玄武巖纖維及其復(fù)合材料的研究進展

1、玄武巖纖維及其復(fù)合材料的研究進展摘要：本文介紹了玄武巖纖維的成分及其結(jié)構(gòu)，詳細(xì)列舉了玄武巖纖維的特點，闡述了玄武巖纖維的生產(chǎn)方法和設(shè)備開發(fā)現(xiàn)狀及其研究進展以及用玄武巖纖維作復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及其研究進展。關(guān)鍵詞 玄武巖纖維 復(fù)合材料 進展玄武巖纖維的原料是天然玄武巖，將玄武巖破碎后加入熔窯中,在14001500熔融后，通過拉伸成纖維,并以此纖維為增強體制成的新型復(fù)合材料。因玄武巖纖維是采用單組分礦物原料熔體制備而成，在耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性、絕緣性、抗摩擦性等許多技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于玻璃纖維，同時，因碳纖維的嚴(yán)重短缺，玄武巖纖維在部分應(yīng)用中可替代昂貴的碳纖維，并且不產(chǎn)生環(huán)境問題。所以玄

2、武巖纖維原料成本低、能耗少、生產(chǎn)過程清潔，是一種生態(tài)環(huán)境材料1，深受各國學(xué)者的關(guān)注2。目前利用玄武巖纖維制備復(fù)合材料的用途國外報道得很多，而國內(nèi)研究較少。玄武巖纖維不僅應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè),還用于航空、造紙、化工、醫(yī)療、交通和軍事等方面。隨著人們對玄武巖纖維的深入研究，它還將廣泛應(yīng)用于尖端技術(shù)領(lǐng)域的高強度、耐高溫、防輻射等復(fù)合材料的制備，值得我們關(guān)注3。1 玄武巖纖維概述1.1 玄武巖纖維的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)玄武巖纖維在原料的選擇上要求玄武巖熔化溫度、成形溫度、析晶上限溫度必須在一定可操作范圍內(nèi)，這就需對玄武巖礦物做一定的篩選。制造纖維的玄武巖要求SiO2含量大于50%，Al2O3含量在18%

3、左右，這種成分賦予玄武巖熔體于高粘度的特性。此外，玄武巖成分中要求FeO和Fe2O3含量高達9%14%，高含量的鐵使熔體呈黑棕色，透熱性只為普通淺色玻璃透熱性的1/5。玄武巖要求含有一定量的K2O、MgO和TiO2，對提高纖維防水性能和耐腐蝕性能起到了重要的作用。隨著現(xiàn)代表征技術(shù)的發(fā)展，玄武巖纖維的結(jié)構(gòu)日益明朗。目前,業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為：內(nèi)部玄武巖纖維為非晶態(tài)物質(zhì),具有近程有序、遠(yuǎn)程無序的結(jié)構(gòu)特征主，要由SiO4四面體形成骨架結(jié)構(gòu)，四面體的兩個頂點互相連接成連SiO3n鏈，鋁原子可以取代硅氧四面體中的硅，也可以氧八面體的形式存在于硅氧四面體的空隙中。鏈的側(cè)方由鈣、鎂、鐵、鉀、鈉、鈦等金屬陽離子進

4、行連接。處于玄武巖纖維表面的金屬離子因配位數(shù)未能滿足而從空氣和水中締合質(zhì)子或羥基,導(dǎo)致表面的羥基化4。1.2 玄武巖纖維的特點相對于其它類型的纖維材料，玄武巖纖維有以下特點：(1)高熱穩(wěn)定性和高的聲熱絕緣特性：玄武巖纖維由于導(dǎo)熱系數(shù)低、工作范圍大、抗震性能好，廣泛應(yīng)用于絕熱保溫材料。另外，由于玄武巖纖維具有多孔結(jié)構(gòu)和無規(guī)則的排列方式，吸聲性能好，可作為生產(chǎn)設(shè)備的聲絕緣材料5。(2)優(yōu)異的力學(xué)性能：玄武巖纖維的抗拉比強度高和彈性模量非常優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于增強性的復(fù)合材料。(3)高電絕緣性能以對電磁波的高透過性：玄武巖纖維具有比玻纖高的電絕緣性，可以將其作為耐熱絕緣材料而廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)的印刷線

5、路板制造等領(lǐng)域，對電磁波的透過性極好，如果在建筑物的墻體中增加一層玄武巖纖維布，則能對各種電磁波產(chǎn)生良好的屏蔽作用。(4)高耐腐蝕性與化學(xué)穩(wěn)定性：玄武巖纖維在堿性溶液中具有獨一無二的化學(xué)穩(wěn)定性，該特性為在橋梁、隧道、堤壩、樓板等混凝土結(jié)構(gòu)以及瀝青混凝土路面、飛機起落跑道等重要且經(jīng)常受到高濕度、酸、堿、鹽類介質(zhì)作用的建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。(5)過濾凈化特性及原料無毒副反應(yīng):玄武巖纖維的過濾系數(shù)高,可用作過濾材料。它成功地在凈化空氣或煙氣的設(shè)備中用作高溫過濾材料,過濾腐蝕性液體或氣體,如過濾熔融鋁,并用作醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的空氣超凈化過濾器等。(6)是玻璃纖維吸濕率的12%15%：正是由于玄武

6、巖纖維的吸濕性極低，所以由玄武巖纖維制造的隔聲隔熱材料在飛機、火箭、船舶制造業(yè)等需要低吸濕性的領(lǐng)域率先得到廣泛的應(yīng)用。(7)與金屬、塑料、碳纖維等材料的良好兼容性:玄武巖連續(xù)纖維和各類樹脂復(fù)合時，比玻璃纖維、碳纖維有著更強的粘合強度。用連續(xù)玄武巖纖維制成的復(fù)合材料在強度方面與玻璃纖維E相當(dāng)，但彈性模量在各種纖維中具有明顯優(yōu)勢。如果在玄武巖纖維中加入一定數(shù)量的碳纖維，并將兩種不同纖維相間混雜編織，其復(fù)合材料的彈性模量、抗拉強度和其它性能都將得到明顯的提高，與純碳纖維復(fù)合材料相比，成本則會大大降低。2 玄武巖纖維的生產(chǎn)方法和設(shè)備開發(fā)研究進展2.1玄武巖纖維的生產(chǎn)方法玄武巖纖維的生產(chǎn)方法目前主要是過

7、熱蒸氣或壓縮空氣垂直噴吹法、離心噴吹法和火焰噴吹法。蒸氣或壓縮空氣垂直噴吹法是利用位于漏板下的噴嘴噴出高速氣流垂直沖擊漏嘴流出的熔體流股。在高速氣流的作用下,熔體流股被分散并被牽引伸成許多細(xì)纖維。這種方法生產(chǎn)的纖維直徑為714µm,長徑比為1：10003000,常用作生產(chǎn)普通玄武巖棉。離心噴吹法是熔體不斷落入離心機的分配器內(nèi),在離心力的作用下,熔體從分配器向外甩至離心機的內(nèi)表面,并從離心器筒體壁上的0.81.2µm的小孔甩出。軟化的細(xì)流股在高溫高速的氣流中被拉伸成細(xì)纖維。生產(chǎn)的纖維直徑為114µm的短纖維,也可生產(chǎn)普通玄武巖棉。這種工藝的不利之處在于所采用的鉑銠漏

8、板質(zhì)量達2.5kg,且漏板穩(wěn)定性不高,使用不超過3個月就需替換、維修和補充貴重材料的消耗。因此,最近有報道新工藝法生產(chǎn)超細(xì)玄武巖纖維,即以冷坩堝感應(yīng)熔化與空氣立吹玄武巖熔體流股相結(jié)合為基礎(chǔ)。此法是單獨利用動力介質(zhì)的較為有效的方法,與火焰噴吹法生產(chǎn)相比,節(jié)約成本50%?；鹧鎳姶捣ㄊ巧a(chǎn)玄武巖超細(xì)纖維的主要方法,其工藝過程如下:將玄武巖原料加入池窯,熔化后從漏嘴流出,在漏板下方形成一次纖維；一次纖維在旋轉(zhuǎn)膠輥和導(dǎo)絲裝置的引導(dǎo)下,被成排地送到燃燒器噴出的高溫高速氣流中,經(jīng)二次熔化、拉伸，形成20200nm的定長超細(xì)纖維。其中由于玄武巖熔體的透熱性比玻璃熔體低,容易結(jié)晶,拉絲區(qū)域的粘度高,必須建造特殊

9、熔爐和拉絲裝置。2.2玄武巖纖維的設(shè)備開發(fā)研究進展目前國內(nèi)有專利報道:采用1根鉑金導(dǎo)料管將通道中最佳部位的熔體引導(dǎo)到漏板里,這樣的設(shè)計保證了熔體的粘度符合拉絲需要,又不太接近其析晶溫度。同時為了保證拉絲的質(zhì)量,漏板各部分的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)根據(jù)原料成分、原絲直徑和產(chǎn)量等因素進行特殊設(shè)計,以確保溫度沿整個漏板均勻分布。另外,由于在漏板下方形成纖維時易形成固體氧化物,影響了后序的工藝操作。Popovskij V M發(fā)明了一種生產(chǎn)玄武巖超細(xì)纖維的高效節(jié)能設(shè)備和生產(chǎn)方法6:連續(xù)供料系統(tǒng)將玄武巖連續(xù)輸送至4000等離子火炬區(qū)(等離子形成是由碳正負(fù)電極之間的放電將電極間的氣體電離為等離子并產(chǎn)生高溫),隨后流動的熔

10、巖通過一個底部水冷的裝置進入積蓄區(qū),進入有高速氣流的噴嘴系統(tǒng)進行分散并形成纖維于金屬氧化物分離,此系統(tǒng)能有效阻止固體氧化物的產(chǎn)生。所制得的纖維的固體氧化物含量低于4%。池窯是生產(chǎn)玄武巖纖維的關(guān)鍵設(shè)備,必須對熔化溫度和氣氛進行嚴(yán)格控制。其關(guān)鍵為池窯的設(shè)計7、加熱方式和金屬換熱器的熱效率。獨聯(lián)體國家針對玄武巖的特點,對設(shè)計單元窯提出了專門計算公式；Denisov G A通過對池窯的設(shè)計8,增大了制造纖維的產(chǎn)率且設(shè)備易于維護,提高了設(shè)備的使用率。我國目前對池窯的加熱方式有火焰法和電加熱。另外,據(jù)文獻報道:Gogoladze Paata等采用電極在熔體內(nèi)部加熱,同時采用淺層熔化法,可以有效提高玄武巖熔

11、化效率,減少熔體上下溫差,并提高窯中熔體的均勻性9。胡顯奇的專利中采用中高頻(1300kHz)感應(yīng)加熱法熔化玄武巖。該專利與傳統(tǒng)的熔融技術(shù)及裝置相比,具有熱能均勻分布且利用率高、熔化溫度高、連續(xù)加熱和熔融速度快、裝置簡單、成本低、熔融體溫度和粘度容易實行自動化控制等優(yōu)點10。對池窯漏板結(jié)構(gòu)研究的專利報道也較多11,主要圍繞簡化結(jié)構(gòu)和節(jié)約成本。另外,有專利報道在玄武巖熔化時,通過添加Li2O為總量的0.5%1%后下絲。這種方法減少了制造纖維消耗,拓寬了選材范圍,提高了玄武巖纖維的性能。3 玄武巖纖維復(fù)合材料的研究進展3.1 玄武巖纖維增強復(fù)合材料由于玄武巖纖維具有比普通玻璃纖維更高的拉伸強度、彈

12、性模量以及更好的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良的耐久性,用玄武巖纖維制成的增強復(fù)合材料在強度方面與E波纖相當(dāng)12,13,在其它方面都優(yōu)于玻纖,并且與金屬、塑料、無機非金屬材料等材料有良好的兼容性,在某些方面將有取代碳纖維作為增強復(fù)合材料的應(yīng)用前景14。采用玄武巖纖維作為增強物制得的復(fù)合材料,主要根據(jù)其纏繞和編織、分布方式及其填充混容物的不同而應(yīng)用于各個領(lǐng)域?；烊菸镆话阌玫氖怯袡C高分子或者無機非金屬材料以及金屬、碳纖維等15,通過有機粘合劑和礦物粘合劑或者纖維的改性使其粘合16。短切纖維及纖維肋、織物用作混凝土、水泥、瀝青的增強體,使混凝土、水泥、瀝青的強度和韌性極大增強,且破碎性和對裂縫的敏感度減弱17,1

13、8,可用于建筑物和橋梁等的補強、加固、更新19以及道路表面增強,機場起落跑道等。用玄武巖纖維和織物浸漬樹脂后纏繞為壓力塑料管,可以使產(chǎn)品的物理及機械性能達到最佳化,可用于輸送石油、天然氣、化學(xué)腐蝕液體和電纜管道,如用金屬材料進行填充可制得高壓鋼瓶。玄武巖纖維與樹脂的粘合強度高于玻璃纖維,利用聚乙烯、聚丙烯20為基體,通過環(huán)氧樹脂粘合可制成高強性能的復(fù)合材料,可利用其纖維的吸濕性應(yīng)用于制造漁船、游艇船體和防腐、防水門窗,既達到了防腐、防水的效果又增強了材料的強度。但這些復(fù)合材料的力學(xué)性能依賴于玄武巖纖維的含量和排列的方向21。為解決此問題,通過對玄武巖短切纖維聚酰銨復(fù)合材料的研究指出,復(fù)合材料的

14、結(jié)構(gòu)隨聚酰銨的量而改變,10%20%的聚酰銨同玄武巖纖維形成無序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這一性質(zhì)極大地增強了復(fù)合材料的機械性而無需對纖維的長度和編織有更高的要求,該研究成果大大降低了復(fù)合材料的成本。但該技術(shù)尚有許多缺陷,需要進一步探索。目前,對玄武巖纖維增強復(fù)合材料的研究主要集中在對其纏繞和編織、分布方式上進行一系列的開發(fā)22、23。如日本發(fā)明了一種汽車用的材料24,其內(nèi)外表面是由玄武巖纖維編織的纖維板,而內(nèi)層是由三維網(wǎng)狀玄武巖纖維組成的骨架結(jié)構(gòu),骨架內(nèi)由熱硬化性添加劑和聚亞胺酯填充,通過熱擠壓形成一種高硬、高強、易處理的材料。3.2 玄武巖纖維聲、熱絕緣復(fù)合材料玄武巖纖維的導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維直徑的減小而減小

15、,隨纖維密度的增大先減小后增大,選用合適細(xì)度和密度的玄武巖纖維可使玄武巖纖維導(dǎo)熱系數(shù)很低,此種玄武巖纖維可作為熱絕緣復(fù)合材料25。同時由于此種玄武巖纖維的使用溫度范圍和抗震性能優(yōu)于玻纖,因此可應(yīng)用于高溫和超低溫設(shè)備以及高溫作業(yè)的防護服和低溫保溫服26。由于玄武巖纖維織成的板狀和網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)具有多孔結(jié)構(gòu)和無規(guī)則的排列方式,吸聲性能好,玄武巖纖維吸聲能力隨著纖維層厚度的增加和密度的減少而增強,玄武巖纖維可制成聲絕緣復(fù)合材料應(yīng)用于航空、船舶、機械制造、建筑行業(yè)中作為隔音材料。用玄武巖纖維還可以制造一系列兼?zhèn)渎?、熱隔絕性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料,這類材料不燃燒,加熱時不會分解出有害氣體,工作溫度可以達到6007

16、00,在與其它材料匹配使用時的工作溫度可以達到1000,在防火墻、防火門、電纜通孔等特殊工業(yè)或高層建筑防火設(shè)施中大有其用武之地。用玄武巖纖維作聲、熱絕緣復(fù)合材料與玄武巖纖維產(chǎn)品選用及在復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)聯(lián),Kodera Ka-zuo通過適當(dāng)?shù)男鋷r纖維產(chǎn)品選用與樹脂、碳纖維的混合編織,制得了性能優(yōu)越的聲、熱絕緣復(fù)合材料。3.3 玄武巖纖維抗摩擦復(fù)合材料目前最常用的抗摩擦復(fù)合材料的纖維為鋼纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維和石棉纖維等,但這幾種纖維又各有優(yōu)缺點。例如鋼纖維雖然強度較高、熱穩(wěn)定性好,但比重大、易銹蝕、易損傷對偶；玻璃纖維雖然強度高、價格便宜,但在高溫時易熔化,會導(dǎo)致材料性能的下

17、降,使摩擦性能不穩(wěn)定；芳綸纖維和碳纖維雖然各方面性能優(yōu)異,但其價格昂貴；石棉材料具有強度高、表面活性好、摩擦磨損性能好、混合料分散均勻等優(yōu)異的性能,但由于石棉是一種危害人類健康的致癌物質(zhì),且石棉粉塵的污染非常大。而玄武巖纖維不僅強度高、熱穩(wěn)定性好、不易損傷對偶、磨損低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定,而且價格適宜,將成為無石棉纖維的首選材料。目前玄武巖纖維抗摩擦復(fù)合材料主要用于汽車用摩擦材料27,如:制動及離合裝置、汽車輪胎等。Adamczak Loic等28采用20%50%的玄武巖纖維及丙烯酸纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、銅纖維編成輪胎襯套,此襯套熱穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損低且震動和噪聲較小?？傊?玄武巖纖維

18、復(fù)合材料,因玄武巖纖維本身卓越的特性,可用于制得各種各樣的功能復(fù)合體型材,如:防水復(fù)合材料、電磁屏蔽材料、過濾材料、可降解生態(tài)復(fù)合材料等。隨著人們對玄武巖纖維的深入研究,它將廣泛應(yīng)用于尖端技術(shù)領(lǐng)域的高強度、耐高溫、防輻射等復(fù)合材料的制備。4 結(jié)束語玄武巖纖維因原料易得、成本較低和綜合性能優(yōu)異、生產(chǎn)無三廢等優(yōu)點而逐漸受到人們青睞,國內(nèi)外雖對玄武巖纖維的生產(chǎn)方法和設(shè)備及其復(fù)合材料研究較多,但對制備玄武巖纖維的耐高溫耐板、池窯結(jié)構(gòu)、拉絲裝置和加熱熔化、拉絲方法仍有待進一步改善,以求在成本低、結(jié)構(gòu)簡單的基礎(chǔ)上制得更細(xì)、更優(yōu)良的玄武巖纖維,這將是今后對玄武巖纖維研究的一個熱點。在對玄武巖纖維增強復(fù)合材料

19、方面的研究較多,但對金屬、碳、陶瓷纖維與玄武巖纖維混雜復(fù)合材料的研究較少。由于玄武巖纖維同金屬、碳、陶瓷纖維具有良好的兼容性,如在這些纖維中加入一定量的玄武巖纖維做成制品,其彈性模量和一系列絲束性能將會得到本質(zhì)的提高,同時,由于使用的這些纖維量很少,其價格能在市場上接受,因此,開發(fā)這種新型的混雜復(fù)合材料,不僅可以提高其性能而且能降低成本,使其具有更優(yōu)越的市場競爭性。可以展望,隨著人們對玄武巖纖維研究的深入,它將在未來各個領(lǐng)域中發(fā)揮越來越大的作用。參考文獻1 王廣健,尚德庫,胡琳娜,等.玄武巖纖維的表面修飾及生態(tài)環(huán)境復(fù)合過濾材料的制備與性能研究J.復(fù)合材料學(xué)報,2004,21(1):382 Ji

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