玄武巖纖維的發(fā)展及應(yīng)用

孫 涵，鐘智麗，薛兆磊，王子帥

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

0 引言

玄武巖纖維是一種新型的綠色無機(jī)高性能纖維，其原料是火山噴發(fā)的玄武巖礦石，在1450℃～1500℃熔融后, 通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維[1-2]。由于它在成纖過程中沒有堿性氧化物的排除，不會(huì)向大氣排放有害氣體，且在使用后可以自然降解成土壤母質(zhì)，是環(huán)境友好型高性能纖維。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前玄武巖纖維的產(chǎn)量完全達(dá)不到需求量。到2017年，全世界生產(chǎn)玄武巖的廠家約有35家，全球玄武巖纖維產(chǎn)量20000噸。其中，中國(guó)占有25家，生產(chǎn)量10000噸。我國(guó)玄武巖的研發(fā)已經(jīng)跨出跟跑、并跑的階段，現(xiàn)在屬于領(lǐng)跑階段。預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)生產(chǎn)的玄武巖纖維會(huì)突破30000噸，成為世界上生產(chǎn)和應(yīng)用玄武巖纖維的第一大國(guó)。

1 國(guó)內(nèi)發(fā)展史

我國(guó)玄武巖纖維的研發(fā)起步比國(guó)外晚150年左右，最初的研究主要應(yīng)用于軍工隔熱領(lǐng)域。2001年將玄武巖纖維的研發(fā)作為中俄政府間的合作項(xiàng)目；2002年被列入863計(jì)劃；2003年成立橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司；2010年，我國(guó)玄武巖纖維的應(yīng)用主要在建筑、道路、玻璃鋼領(lǐng)域；2014年，通過了ISO/TS16949體系認(rèn)證，使其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展；2017年被列入十三五規(guī)劃。我國(guó)玄武巖纖維的研發(fā)正在迅猛發(fā)展，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)科研成果不斷推出。中國(guó)成為少數(shù)幾個(gè)掌握玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)的國(guó)家之一。在2017年，我國(guó)玄武巖纖維的產(chǎn)量達(dá)到10000噸，預(yù)計(jì)這個(gè)數(shù)字會(huì)在不低于40%比例增長(zhǎng)。

我國(guó)擁有豐富的玄武巖火山巖，例如山西省大同境內(nèi)就有綿延50平方公里的玄武巖火山巖，預(yù)估儲(chǔ)存量為180億噸。因此，建立了玄武巖產(chǎn)業(yè)園，“十二五”期間得到國(guó)家投資25億元；擁有生產(chǎn)規(guī)模世界第一、設(shè)備領(lǐng)先、生產(chǎn)工藝獲得國(guó)家專利的山西晉投玄武巖公司，可以生產(chǎn)多種規(guī)格的玄武巖原絲：6μm、9μm、13μm、15μm、 18μm,且拉伸強(qiáng)度高達(dá)0.7N/tex以上。位于江蘇省的天龍玄武巖連續(xù)纖維高科技有限公司成立于2007年，是一家集生產(chǎn)、研發(fā)、設(shè)備研發(fā)、銷售等于一體的企業(yè)，它能為客戶提供多種規(guī)格的玄武巖紗線和產(chǎn)品。2018年，四川富潤(rùn)企業(yè)旗下的玻纖集團(tuán)自主研發(fā)的全球首個(gè)池窯方式生產(chǎn)玄武巖纖維在羅江區(qū)成功點(diǎn)火，運(yùn)行成功后，將成為世界第一家用池窯方式生產(chǎn)玄武巖纖維的企業(yè)[3]。此外，主要還有山西巴塞奧特、營(yíng)口洪源、河北通輝、牡丹江電力等廠家生產(chǎn)玄武巖纖維產(chǎn)品。

2 玄武巖纖維的應(yīng)用

2.1 過濾領(lǐng)域

應(yīng)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、形狀、結(jié)構(gòu)等。玄武巖纖維表面是光滑的圓柱形狀，截面是圓形，是具有多孔結(jié)構(gòu)的纖維，孔隙率高、比表面積大、密度小，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(kuò)大，進(jìn)一步提高過濾效率[4-5]。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(shè)備性價(jià)比高的材料。

杭美艷[6]等采用水熱法，用TiO2玄武巖纖維制備出復(fù)合材料，為廢水處理和環(huán)境保護(hù)增添新材料。它的優(yōu)點(diǎn)在于：玄武巖表面包覆的TiO2可以增大比表面積，增大過濾時(shí)的接觸面積。同時(shí)玄武巖中存在的金屬元素可以成為TiO2的光敏劑，彌補(bǔ)其光催化劑的缺陷，使光吸收波長(zhǎng)范圍擴(kuò)大。另外，玄武巖纖維作為骨架也起到過濾作用。Zhang等[7]研究了聚酯編織濾料和連續(xù)玄武巖纖維/滌綸編織濾料在高溫和熱稀釋堿性環(huán)境條件下織物的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)玄武巖纖維有助于提高織物濾料在不同濃度的熱稀釋堿溶液中的尺寸穩(wěn)定性。

Chen等[8]在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)玄武巖纖維織物濾布的空氣體積進(jìn)行了測(cè)試，分析了透氣性與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，紗線的線密度越大，織物透氣性越小。過濾織物的空氣滲濾率隨緯紗密度的增加而降低。將2/2種斜紋織物與緯向織物進(jìn)行比較，平紋織物的透氣性最小，2/2斜紋織物為第二，緯向織物較大。Wang等人[9]研究了由玄武巖和聚砜酰胺纖維組成的袋式除塵器高溫過濾復(fù)合材料的基本性能。研究表明，該新型過濾材料具有優(yōu)異的耐熱性、透氣性和耐酸腐蝕性能。彭毅,王浩明[10]對(duì)玄武巖纖維的過濾性能及表面形態(tài)開展研究，實(shí)驗(yàn)表明，隨著過濾的進(jìn)行，阻力會(huì)隨著濾料表面粉塵的集聚而增加變快,但過濾效率優(yōu)秀。

2.2 國(guó)防軍工領(lǐng)域

玄武巖纖維因?yàn)槭褂脺囟确秶缍却蟆醾鲗?dǎo)系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，適用于國(guó)防軍工材料。利用溫度特性可以作為制備高溫隔熱材料、超低溫隔熱材料；利用其性價(jià)比高的特性可以用來代替某些碳纖維裝備以減輕武器造價(jià)；借助其優(yōu)異的力學(xué)性能制造防護(hù)盔甲；借助其吸音系數(shù)低的特性制造隱身衣等。

為了研究玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗彈性能,利用不同樹脂基體制作了玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料靶板試件,進(jìn)行了彈道測(cè)試。研究了玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗侵徹性能和典型破壞模式,并分析了不同樹脂基體和不同鋪層方式對(duì)靶板防彈效果的影響。研究表明,玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在受彈體侵徹時(shí),主要呈現(xiàn)局部破壞,破壞形式是迎彈面的纖維剪切失效、背彈面的拉伸斷裂失效[11]。另外,根據(jù)輕型防護(hù)的要求,提出設(shè)計(jì)新型防護(hù)結(jié)構(gòu)的思路。研究結(jié)果可以為輕型復(fù)合裝甲設(shè)計(jì)提供參考。為了探究玄武巖纖維復(fù)合材料吸聲性能，倪廣菊等[12]以玄武巖纖維為增強(qiáng)體，以eva為基體，通過熱壓粘合成功制備出玄武巖纖維復(fù)合材料。通過正交試驗(yàn)得出復(fù)合材料的最佳工藝條件：纖維長(zhǎng)度10mm，復(fù)合材料厚度10mm，熱壓壓力6Mpa，熱壓時(shí)間15min。在500Hz～2000Hz的生源頻率下吸音系數(shù)為0.8，在2000Hz以上吸音系數(shù)漸趨于平緩，說明此復(fù)合材料的吸聲性能優(yōu)異。

2.3 土木工程領(lǐng)域

目前，國(guó)內(nèi)玄武巖制品最成熟的技術(shù)是玄武巖纖維單向布，可制造出彈性模量高達(dá)105GPa，單向布抗拉強(qiáng)度大于2100MPa的玄武巖纖維單向布。主要應(yīng)用于建筑領(lǐng)域某些結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)、加固，水電站、堤壩的加固。借助玄武巖纖維拒燃、耐高溫、不導(dǎo)電、導(dǎo)熱系數(shù)低的特性，可以將其應(yīng)用于墻體保溫、屋頂隔熱保溫、防護(hù)板、防火布等領(lǐng)域。玄武巖纖維與混凝土相結(jié)合,可以有效地防止產(chǎn)生的裂紋早期干燥收縮,這有助于提高混凝土的早期抗裂性,增強(qiáng)其不滲透性、抗凍性和抗沖擊性,使混凝土具有優(yōu)秀的機(jī)械功能、耐用性和技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。將玄武巖短切紗加到瀝青中，瀝青混凝土的低溫抗裂性、抗疲勞性能、高溫穩(wěn)定性都顯著提高，提高了瀝青混凝土的使用壽命。土工格柵是一種新型的格柵，具有加固、保護(hù)功能，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利、煤礦等行業(yè)，確保道路得到均勻的荷載和應(yīng)力，巖土格柵具有較高的抗拉強(qiáng)度和模量性能。此外，還應(yīng)配備耐堿、熱穩(wěn)定性和其他特殊性能。目前，聚酯和玻璃纖維被用于生產(chǎn)巖土格柵。然而，玻璃纖維的纖維薄弱使其在實(shí)際使用過程中更容易受到損害。與玻璃纖維相比，滌綸有很高抗拉強(qiáng)度和韌性，但是當(dāng)纖維被浸沒在堿或酸溶液中時(shí)，纖維失去體積和強(qiáng)度，在表面產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)從纖維中觀察到顯著的力量減少。作為一種新型纖維，玄武巖具有更好的抗拉強(qiáng)度，更大的失效應(yīng)變，以及對(duì)化學(xué)攻擊、沖擊載荷和火焰的良好抵抗，使其成為地質(zhì)技術(shù)格柵的新材料[13-14]。

Qin X等人[15]研究了不同含量(3%～10%)和長(zhǎng)度(6mm、9mm和15mm)的玄武巖纖維對(duì)瀝青膠粘結(jié)劑性能的影響。結(jié)果表明，玄武巖纖維的添加改善了粘結(jié)劑的性能，特別是抗裂性。6mm的玄武巖纖維與瀝青粘結(jié)劑的接觸面積最大，吸附強(qiáng)度高。含量的多少也影響著玄武巖纖維瀝青粘結(jié)劑的抗裂性和高溫流變性。玄武巖纖維可以在瀝青中形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以很好的分散應(yīng)力，從而減緩瀝青基的斷裂，延長(zhǎng)使用壽命。金生吉等人[16]探究了玄武巖纖維混凝土在腐蝕條件下的抗凍融性能，分別測(cè)試了增強(qiáng)混凝土在5%NaCl溶液、無腐蝕環(huán)境、5%MgSO4溶液、5%NaCl+溶液環(huán)境下的抗凍融性。結(jié)果表明：玄武巖纖維的加入使混凝土的抗凍融性效果變好，延長(zhǎng)了混凝土在腐蝕環(huán)境下的使用壽命。

Tang等人[17]研究了玄武巖纖維的增強(qiáng)效果，開發(fā)了具有高抗彎能力的建筑砂漿，并通過正交試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析研究了玄武巖纖維的分餾、水灰比和砂灰比等3個(gè)因素，優(yōu)化了抗彎強(qiáng)度的最佳組合。通過掃描電鏡對(duì)增強(qiáng)機(jī)理和損傷特征進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，玄武巖纖維作為增強(qiáng)構(gòu)件具有良好的抗彎強(qiáng)度增強(qiáng)效果，最大提高率將達(dá)到2.91倍。不同年齡層的強(qiáng)度對(duì)不同的纖維分?jǐn)?shù)的影響是顯著的，比水灰比和砂灰比要大得多。天津工業(yè)大學(xué)鐘智麗教授[18]帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)依據(jù)風(fēng)機(jī)葉片對(duì)增強(qiáng)材料的要求，選擇玄武巖纖維長(zhǎng)絲、芳綸短纖紗作為基本原料，成功制備出了雙層玄武巖長(zhǎng)絲/芳綸間隔紗織物并制備其復(fù)合材料。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了平壓、側(cè)壓、彎曲、低速?zèng)_擊、壓縮等力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明其完全可以用于風(fēng)機(jī)葉片的增強(qiáng)材料。

2.4 汽車領(lǐng)域

目前汽車用的增強(qiáng)纖維主要是礦物質(zhì)纖維、鋼纖維、有機(jī)纖維等，這些纖維有一些缺點(diǎn)，比如石棉纖維的生產(chǎn)污染環(huán)境，吸入人體致癌；鋼纖維易腐蝕；有機(jī)纖維制造工藝復(fù)雜等等。而玄武巖纖維具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，適合用來做摩擦增強(qiáng)材料。目前汽車上使用的高溫過濾材料主要包括粘膠纖維、聚酯纖維等，缺點(diǎn)是耐用性能不好，使用壽命短。借助玄武巖纖維的耐高溫和耐酸堿性特性、用后可完全降解以及優(yōu)良的過濾性能，將玄武巖纖維用于汽車過濾材料是今后的發(fā)展方向。另外，玄武巖纖維的隔音性能，可以用來制作汽車的車門的墊板、發(fā)動(dòng)機(jī)車蓋的內(nèi)部、車頂、車殼等地方。

2.5 橡膠品中的應(yīng)用

為了延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，玄武巖短纖維可以極大的應(yīng)用于輪胎各個(gè)部位。比如用在胎面上，可以提高耐磨性，且在高速行駛時(shí)可降低輪胎與地面摩擦帶來的熱量。在對(duì)舊輪胎進(jìn)行翻新時(shí)，適當(dāng)加入一定比例的玄武巖短纖維可以提高輪胎的皸裂性和耐尖銳物刺穿的能力；胎側(cè)膠中加入玄武巖短纖維可以提高輪胎的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)，短纖維的加入減少了用膠量，降低生產(chǎn)成本；用于氣密層膠的玄武巖纖維可以提高輪胎的彈性，減少內(nèi)層的損傷；玄武巖纖維替代傳統(tǒng)織物用于胎圈包布，可以提高使用壽命，降低成本。

傳送帶和輸送帶的性能是：強(qiáng)度高、耐高溫、彈性模量大。由此可見，玄武巖纖維是作為輸送帶骨架材料的最佳材料，避免了輸送帶在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中容易“跑長(zhǎng)”的問題。而且玄武巖纖維耐疲勞性好，不會(huì)造成輸送帶裂痕[19]。Wu等人[20]為了提高氟橡膠的可用性，采用短玄武巖纖維作為加固材料，制備了短玄武巖纖維/氟橡膠復(fù)合材料，并對(duì)其力學(xué)性能和相容性進(jìn)行了研究。通過抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定，確定了短玄武巖纖維/氟橡膠復(fù)合材料的最佳配方。Shadrinov N V等人[21]研究了用玄武巖和碳纖維加固的腈-丁二烯橡膠的性能。根據(jù)所引進(jìn)的纖維數(shù)量，建立了磨料磨損和腐蝕環(huán)境下的物理力學(xué)性能、硬度和穩(wěn)定性。利用電子和原子力顯微鏡對(duì)增強(qiáng)彈性復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了研究。

3 存在問題

玄武巖纖維雖然是一種綠色環(huán)保的高性能纖維，但是一些因素的存在限制了它的發(fā)展，使其在高端領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。具體有以下幾點(diǎn)：

3.1 原材料成分問題

由于玄武巖纖維的原材料是火山巖，來自不同礦石產(chǎn)地的原料成分會(huì)不一樣。即使取自同一地區(qū)的礦石，其原料也無法保證成分一致，致使制成的玄武巖產(chǎn)品性能不一致。礦石原料中的含鐵量高，會(huì)降低熔制效率；且在織造過程中，鐵元素的存在會(huì)腐蝕鉑銠合金漏板。

3.2 熔制問題

玄武巖纖維的生產(chǎn)是采用熔爐的方式，目前用的鉑銠合金漏板是200或400孔，這就限制了生產(chǎn)的效率。在采用電熔方式對(duì)玄武巖加熱時(shí)，會(huì)因?yàn)槌煞种羞^高的含鐵氧化物而侵蝕加熱電極?，F(xiàn)有的窯爐結(jié)構(gòu)需要作進(jìn)一步改進(jìn)，不然會(huì)造成含鐵氧化物聚集在合金漏板從而加速對(duì)漏板的侵蝕[22]。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化問題

出現(xiàn)在市場(chǎng)的玄武巖纖維產(chǎn)品種類繁多，但是標(biāo)準(zhǔn)缺失嚴(yán)重，沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)范。目前玄武巖雖然有一些標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，但是制定標(biāo)準(zhǔn)的歸口單位太多，沒有成立專業(yè)玄武巖標(biāo)準(zhǔn)制定組織，影響工作效率；已經(jīng)出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量少，領(lǐng)域涉及不廣泛，尚未形成一套完整的標(biāo)準(zhǔn)體系；玄武巖纖維的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需要相應(yīng)跨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，目前雖然已經(jīng)有玄武巖復(fù)合材料在建筑、道路等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，高端產(chǎn)業(yè)用玄武巖纖維復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化需要繼續(xù)推進(jìn)。

4 結(jié)論

因?yàn)樾鋷r纖維的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，它被認(rèn)為是我們未來綠色和可持續(xù)發(fā)展的材料。玄武巖被譽(yù)為本世紀(jì)的綠色工業(yè)材料，它結(jié)合了生態(tài)安全、自然壽命和許多其他特征。此外，玄武巖是百分之百的惰性氣體，也就是說，它沒有空氣或水的毒性反應(yīng)，而且是不可燃和防爆的。由于其高剛性、低伸長(zhǎng)率或斷裂伸長(zhǎng)率高，使它成為當(dāng)下的有用的強(qiáng)化材料的不二選擇。對(duì)以后的玄武巖纖維的發(fā)展提出以下建議：國(guó)家應(yīng)該做好有關(guān)玄武巖纖維的頂層設(shè)計(jì)，大力支持玄武巖纖維以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，加大資金注入和高校研究玄武巖小組的成立；重點(diǎn)鼓勵(lì)相關(guān)技術(shù)人員創(chuàng)新池窯技術(shù)；鼓勵(lì)正在發(fā)展的玄武巖企業(yè)向西部有玄武巖礦石的地方轉(zhuǎn)移；進(jìn)一步推廣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)玄武巖纖維的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。