連續(xù)玄武巖纖維的研究進(jìn)展及應(yīng)用

吳佳林

(廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528041)

連續(xù)玄武巖纖維(Continous Basalt Fibre，以下簡稱CBF) 是一種無機(jī)纖維。它是以天然玄武巖礦石作為原料，將其破碎后加入熔窯中，在1 450～1 500 ℃ 熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維[1]。由于玄武巖熔化過程中沒有硼和其它堿金屬氧化物排出，使玄武巖連續(xù)纖維的制造過程對環(huán)境無害，無工業(yè)垃圾，不向大氣排放有害氣體，故CBF被譽(yù)為21世紀(jì)的新材料[2]。玄武巖纖維一般可分為普通玄武巖棉、超細(xì)玄武巖纖維和CBF。與碳纖維、芳綸、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維等其它高科技纖維相比，CBF具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如突出的力學(xué)性能、耐高溫、耐酸堿、吸濕性低，此外還有絕緣性好、絕熱隔音性能優(yōu)異、良好的透波性能等優(yōu)點(diǎn)。以CBF為增強(qiáng)體可制成各種性能優(yōu)異的復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、化工、醫(yī)學(xué)、電子、農(nóng)業(yè)等軍工和民用領(lǐng)域。

1 CBF發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

以玄武巖為主要原料生產(chǎn)的巖棉自從1840年首先在英國威爾斯試制成功到現(xiàn)在已有160多年的歷史[3]。前蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院于1953～1954年開發(fā)出CBF[4]。l959年德國人報(bào)道有關(guān)玄武巖棉的生產(chǎn)裝置。1960～1970年，前蘇玻璃鋼與玻璃纖維科研院烏克蘭分院根據(jù)前蘇聯(lián)國防部的指令，著手研制CBF。烏克蘭建筑材料工業(yè)部設(shè)立了專門的絕熱隔音材料科研生產(chǎn)聯(lián)合體，主要任務(wù)是研制CBF及其制品制備工藝的生產(chǎn)線。聯(lián)合體的科研實(shí)驗(yàn)室于1972年開始研究制備CBF，曾經(jīng)研制出20多種CBF制品的生產(chǎn)工藝[5]；1985年CBF研制成功并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。由此可知，CBF開發(fā)成功和投入生產(chǎn)的歷史有30多年左右。在這期間，烏克蘭、俄羅斯、美國等幾個(gè)國家都陸續(xù)建立起了CBF制造工廠。近幾年來，國際上例如美國、日本、德國等一些科技發(fā)達(dá)國家都加強(qiáng)了對CBF這一新型非金屬無機(jī)纖維的研究開發(fā)，并取得了一系列新的應(yīng)用研究成果。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國玄武巖分布很廣，因此具有穩(wěn)定的原料來源。我國對于玄武巖纖維的研究始于20世紀(jì)70年代起，當(dāng)時(shí)國家建筑材料科學(xué)院和南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)所曾先后進(jìn)行相應(yīng)的研究，但沒獲得成功。玄武巖纖維項(xiàng)目在2001年6月被列為中俄兩國政府間科技合作項(xiàng)目；2002年8月，我國將“連續(xù)玄武巖纖維及其復(fù)合材料”列入國家863計(jì)劃。目前該項(xiàng)目成為各地發(fā)展高技術(shù)材料熱門選擇的對象。“十五”期間，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的863計(jì)劃成果為玄武巖纖維項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2003年，該863計(jì)劃成果與浙江民營企業(yè)對接成立了橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司。2004年開始在上海實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前技術(shù)己經(jīng)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，部分技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平和領(lǐng)先水平。從而為今后大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)CBF奠定了基礎(chǔ)。2008年被列為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品項(xiàng)目。近年來，玄武巖纖維在我國發(fā)展較為迅速，我國成為擁有世界上最領(lǐng)先的玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)的幾個(gè)國家之一，多家研究機(jī)構(gòu)相繼發(fā)表了許多研究成果。國內(nèi)生產(chǎn)玄武巖纖維企業(yè)主要有上海橫店、浙江石金、四川航天拓鑫、牡丹江金石、山西巴塞奧特、遼寧金石、營口洪源、江蘇天龍、河北通輝等9家。2010年纖維總產(chǎn)量粗略統(tǒng)計(jì)在2 000 t左右，有專家學(xué)者預(yù)測：2020年為10萬 t左右[6]。

2 連續(xù)玄武巖纖維的應(yīng)用

2.1 CBF在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

玄武巖纖維具有較高的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)臄嗔焉扉L，這些力學(xué)性能指標(biāo)有利于紡織加工生產(chǎn)。目前，玄武巖纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要有以下三個(gè)方面：玄武巖纖維紗；玄武巖纖維布；玄武巖纖維氈。

(1)玄武巖纖維紗的品種主要有玄武巖纖維紗、玄武巖纖維無捻粗紗、玄武巖短纖紗與玄武巖纖維膨體紗。玄武巖纖維紡織紗是由多根連續(xù)玄武巖纖維原絲經(jīng)一次加捻而成的紗線。大體可以分為織造和其他工業(yè)用紗。趙明良等[7]研究和確定了適合在改進(jìn)的環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)上紡制棉/玄武巖纖維賽絡(luò)紡包芯紗的工藝參數(shù)；周榮穩(wěn)等[8]通過與玻璃纖維對比，研究了玄武巖纖維紗線拉伸性能、耐熱水、耐酸堿性以及耐高溫性能，結(jié)果表明，玄武巖纖維具有比玻璃纖維更好的耐酸堿腐蝕性和高溫穩(wěn)定性能，為玄武巖纖維紗在紡織生產(chǎn)方面的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。何青[9]在橫機(jī)上，選用玻璃纖維紗與毛腈混紡紗作為玄武巖纖維紗的對比紗，在不同工藝參數(shù)下編織圓筒形平針和1×1羅紋織物，分析比較這些參數(shù)對線圈長度及紗線強(qiáng)力損傷率的影響趨勢，重點(diǎn)探討玄武巖纖維紗線的可編織性，并最終得出它的最佳編織工藝范圍，為玄武巖纖維紗選擇合理的編織工藝參數(shù)提供可靠的依據(jù)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(2)玄武巖纖維布是采用玄武巖纖維紗加工而成的織物，包括基布、防火布、土工布和多軸向布等。MING Zhi-hong等[10]在電腦橫機(jī)上分別編織連續(xù)玄武巖纖維變化緯平針和不同墊紗比的襯墊織物4種預(yù)制件。通過VARTM技術(shù)制成復(fù)合材料，測試樣品的縱向、橫向拉伸性能。結(jié)果表明：襯墊紗的浮線可以明顯提高織物的橫向拉伸性能，為玄武巖纖維及緯編增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。張明星[11]以玄武巖纖維梭織平紋織物和針織羅紋、雙羅紋、緯平針及羅紋空氣層4種針織物為試驗(yàn)材料，通過測試，得出拉伸載荷-伸長位移曲線，分析了載荷與伸長位移間的內(nèi)在關(guān)系，為玄武巖纖維紡織增強(qiáng)體的應(yīng)用提供了依據(jù)。徐艷華[12]分別選用不同線密度的高強(qiáng)高模量玄武巖纖維作為經(jīng)紗、緯紗和針織紗編織織物，采用VARTM工藝制作玄武巖纖維/乙烯復(fù)合材料。測試復(fù)合材料的拉伸性能，結(jié)果表明：這種復(fù)合材料具有較好的軸向拉伸性能，橫向和縱向的拉伸性能均優(yōu)于斜向，其拉伸斷裂均為脆性斷裂。

(3)玄武巖纖維氈是由玄武巖單纖維無序交錯(cuò)穿插而形成的無定向三維微孔結(jié)構(gòu)，主要包括玄武巖纖維針刺氈、玄武巖纖維表面氈和玄武巖纖維短切原絲氈。玄武巖纖維氈多用于復(fù)合材料，由于玄武巖纖維的電絕緣性好，具有透波和吸波性能，是高性能汽車和艦船的優(yōu)質(zhì)材料。

2.2 CBF在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著我國連續(xù)玄武巖纖維的批量生產(chǎn)，由于玄武巖纖維良好的性能，這種材料開始引入土木工程領(lǐng)域，引起國內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。近年來玄武巖纖維在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)纖維增強(qiáng)混凝土方面。在攪拌混凝土的同時(shí)加入短切玄武巖纖維制成玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土，用于新建結(jié)構(gòu)。李為民等[13]研究了短切玄武巖纖維對混凝土的增強(qiáng)和增韌效應(yīng)，給出了不同體積摻量的玄武巖纖維混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并且通過試驗(yàn)得出了不同纖維體積摻量的玄武巖纖維混凝土的沖擊韌性隨平均應(yīng)變率的變化曲線，從而得出結(jié)論：在一定體積摻量情況下玄武巖纖維的增韌效果優(yōu)于碳纖維 ，并且確定了最佳體積摻量。

(2)建筑結(jié)構(gòu)加固、修復(fù)方面。將玄武巖纖維制成織物或片材，黏貼到混凝土表面用于混凝土的補(bǔ)強(qiáng)、修復(fù)與加固。目前常用的加固材料主要是碳纖維和芳綸纖維，然而這兩種纖維成本均相對較高。隨著玄武巖纖維的出現(xiàn)，尤其是其具有高強(qiáng)、高模的特點(diǎn)，成為纖維材料補(bǔ)強(qiáng)的替代品[14]。

(3)玄武巖纖維增強(qiáng)塑料(FRP)筋方面。把玄武巖纖維制成束狀的玄武巖纖維增強(qiáng)塑料筋用在現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中代替鋼筋，用于新建結(jié)構(gòu)。長期以來，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中一直存在鋼筋銹蝕引起的結(jié)構(gòu)耐久性問題，特別是在一些侵蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于混凝土的碳化和氯離子的侵蝕，使混凝土逐漸中性化，鋼筋鈍化膜受到破壞后，鋼筋開始被腐蝕。而玄武巖纖維由于獨(dú)特的性能，如耐高溫和低溫?zé)岱€(wěn)定性、高的耐酸堿性和化學(xué)穩(wěn)定性、耐紫外線光照、抗老化性能良好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，可將其制成玄武巖FRP筋用于混凝土結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)來代替鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋。鄒鵬程等[15]進(jìn)行了玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土圓柱段的軸心受壓試驗(yàn)，并且根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2.3 CBF在過濾環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，由此帶來的一系列環(huán)境污染的問題也越來越嚴(yán)重，大量工業(yè)三氣排放是對大氣造成污染的主要原因，提高排放煙氣的潔凈程度是有利于環(huán)境保護(hù)的必要措施。玄武巖纖維由于其良好的特性，可作氣固分離和液固分離的多種過濾材料，因此可以在過濾材料領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用。

(1)耐高溫過濾材料。受高溫?zé)煔夤r條件的限制，一般的纖維不適合作高溫?zé)煔膺^濾材料，目前用于高溫?zé)煔膺^濾的材料主要有芳綸、玻璃纖維、聚苯硫醚和聚四氟乙烯等高性能纖維。芳綸纖維的極限氧指數(shù)值為29%，屬于難燃纖維。芳綸纖維是水解性纖維，耐氧化性差，不能用于高溫?zé)煔庵泻兴趾脱趸锏墓r條件，使用溫度也不宜超過190 ℃。玻璃纖維使用溫度為260 ℃，最高使用溫度在 290～450 ℃。但是玻璃纖維耐磨性差，耐折性差，不耐HF，影響其使用壽命。聚苯硫醚、聚酰亞胺和聚四氟乙烯等高性能纖維雖然綜合性能較好，但價(jià)格較高，主要依賴進(jìn)口。玄武巖纖維的使用溫度范圍為-269～700 ℃，最高使用溫度在860～900 ℃，具有突出的耐溫性能，而且價(jià)格合理，性價(jià)比高，是未來高溫過濾材料的首推材料[16]。

(2) 耐酸堿過濾材料。玄武巖纖維具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，當(dāng)需要對含有酸堿性物質(zhì)的材料進(jìn)行過濾時(shí)，可以選用化學(xué)穩(wěn)定性非常好的玄武巖纖維作為過濾材料。馮建民等[17]研究了玄武巖針刺濾料與其他三種市場上常見的針刺過濾氈，30 ℃下經(jīng)酸堿溶液不同時(shí)間的腐蝕后的拉伸性能變化。結(jié)果表明，玄武巖纖維復(fù)合針刺過濾材料耐酸性能優(yōu)良，耐酸性與其他三種針刺氈相當(dāng)，耐堿性略優(yōu)于它們；另外玄武巖纖維復(fù)合針刺過濾材料本身的耐酸性優(yōu)于耐堿性。王明超等[18]研究玄武巖纖維在2 mol/L NaOH中煮沸3 h，玄武巖纖維質(zhì)量僅損失2.2%，玄武巖纖維的耐酸性優(yōu)于耐堿性。

2.4 CBF在公路交通領(lǐng)域的應(yīng)用

玄武巖纖維在路面及混凝土結(jié)構(gòu)中具有單絲抗拉強(qiáng)度極高、彈性模量高、斷裂延伸率適中、抗銹蝕能力極強(qiáng)，生產(chǎn)工藝短、能耗低、性價(jià)比高、純天然綠色環(huán)保等特點(diǎn)，尤其是在建設(shè)創(chuàng)新型國家、創(chuàng)新型行業(yè)、節(jié)能減排、低碳及長壽命的交通設(shè)施建設(shè)中越來越引起公路工程技術(shù)界的廣泛關(guān)注和積極推廣應(yīng)用。甄娜娜[19]通過實(shí)例和路用性能分析玄武巖纖維可以改善瀝青混合料的疲勞性能、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等，在瀝青混合料中滲加玄武巖纖維具有重要的意義。易波[20]比較石灰?guī)r和玄武巖在瀝青瑪蹄脂碎石中的適應(yīng)性，可以促進(jìn)石灰?guī)r在實(shí)際工程中的應(yīng)用。羅鑫[21]研究玄武巖纖維對地質(zhì)聚合物混凝土(GC)性能的改善能力，能夠改善GC的抗壓、抗折強(qiáng)度；為BFRGC在機(jī)場道面快速修補(bǔ)提供了更加廣闊的應(yīng)用前景。

2.5 其他方面的應(yīng)用

基于玄武巖纖維所具有的獨(dú)特性能，除了以上幾方面應(yīng)用外，另外玄武巖纖維在隔音材料[22]、電力工業(yè)、農(nóng)業(yè)和軍事等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語

玄武巖纖維的優(yōu)良特性和市場的需求使其得到快速發(fā)展。隨著進(jìn)一步的深入研究和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，玄武巖纖維將在許多領(lǐng)域扮演重要的角色。因此加快對玄武巖纖維及其制品的研究與開發(fā)符合國家產(chǎn)業(yè)化發(fā)展政策，有利于促進(jìn)我國礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)和綜合利用，對促進(jìn)建立一種低投入、高產(chǎn)出、少排放、能循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)有著舉足輕重的意義。

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