玄武巖纖維的性能及應用

魏 晨，郭榮輝

(四川大學輕工科學與工程學院，四川成都 610065)

作為21世紀綠色環(huán)保高性能無機纖維材料之一，玄武巖纖維具有優(yōu)異的力學性能、化學穩(wěn)定性、耐高溫性等特點[1]。玄武巖纖維來自大自然中的天然玄武巖。玄武巖纖維是通過熔融紡絲拉伸工藝，在極高溫的條件下將玄武巖高溫熔融，通過噴絲板拉伸得到的連續(xù)纖維。因此，玄武巖纖維通常也會被一些文獻稱為玄武巖連續(xù)纖維[2]或連續(xù)玄武巖纖維[3]。

1 玄武巖纖維的基本組成

玄武巖(即玄武巖、安山玄武巖、輝綠巖、輝長巖、閃石及其它巖石)是由巖漿形成的一種基本礦石，大自然劇烈演變的磨礪(古代火山活動)保證了玄武巖纖維的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性[4]。玄武巖礦石的化學成分是相對穩(wěn)定的，尤其是在同一個火山地域范圍之內(nèi)，玄武巖纖維化學成分穩(wěn)定性會更高。

玄武巖是火山活動的結(jié)果。因此，玄武巖是一種硅酸鹽無機物，其密度范圍是2.6 g/cm3～2.7 g/cm3，主要由二氧化硅和鋁、鎂、鈣的氧化物組成。此外，玄武巖成分中還含有少量其他的金屬氧化物(Fe2O3、FeO、TiO2、K2O 和 Na2O 等)[5]。

玄武巖纖維化學組分會對其性能產(chǎn)生比較大的影響。SiO2是玄武巖纖維中最主要的成分，含量為45%～60%，二氧化硅晶體的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)保證了纖維的化學穩(wěn)定性和力學強度；Al2O3也是玄武巖纖維中的基本成分，含量為12%～19%，Al2O3具有化學穩(wěn)定性、耐高溫性，為提高玄武巖纖維復合材料的化學穩(wěn)定性、耐高溫性和力學性能提供了可能性；CaO的含量為6%～12%，有利于纖維耐水性、力學強度和纖維硬度的提高，纖維會呈古銅色，這是因為 Fe2O3和 FeO的含量也較大，在 5%～15%[4]，一般都是在10%以上[6]，而鐵元素往往成紅褐色和黑色，它會對玄武巖纖維的顏色有較大的影響。另外，玄武巖纖維中的其他組分也會有利于纖維的耐水性和耐化學腐蝕的提高。

化學成分的改變對玄武巖纖維的生產(chǎn)制造也有較大的影響。玄武巖纖維的生產(chǎn)目前較多采用熔融拉絲的方法，熔融體粘度和熔融溫度是紡絲工藝中比較重要的工藝參數(shù)，熔體粘度越高，越有利于生產(chǎn)。 根據(jù)上述分析，SiO2、TiO2、Al2O3在玄武巖纖維比例的增加都能夠使玄武巖的熔體粘度提高[7]。在玄武巖纖維的制作過程中，如果增加更多的Fe2O3，則能夠提高玄武巖纖維的使用溫度。

2 玄武巖纖維的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 玄武巖纖維國外發(fā)展現(xiàn)狀

玄武巖纖維最早在1953～1954年間，由蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院研究開發(fā)。到2002年，前蘇聯(lián)已經(jīng)能夠每年生產(chǎn)500噸左右連續(xù)玄武巖纖維的產(chǎn)品，玄武巖纖維在當時主要用于軍工行業(yè)。國際上，一些科技發(fā)達的國家例如美國、日本和德國等都加強了對玄武巖纖維的研究開發(fā)，不僅如此，加拿大、韓國、英國等國也加大國防科研的投入，開展了玄武巖纖維在國防軍事領(lǐng)域的應用[8]，并都取得了顯著的成果。

2.2 玄武巖纖維國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國最早開始研究玄武巖纖維是在1990年后，在南京玻璃纖維研究院開展，研究方向是玄武巖纖維隔熱材料復合材料[9]。隨后全國也開始致力于玄武巖纖維的開發(fā)，其中連續(xù)玄武巖纖維應用廣泛，需求量日漸增大[1]，這促進了我國在玄武巖纖維的研究和發(fā)展。我國在2002年11月，將“玄武巖纖維及其復合材料”批準列為863國家計劃(2002AA334110)[10]。

在2004年，玄武巖纖維在上海實現(xiàn)工業(yè)化，屬于當時國內(nèi)領(lǐng)先水平，產(chǎn)業(yè)部分技術(shù)已能達到當時國際的先進水平，為今后大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)玄武巖纖維奠定了基礎(chǔ)。

近年來，豐富的天然玄武巖生產(chǎn)的玄武巖纖維是一個重要的硅酸鹽纖維家族，且它具有十分優(yōu)秀的化學穩(wěn)定性、可再生性、生物相容性、機械模量和強度、隔熱隔音性能和抗電磁輻射等性能，其單位成本低于玻璃纖維，特別是遠低于碳纖維等高性能纖維。因此，這些環(huán)保、低成本的特點使玄武巖纖維成為復合材料的組成之一。例如，玄武巖纖維與生物降解脂肪族聚酯制備綠色復合材料，是一種良好替代的增強劑；玄武巖纖維復合材料也可利用在3D打印技術(shù)[11]；且到目前為止，在土木工程領(lǐng)域玄武巖纖維的應用還處于探索階段，但前途不可估量[12]。因此，無論在國內(nèi)外，玄武巖纖維在21世紀的發(fā)展前途無量。

3 玄武巖纖維的性能

3.1 玄武巖纖維的外觀特性

由于大部分玄武巖纖維中含鐵量是較高的，導致玄武巖纖維的外觀大多數(shù)呈深棕色[13]，因此會發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維色澤與碳纖維十分相似。如圖1所示，玄武巖纖維擁有與其他人造化學纖維相似的表面形貌，即整體看來是光滑的圓柱狀，其截面由于在拉伸過程中受到表面張力的影響，也是呈幾乎完美的圓形[3]。

玄武巖之間抱合力非常小，這是因為玄武巖纖維表面的粗糙度比較小。因此，在與樹脂復合作為增強材料時，這會極大地影響到與樹脂的復合效果，玄武巖纖維復合材料的制備往往需進行一定的表面改性處理，增大其粗糙度。但是光滑的表面對氣體和液體通過的阻力小，用玄武巖纖維產(chǎn)品是比較理想的過濾材料。

圖1 玄武巖纖維電鏡圖[4]

3.2 優(yōu)異的力學性能

玄武巖纖維具有優(yōu)異的抗拉伸強度和模量。玄武巖連續(xù)纖維的強度遠遠超過天然纖維和合成纖維，屬于高性能纖維，是理想的增強材料。玄武巖連續(xù)纖維的拉伸強度高于其它一些常見高性能纖維的拉伸強度(表1)。玄武巖纖維抗拉比強度在高性能纖維中也是突出的。其比強度高出金屬的1～1.5倍，高出E－玻璃纖維的0.4～0.5倍[4]。此外，玄武巖纖維的彈性模量較大，其彈性模量顯著優(yōu)于E－玻璃纖維[6]。

表1 各種材料的拉伸強扶

3.3 高電絕緣性

玄武巖纖維具有高電絕緣性。研究表明，玄武巖纖維的表面電阻率和體積電阻率是E－玻璃纖維的10倍以上[3]，可大于10000Ω·cm。因為玄武巖纖維具有良好的電絕緣性，玄武巖纖維可以在電絕緣材料[15－16]上有廣闊的應用，例如制造高壓(達250千伏)電絕緣材料[4]。

3.4 良好的隔音隔熱性能

玄武巖纖維具有優(yōu)異的隔音隔熱性能。從結(jié)構(gòu)上看，玄武巖纖維的多孔結(jié)構(gòu)被證實具有較好的吸音能力，玄武巖纖維吸音系數(shù)較高，可用來作為卓越的吸音材料[17]。另外，玄武巖纖維的導熱系數(shù)低，能被應用于保溫絕熱領(lǐng)域。

由于玄武巖纖維吸音系數(shù)是高于大多數(shù)高性能纖維的，而且具有隔熱功能，能用于各種公共場合的吸引地板或者地氈[18]。玄武巖纖維產(chǎn)品應用于工農(nóng)業(yè)及住房建筑中，能夠吸收噪音，還能夠起到保溫絕熱的作用，防止火災的發(fā)生。

3.5 化學穩(wěn)定性

玄武巖纖維具有良好的化學穩(wěn)定性，能夠耐酸耐堿。玄武巖纖維中硅氧化合物、氧化鋁等硅酸鹽成分會影響玄武巖纖維的耐酸耐堿性能，常規(guī)玄武巖纖維在除了強酸溶液外，均能具有良好的化學穩(wěn)定性。玄武巖纖維可以應用在經(jīng)常受到高濕度、各類介質(zhì)作用的建筑結(jié)構(gòu)中，正是因為其具有良好的化學穩(wěn)定性[16]，特別是混凝土行業(yè)的增強材料，往往以玄武巖纖維作為替代品。此外，玄武巖纖維也具有高耐久性。研究表明，玄武巖纖維制成的材料在超過九年的長時間內(nèi)，經(jīng)受交變電流作用后幾乎沒有任何破損、強力下降的痕跡顯現(xiàn)[9]，這也使得其在建筑結(jié)構(gòu)的增強材料領(lǐng)域開辟了廣闊的前景。

玄武巖纖維也具有低吸濕性和耐水性的特點。玄武巖纖維的吸濕率是玻璃纖維吸濕率的12%～15%[16]，屬于低吸濕纖維。此外，玄武巖纖維在溫熱水中也能保持較高的強度，而其他高性能纖維，如玻璃纖維，在70℃條件下，經(jīng)過200小時后基本上失去強度，但是玄武巖纖維在其6倍時長后才失去部分強度[16]。基于以上特點，玄武巖纖維在飛機、火箭、船體制造業(yè)等需要吸濕率較低材料的領(lǐng)域，能夠得到廣泛的應用。

3.6 耐高溫性能

玄武巖纖維具有耐高溫性。常見的高性能纖維最高使用溫度見表2。可見，玄武巖纖維的耐高溫性甚至優(yōu)于碳纖維。

表2 幾種高性能纖維的最高使用溫度[16]

玄武巖纖維的熱穩(wěn)定性能很好，玄武巖纖維的斷裂強度在400℃～600℃溫度下工作時能夠保持在百分之八十多。在這個溫度范圍內(nèi)，耐高溫性能很好的礦棉也只能保持一半的強度，而E－玻璃纖維則完全失去力學性能[16]。玄武巖纖維的耐熱性比E－玻璃纖維和礦棉好得多，接近石英玻璃纖維。目前石英玻璃纖維是耐高溫材料最好的產(chǎn)品，但是石英玻璃纖維價格貴、產(chǎn)量低，玄武巖纖維是制造業(yè)中耐高溫材料的良好替代品。

3.7 與金屬、塑料良好的兼容性

玄武巖纖維具有良好的與材料兼容性。玄武巖纖維與金屬、樹脂等材料復合使用，比一般高性能纖維有具有更強的相對粘合強度。但是玄武巖纖維表面摩擦力小，與材料的抱合力不大，如果要作為復合材料依然需要進行一定表面改性[3]。玄武巖纖維往往與碳纖維進行復合，得到更高性能的材料。碳纖維的價格昂貴，產(chǎn)量也不大，如果加入低成本的玄武巖纖維能降低其成本，且如果在玄武巖纖維中加入一定比例的碳纖維，并對復合材料進行一定的處理，其強度和模量都能夠得到顯著的提升。

4 玄武巖纖維的應用

玄武巖纖維作為一種環(huán)保型新材料，其來源廣，資源豐富，生產(chǎn)過程不會帶來環(huán)境壓力，且具有良好的化學穩(wěn)定性、耐化學 腐蝕性、耐高溫性，優(yōu)異的力學強度、抗拉伸能力、隔音隔熱等性能。因此，玄武巖纖維和其他纖維復合材料的應用領(lǐng) 域范圍十分廣泛[16]。

目前國外利用玄武巖纖維制備復合材料的研究較多，而國內(nèi)對玄武巖纖維的復合應用研究相對較少。玄武巖纖維及其復合材料在生活生產(chǎn)中隨處可見。隨著人們對玄武巖纖維及其復合材料的深入探究，玄武巖纖維的其他性能也逐漸被發(fā)現(xiàn)，通過改性處理等方法，玄武巖纖維及其復合材料在高端科學技術(shù)領(lǐng)域的高強度、耐高溫等也有著其廣闊的應用前景。

4.1 工業(yè)管材領(lǐng)域

由于玄武巖纖維的高強度和抗拉伸能力，用玄武巖纖維制造管材是十分常見的。在石油行業(yè)、各種化工工業(yè)中不同用途的管材都可以由玄武巖纖維制造，這種管材檢修期可相對縮短，其斷裂和被腐蝕的危險也相對降低。例如輸送高含量硫化氫和CO2的天然氣管線[16]，采用玄武巖纖維管材，避免腐蝕性液體和氣體腐蝕破壞管道。在冶金方面，玄武巖纖維的耐高溫性也能得到很好的應用。

此外，玄武巖纖維還可被應用于各種運輸容器、絕緣支架等方面。這在我國西 部開發(fā)中能夠起到重要的作用，僅輸油輸氣管道主管線一項就需要8000 km多[16]，還不包括輸油輸氣管支線工程，而玄武巖纖維的應用能夠極大的降低工程項目的成本。

4.2 交通運輸領(lǐng)域

玄武巖纖維可用于汽車部件及車內(nèi)裝修，車外耐摩擦材料、車罩材料等[19－20]。據(jù)報道，在日本的一個汽車制造工廠開發(fā)出用玄 武巖纖 維作保溫吸音材料，以此替代玻纖作消 音器填充物，獲得了成功，并開始了批量生產(chǎn)。此外，玄武巖纖維可制成多種復合材料應用于其他交通運輸領(lǐng)域，例如，增強材料，可制備如汽車發(fā)動機、汽車廢氣排放系統(tǒng)的絕熱、吸音材料；飛 機機體的部件、整體框架；輪船的隔板和構(gòu)架增強材料等。

4.3 建筑領(lǐng)域

玄武巖纖維具有較高的力學強度，且其耐久性也很好。因此，將玄武巖纖維應用于工業(yè)建筑領(lǐng)域是目前研究的一大熱點。玄武巖纖維優(yōu)異的力學強度使得其在抗震增強上能夠提高建筑質(zhì)量，而其吸音性能、絕熱性能和耐高溫性能，對建筑的安全、保暖性也能夠起到提升的作用。玄武巖纖維往往會作為混凝土的增強材料，以此應用于建筑行業(yè)。此外，玄武巖纖維和無捻粗紗也能夠編織成工業(yè)材料，在橋梁、大壩等結(jié)構(gòu)中進行增強。玄武巖纖維也可以與各種其他纖維復合，制得增強塑料、橡膠制品等。其中，利用玄武巖纖維作為鋼筋的替代品，用在混凝土中的增強材料是最近國內(nèi)外的研究熱點。玄武巖纖維作為一種新興的綠色硅酸鹽纖維材料，是其它纖維材料的良好替代品[21]。在土木工程方面，在混凝土中摻入一定量的短切玄武巖纖維，可以有效改善素混凝土的脆性問題，顯著加強素 混凝土抗壓、抗拉以及抗 折等力學性能[12]。此外，玄武巖纖維布也可以用于加固混凝土結(jié)構(gòu)[22]。雖然國內(nèi)外在玄武巖纖維加固混凝土構(gòu)件方面進行了一些試驗研究，但是對掌握玄武巖纖維加固混凝土構(gòu)件的破壞特征和承載力提高程度并基于此得到玄武巖纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計方法，還有許多工作需要完善和進一步開展[13]。

4.4 吸附領(lǐng)域

玄武巖纖維經(jīng)過表面改性處理，可應用于水處理吸附以及生物催化領(lǐng)域。

玄武巖纖維用于水質(zhì)凈化用微生物載體領(lǐng)域，取得了較好的脫氮除碳效果[23－24]。但玄武巖纖維表面光滑，不利于微生物在其表面附著，需要對玄武巖纖維進行表面處理，采用酸刻蝕玄武巖纖維可保證其本身的基本強度不受破壞的同時增大其表面粗糙度。因此，采用酸堿刻蝕法對玄武巖纖維進行表面處理，以增加微生物與玄武巖纖維間的接觸面積，促使更多微生物附著其表面，能夠進一步提高玄武巖纖維的生物親和性及其作為微生物載體時的水質(zhì)處理效果[25－27]。

此外，玄武巖纖維中的 MgO、CaO、Fe2O3、K2O對生物質(zhì)催化氣化都有很好的催化作用。所以，采用玄武巖纖維作氣化的催化劑載體，是一個值得嘗試的選擇[28]。

4.5 過濾材料領(lǐng)域

應用于過濾用的纖維除了取決于纖維的品種外，還在極大程度上取決于纖維的直徑、形態(tài)、結(jié)構(gòu)特點等。玄武巖纖維是具有多 孔結(jié)構(gòu)的纖維，表面是光滑的圓柱形，截面是規(guī)整的圓形。玄武巖纖維的比表面積大，密度較小，這些賦予玄武巖纖維優(yōu)異的過濾性能。光滑的表面可以使流經(jīng)的氣體液體快速通過。過濾過程中材料內(nèi)部顆粒吸附在纖維表面，促使比表面積擴大，進一步提高過濾效率[29－31]。玄武巖纖維材料可用來凈化工業(yè)生產(chǎn)中的有害氣體和粉塵，如鋼鐵、水泥、食品等行業(yè)。玄武巖纖維是制作過濾設備性價比高的材料[29]。

5 結(jié)束語

玄武巖纖維具有力學強度高、耐熱性好、耐腐蝕性好、價格低廉、原料易得、低導熱性和較好的介電性能等多重優(yōu)良性能，并且制造過程環(huán)保無危害，能直接降解為泥土，被稱為21世紀的“綠色工業(yè)材料”。玄武巖纖維及其復合材料在建筑、工程塑料、農(nóng)業(yè)、軍事、石油、航天航空、造船業(yè)等高科技技術(shù)范圍方面都有著至關(guān)重要的地位，應用前景廣闊，特別是目前玄武巖纖維在混凝土建筑領(lǐng)域作為增強材料的研究十分火熱。但是，目前玄武巖纖維僅在科學研究領(lǐng)域有比較大的突破，如何將玄武巖纖維及其復合材料大批量的生產(chǎn)且應用于不同的行業(yè)領(lǐng)域，仍是現(xiàn)在亟待解決的問題。