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玄武岩纤维:新型环保纤维
文章来源:中国纤维网   添加人:service4   添加时间:2021-8-26

玄武岩纤维是一种由天然岩石制成的纤维。上世纪50年代初期,德国、捷克和波兰等东欧国家以玄武岩为原料,采用离心法生产出了纤维平均直径为25μm~30μm的玄武岩棉。上世纪60年代初期,美国、前苏联、德国等大力发展垂直立吹法生产工艺,使玄武岩棉产量迅速增长。波兰的玄武岩棉厂共有12座熔窑,年产玄武岩9000吨~10000吨。原捷克的玄武岩棉厂有7座熔窑,每座熔窑日产玄武岩棉2.4吨~2.9吨,年产玄武岩棉5000吨~6000吨,大量用于建筑和工业保温,部分取代石棉用于生产石棉水泥制品,并使石棉水泥制品的强度得到提高。 

  上世纪60年代初,前苏联引进了德国立吹法制造矿物棉的生产专利,在消化、吸收的基础上,成功地将该项技术应用于玄武岩棉的生产。设计生产能力为日产38吨~40吨玄武岩棉,从而大大加快了前苏联玄武岩棉工业的发展。此外,前苏联还进行了玄武岩长纤维增强混凝土的研究工作,证明了在所研究的5种无机纤维中,玄武岩纤维具有最好的抵抗水泥硬化时析出的Ca(OH)2的侵蚀。1973年,前苏联新闻机构报道了有关玄武岩纤维材料在其国内广泛应用的情况。 

  玄武岩纤维的研究工作主要集中在前苏联。全苏玻璃钢与玻璃纤维科学研究院乌克兰分院早在上世纪60年代~70年代就致力于这方面的研究工作。1985年,第一座连续玄武岩纤维工业化生产线在乌克兰纤维实验室(TZI)建成投产,年产量为260吨,产品主要用于国防军工。目前,俄罗斯、乌克兰等国家已采用400孔池窑拉丝工艺生产连续玄武岩纤维及其制品,年产量700吨左右。美国则采用800孔池窑拉丝工艺,年产量为1000吨~1500吨。 

  连续玄武岩纤维(见图1)具有优良的力学性能、热稳定性、化学稳定性和电绝缘性能。定长纤维具有优良的耐热性、热振稳定性、化学稳定性和优良的隔热吸音性能,因此具有广阔的应用前景。制备连续玄武岩纤维的原料玄武岩(见图2),是由岩浆形成的基本矿石,是一种硬而致密的深色火山岩,主要矿物质是斜长石,在俄罗斯乌拉尔山脉、美国西部、印度尼西亚、菲律宾、越南等地有广泛矿藏分布。我国的黑龙江、宁夏、四川、山东、河北等地也有丰富的储量。而玻璃纤维则由叶腊石、石英砂、石灰石、硼钙石、硼镁石、萤石等原料制成。由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出,使连续玄武岩纤维制造过程的池炉排放烟尘中无有害物质析出,不向大气排放有害气体,无工业垃圾及有毒物质污染环境。它在很大程度上可代替玻璃纤维,被广泛用于航天航空、石油化工、汽车、建筑等多领域,因而,连续玄武岩纤维被誉为21世纪“火山岩变丝”、“点石成金”的新型环保纤维。 

  增强复材的竞争性材料 

  采用天然耐火玄武岩挤出的连续纤维,在几乎所有的用途方面都可以用来替代石棉纤维。近10年,玄武岩纤维已成为增强复合材料的竞争性材料。虽然目前玄武岩纤维尚未得到广泛使用,但已逐渐进入消费者视线,价位处于高强玻璃纤维和无碱玻璃纤维之间,但却有着与高强玻璃纤维相似的性能。玄武岩矿石原料不仅廉价且随地可取,其价格仅相当于铺路石料价,占玄武岩纤维生产成本的3%~5%,而生产玄武岩纤维只是将矿石在熔化炉中进行熔化后进入接丝漏板纤维成形,这就是连续玄武岩纤维生产的全部工艺过程。与玻璃纤维一样,玄武岩纤维也是用铂铑合金漏板拉制而成。在纤维冷却时涂覆浸润剂,纤维送入拉丝设备和卷绕设备,然后绕在纱筒上。 

  由于玄武岩纤维比玻璃纤维更有磨损性,价格昂贵的漏板需要经常整修。随着漏板的磨损,漏板上的圆孔会变得不均匀,进而影响了工艺控制,如不进行定期维修,不圆的孔径会导致纤维直径不在正常范围之内,生产出的无捻粗纱也无法预测断裂荷载。由于在加工和维修方面存在上述差异,使玄武岩纤维的生产成本超过了无碱玻璃纤维,但是玄武岩纤维的支持者称它在复合材料用途中明显优于无碱玻璃纤维。玄武岩短切毡、无捻粗纱和单向织物比同类型的无碱玻纤产品有着更高的断裂载荷和更高的杨氏模量(材料的刚性参数).近年飞速发展的风力发电机叶片产业受材料刚性左右的因素日益突出。玄武岩纤维的模量和拉伸强度分别比无碱玻纤高15%和25%,因而将成为1.5兆瓦或2兆瓦风力发电机叶片承力部位的理想材料。 

  玄武岩纤维的特性与应用 

  与玻璃纤维、岩棉、石棉、化学纤维相比,玄武岩纤维及其制品同时在很多方面表现出异常的优越性能。主要表现在以下几个方面:①高使用温度。玄武岩纤维的使用温度范围为-260℃~880℃,这一温度远远高于聚丙聚纤维、芳纶纤维、无碱E玻纤、石棉、岩棉、不锈钢,接近硅纤维、硅酸铝纤维和陶瓷纤维;②较低的热传导系数。玄武岩纤维的热传导系数为0.031W/m·K~0.038W/m·K,低于芳纶纤维、硅酸铝纤维、无碱玻纤、岩棉、硅纤维、碳纤维和不锈钢;③高的弹性模量。玄武岩纤维的弹性模量为:9100kg/mm2~11000kg/mm2,高于无碱玻纤、石棉、芳纶纤维、聚丙稀纤维和硅纤维;④经热处理后强度的损失较低,低于无碱玻纤(其他纤维暂无数据提供);⑤化学稳定性(耐酸碱腐蚀能力)较强,高于岩棉、无碱玻纤、硅纤维;⑥吸音系数较高,玄武岩纤维的吸音系数为0.9~0.99,高于无碱玻纤和硅纤维;⑦比体积电阻较高,玄武岩纤维的比体积电阻为1×102ohm.m,大大高于无碱玻纤和硅纤维;⑧较低的吸湿性,玄武岩纤维的吸湿性低于0.1%,低于芳纶纤维、岩棉和石棉。 

  连续玄武岩纤维可被制成粗纱、细纱、土工布、编织布、短切纱(见图3)、针刺毡、套管等,应用于不同领域。玄武岩纤维具有优越的化学、物理、力学及高温性能,因此它可在各行各业获得广泛的应用。 

  ①防火隔热领域的应用:玄武岩纤维织成的防火布耐高温、隔热效果好、无熔融滴落、无有毒气体排出、无热收缩,是防火服、防火毯、防火帘的优良材料,耐温可高达650℃,极限氧指数大于68,大大优于芳纶等到有机纤维。 

  ②基础设施领域的应用:玄武岩纤维拉伸强度高、耐酸碱、化学性能稳定,可部分替代碳纤维片,用于基础设施的修复、更新和加固;亦可替代聚脂纤维、聚炳烯纤维、聚炳烯腈纤维,用于增强砂浆混凝土和沥青混凝土,具有较强的防渗抗裂功效,可广泛用于高速公路、飞机跑道、海港码头、水电工程建筑等基础设施领域。 

  ③在环保领域的应用:玄武岩纤维是一种新型的绿色环保材料,可用于环保领域有害介质、气体的过滤、吸附和净化,特别是在高温过滤领域,玄武岩纤维的长期使用温度是650℃,远优于传统过滤材料,是过滤基布、过滤材料、耐高温毡的首选材料。 

  ④玄武岩纤维增强塑料(BFRP)的应用:以玄武岩纤维为增强体的复合材料可用于防弹装甲、雷达罩、炮管热护、吸波透波隐身材料等国防领域;也可用于车船结构、耐压耐腐蚀管道、缠绕钢瓶、印刷电路板等民用领域。 

  另外,玄武岩纤维还是碳纤维的低价替代品,具有一系列优异性能。尤为重要的是,由于它取自天然矿石而无任何添加剂,是目前为止唯一的无环境污染的、不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。所以玄武岩纤维在复合材料的增强材料领域的应用,已引起广泛的重视并将快速发展。 

  高技术纤维是国防军工建设和支撑高科技产业发展的重要基础材料,它直接关系到国防科技工业的建设和国民经济支柱产业的升级。玄武岩纤维就是继碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维。它是21世纪在国防军工领域有着非常重要应用的一种高技术纤维,是体现国防科技战略布局的一种新材料。 

  从新材料的制造成本看,中国具有低成本制造玄武岩纤维得天独厚的条件。国家863计划该课题的研究成果表明,我国拥有完全自主知识产权的低成本、大规模发展玄武岩纤维的新技术、新装置和新工艺。从全球的发展水平看,全世界玄武岩纤维的技术及规模尚处于初级阶段,这给我们追赶乃至超过国外的先进技术水平提供了很大的发展空间和市场机遇。在碳纤维短缺的时期,要积极开发新产品,以变应变,把碳纤维的短缺当作一个契机或转机,开发以玄武岩纤维为原料的新产品。新产品开发要源于市场,更要高于市场,应主动去引导市场,例如利用玄武岩纤维优异的综合性能和良好的性价比,去开发出更多的新产品。与其他高科技纤维的发展相比,我国玄武岩纤维的发展有希望“后来者居上”,并最终成为全世界最大的生产及应用大国。

 
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