一、玄武巖連續(xù)纖維研發(fā)過程及現(xiàn)狀

玄武巖連續(xù)纖維作為一種新型綠色環(huán)保材料出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代初，從70年代開始，美國和德國的科學(xué)家先后對玄武巖連續(xù)纖維的制備進(jìn)行了大量的研究，但是均未能成功地實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。在60?70年代，前蘇聯(lián)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，著手研制玄武巖連續(xù)纖維。烏克蘭建筑材料工業(yè)部設(shè)立了專門的別列切絕熱隔音材料科研生產(chǎn)聯(lián)合體，主要任務(wù)是研制玄武巖連續(xù)纖維及其制品的制備工藝，經(jīng)過十幾年的探索，終于在1985年研制成功，并于該年實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

現(xiàn)今前蘇聯(lián)諸國的玄武巖連續(xù)纖維池窖有的已發(fā)展到年產(chǎn)700噸的規(guī)模，使用400孔的鉑金漏板拉絲技術(shù);美國玄武巖連續(xù)纖維池窖經(jīng)過幾十年的發(fā)展已達(dá)到1000?1500噸的規(guī)模，使用800孔漏板拉絲技術(shù)。

連續(xù)性玄武巖纖維自實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)至 今已有20多年,在此期間，我國國家建筑科學(xué)研究院和南京玻璃纖維研究設(shè)計院也先后開展了對玄武巖連續(xù)纖維的研發(fā)，但是都沒有成功。2002年9月國家科技部將“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”項目列入國家863計劃，深圳俄金碳材料科技有限公司承扭了該計劃課題，成功研制出“一段法”生產(chǎn)工藝 即采用純天然玄武巖，不加任何輔料進(jìn)行玄武巖連續(xù)纖維生產(chǎn)，此后其以技術(shù)成果作價入股成立了“橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖連續(xù)纖維有限公司”，將其成果轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

二、玄武巖連續(xù)纖維性能

2.1玄武巖連續(xù)纖維組成及結(jié)構(gòu)

玄武巖連續(xù)纖維由玄武巖礦石經(jīng)熔融、拉絲等工藝制得，纖維密度大約在2. 6?3. 05g/cm3，主要組份為二氧化硅、三氧化二鋁三氧化二鐵羞化亞鐵二氧化釹歲化鈉等。各組份含量如表1所示(隨產(chǎn)地的不同含量存在差異)。

玄武巖連續(xù)纖維組份中硅氧化物所占比例最大，由它形成了纖維的鏈狀結(jié)構(gòu)骨架，三氧化二鋁也進(jìn)入結(jié)構(gòu)骨架網(wǎng)絡(luò)中，在鏈的側(cè)方由陽離子鐵、欽、銷等進(jìn)行連接形成結(jié)果穩(wěn)定的非晶態(tài)物質(zhì)。各組份對玄武巖連續(xù)纖維性能產(chǎn)生不同的影響，其作用如表2所示。

2.2玄武巖連續(xù)纖維的性能

玄武巖連續(xù)纖維屬于非晶態(tài)物質(zhì)，化學(xué)穩(wěn)定性好，使用溫度范圍大(工作溫度約為 269?900 °C)，具有良好的力學(xué)性能，導(dǎo)熱系數(shù)及吸濕能力低且不隨溫度變化，無毒不易燃，廢棄后可天然降解，是一種“綠色環(huán)保材料”。

(1)玄武巖連續(xù)纖維的化學(xué)性能玄武巖連續(xù)纖維具有良好的耐酸堿性， 耐水性也相當(dāng)強(qiáng)，屬于一級耐水材料，有實驗指出玄武巖連續(xù)纖維在70 °C水中，經(jīng)過1200小時后，才失去部分強(qiáng)力。

表3 給出了玄武巖連續(xù)纖維和E4璃纖維在不同介質(zhì)中煮沸3小時后的重量損失。從表中可以看出，與璃纖維相比，玄武巖連續(xù)纖維具有更突出的化學(xué)穩(wěn)定性。

(2)玄武巖連續(xù)纖維物理機(jī)械性能玄武巖連續(xù)纖維具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能(如表4)，拉伸強(qiáng)度、彈性模量及斷裂伸長都較大，在一些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，完全可以代替玻 璃纖維減纖維等充當(dāng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體，且 性價比較其優(yōu)越。

三、玄武巖連續(xù)纖維的制備

3.1原料選擇

玄武巖在全球分布極其廣泛，然而并不是所有的玄武巖都滿足于生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的要求，為順利實現(xiàn)熔融和拉絲，玄武巖各組份含量必須滿足一定要求(見表5)，且表示玄武巖中基本酸性氧化物與堿性氧化物的比值的酸性模量要在3?6. 5之間，即有6. 5> (SiCb + Ab〇3)/ (CaO + MgO) > 3 (酸性模量在一定程度上反應(yīng)了玄武巖連續(xù)纖維的化學(xué)穩(wěn)定性及使用壽命的高低)。只有滿足上述要求的玄武巖礦石才能夠用于拉制玄武巖連續(xù)纖維。

3.2 生產(chǎn)工藝

玄武巖連續(xù)性纖維以天然玄武巖礦石為 原料，粉碎后加入池窖中，在1450 °C? 1500 °C經(jīng)熔融后拉絲制得。目前玄武巖連續(xù)纖維的生產(chǎn)多采用池窖化生產(chǎn)和多孔大漏板拉絲，工藝流程主要包括原料制備工藝、熔制工藝、成型工藝和退解工藝等。

(玄武巖短切纖維)

玄武巖礦石原料與纖維成品比率可達(dá)1:1:1，在玄武巖中氧化亞鐵和氧化鐵的含量較高，所以在熔制過程中必須嚴(yán)格控制氧化還原氣氛。為實現(xiàn)穂定拉絲，前爐一般采用短通路，以便熔融玄武巖液體在短時間內(nèi)通 過，與此同時需配以短漏嘴和熱風(fēng)式絲根冷 卻器等。

四、玄武巖連續(xù)纖維復(fù)合材料

玄武巖連續(xù)纖維在復(fù)合材料領(lǐng)域內(nèi)越來越受到青睞，其原因可歸結(jié)為三點：

1、現(xiàn)今碳纖維供貨緊張，貨源奇缺，價格暴漲，迫使人們?nèi)ふ倚詢r比更高的替代品;

2、“綠色 環(huán)?！睆?fù)合材料引起研究者的廣泛關(guān)注，采用 可天然降解的材料來制造日常消耗品等，可以實現(xiàn)綠色環(huán)保要求;

3、玄武巖連續(xù)纖維做為一種環(huán)保材料，可天然降解且具備較高性能，性價比較為優(yōu)越，完全可以滿足上述要求。

因此對玄武巖連續(xù)纖維在復(fù)合材料中應(yīng)用的研究日漸增多，我國科技部對玄武巖連續(xù)纖維的研究也給予了極大的關(guān)注和重視，自2002年將“玄武巖連續(xù)性纖維極其復(fù)合材料”項目列入863計劃后，2004年5月、11月國家科技部又將其列入國家級火炬計劃、國家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金。

目前，玄武巖連續(xù)纖維復(fù)合材料研究及應(yīng)用主要包括以下幾個方面。

4.1過濾材料

玄武巖連續(xù)纖維與植物纖維復(fù)合開發(fā)過濾材料，其目的之一便是利用原料可天然降解性開發(fā)出性能優(yōu)良的綠色復(fù)合材料，從源頭控制污染，實現(xiàn)“零排放”。

國內(nèi)研究者制造該材料所采用工藝為：玄武巖連續(xù)纖維表面預(yù)修飾處理、配料、打漿添加化學(xué)添加劑4少片、干燥、成品等。具體過程為：稱取一定量本色針葉纖維素纖維板，加入適量水中浸泡數(shù)小時后，將其撕成碎片，在打漿機(jī)上進(jìn)行打漿，達(dá)到要求打漿度后，利用打散器將一定量經(jīng)過弱堿處理的玄武巖連續(xù)纖維分散于水中，加入纖維素纖維， 再依次加入少量的分散劑聚乙烯醇等化學(xué)試劑，然后在抄紙機(jī)上利用濕法制備纖維復(fù)合材料，經(jīng)千燥后即可成型。

配料比通過正交實驗分析得出最佳配比為：玄武巖連續(xù)纖維和植物纖維各占50%復(fù)合材料中，添加3 %聚乙烯醇、2 %的合成乳膠。所得濾材性能如下：透氣性10 mm水柱 650ml/min，耐折度20次，撕裂強(qiáng)度 2320mN ，撕裂指數(shù)18. 3mN?m2/ g。

4. 2筑路材料

目前玄武巖連續(xù)纖維作為筑路材料應(yīng)用 途徑主要有兩種：一種是以纖維布的形式應(yīng) 用于土工格柵中，另一種則是利用玄武巖連 續(xù)纖維復(fù)合材料與瀝青混合直接用于筑路。 應(yīng)用玄武巖連續(xù)纖維土工格柵的瀝青路面抗 疲勞開裂性航低溫縮裂性對高溫車轍性等 均得到提高，并且加強(qiáng)了路面土基，使路面使 用壽命得到提高。與玻璃纖維土工格柵相比，玄武巖連續(xù)纖維土工格柵性能較其優(yōu)越，較適當(dāng)。

國內(nèi)研究者嘗試?yán)煤Ｅ菔⑿鋷r連 續(xù)纖維制造的纖維復(fù)合材料與瀝青混合用于 筑路，以提高路面的使用性能和使用壽命，結(jié) 果取得了成功。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)混料中海泡石對 瀝青表現(xiàn)出極強(qiáng)的吸持能力，可吸附一定量 的自由瀝青和瀝青油份，有效調(diào)節(jié)瀝青質(zhì)與 膠漿的含量;經(jīng)改性后的玄武巖連續(xù)纖維在 瀝青中主要起“橋接”和“加筋”作用。由此法 制得混料由于兩種纖維的作用互補(bǔ)，使瀝青 混料的性質(zhì)得到顯著改善，具有良好的耐水 性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗疲勞性.

4.3日耗品

通過玄武巖連續(xù)纖維和植物纖維復(fù)合制 造纖維復(fù)合材料用于日耗品(如快餐盒、一次性紙杯濃用育苗缽等)，可實現(xiàn)制品的天然降解，對環(huán)境無污染，充分體現(xiàn)了綠色環(huán)保性。

國內(nèi)研究者應(yīng)用與濕法造紙類似工藝制備該纖維復(fù)合材料，其工藝為：配料、打漿、測定打漿度、成型、熱軋固化、切邊等。具體工藝為，將植物纖維加適量水浸泡一定時間，然后進(jìn)行打漿，達(dá)到一定打漿度后，在漿料中添加玄武巖連續(xù)纖維繼續(xù)打漿至要求打漿度，在漿料中按一定比例加入添加劑，如濕強(qiáng)劑、防水劑、防油劑等，并攪拌均勻，然后通過成型、固化、切邊等工藝制造出各種日耗品。

國內(nèi)研究人員對配料比進(jìn)行過正交實驗分析，得出最佳配比為：玄武巖連續(xù)纖維含量40 % 4直物纖維含量48%、濕強(qiáng)劑4%、防水劑6 %妨油劑2 %，打漿度60° SR;用此配比抄得試片性能如下：耐折度30次，撕裂度550Mn，透氣度2.1um/pa. s，吸水率0. 065，吸油率0.10 (注：由于試片未進(jìn)行表面處理吸油率和吸水率均偏高)。

4.4增強(qiáng)材料

玄武巖連續(xù)纖維與E—玻璃纖維相比， 具有更高的使用溫度和彈性模量;大量的實驗和實踐證明了玄武巖連續(xù)纖維的耐水性、 耐酸性耐堿性、耐高溫性都很好，且比較穩(wěn)定;該纖維和各類樹脂復(fù)合時，比玻璃纖維、 碳纖維有更強(qiáng)的親和力，作為基礎(chǔ)工業(yè)的復(fù)合材料增強(qiáng)體有很好的發(fā)展前景，特別是玄武巖連續(xù)纖維應(yīng)用在建筑工程材料中，與碳纖維等相比有性價比優(yōu)勢。

4.5玄武巖連續(xù)纖維的其它用途

武巖連續(xù)纖維除上述應(yīng)用外，也可應(yīng)用于制備熱絕緣材料、聲絕緣材料成震材料等。

五、結(jié)束語

玄武巖連續(xù)纖維是一種具有獨特性能的非金屬基礎(chǔ)材料，對玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料研究以及產(chǎn)業(yè)化的實施，有可能形成一個新的綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)，對我國建筑、航空航天我車船舶制造、石油化工、電子等高技術(shù)領(lǐng)域的工業(yè)產(chǎn)品帶來積極的影響。連續(xù)玄武巖連續(xù)纖維在建筑領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用有非常廣闊的前景，在民用和軍工某些領(lǐng)域也將發(fā)揮重要的作用。