘、使用范围的探究必不可少。

1 玄武岩纤维的结构与性能

1.1 玄武岩纤维表面结构及成分

玄武岩纤维是由天然的、耐多种酸腐蚀的二氧化硅及其它氧化物组成的,经高温熔融拉制成的无机连续纤维。纤维外表光滑,有金属光泽,以层状结构单元为主,链状结构单元和岛状结构单元为辅,属“类平面结构”[2]。

地球熔岩形成的玄武岩纤维,含多种化学成分,不同矿床,化学成分含量变化大,同时玄武岩纤维的性能受化学成分含量的影响。玄武岩纤维中含量最高也是最主要的成分是SiO2,其次是Al2O3,而后是含铁氧化物(FeO、Fe2O3)等。其中二氧化硅和氧化铝的含量是影响纤维的机械性能和化学稳定性,含铁氧化物是影响纤维的导热性能和使用温度,氧化钙、氧化镁的含量影响纤维的耐腐蚀性和化学稳定性,而二氧化钛的含量对熔化材料制备细纤维有影响[3]。所以不同地区的玄武岩其性能会随化学成分含量的不同而不同。主要成分及占比如图1所示。

图1 玄武岩纤维的各成分占比

1.2 玄武岩纤维的性能

1.2.1 化学性能

玄武岩纤维是比传统无机纤维更耐化学腐蚀的纤维。王明飞等人对玄武岩纤维的酸碱腐蚀后的表面形态和性能进行研究[4],发现经盐酸腐蚀后,第一阶段,由于纤维表面的碱性氧化物与盐酸发生反应,生成水和可溶盐,玄武岩纤维表面出现裂缝,形貌遭到轻微破坏；第二阶段,纤维表面裂缝部分被经盐酸进一步腐蚀的玄武岩纤维生产难溶物附着而得到部分愈合；第三阶段,由于纤维内部物质溶于盐酸而出现表面片状物脱落,纤维表面腐蚀加剧。纤维断裂强力的变化与形貌变化一致,呈现三阶段变化,先急剧下降,后缓慢提升,到达峰值后断裂强力因纤维遭到不可逆腐蚀而再次下降。玄武岩纤维的拉伸强度的变化是先急剧下降而后缓慢下降最后趋于平缓。经强碱腐蚀的玄武岩纤维,由于其主要成分与之反应生成可溶于强碱溶液的偏铝酸盐和硅酸盐,因此纤维表面在腐蚀过程中不断有层状脱落物产生,且脱落后又有碱液渗入,继续腐蚀,形成坑状结构,相比酸腐蚀,碱腐蚀的破坏程度更严重,单丝拉伸强度及抗拉强度下降更迅速,损伤更严峻。在模拟海水的条件下处理玄武岩纤维2小时,其强度与未经处理的纤维强力下降5%左右,可适用于海水处理。

1.2.2 热学、力学性能

环境温度的改变,不影响玄武岩纤维的干丝拉-拉疲劳性能,但会影响玄武岩纤维增强树脂基复合材料的疲劳性能,温度升高,树脂粘结性能降低,复合材料的疲劳性能降低。赵古先对此进行研究,得到了玄武岩纤维复合材料的疲劳损伤的刚度退化修正模型[5],通过室温下材料的疲劳寿命和材料在不同温度环境下的静态强度便能预测出复合材料在一定温度环境下的疲劳寿命。

作为复合材料增强材料, 玄武岩纤维可提升材料的断裂韧性、拉伸性能、弯曲性能。丁开锋等人,在制备玄武岩纤维/不饱和聚酯树脂复合材料层压板时[6],发现加入长度6毫米的玄武岩纤维,达到面密度为30g/m2时,其复合材料层间拉伸强度、断裂韧性、弯曲强度、断裂伸长率以及能量吸收均得到大幅提升。

朱德举等人对玄武岩织物增强碱激发砂浆试件高温后的抗弯力学性能进行研究,发现随温度升高,玄武岩纤维和基体均遭到劣化,故试件的抗弯承载力线性下降,从多重开裂的破坏模式转变为单一裂缝破坏,在800℃处理1小时,残留的抗弯强度仅剩1.67MPa,经过环氧树脂涂层改性的试件,只在600℃以下的条件下对抗弯强度有增强效果,超过600℃仍会大幅度下降[7]。织物层数能提高试件高温后的力学性能,但温度越高,提升效果越低,600℃以上基本没有提升效果。碱激发砂浆基体的试件比硅酸盐水泥砂浆试件的耐高温性更好。对比了玻璃纤维增强复合材料高温后的拉伸力学性能,发现玄武岩纤维增强复合材料的拉伸性能较差,剪切性能较好,二者的拉伸强度、极限应变、韧性和剪切强度均随温度的升高,先上升后下降,但其弹性模量变化小[8]。

1.2.3 电磁学性能

玄武岩纤维的介电常数小,比玻璃纤维、凯夫拉芳纶纤维、石英纤维小,介电损耗相差不大,其对电磁波反射损失与材料的空间分布相关,不与厚度成正比。姚勇等人使用真空灌注成型法,制备出对电磁波的反射损失小于10dB、具有较佳透波性的玄武岩纤维环氧树脂复合材料[9]。

刘元军等人使用石墨烯对玄武岩纤维织物进行双层涂层整理,发现织物力学性能随涂层厚度的增加而变强,不同涂层厚度的织物对不同频率的电磁波影响不同[10]。2毫米涂层对频率为0MHz～1500MHz电磁波的极化能力、对0MHz～40 MHz的屏蔽能力、对700MHz～1500MHz的损耗能力和对1250MHz～1500MHz的衰减能力最强；1.5毫米的涂层分别对频率0MHz～700MHz、0MHz～1250MHz的损耗能力、衰减能力最强。

2 应用

2.1 吸波材料

因玄武岩纤维的透射电磁波、吸收电磁波的性能,吕丽华等人将玄武岩纤维长丝纱作为透波层,将织成蜂窝状的玄武岩长丝与聚氨酯硬质泡沫一起形成截面为三角形的吸波层,再加上用于增强二次吸收、可反射电磁波的碳纤维长丝作为反射层,所得三维立体结构的吸波性好、厚度小、持久耐用、成本低、绿色环保[11]。

林湘生等人研发的新型水泥基吸波材料,主要在透波骨料(膨胀珍珠岩)和介电损耗吸波材料(石墨)中,增加既能提高材料韧性又能增强助力吸波性使用玄武岩纤维[12]。该新型玄武岩纤维不仅具有更佳的吸波性,频带宽,同时力学性能也得到提升。

冯强等人将在酸性或碱性或盐溶液中浸润并剪切成小段的玄武岩纤维加入造孔剂材料中,并混合均匀,制成球形颗粒,并与基体材料均匀混合压制,制得有很多玄武岩纤维的孔洞,增大了内孔的比表面积、吸音效果显著的吸音材料[13]。

2.2 土木建筑

土木建筑中,玄武岩纤维主要是应用其较强的力学性能及耐热性能,作为增强材料或者与其他材料进行复合,也有使用玄武岩纤维对建筑废弃物进行处理再利用。

在古建筑修复过程中,传统的糯米灰浆因其早期强度低、冻融次数少、收缩率不够,在应用过程中受限,而在6.5%的糯米浆中加入质量分数5%的玄武岩纤维,制备出的玄武岩纤维-糯米灰浆,综合性能最佳,可提高灰浆的力学性能,增加冻融次数,收缩率得到改善,可用于古建筑修复[14]。

谢金等人,使用偶联剂改性的纳米二氧化硅,通过上浆,与玄武岩纤维通过表面均匀涂覆进行复合,再采用环氧树脂通过手工铺料,与表面粗糙度提高的玄武岩纤维紧密结合,制备得到纳米二氧化硅/玄武岩纤维增强环氧树脂层状复合材料[15]。复合材料降解温度提高10℃,抗弯强度和抗拉强度比环氧树脂材料高,在95℃的湿热条件下老化,两强度损失均较小。这些优异性能使得复合材料在建筑材料具有较大使用优势。

周宏元等人为再利用固体的建筑废弃物,采用玄武岩纤维平纹织物对不同的废弃物进行约束,发现经单层平纹织物约束的砖渣颗粒峰值荷载和混凝土颗粒的峰值荷载均随粒径增大而降低,其中建筑废弃砖渣颗粒在平纹织物约束下具有更稳定的平台段和明显的压实应变,是很好的吸能结构[16]。同时多层玄武岩纤维织物可显著提高废弃砖渣颗粒的吸能和峰值荷载,但由于没有明显的压实应变和平台阶段,不属于良好的吸能结构。

2.3 防护与军工

在防护工程和军工的应用上,玄武岩纤维主要有增强材料、加固材料、防潮、利用电磁学干扰电磁信号、屏蔽电磁波、军事通讯、飞机、火箭、宇宙飞船的耐热材料等应用。

由于玄武岩纤维的价格较碳纤维和芳纶低,同时在一些性能上与碳纤维、芳纶接近,因此为了更好的性价比,在防护工程和军工领域的某些加固、增强材料使用方面可替换碳纤维、芳纶,例如桥梁加固,立柱缠绕加固,外墩柱抗震加固,板梁、柱、墙等结构的补强,防空隧道、地下铁道、地下室等的相关防护工程的加固。同时玄武岩纤维优异的耐腐蚀特性,在混凝土防护工程中,玄武岩纤维的增强材料,用于此类基体的复合材料,可减少降低防护工程因受酸、碱、盐、高湿作用而造成的损伤,延长沿海码头、隧道、洞库、机场跑道等防护工程的使用寿命[17]。

作为最早前苏联研发用于军工领域的玄武岩纤维,在坦克、导弹、战斗机、军舰、军事通讯等方面的应用,不仅可促进武器装备的升级,同时可以降低成本,例如可替代凯夫拉纤维制作防弹背心,与其他纤维混纺制备阻燃防护服,以及军事通讯中的电绝缘材料等[18]。

作为风力发电风机叶片的增强材料,玄武岩纤维凭借其优异的力学性能、耐热性,也有一定的应用潜力。肖志杰等人使用3D打印技术,制备玄武岩纤维增强聚乳酸复合材料,用于大型风力发电叶片的增强材料[19]。发现增加打印层高,复合材料的纤维体积分数减小,弯曲强度、拉伸强度降低；加快打印速度,玄武岩纤维包覆聚乳酸纤维的效果变差,弯曲强度和拉伸强度均降低；升高3D打印的温度,试样的拉伸强度、弯曲强度均增加。

2.4 过滤及水处理材料

多孔、表面光滑、截面为圆形规整的玄武岩纤维,密度小、比表面积大,使得它可以作为过滤材料、水处理材料,用于化学冶炼、电力水泥、食品等行业产生的粉尘、气体、颗粒的过滤和污水处理应用,再加之耐高温、耐酸碱物质,对高温烟气、酸碱性物质均可以有效过滤和去除[20]。

彭毅和王浩明对表面经过处理的玄武岩纤维滤料的过滤性能和表面形态进行探究,发现处理后起初过滤透气性好,阻力增加慢,后随着过滤的不断进行,滤料表面开始堆积大量粉尘,阻力增加变快,但是玄武岩纤维滤料过滤效率依然优异[21]。

姜昊等人使用玄武岩纤维纱线和聚四氟乙烯纱线并线复合纱线所织机织布为基布,在其表面涂覆聚四氟乙烯膜或聚氨酯膜或聚酰亚胺膜,制备出可用于高温过滤烟气及尘土颗粒的玄武岩纤维机织布过滤材料[22]。

张金路使用玄武岩纤维为主体,让聚苯硫醚包住玄武岩纤维,而后以包覆后的纤维与耐热纤维在基布上形成滤层,再复合聚四氟乙烯,得到不变形、寿命长、强度高,能在400℃到450℃连续工作的玄武岩滤袋[23]。

张晓颖等人,对新型无机微米级纤维填料(改性玄武岩纤维填料)与细菌间的附着情况使用扩展DLVO理论构建了动力学数学模型,同时在处理生物接触氧化反应池的合成市政污水时,使用改性玄武岩纤维作为填料,发现玄武岩纤维填料对微生物有强附着力,枯草芽孢菌在填料表面牢固粘附,且可大幅去除COD、氨氮和总氮,且可长期维持改性玄武岩纤维的生活接触氧化反应的稳定运行,可在环境工程领域推广应用[24]。玄武岩纤维光热膜在太阳光照射下可进行高效连续的水蒸发,对有机染料、油水混合物、海水淡化的去除率均为99%,故其可在水处理、水净化、海水淡化方向进行应用[25]。

2.5 汽车工业

玄武岩纤维主要应用在汽车外饰、汽车整流罩以及汽车气瓶上,基本以较好的性价比、环保性替代碳纤维、玻璃纤维以及金属材料,具有良好的产业化前景。除此之外,玄武岩纤维在汽车工业中的复合材料的应用基本处于萌芽和研究阶段,离工业化生产还需要一段距离。由于玄武岩的环保优势,目前研究主要集中在增强复合材料去可代替碳纤维、玻璃纤维,树脂基材料替代传统金属材料,汽车行业朝向轻量化、高强刚度好的方向发展,以及玄武岩纤维聚合物在汽车工业的应用探讨[26]。

由于玄武岩纤维具有优异的吸音性能、高温下过滤性和稳定性好、化学稳定性好、耐腐蚀,且绿色环保,被应用于汽车的摩擦材料,例如:摩托车刹车片、汽车制动盘、高温过滤汽车尾气材料、吸音减震隔热不释放有毒气体的内饰材料等[27-28]。

2.6 其他应用

玄武岩纤维的表面光滑,呈化学惰性,与其他基体粘结性差,在一定程度上影响它的应用。因此需对其进行改性,拓宽它的应用范围。例如,和晋川等人使用经氨基反应制备出的两种新型表面改性剂,分别对玄武岩纤维进行改性,再制备改性玄武岩纤维增强尼龙66复合材料,发现改性后的复合材料热稳定性优异、与尼龙66相容性好,与玻璃纤维/尼龙66复合材料相比,无缺口冲击强度、拉伸强度和弯曲强度均更佳[29]

刘淑强等人对玄武岩纤维表面使用经偶联剂KH550改性的纳米二氧化硅进行粗糙化处理,纤维比表面积增大、表面粗糙度增加、吸湿性和摩擦性增强、透湿率和极性提高、拉伸力学性能提高[30]。

3 展望

玄武岩纤维因其优异的热学、力学、电磁学等特性,再加之较其他高性能纤维成本低,玄武岩纤维未来的应用领域十分广阔。无论是军工、民工还是基建,无论是作为滤袋、军事设备的结构材料还是过滤材料、隔音隔热材料,玄武岩纤维及其复合材料都有用武之地。目前在产业用纺织品上,玄武岩纤维开始展露,但在日常服饰中,玄武岩纤维使用很少,未来可以利用其电磁学、耐热性等性能,朝着智能纺织品方向应用,为服装纺织品注入新的生机。