玄武巖纖維組成及優異性能

金友信

（天津工業大學,天津 300160）

綜述

玄武巖纖維組成及優異性能

金友信

（天津工業大學,天津 300160）

文章主要概述了玄武巖纖維的優異性質,包括玄武巖纖維的組成及化學耐久性、物理性能、機械力學性能、高溫穩定性能等。

玄武巖纖維;組成;優異性能

1 概述

玄武巖連續纖維以純天然玄武巖礦石為原料,將礦石破碎后加入熔窯中,在1450～1500℃熔融后,制成玄武巖纖維。玄武巖連續纖維的制備由原料制備工藝、熔制工藝、成型工藝和退解工藝組成。玄武巖的化學組成一般為：SiO2、A 12O3、CaO、M gO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O 等及少量雜質,其中主要成分為 SiO2、A 12O3、CaO和M gO,次要成分是Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O等。

2 不同化學組分會賦予纖維特定的性能

SiO2是玄武巖所含有的主要氧化物,由它組成的結構骨架有利于纖維的彈性和化學穩定性。當SiO2含量增高時能提高熔體的粘度,一方面有利于制取長纖維,但另一方面也使原料熔化困難,增加熔體形成纖維的溫度。A 12O3在纖維中也進入結構骨架網絡,有利于提高纖維的化學穩定性,當A 12O3含量較少時,可改善熔體的粘度,對制取細纖維有利。但A 12O3大量提高時,則使熔體的粘度增加,原料熔化變得困難起來,必須提高熔化溫度和熔體形成纖維時的溫度。

CaO在纖維結構中不利于形成堅固的骨架,因為它是一種弱堿性的氧化物,其作用與酸性的氧化物SiO2、A 12O3相反,能夠降低纖維的化學穩定性和熔體的粘度,并有利于原料的熔化和制取細纖維。

M gO按其化學性質來說類似于CaO,也屬于堿性氧化物,它對熔體的粘性和纖維網絡的影響近似于CaO。根據實驗,往配料中加入M gO時在相當程度上可以替代CaO的影響。當部分取代時可適當提高纖維的化學耐久性和表面張力并擴大熔體形成纖維時的粘度范圍,對制造短纖維的工藝操作有利,但當M gO含量或取代CaO量較高時則不利于熔體形成纖維并容易產生渣球,M gO含量較高時會增大析晶傾向。

TiO2在玄武巖中含量較低,它的存在可提高纖維的化學穩定性和熔體的表面張力和粘度,有利于形成長纖維。

Fe2O3和FeO在熔化過程中由于焦炭的還原作用會發生價態變化,甚至還原成金屬鐵。另外Fe2O3還具有強烈的染色作用并提高表面張力,容易在制取纖維的過程中產生黑色渣球。但是另一方面,在原材料配方中大量引入 Fe2O3（礦石）后可提高纖維的使用溫度。

K2O、Na2O可以降低熔化溫度、熔體粘度,加寬成型溫度范圍,但同時又降低了纖維的化學耐久性和使用溫度。

當高爐礦渣中含有少量M nO或采用錳礦作為主要原料時,能降低熔化溫度,并提高纖維的化學穩定性。

Cr2O3能提高纖維的化學耐久性,也提高熔體的表面張力,容易產生渣球。

根據以上的分析我們可以得出如下結論：

（1）SiO2的含量增加有利于提高纖維的彈性;

（2）SiO2、A 12O3、TiO2、M nO 和 Cr2O3的含量增加可提高纖維的化學穩定性;

（3）SiO2、A 12O3、TiO2含量增加時 ,可提高熔體的粘度,有利于制取長纖維;

（4）CaO、M gO的含量增加有利于原料的熔化和制取細纖維;

（5）在原料配方中大量引入 Fe2O3（礦石）后可提高纖維的使用溫度。

根據上述分析結果,通過選取特定成分含量的玄武巖,我們可以設計出以下具有特殊優異性能的特種玄武巖連續纖維：①高彈性玄武巖連續纖維及其復合材料;②優質耐化學腐蝕性玄武巖連續纖維及其復合材料;③使用溫度高于800℃的玄武巖連續纖維;這正是本項目的創新點所在,它在制造普通玄武巖連續纖維的基礎上,根據玄武巖中化學成分含量的不同,有側重性地選取不同成分含量的玄武巖,使得制造出的玄武巖連續纖維具有特殊的優異性能。我們所拉制的特種玄武巖連續纖維性能與普通玄武巖連續纖維相比,其性能有了很大的提高。普通玄武巖連續纖維的彈性模量在90～110（GPa）之間,高彈性玄武巖連續纖維的彈性模量在110～220（GPa）之間。耐化學腐蝕性玄武巖纖維的化學穩定性也有了很大提高,具體參數如表1所示：

表1 普通玄武巖纖維與耐化學腐蝕玄武巖纖維的化學穩定性對比

3 主要技術性能指標

纖維材料有很多種,如碳纖維、陶瓷纖維、硅土纖維、玻璃纖維、化學纖維、金屬纖維、木纖維等。與這些纖維相比,玄武巖纖維在許多方面都表現出了優異的性能。

這些優異的性能主要表現在下述方面：

3.1 玄武巖纖維優異的化學性能

玄武巖纖維含有的 K2O、M gO和 TiO2等成分,對提高纖維耐化學腐蝕及防水性能起到了重要的作用。表2對比玄武巖纖維與玻纖的化學穩定性。從對比中可以看出,在酸溶液（2 mol/L HCL）中煮沸3 h后,玄武巖纖維的重量損失率為2.2%,而無堿玻纖損失率為38.9%,幾乎是玄武巖纖維的20倍。說明玄武巖纖維在酸性介質中具有更加穩定的化學性。其耐酸性能大大優于玻纖。在堿溶液（2 mol/L NaOH）中煮沸3 h后,玄武巖纖維的重量損失率比無堿玻纖減少20%,說明玄武巖纖維比無堿玻纖具有更優異的耐堿性能（注：無堿玻纖是玻纖毓中耐堿能力最好的纖維）。在煮沸的水溶液中,玄武巖纖維的耐水能力也大大優于玻璃纖維,是玻纖的3.5倍。在室溫水溶液中,玄武巖纖維24 h的吸水性（%）為0.02,而無堿玻纖為1.7,其防水能力是玻纖的85倍。

表2 玄武巖纖維與玻纖的化學穩定性對比

3.2 玄武巖纖維優異的物理性能

玄武巖屬難熔礦石,熔化溫度在1500℃以上,燒結溫度達1060℃,普通玄武巖纖維的有效使用溫度范圍為-260～700℃,特種玄武巖纖維則高達982℃。說明玄武巖纖維具有優異的耐高溫和耐低溫性能,其使用溫度范圍大大超過其它類別纖維。

玄武巖纖維的熱傳導系數低于其它類別纖維。因而具有優良的絕熱性能。玄武巖纖維的吸音系數大于玻纖等其它纖維,故是一種理想的隔音材料。玄武巖纖維的比體積電阻比無堿玻纖高一次方,具有優良的電絕緣性能,是一種理想的電絕緣電子材料。表3列出了各種纖維材料物理性能的對比。

表3 各種纖維材料物理性能的對比

3.3 玄武巖纖維優異的機械力學性能

玄武巖纖維具有很高的拉伸強度,見表4。與無堿（E）玻纖及碳纖維相當,在所有類別纖維中是最高的。玄武巖纖維的彈性模量是無堿玻纖的1.5倍,是高強 S玻纖的1.9倍,僅低于碳纖維。從機械力學性能看,玄武巖纖維是介于碳纖維與玻璃纖維之間的一種纖維,遠遠優于聚丙烯等化纖及木纖。因此,玄武巖纖維是一種非常理想的復合材料加強纖維。對于玄武巖纖維加強的復合材料,表5列出了各種加強纖維與環氧樹脂復合形成的復合材料的性能對比。從表5中可以看出,玄武巖纖維單向增強復合材料,其抗拉強度與無堿玻纖相當,但拉伸模量高出無堿玻纖50%～70%,高出 S玻纖93%,高出A ramid纖維20%。

表4 各種纖維的機械力學性能對比

3.4 玄武巖纖維優異的高溫穩定性能

除了上述性能外,玄武巖纖維還具有優異的高溫穩定性。高溫穩定性是指在加熱等高溫條件下保持其各項力學、物理及化學性能的能力。表6列出了玄武巖纖維與無堿玻纖在高溫條件下抗拉強度下降的對比。從對比中可以看出,玄武巖纖維的高溫力學性能大大優于無堿玻纖。試驗還指出,玄武巖纖維還具有優異的高溫化學穩定性。玄武巖纖維在70℃熱水作用下在1200 h后才失去部分強度,而在此條件下無堿玻纖經過200 h后基本上失去強度。

表5 各種纖維增強環氧樹脂復合材料的機械性能比較

表6 玄武巖纖維與無堿玻纖高溫力學性能對比

4 結語

玄武巖纖維及其復合材料可以較好地滿足國防建設、交通運輸、建筑、石油化工、環保、電子、航空、航天等領域結構材料的需求,對國防建設、重大工程和產業結構升級具有重要的推動作用。它

既是21世紀符合生態環境要求的綠色材料,又是一個在世界高技術纖維行業中可持續發展的有競爭力的新材料產業。尤其是我國已經擁有自主知識產權的玄武巖纖維制造技術及工藝,并且以“后來居上”的后發展優勢達到了國際領先水平,因此,大力發展玄武巖纖維及其復合材料產業無疑具有重要的意義。

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Composition and Superior Property of Basalt Fibre

J IN You-xin
（Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China）

The superior p roperty of basalt fibre was generally introduced,incuding its composition,chem ical envionmental resistance,physical and mechanical p roperty and high temperature resistance,etc.

basalt fibre;composition;superio r p roperty

TS102.4+1

A

1009-3028（2010）02-0037-04

2010-02-08

金友信（1986—）,男,浙江平陽人,學士。