連續(xù)玄武巖纖維在復合材料中應用

陶永亮，李 翔

(1.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712；2.四川謙宜復合材料有限公司，四川 華鎣 656565)

玄武巖是由火山噴發(fā)出的巖漿冷卻后凝固而成的一種致密狀或泡沫狀結構的巖石。我國玄武巖資源豐富，分布較廣，具有穩(wěn)定的原料來源。用玄武巖制作纖維始于20世紀50年代，我國對玄武巖纖維的研究始于20世紀70年代。近些年，玄武巖纖維在我國發(fā)展較快，屬于擁有世界上最先進的玄武巖纖維生產(chǎn)技術的幾個國家之一。2002年將“連續(xù)玄武巖纖維及其復合材料”列入國家863計劃，為我國玄武巖纖維開發(fā)和應用奠定堅實的基礎[1]。同時，為連續(xù)玄武巖纖維復合材料的研發(fā)和應用拓寬新途徑。本文就連續(xù)玄武巖纖維在不同復合材料中的應用情況作個分享。

1 玄武巖與連續(xù)玄武巖纖維介紹

1.1 玄武巖基本情況

玄武巖(basalt)是火山噴發(fā)地表后的產(chǎn)物，是地球洋殼和月球月海的最主要組成物質，也是地球陸殼和月球月陸的重要組成物質。玄武巖體積密度為2.8～3.3 g/cm3，結構致密的其壓縮強度很大，可達到300 MPa，甚至更高，但是如果帶有晶體雜質及氣孔時則強度會有所降低。玄武巖的主要成份是二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂（還有少量的氧化鉀、氧化鈉），其中二氧化硅含量最多，約占45%左右，如表1所示[2]。玄武巖礦物成份主要由基性長石和輝石組成，次要礦物有橄欖石，角閃石及黑云母等，巖石均為暗色，一般為黑色，有時呈灰綠以及暗紫色等。呈斑狀結構。氣孔構造和杏仁構造普遍。如圖1所示。

表1 玄武巖化學組成 %

圖1 玄武巖示意圖

1.2 連續(xù)玄武巖纖維介紹

連續(xù)玄武巖纖維（continuous basalt fiber CBF）是一種無機纖維。它以玄武巖為原料，無須任何添加劑在窯池里經(jīng)（1 450～1 500 ℃）高溫熔融后快速拉制（其外表呈光滑的圓柱狀，截面呈完整的圓形）而成連續(xù)纖維[3～4]。連續(xù)玄武巖纖維最初由前蘇聯(lián)在1954年開發(fā)成功的，到了1985年第一臺工業(yè)化連續(xù)玄武巖纖維爐在烏克蘭纖維實驗室建成投產(chǎn)，采用200孔漏板拉絲工藝。經(jīng)過這些年的努力，目前連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)采用池窯拉絲，其工藝流程：原料清洗、破碎、高溫熔融、澄清均化、拉絲和后處理等。其中原料均勻熔融和拉絲工藝是整個加工中關鍵技術。熔融均勻的玄武巖溶體通過拉絲漏板制成連續(xù)玄武巖纖維。玄武巖溶體容易結晶，結晶溫度高，拉絲窗口窄的不利因素，對漏板的要求也嚴格。目前拉絲漏板用鉑銠合金制作，其中金屬 含量10%[5]。 整個漏板結構由漏嘴、底板、給電結構以及溫度控制系統(tǒng)等組成。對同樣尺寸的漏板，孔越多，纖維束越多。國內原有400、600、800孔的漏板，大孔數(shù)的漏板開發(fā)是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要趨勢。經(jīng)過近年的開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)有2 400孔漏板拉絲制作的連續(xù)玄武巖纖維，如圖2所示。實踐證明漏板孔越多，班產(chǎn)量越大，成本也相應的低。

圖2 2400孔漏板制作連續(xù)玄武巖纖維

連續(xù)玄武巖纖維的特殊化學成分賦予了其一系列的特定性能。盡管各地的玄武巖化學成分有所不同，相應生產(chǎn)的連續(xù)玄武巖纖維有所不同。經(jīng)研究結果表明，連續(xù)玄武巖纖維具有良好的力學性能，連續(xù)玄武巖纖維的彈性模量高于E-玻璃纖維等。抗拉強度也高于其他一些常見高性能纖維的拉伸強度。如表2所示[6～8]。

1.3 連續(xù)玄武巖纖維的其他性能

除表2中連續(xù)玄武巖纖維物理性能外，還有其他的性能，在此做些簡介：

（1）電學性能。連續(xù)玄武巖纖維比體積電阻率比玻璃纖維高一個數(shù)量級。玄武巖中含有導電氧化物質分數(shù)不到20%，經(jīng)過浸潤處理后連續(xù)玄武巖纖維的介質損失角正切值比玻璃纖維低50%，還比玻璃纖維的電絕緣性和對電磁波的高透過性。連續(xù)玄武巖纖維可制作新型熱介電材料、高壓店絕緣材料，天線整流罩等。

（2）化學穩(wěn)定性。連續(xù)玄武巖纖維表現(xiàn)為抵抗水、酸、堿等介質侵蝕能力，通常用受介質侵蝕前后的質量損失和強度損失來考量。其在酸、堿性溶液中具有很好的化學穩(wěn)定性，耐酸耐堿性比鋁硼硅酸鹽纖維好。還有極低的稀釋率0.2%～0.3%，吸濕不隨時間而變化，保證了使用中熱穩(wěn)定性。耐水性優(yōu)于玻璃纖維。

表2 連續(xù)玄武巖纖維與其他纖維的物理性能表

（3）綠色環(huán)保性。玄武巖融化中沒有有害氣體排除，連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)過程對環(huán)境無害，克服一些材料在生產(chǎn)、使用和處置中需要消耗大量的能源，造成環(huán)境污染等缺陷，連續(xù)玄武巖纖維能自動降解，成為土壤的母體，可持續(xù)循環(huán)利用，是21世紀的新型環(huán)保纖維。

當然，還有一些性能在復合材料中應用作介紹。

2 連續(xù)玄武巖纖維在復合材料的應用

2.1 玄武巖纖維長纖增強LFT

長纖維增強熱塑性材料Long Fiber reinforced Thermoplastics（LFT），是和普通的纖維增強熱塑性材料相比較而言的，通常情況下，纖維增強熱塑性材料中的纖維長度為小于1 mm，而LFT中，纖維的長度一般大于2 mm，目前的加工工藝，已經(jīng)能夠將LFT中的纖維長度保持在5 mm以上。LFT的加工工藝隨著加工工藝的不同，LFT的纖維長度也不同。沖擊性能尤其依賴于纖維長度，因此就機械性能而言，壓縮成型工藝顯著優(yōu)于注射成型。通常5 mm以上長的纖維被認為是長纖維[9]。玄武巖纖維長纖增強（LFT-B）是LFT中的一種，可以與各種樹脂基體結合以提高其性能，如圖3所示。

玄武巖纖維長纖增強（LFT-B）是玄武巖長纖維高強度、高韌性、耐高溫LFT產(chǎn)品。LFT-B可以用以較多聚合物的復合應用。包括PP，PA6，PA66，TPU，PBT，PET，PEEK等各種工程塑料的LFT-B玄武巖長纖增強熱塑性材料，可根據(jù)不同客戶定制5～25 mm的長度。

圖3 玄武巖纖維長纖增強（LFT-B）

玄武巖纖維長纖增強（LFT-B）具有特點：在高溫和長時間低負荷條件下，不會產(chǎn)生變形，具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐疲勞、耐高溫、低翹曲，耐老化，纖維外露少，表面性能優(yōu)越較小的蠕變性能，各向異性小、低翹曲變形，密度＜1.6 g/m3，良好的透波和吸波性能，流動性好、成型性能好，可注塑或擠塑成型優(yōu)異的力學性能，特別是耐沖擊特性，吸水率低，耐海水和耐鹽霧性能好低溫環(huán)境下依然保持其性能，并且不會被紫外線和電磁輻射降解。

玄武巖纖維長纖增強（LFT-B）應用范圍：

汽配領域主要有：保險杠、擋泥板、發(fā)動機罩、儀表盤、車門、座椅靠背、蓄電池外殼/托架、車頂窗框架/壓條、汽車外飾鏡框架、汽車內飾件。

電子電器主要有：打印機傳真機殼體、風扇葉片、低壓電器殼與內支架、電器開關殼、電視機后蓋、洗衣機內桶、洗衣機滾筒、葉輪、空調風扇。

文體用品主要有：自行車骨架、滑雪板、地面機車腳踏板、手機充電外殼等。

其他領域主要有：5G基站天線罩、雷達罩、新能源充電樁，特高壓輸電各種電器絕緣體。

2.2 玄武巖直接無捻粗紗增強纖維

玄武巖直接無捻粗紗是一款專用型增強PP纖維。聚丙烯PP是一種使用廣泛的塑料，也是改性、復合最多的原材料，通過復合賦予PP塑料的使用廣泛性。同樣適用于LFT工藝，制作玄武要纖維增強PP粒料。玄武巖直接無捻粗紗采用全新池窖法，大漏板直接一次成型的玄武巖粗紗產(chǎn)品。憑借玄武巖強度高、模量大、耐溫性好、耐化學腐蝕性好、電絕緣性好等一些列有點，采用均質化的玄武巖原料生產(chǎn)，產(chǎn)品性能優(yōu)異、質量穩(wěn)定、離散系數(shù)小。產(chǎn)品特點：專用型增強PP產(chǎn)品力學性能好，與PP樹脂結合好集束性好，毛紗少。

圖4 玄武巖直接無捻粗紗增強纖維與制件

2.3 玄武巖纖維SMC無捻粗紗增強纖維

玄武巖纖維SMC無捻粗紗增強纖維是結構型片材模塑料（SMC）專用增強纖維。片狀模塑料SMC是Sheet molding compound的縮寫，是以不飽和聚酯樹脂為黏結劑制成的一種模塑料。SMC具有優(yōu)越的電氣性能，耐腐蝕性能，質輕及工程設計容易、靈活等優(yōu)點，其機械性能可以與部分金屬材料相媲美，因而廣泛應用于運輸車輛、建筑、電子/電氣等行業(yè)中。由于它具有輕質、高強、耐腐蝕及成本低的特點，已成為汽車制造業(yè)中重要的汽車用材料，在汽車工業(yè)中獲得廣泛應用[10]。

玄武巖纖維SMC無捻粗紗增強纖維適用于SMC工藝，制作玄武巖纖維SMC片材，應用于汽車、電器、衛(wèi)浴等領域。也適用于其他不飽和聚酯樹脂（UP）、乙烯基樹脂（VE）體系。玄武巖纖維SMC無捻粗紗增強纖維系采用高性能池窖法生產(chǎn)的玄武巖纖維粗紗產(chǎn)品。憑借玄武巖強度高、模量大、耐溫性好、耐化學腐蝕性好、電絕緣性好等一些列有點，采用均質化的玄武巖原料生產(chǎn)，產(chǎn)品性能優(yōu)異、質量穩(wěn)定、離散系數(shù)＜5%。產(chǎn)品特點：SMC制成制件力學性能好，纖維產(chǎn)品短切性能好，低靜電，毛紗少等特點。

圖5 玄武巖纖維SMC無捻粗紗增強纖維

3 結束語

連續(xù)玄武巖纖維是繼高分子量聚乙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維的第四大高性能纖維，具有耐紫外線、抗老化、高抗拉強度、抗輻射、阻燃、絕緣、吸音等特點。同樣也是一款環(huán)保綠色材料將被人們進一步接受。目前，連續(xù)玄武巖纖維復合材料的力學性能，基本上能夠逐步替代E玻纖復合材料和S玻纖復合材料的性能。還有連續(xù)玄武巖纖維的優(yōu)異性能還沒有在連續(xù)玄武巖纖維復合材料上得到充分的發(fā)揮和應用，連續(xù)玄武巖纖維復合材料力學性能還有較好地提升空間，這些都要在具體應用中或研究中作進一步發(fā)展，屆時連續(xù)玄武巖纖維復合材料將在更多領域應用，服務于人類。