玄武巖是一種堅(jiān)硬、致密的火山巖，在全球大多數(shù)國(guó)家都可以找到，它是一種火成巖，這意味著它開始時(shí)處于熔融狀態(tài)。多年來(lái)，玄武巖一直用于建筑應(yīng)用。然而，在過(guò)去的十幾年中，玄武巖已成為復(fù)合材料纖維增強(qiáng)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)者。玄武巖纖維是繼碳纖維、芳綸、聚乙烯纖維等之后的一種低成本、高性能、潔凈程度理想的新纖維。

　　玄武巖纖維及其復(fù)合材料具有力學(xué)強(qiáng)度高，物理和化學(xué)性能好，可以用來(lái)制作高端產(chǎn)品；就是與價(jià)格昂貴的碳纖維相比，二者的綜合性能也不相上下，玄武巖纖維有些性能還好于碳纖維，而其成本按現(xiàn)在的市場(chǎng)價(jià)還不及碳纖維的十分之一。且玄武巖纖維的性能非常接近碳纖維。所以玄武巖纖維有望替代昂貴的碳纖維，生產(chǎn)碳-玄武巖復(fù)合材料。

　　美國(guó)德州的玄武巖連續(xù)纖維工業(yè)聯(lián)盟指出：“玄武巖連續(xù)纖維是碳纖維的低價(jià)替代品，具有一系列優(yōu)異性能，尤為重要的是，由于它取自天然礦石而無(wú)任何添加劑，是迄今為止唯一無(wú)環(huán)境污染、不致癌的綠色健康玻璃質(zhì)纖維產(chǎn)品，具有廣闊的市場(chǎng)需求和應(yīng)用前景”。

　　我國(guó)在玄武巖纖維生產(chǎn)方面起步較晚，但發(fā)展很快。目前在工藝及設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、纖維性能、終端纖維制品的開發(fā)等方面，已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。同時(shí)，我國(guó)玄武巖資源十分豐富，甘肅、黑龍江、新疆、山西、四川等地均有大量的玄武巖礦產(chǎn)資源分布。我國(guó)也已把玄武巖纖維列為重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維（碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯、玄武巖纖維）之一，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

　　開發(fā)、研究和生產(chǎn)

　　玄武巖纖維是玄武巖礦石經(jīng)過(guò)高溫熔融后，通過(guò)高速拉絲漏板拉制而成。來(lái)自法國(guó)巴黎的 Paul Dhé 是第一個(gè)提出從玄武巖中擠出纖維的想法的人。他于1923 年獲得美國(guó)專利。1960 年左右，美國(guó)和蘇聯(lián)開始研究玄武巖纖維的應(yīng)用，特別是在導(dǎo)彈等軍事硬件中。

　　在美國(guó)西北部， 集中了大量的玄武巖層。華盛頓州立大學(xué)R.V.Subramanian 對(duì)玄武巖的化學(xué)成份、擠出條件和玄武巖纖維的理化特性進(jìn)行了研究。歐文斯科寧(OC) 公司和其他幾家玻璃公司都進(jìn)行了一些獨(dú)立研究項(xiàng)目，并取得了一些美國(guó)專利。然而，大約在1970 年前后，美國(guó)玻璃公司放棄了玄武巖纖維的研究。

　　與此同時(shí)，蘇聯(lián)和東歐方面的研究工作仍在繼續(xù)。今天，玄武巖纖維的研究、生產(chǎn)和市場(chǎng)應(yīng)用大部分都是基于蘇聯(lián)研究成果。

　　玄武巖纖維的生產(chǎn)采用連續(xù)工藝，在許多方面與制造玻璃纖維的工藝相似。開采出來(lái)的玄武巖首先被破碎，然后被清洗并裝入與進(jìn)料器相連的料箱中，進(jìn)料器將材料移動(dòng)到燃?xì)饧訜釥t的熔池中。在這里，該過(guò)程實(shí)際上比玻璃纖維加工更簡(jiǎn)單，因?yàn)樾鋷r纖維的成分不太復(fù)雜。玻璃通常由 50% 的硅砂與硼、鋁和/或幾種其他礦物質(zhì)的氧化物混合而成，這些材料在進(jìn)入熔爐之前必須獨(dú)立送入計(jì)量系統(tǒng)。與玻璃不同，玄武巖纖維不含有輔助材料。該工藝僅需要一條進(jìn)料線即可將碎玄武巖輸送到熔爐中。另一方面，玄武巖纖維制造商對(duì)玄武巖原石的純度和稠度的直接控制較少。雖然玄武巖和玻璃都是硅酸鹽，但熔融玻璃在冷卻時(shí)會(huì)形成非晶態(tài)固體。

　　巖石到纖維

　　火焰噴吹是常用的玄武巖纖維生產(chǎn)方法，破碎后的玄武巖在1450~1500℃加熱至熔融狀態(tài)，經(jīng)過(guò)漏嘴形成一次纖維；一次纖維經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)膠輥和導(dǎo)絲裝置后，被輸送到高溫、高速氣流中，經(jīng)過(guò)第二次融化、拉伸后，制成長(zhǎng)度為20~200nm 的定長(zhǎng)超細(xì)纖維。

　　玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝決定了其生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)硼或其它堿金屬氧化物排出，因此其煙塵中無(wú)有害物質(zhì)析出，對(duì)大氣不會(huì)造成污染。且產(chǎn)品廢棄后可直接在環(huán)境中降解，無(wú)任何危害，因此是一種名副其實(shí)的綠色、環(huán)保材料。

　　與玻璃纖維一樣，玄武巖絲由鉑銠套管形成。當(dāng)它們冷卻時(shí)，會(huì)施加上漿劑，并將長(zhǎng)絲移動(dòng)到速度控制的纖維拉伸設(shè)備，然后移動(dòng)到卷繞設(shè)備，在卷繞設(shè)備上將纖維卷繞起來(lái)。

　　纖維到織物

　　一旦生產(chǎn)商掌握了纖維制造，他們面臨著額外的挑戰(zhàn)，因?yàn)楫a(chǎn)品被轉(zhuǎn)換成有用的增強(qiáng)形式。例如，Basaltex 很早就發(fā)現(xiàn)，直接從織布機(jī)上織出的玄武巖織物很脆弱，在處理時(shí)很容易損壞，在急劇折疊或彎曲時(shí)會(huì)出現(xiàn)纖維斷裂，并且對(duì)皮膚有刺激性。為了使產(chǎn)品更穩(wěn)定，Basaltex開發(fā)了一種專有的硅烷基施膠劑，方便后期加工。涂層加熱時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有毒煙霧，也不會(huì)降低纖維的耐火性能。一個(gè)重要的因素，最初較差的織物性能是纖維損傷過(guò)程中發(fā)生的纖維。如今，漿紗和精細(xì)生產(chǎn)技術(shù)的結(jié)合可以最大限度地減少損傷，并使玄武巖纖維制造商能夠生產(chǎn)出堅(jiān)固的纖維，這些纖維可以編織和編織，而不會(huì)抑制預(yù)期的性能。

　　雖然玄武巖纖維還沒有得到廣泛的應(yīng)用，但它正慢慢地進(jìn)入消費(fèi)者的手中。一種常見的用途是在消防部門，因?yàn)樗母呷埸c(diǎn)。由Basaltex 進(jìn)行的防火測(cè)試將其玄武巖織物置于本生燈前，使火焰的黃色尖端與織物直接接觸。黃色尖端達(dá)到1100° C 至1200° C（2012° F 至2192°F）的溫度，并使織物變得紅熱，類似于金屬織物。當(dāng)暴露在火焰中時(shí)，玄武巖纖維能長(zhǎng)時(shí)間保持其物理完整性，而同樣密度的電子玻璃制成的織物能在幾秒鐘內(nèi)被火焰穿透。

　　它的耐燃性使玄武巖纖維成為摩擦應(yīng)用中的石棉替代品，例如復(fù)合制動(dòng)片，因?yàn)樗诟邷叵虏粫?huì)軟化，也不會(huì)沉積在制動(dòng)系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)物（制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓）上。連續(xù)玄武巖纖維也被用作其他傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)材料。此外，玄武巖纖維容易受潮，因此能夠快速樹脂浸漬，使其適合樹脂傳遞模塑、灌注模塑和拉擠成型。所有由玻璃纖維制成的產(chǎn)品都可以由玄武巖纖維制成。

　　原料到應(yīng)用

　　連續(xù)玄武巖纖維可被制成粗紗、細(xì)紗、土工布、編織布、短切紗、針刺氈、套管等，應(yīng)用于不同領(lǐng)域。玄武巖纖維具有優(yōu)越的化學(xué)、物理、力學(xué)及高溫性能，因此它可在各行各業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。

　　玄武巖纖維產(chǎn)品在復(fù)合材料方面明顯優(yōu)于玻璃纖維。在短切氈、粗紗和單向織物形式中，玄武巖纖維表現(xiàn)出比玻璃纖維更高的斷裂載荷和楊氏模量（對(duì)給定材料剛度的度量）。在比利時(shí)Luvin 大學(xué)復(fù)合材料系的IgnaasVerpoest 教授進(jìn)行的玄武巖纖維和E-玻璃纖維的研究中，通過(guò)浸漬環(huán)氧樹脂玻璃和玄武巖并纏繞在芯棒上，然后壓制層壓板直至達(dá)到完全固化，制備了單向預(yù)浸料。切割135 mm×15 mm（5.3英寸×0.6 英寸）的樣品并測(cè)量其厚度。然后對(duì)試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（ISO178）和ILSS 試驗(yàn)（ISO 14130），以測(cè)試強(qiáng)度和剛度。Verpoest 報(bào)告說(shuō)，每個(gè)樣品的纖維體積分?jǐn)?shù)為40%，但玄武巖/環(huán)氧樹脂樣品的強(qiáng)度比E-glass樣品高13.7%，硬度比E-glass 樣品高17.5%，盡管玄武巖樣品比E-glass 樣品重3.6%。

　　此外，玄武巖纖維天然抗紫外線（UV）和高能電磁輻射，在低溫下保持其性能，并提供更好的耐酸性。據(jù)報(bào)道，玄武巖在工人安全和空氣質(zhì)量方面也具有優(yōu)越性。由于玄武巖是火山活動(dòng)的產(chǎn)物，因此纖維化過(guò)程比玻璃纖維更環(huán)保。此外，玄武巖是100% 惰性的，也就是說(shuō)，它與空氣或水沒有毒性反應(yīng)，是不燃和防爆的。

　　防火隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用：玄武巖纖維織成的防火布耐高溫、隔熱效果好、無(wú)熔融滴落、無(wú)有毒氣體排出、無(wú)熱收縮，是防火服、防火毯、防火簾的優(yōu)良材料，耐溫可高達(dá)650℃，極限氧指數(shù)大于68, 大大優(yōu)于芳綸等到有機(jī)纖維。

　　基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用：玄武巖纖維拉伸強(qiáng)度高、耐酸堿、化學(xué)性能穩(wěn)定，可部分替代碳纖維片，用于基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)、更新和加固；亦可替代聚脂纖維、聚炳烯纖維、聚炳烯腈纖維，用于增強(qiáng)砂漿混凝土和瀝青混凝土，具有較強(qiáng)的防滲抗裂功效，可廣泛用于高速公路、飛機(jī)跑道、海港碼頭、水電工程建筑等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。

　　在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用：玄武巖纖維是一種新型的綠色環(huán)保材料，可用于環(huán)保領(lǐng)域有害介質(zhì)、氣體的過(guò)濾、吸附和凈化，特別是在高溫過(guò)濾領(lǐng)域，玄武巖纖維的長(zhǎng)期使用溫度是650℃，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)過(guò)濾材料，是過(guò)濾基布、過(guò)濾材料、耐高溫氈的首選材料。

　　玄武巖纖維增強(qiáng)塑料（BFRP）的應(yīng)用：以玄武巖纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料可用于防彈裝甲、雷達(dá)罩、炮管熱護(hù)、吸波透波隱身材料等國(guó)防領(lǐng)域；也可用于車船結(jié)構(gòu)、耐壓耐腐蝕管道、纏繞鋼瓶、印刷電路板等民用領(lǐng)域。

　　另外，玄武巖纖維還是碳纖維的低價(jià)替代品，具有一系列優(yōu)異性能。尤為重要的是，由于它取自天然礦石而無(wú)任何添加劑，是目前為止唯一的無(wú)環(huán)境污染的、不致癌的綠色健康玻璃質(zhì)纖維產(chǎn)品。所以玄武巖纖維在復(fù)合材料的增強(qiáng)材料領(lǐng)域的應(yīng)用，已引起廣泛的重視并將快速發(fā)展。

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