玄武巖纖維在橡膠行業(yè)的應(yīng)用

楊 堃

（山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司, 山西 大同 037000）

玄武巖纖維在橡膠行業(yè)的應(yīng)用

楊 堃

（山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司, 山西 大同 037000）

對玄武巖纖維和芳綸纖維做了對比分析，并介紹了玄武巖纖維在橡膠制品中的應(yīng)用。

玄武巖纖維; 橡膠; 應(yīng)用

0 前 言

20世紀(jì)60年代美國杜邦公司開始對芳綸進(jìn)行研究開發(fā)，至今，芳綸纖維已在橡膠行業(yè)中占據(jù)較大用量，約占芳綸纖維總消耗量的20%[1]。然而，芳綸纖維抗紫外線能力較差，熔點(diǎn)和分解溫度較低，易燃燒并排放有害氣體，且價格昂貴。

玄武巖纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐溫性能佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、價格比芳綸更便宜等優(yōu)勢，作為21世紀(jì)生態(tài)環(huán)保的綠色新材料[2]，能夠在橡膠行業(yè)中代替芳綸纖維。作為第四個高性能纖維，玄武巖纖維可以很好地應(yīng)用于輪胎、傳送帶、輸送帶、膠管、膠帶等橡膠制品。對玄武巖纖維和芳綸纖維進(jìn)行了比較分析，并對玄武巖纖維在橡膠制品方面的應(yīng)用作一簡單介紹。

1 玄武巖纖維和芳綸纖維的對比分析

玄武巖連續(xù)纖維是以純天然的、火山爆發(fā)形成的玄武巖礦石為原料，破碎成1～2 cm的碎石，在1450～1500 ℃的高溫熔爐里熔融后，拉絲制得。它和生產(chǎn)玻纖的工藝不一樣，在生產(chǎn)過程中不會加入助劑，也不會產(chǎn)生廢棄物和有害氣體，在生產(chǎn)過程中幾乎不會影響環(huán)境，同時能很好地與土壤結(jié)合，在幾百年后自然降解為土壤母質(zhì)，不會對環(huán)境造成二次污染[3]。

作為人造無機(jī)纖維，玄武巖連續(xù)纖維已得到廣泛應(yīng)用，其主要成分詳見表1。

表1 玄武巖纖維的主要成分單位:%

玄武巖纖維與芳綸纖維的對比詳見表2。從表2可以看到：

1)玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度比芳綸纖維的高，彈性模量也不遜色于芳綸纖維，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過另一些天然纖維和合成纖維，因此玄武巖纖維具有很好的力學(xué)性能。

2）玄武巖纖維的使用范圍很廣，在600 ℃的高溫環(huán)境下，其斷裂強(qiáng)度仍是原始強(qiáng)度的80%；哪怕-196 ℃，其斷裂強(qiáng)度也沒有太大的變化。然而，芳綸纖維在300 ℃的環(huán)境下就會發(fā)生軟化、熔融的現(xiàn)象；在溫度稍低的情況下，纖維就很脆。玄武巖纖維的耐高低溫效果很好。

3）在酸性和堿性的環(huán)境中，玄武巖纖維的斷裂強(qiáng)度、拉斷伸長率、質(zhì)量損失保持率都很高。芳綸纖維只有在酸性環(huán)境中，其斷裂強(qiáng)度、拉斷伸長率和質(zhì)量損失保持率比較高，但在堿性環(huán)境中效果不太好。玄武巖纖維的耐酸耐堿性都非常好。

4）我國有玄武巖纖維的自主知識產(chǎn)權(quán)，目前有生產(chǎn)廠家30多家，產(chǎn)量很大，價格相對便宜。芳綸纖維則大部分仍需依賴進(jìn)口，價格昂貴。

表2 玄武巖纖維與芳綸纖維的對比

2 玄武巖纖維在橡膠制品中的應(yīng)用

2.1 在輪胎中的應(yīng)用

將玄武巖短纖維用在輪胎的各個部件上，既可以很好地改善橡膠的使用性能，同時又降低了生產(chǎn)成本；輪胎的質(zhì)量可以減輕，提高了車的安全性，降低了其與地面的滾動阻力，駕駛的靈活性、舒適性也非常好。

2.1.1 胎面膠

玄武巖短纖維補(bǔ)強(qiáng)胎面膠時，應(yīng)該沿輪胎半徑方向取向（即垂直于路面），可降低滾動阻力12%～18%。再加上玄武巖短纖維有著優(yōu)異的力學(xué)性能，可提高與地面的耐磨性；在高速行駛時，可大大降低胎面與地面摩擦產(chǎn)生的熱量，使得輪胎在行駛過程中有較高的橫向剛度，駕駛的靈活性得以改善。隨著玄武巖短纖維的加入、炭黑用量的減少，使得輪胎的滾動阻力、轉(zhuǎn)向響應(yīng)性都得到改善，也不會影響胎面對地面的抓著力。這樣就不用再花時間去改用兩層結(jié)構(gòu)胎面，而輪胎的抓著性能照樣能夠提高[4]。在廢舊輪胎翻新時加入1%～2%的玄武巖短纖維，翻新輪胎的龜裂性好、耐尖銳物刺穿，整個輪胎的使用壽命延長了。玄武巖短纖維橡膠復(fù)合材料用作胎面膠，在加工上能使擠出物的尺寸穩(wěn)定性提高[5]。

2.1.2 胎側(cè)膠

胎側(cè)膠能防止胎體受機(jī)械損傷、大氣作用及潮濕影響。為了更好地發(fā)揮其作用，在里面可適當(dāng)加入玄武巖短纖維。玄武巖纖維的主要化學(xué)成分是二氧化硅，它能加強(qiáng)纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，同時可以降低含膠率，減少成本。玄武巖短纖維可作補(bǔ)強(qiáng)性填料，不僅絕熱，老化性能亦好，可防止膠料提早硫化。

2.1.3 氣密層膠

玄武巖短纖維用于輪胎氣密層，可以很好地保護(hù)氣密層，提高厚度的均勻性。輪胎在行駛中，氣密層不會由于生熱而產(chǎn)生硬化，氣密層的橡膠彈性有所提高，減少內(nèi)層損傷。

2.1.4 胎圈包布和子口包布

玄武巖纖維布可以更好地取代胎圈包布和子口包布所用的傳統(tǒng)織物。由于玄武巖纖維布具有良好的耐磨性、隔熱性，加工工藝簡單，效率高，成本明顯下降。

2.2 在非輪胎橡膠制品中的應(yīng)用

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，非輪胎橡膠制品的用量是輪胎用量的17～18倍，它們雖工藝簡單，但成本較高。為了更好地降低成本、提高質(zhì)量，玄武巖短纖維作為以前未被充分利用的補(bǔ)強(qiáng)材料，在膠管、膠帶等橡膠制品中應(yīng)用廣泛。

2.2.1 膠管

膠管是由內(nèi)外層和骨架層構(gòu)成的，骨架層的材料以前用的都是棉纖維、各種合成纖維、碳纖維、鋼絲等。然而隨著膠管工藝要求的不斷提高，為使管體達(dá)到優(yōu)異的綜合性能，玄武巖短纖維進(jìn)入了行業(yè)視野。玄武巖短纖維的絕熱性和耐腐蝕性非常好，對一些需要在高溫下工作或輸送化學(xué)品及成品油的膠管而言，使用玄武巖短纖維作為骨架材料是較好的首選材料。一般而言，膠管制造首先是擠出耐膠層，其次進(jìn)行編織或者纏繞，再其次是擠出外膠層，最后是硫化等復(fù)雜的工序。為簡化制造工序，用玄武巖短纖維代替一般織物制造增強(qiáng)膠管，可達(dá)到更好的效果。玄武巖短纖維能充當(dāng)汽車?yán)鋮s裝置軟管、大口徑采油膠管、大口徑輸泥漿軟管、高壓航空膠管等產(chǎn)品的增強(qiáng)材料，被膠管制造商熱捧[6]。玄武巖纖維補(bǔ)強(qiáng)膠管目前在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較多，而我國在這項(xiàng)技術(shù)上還是空白，需要引起更多專家及研究者的關(guān)注。

2.2.2 膠帶

傳動帶和輸送帶作為膠帶的兩種主要產(chǎn)品而被廣泛應(yīng)用。前者主要應(yīng)用在工業(yè)、汽車和農(nóng)機(jī)用的傳動帶、捻線機(jī)的錠帶等，后者廣泛用于煤炭、水泥、鋼鐵、冶煉等行業(yè)。

玄武巖纖維具有強(qiáng)度高、彈性模量高、耐溫性好等特點(diǎn)，常被用在傳動帶中。強(qiáng)度高，可以用于材料和能源消耗小的大功率傳動帶；彈性模量高，可以用于尺寸穩(wěn)定性好、傳動比準(zhǔn)確、工作壽命長的傳動帶；耐溫性好，可以用于高溫工作場合依然尺寸不變的傳動帶。

玄武巖纖維具有突出的耐高溫性能,彈性模量高、穩(wěn)定性好，不易變形。玄武巖纖維用作輸送帶的骨架材料不容易變形，從而很好地避免了輸送帶的“跑長”問題。玄武巖纖維中含有近20%的導(dǎo)電氧化物，在生產(chǎn)中可以減少靜電的產(chǎn)生。另據(jù)有關(guān)資料介紹[7]，玄武巖纖維在交變載荷作用下的穩(wěn)定性和耐久性也很好。由連續(xù)纖維制成的細(xì)棒在長時間(超過9 a)經(jīng)受交變載荷作用后幾乎沒有疲勞破壞的痕跡,即未出現(xiàn)裂紋或其他破壞癥狀。耐疲勞性好這一特性，正是輸送帶帶芯骨架材料所需要的。

3 結(jié) 語

玄武巖纖維非常適合作為橡膠工業(yè)的補(bǔ)強(qiáng)材料，在很多種類的橡膠制品中發(fā)揮著舉足輕重的作用。我國橡膠企業(yè)要在競爭中立于不敗之地，就必須關(guān)注全球的行業(yè)動態(tài)，加大研發(fā)力度，技術(shù)創(chuàng)新，讓玄武巖纖維的價值在橡膠制品中得到更大的發(fā)揮。

[1] 王曙中.對位芳綸的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].產(chǎn)業(yè)用化纖,2001(1):51.

[2] 梁磊,梁玉舫,李謹(jǐn).玄武巖纖維物化性能的研究[J].玻璃纖維,2006(1):15-19.

[3] 王萍,魏煜,吳海波, 等.玄武巖纖維過濾材料水刺工藝研究[J].非織造布,2010, 18(4):10-13.

[4] 游長江, 賈德民, 趙旭升, 等. 高性能輪胎用橡膠復(fù)合材料應(yīng)用理論研究進(jìn)展[J].輪胎工業(yè), 2000(7):387-395.

[5] 張立群, 金日光, 周彥豪, 等. 短纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 橡膠工業(yè),1995,42(3):169-175.

[6] White L. EPDM Compounds for Coolant Hose under Scrutiny[J]. European Rubber Journal,2000,182(11):291.

[7] 謝爾蓋,李中郢. 玄武巖纖維材料的應(yīng)用前景[J]. 纖維復(fù)合材料, 2003(03):17-20.

[責(zé)任編輯：朱 胤]

TQ 330.38+3

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1671-8232(2017)02-0040-03

2016-06-21

楊 堃（1984— ），男，畢業(yè)于西安工程大學(xué)紡織專業(yè)，工程師，主要研究方向?yàn)樾鋷r纖維的織造以及后制品的研發(fā)與應(yīng)用。