將玄武巖纖維加工成多軸經編紡織品

T. B?z

BasaltFaserNetzwerk公司(德國)

1 熔融巖體

玄武巖纖維由尺寸為5～10 cm的玄武巖石制成，當將溫度精確控制在1 300～1 450 ℃時，玄武巖發生熔融。熔融的玄武巖在特定的熔體壓力下通過噴嘴噴出，可得到連續的超細纖維，纖維表面涂有漿料后，能夠滿足在紡織品生產過程中的應用。可將玄武巖纖維加工成工業長絲紗線、粗紗、加捻紗和合股紗線及簾子線。根據其結構與構成，所得材料的線密度為20～4 800 tex。玄武巖纖維也可制成短纖維，用于生產非織造布、緯編織物、機織物、經編織物及多軸向紡織品。目前，全球已有約20家玄武巖纖維供應商，主要分布在東歐和中國，產能約為 35 000 t/a。原料組成和制造工藝的不同，導致制成的玄武巖纖維品質存在差異。

2 黑色的“綠色”纖維

玄武巖纖維的主要特征在于其耐高溫性能，它們可以在-260～800 ℃的較寬溫度范圍內使用。這些由黑色熔巖制成的纖維也具有良好的耐化學性，尤其是耐酸、耐堿和耐溶劑性能，它們還具有優良的抗紫外輻射性能、抗生物影響及耐腐蝕性能(表1)。此外，玄武巖纖維還具有優異的力學性能(表2)。它們的長度膨脹系數較低，并且具有較高的抗扭曲性和抗彎曲性。這意味著在復合材料中使用玄武巖纖維制備成型的3D半成品時，相比碳纖維其更不易斷裂。這有利于成品部件的強度，且強度增加可達200%。此外，玄武巖纖維是電絕緣的。除具有一定的性質和特征外，玄武巖纖維還具有生態優勢。這種天然材料的數量足夠大，可在不添加任何其他添加劑的情況下進行加工，且可100%回收。當用于塑料復合材料時，玄武巖的耐高溫性意味著可通過簡單的熔化方法實現其與復合材料中其他物質的分離。生產玄武巖纖維時，其工藝對環境的影響也低于同類產品。例如，因能耗較低，生產1 t玄武巖纖維時產生的CO2量比生產玻璃纖維約少1 t，而比生產碳纖維要少20 t。

表1 玄武巖纖維的特性及其應用領域(來源：BasaltFaserNetzwerk)

表2 玄武巖纖維與幾種纖維的性能對比(來源：Sebastian Nendel. Cetex，信息由制造商提供，未經標準化測試)

3 技術用全能纖維

玄武巖纖維(圖1)具備的特性使其尤其適用于產業應用領域。最新的研究結果表明，玄武巖纖維已實現了在一些產業終端的應用。在這些應用中，最具潛力的應用(已獲得一些初步實踐經驗)是用作熱介質的過濾材料，如用于垃圾焚燒廠和混凝土工廠的熱過濾材料，用作公路、高速公路及滑雪場的坡面固定材料，用于防火、隔音和土地恢復，以及用作絕緣網、排水材料及農業領域等。

玄武巖纖維的一個較有前途的應用是用作混凝土和復合材料的增強材料。在混凝土結構中，由耐腐蝕的多軸向紡織品代替鋼制成的增強材料，可使混凝土部件更薄、更輕質。玄武巖纖維還可用于替代復合材料生產中的玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維。它們易于回收利用，為開發資源節約型工藝帶來了許多可能性，該工藝可用于生產和加工具有優異力學性能和均衡成本效益的纖維增強材料半產品。

圖1 玄武巖纖維

4 輕型建筑解決方案的增強材料

在用作復合體系的增強材料時，玄武巖纖維常被加工成無緯(UD)、多軸和雙軸紡織品(圖2)，或粗糙的經編網格結構(圖3)。也可將玄武巖纖維整合到經編間隔織物的覆蓋面(圖4)。

圖2 由玄武巖制成的雙軸織物

圖3 在插緯經編機上制備的玄武巖纖維網格

圖4 表面含有玄武巖纖維的粗糙的經編間隔織物

在生產玄武巖纖維基材方面，目前獲得的經驗主要基于德國Cetex紡織和加工機械研究所(非營利性的紡織和加工機械研究所)所開展的項目。該研究所已制備出面密度高達400 g/m2(取決于輸入材料量)的單層UD紡織品。其最大加工速度為40 m/min，最大幅寬為800 mm。該UD紡織品具有均勻的紗線張力，這是由于各紗線張力可單獨調節所致。此外，該紡織品中紗線完全伸直且紗線間無間隙。

使用Cut&Lay多軸經編機制備了具有不同鋪設角度和面密度的紡織品。基體材料為未浸漬的干燥的UD織物，以0°、90°、±45°、±30°和±60°的角度插入，并在縫合結合點用不同線密度的紗線在經編織物或編鏈組織中進行黏合。機器最大工作寬度為100 in(254 cm)。當生產速度為4 m/min時，該工藝在運行中沒有出現任何問題。玄武巖纖維如同玻璃纖維一樣易加工。

如果干燥的UD紡織品在到達縫編點前，其兩面都覆蓋有薄膜網(如聚丙烯制成的薄膜網)，則可在后續成型加工和注射工藝中將其進一步加工成有機板材。紗線層的不同角度(即半成品的不同構造)可使它們能夠承受任何可能發生的負荷。

5 展望

玄武巖的成分變化很大，這取決于它的出產地。基礎巖石不含任何石英，但它含有各種不同的礦物質，主要成分是硅。制約玄武巖纖維終端應用進一步發展的挑戰之一是對各種不同纖維品質的評估。纖維的規格也必須適應最終用途的需要，并納入適用的標準。此外，還必須進一步發展整個生產鏈的可重復性技術。一般而言，提高對技術纖維的認識和信心水平也非常重要。

德國Basaltfasernetzwerk公司承擔了玄武巖纖維開發的所有這些任務。公司致力于研究和開發玄武巖纖維，同時研究它們在紡織工業、輕質結構工程領域、建筑業及其他諸多領域的可能應用。