連續玄武巖纖維的研究進展及其應用

李紅杰，趙世海，張新建

（1.天津工業大學機械工程學院，天津300387；2.天津工業大學現代機電裝備技術天津市重點實驗室，天津300387）

連續玄武巖纖維的研究進展及其應用

李紅杰1，2，趙世海1，2，張新建1

（1.天津工業大學機械工程學院，天津300387；2.天津工業大學現代機電裝備技術天津市重點實驗室，天津300387）

連續玄武巖纖維具有耐高溫性，化學穩定性，耐腐蝕性，低導熱性等許多優良的性能，且制造過程對環境無害，所以得到了越來越廣泛的應用。本文介紹了國內外玄武巖纖維的成分、國內外發展進程及現狀，并根據對玄武巖纖維的有關特性，分別在軍品上、工業上、農業上、日常生活上的有關應用做了綜述，并對發展前景進行了展望。

玄武巖纖維；成分；發展現狀；應用

連續玄武巖纖維（Continous Basalt Fiber，簡稱為CBF），是以大自然中火山噴發的火山巖（輝綠巖、玄武巖等）為材料，通過1440℃~1500℃的超高溫下持續熔融，再由耐高溫的鉑銠合金材料制作的漏板拉制成絲。并且在其生產中對周圍環境無害，不向空氣中排放有毒氣體，用完以后還能降解為泥土，被美稱為新型高技術環保材料——21世紀。因其防燃燒性能好、又耐高溫、耐酸堿，很低的吸濕性、優良的力學性能等，連續玄武巖纖維及其復合材料在國防建設、化工、消防、汽車、建筑、船舶制造、造紙、交通運輸、工程塑料、醫學、石油、冶金、農業、電子、航天航空等高等技術范疇方面起著舉足輕重的作用[1]。

1 玄武巖纖維的組成成分

玄武巖纖維是以大自然的玄武巖礦石為單一原料，而玄武巖礦石是一種常見的基本礦石[2]，通常是由火山噴發后噴出的巖漿經過高溫、高壓驟減之后形成的。從而造成巖漿中的原本存在的不穩定的組分大部分揮發掉，并最終在地表上冷凝之后成為礦石，因此使礦石的化學性以及熱性都很穩定。

玄武巖石的化學的構成成分一般含有：SiO2、MgO、CaO、FeO、A12O3、K2O、Na2O、TiO2、Fe2O3、等及少量雜質，其中主要成分為SiO2、A12O3、CaO和MgO，次要成分是Fe2O3、FeO、TiO2、K2O和Na2O等[3]。而這些構成成分的數量大小和玄武巖纖維本身的獨有特性息息相關。例如，SiO2、A12O3、TiO2、Cr2O3和MnO的含量多的話可增強纖維的化學穩定性；SiO2、A12O3、TiO2所占比例含量增加時，可提高熔融體的粘度，從而對生產玄武巖長纖維非常有利；CaO、MgO所占的比例含量增加，則對于原料的熔化和生產玄武巖細纖維非常有利；另外，如果想提高玄武巖纖維平時的使用溫度可在原材料的選取制作中引入大量的Fe2O3（礦石）即可。

2 玄武巖纖維的國內外發展及現狀

2.1 國外玄武巖纖維研究發展及現狀

國外的生產技術要從生產玄武巖巖棉開始。1840年，英國的威爾斯首先成功制取出以玄武巖為原材料的巖棉，這在當時是一個不小的成就，迄今已有160多年的歷史[4，5]。繼而美國人研究出一種方法可以從玄武巖纖維中抽出細絲，是當時的可觀的成就。然而大范圍的開發研究、生產玄武巖纖維始于前蘇聯，蘇聯的研究院于1953~1954年研究出玄武巖纖維的生產技術[6，7]。之后，前蘇聯的全蘇玻璃鋼與玻璃纖維科研院烏克蘭分院也著手研究玄武巖纖維技術。緊接著1985年，烏克蘭纖維實驗室建成第一臺具有200孔漏板的組合爐拉絲工藝的工業化生產爐，在烏克蘭的纖維實驗室設計出來，這在當時也是第一臺[6，8]，后來工藝拉絲技術分別經過了三個歷程：全鉑坩堝式的拉絲工藝、多塊漏板組合式拉絲爐拉絲工藝、池窯拉絲工藝。20世紀90年代，俄羅斯、烏克蘭的軍品項目有些方面已經啟用當時研制的玄武巖纖維。隨著1991年前蘇聯的解體，玄武巖纖維的生產技術被解密，研究項目被公開來，并大量應用于民用方面的項目。90年代后期，俄羅斯又成功開發出新的工藝和新的生產玄武巖纖維的設備[9]，不僅促進了玄武巖纖維生產的發展，而且大大拓展了其在市場的應用前景。

2002年以前，前蘇聯主要用于軍工行業的連續玄武巖纖維產品的物資每年大概有500噸之多。截至2005年，俄羅斯生產的玄武巖連續纖維年產量達350~1500t，同樣產能的生產線在俄羅斯、格魯吉亞、烏克蘭、白俄羅斯、哈薩克斯坦共有11條之多[10]。到2007年，俄羅斯又增設了2條。近幾年來，據不完全統計，全世界CBF的實際生產總量不超過3×103t，其中烏克蘭1×103t，俄羅斯0.9×103t，中國0.8×103t，其他國家不足300 t；全球有生產CBF的基地10多家，其中俄羅斯3家，烏克蘭4?家，中國4家，其他國家2家等。

2.2 我國玄武巖纖維的發展及現狀

我國的國家建筑材料科學院和南京玻璃纖維研究設計所于20世紀70年代起就著手研究玄武巖纖維[11]。近年來，我國在玄武巖纖維研究方面進展較為迅速，其中，吳智深、劉建勛、董世成、于守富等人分別針對玄武巖本身的難熔性，低傳熱性，易析晶，粘度大等特點，設計了適合大規模生產的，效率高的電加熱式生產連續玄武巖纖維的窯爐，改善并提高了生產玄武巖連續纖維的工藝[12-14]。陳自力等人針對漏板在1400℃左右高溫易變形、力學性能降低等缺陷設計了在在漏板的流液槽內部設置加強管，且與外界連通，但不與玄武巖熔液直接接觸，保證了其管狀處的低溫，從而保證器力學性能不發生變化，進而對流液槽進行很好的支撐，避免了漏板的高溫形變發生[15]。樊霆，童慶，葉文玲等人也對玄武巖的礦物組成形態，熔融析晶性能等做了大量的理論研究和實驗[16]。2002年，我國將“連續玄武巖纖維及其復合材料”列入國家863計劃。目前，上海俄金玄武巖纖維有限公司已經研究出生產連續玄武巖纖維的研發成果，并成功實現了工業化生產。該企業采用的是創新型的電熔爐、火焰爐、氣電結合的生產技術和“一步法”的生產工藝，并以純自然玄武巖為原料生產纖維，而且有關的軍工和民用領域的用戶都認可該企業生產的多軸向織物樹脂基復合材料及玄武巖纖維片材等復合材料產品，奠定了今后大規模穩定生產連續玄武巖纖維的基礎。目前，我國對連續玄武巖纖維的自行開發以及生產制備能力已完全掌握，關于其生產的相關企業在我國也越來越多，除了之前提到的之外，主要還有山西巴塞奧特、四川航天拓鑫、營口洪源、河北通輝、牡丹江金石、江蘇天龍、遼寧金石、吉林通鑫、浙江石金等10多家生產企業，生產總產能約為1.75×104t/a[8]，其中規模較大和技術過硬的公司屬浙江石金和航天拓鑫有限公司。在熔爐工藝方面，從火焰熔爐到氣電結合爐，再到全電熔爐加熱，技術嫻熟，整個過程都能很好的實現自動化控制，且無二氧化碳等氣體排放，不會污染環境。而且有關企業還改進了漏板拉絲工藝，漏板孔數達到400孔，成功提高生產效率，降低了生產成本，前景廣闊。

3 玄武巖纖維的應用

3.1 連續玄武巖纖維在軍品上的應用

CBF具有良好的技術特性：其容重和熱導率以及吸濕率都低，這樣能夠降低本身的結構質量并且不易被腐蝕介質腐蝕，有很強的化學穩定性，利于形成新型復合的結構材料，長期處于一定介質中，其強度也不會發生大的變化。其在軍品和民用領域方面的應用就是利用的這些特性。它可以將軍品上用到武器裝備材料進行換代升級，從而可以提升軍隊的戰斗力；可以替代玻璃纖維制造軍隊絕熱制品和復合材料以及硬質性防護裝甲，例如用玄武巖纖維制作的玻璃鋼管，當其管徑為25 mm，壁厚為4 mm，線密度為1.475 kg/m時，比利用E玻纖生產的玻璃鋼管要高的多[17]，最大壓力高達56.5 MPa；除了可用作高壓高溫絕熱材料以外，還可用作超低溫絕熱材料，像液氮（-196℃）容器以及設備。在某些應用碳纖維制造武器裝備的領域，利用玄武巖纖維替代它，還可以降低其制造成本；另外，還可以將軍品和民品技術結合起來，寓軍于民，在某些重大高科技領域里可有利的推動我國未來軍事高技術產業的發展。

3.2 連續玄武巖纖維在工業上的應用

由于玄武巖纖維具有最佳的性能，它還廣泛應用到很多工業領域，例如在化學工業中用作耐腐蝕材料；在汽車領域中用作耐磨損、磨擦材料，抗低速沖擊材料，汽車的高溫絕緣材料；建筑領域的增強材料，土木材料，防火耐火材料，船舶的絕熱隔音材料等[6]。比如，用作汽車的車頂內襯，主要考慮到玄武巖的可回收性，這也是目前制造商考慮用玄武巖纖維材料的關鍵因素之一。用玄武巖纖維作汽車的制動墊片和離合器的摩擦片以及橡膠技術制品等，主要考慮到它的耐摩擦磨損、耐沖擊性，低吸濕性，耐化學腐蝕，壽命長，對環境友好。玄武巖合成樹脂基材料用在建筑上面，可以取代傳統的碳化合物，并改善建筑物的抗震性能。另外，由于玄武巖中導電氧化物含量不到20%，可以將其應用于電子工業上的耐熱絕緣材料，比如印刷線路板的制造，天線整流罩或者雷達無線電裝置等。這主要取決于被浸潤劑處理過的玄武巖纖維與一般玻璃纖維相比，具有比較低的介電損耗角的正切值。

3.3 連續玄武巖纖維在農業上的應用

利用玄武巖纖維的較低的吸濕性、透水性與柔性，可以將其制作的棉性板材作為農業培養基。此玄武巖棉板經過一系列的凍結和解凍，浸濕和干燥的工藝循環操作，還具有很好的物理與化學穩定性。利用玄武巖纖維能夠耐腐蝕，抗空氣等的大氣氧化作用，還可以用作臨水的建筑，比如用于擋水坡土壩的加固，防護堤河建筑和溝渠等。

3.4 連續玄武巖纖維在日常生活上的應用

利用玄武巖纖維具有較高的吸聲系數，玄武巖纖維可用于高效隔音材料，比如在一些電影院或者一些其他需要隔音的公共大廳可以用它制作吸聲氈或吸聲板，還可用作汽車的消聲器等；又由于具有較高的過濾系數，可將玄武巖纖維制作成一些過濾性的材料，比如在一些環境監管部門中空氣凈化設備，水處理廠的污水處理，用作催化劑的載體，降解廢水以達到水的循環利用以及家用中的煙氣過濾設備中的高溫過濾材料等，都可以用玄武巖纖維制作的高溫材料予以代替，而且成本低廉，壽命較高[18]。

利用連續玄武巖纖維的優良的物理化學力學性能，比如耐腐蝕性，耐高溫低溫性等特性，將連續玄武巖纖維增強復合材料應用到包裝箱產品上，將使包裝箱具有很好綜合機械性能。如果發生火災時，由于耐高溫，隔熱性好，在一段時間內，箱體外部溫度不會傳熱到里面物品，從而在有限時間內減少財產損失[19]，所以玄武巖纖維還可做成消防人員的防護衣，保護消防人員的人身安全，例如黃明等人已經研制出堿性玄武巖纖維耐火材料以及含有玄武巖纖維的防護服[20]。

4 我國玄武巖纖維發展前景

我國玄武巖礦床分布廣泛，儲量很多，這樣就保證有充足的原料儲備，加之制作玄武巖纖維和復合纖維的工藝流程簡單，性能優異，制作成本相對比較低廉，制作過程中無有害氣體釋放到大氣中，且可以在玻璃纖維、石棉、和碳纖維等需求不足或者性能要求更高的方面進行替代，潛力很大，可以在我國新材料領域方面發揮無可替代的作用，屬于國家提倡發展的產業方向；目前，我國玄武巖纖維的研究與制備以及應用開發仍處在一個初級階段，需要持續開發玄武巖纖維，不僅要對其本身特性，制備研究開發，還要對其復合材料，制品等的研究與開發，并大力拓展其在各個方面的應用領域。這樣將更有利于我國紡織經濟、國防軍工領域、土木建筑領域、消防防彈領域、交通運輸領域、石油化工領域、電子工業及其體育休閑領域和醫學領域的發展。但針對技術方面，我國還需要和烏克蘭、俄羅斯等技術先進的國家進行技術探討與研究合作。故最近幾年玄武巖纖維和玻璃纖維之間的競爭不會太激烈。

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Applications and Development of Continuous Basalt Fiber

LI Hong-jie1，2，ZHAO Shi-hai1，2，ZHANG Xin-jian1
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin City Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Continuous basalt fiber has many excellent properties such as high temperature resistance，chemical stability，corrosion resistance，low thermal conductivity，and the manufacturing process is harmless to the environment，so it has been more and more widely used.This paper introduces the development process and status quo of basalt fiber domestic components，both at home and abroad，and according to the characteristics of the basalt fiber，respectively，application of daily life in the military，industrial，agricultural,were reviewed.And the development prospect.

basalt fiber；components；current development；applications

TS102.4

A

1672-545X（2016）11-0256-04

2016-08-04

李紅杰（1989-），女，山東菏澤人，在讀碩士，主要研究方向為紡織機械設計及自動化。