摘要：本文介紹了玄武岩纖維的成分及其結構，詳細列舉了玄武岩纖維的特點，。
關鍵詞玄武岩纖維複合材料進展
玄武岩纖維的原料是天然玄武岩，將玄武岩破碎後加入熔窯中,在1400~1500℃熔融後，通過拉伸成纖維,並以此纖維為增強體制成的新型複合材料。因玄武岩纖維是採用單組分礦物原料熔體製備而成，在耐高溫性、化學穩定性、耐腐蝕性、導熱性、絕緣性、抗摩擦性等許多技術指標優於玻璃纖維，同時，因碳纖維的嚴重短缺，玄武岩纖維在部分應用中可替代昂貴的碳纖維，並且不產生環境問題。所以玄武岩纖維原料成本低、能耗少、生產過程清潔，是一種生態環境材料[1]，深受各國學者的關注[2]。
目前利用玄武岩纖維製備複合材料的用途國外報道得很多，而國內研究較少。玄武岩纖維不僅應用於工業、農業、建築業,還用於航空、造紙、化工、醫療、交通和軍事等方面。隨著人們對玄武岩纖維的深入研究，它還將廣泛應用於尖端技術領域的高強度、耐高溫、防輻射等複合材料的製備，值得我們關注[3]。
1 玄武岩纖維概述
1.1 玄武岩纖維的化學成分和結構
玄武岩纖維在原料的選擇上要求玄武岩熔化溫度、成形溫度、析晶上限溫度必須在一定可操作範圍內，這就需對玄武岩礦物做一定的篩選。製造纖維的玄武岩要求sio2含量大於50%，al2o3含量在18%左右，這種成分賦予玄武岩熔體於高粘度的特性。此外，玄武岩成分中要求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。
玄武岩要求含有一定量的k2o、mgo和tio2，對提高纖維防水效能和耐腐蝕性能起到了重要的作用。
隨著現代表徵技術的發展，玄武岩纖維的結構日益明朗。目前,業內人士普遍認為：內部玄武岩纖維為非晶態物質,具有近程有序、遠端無序的結構特徵主，要由[sio4]四面體形成骨架結構，四面體的兩個頂點互相連線成連[sio3]n鏈，鋁原子可以取代矽氧四面體中的矽，也可以氧八面體的形式存在於矽氧四面體的空隙中。
鏈的側方由鈣、鎂、鐵、鉀、鈉、鈦等金屬陽離子進行連線。處於玄武岩纖維表面的金屬離子因配位數未能滿足而從空氣和水中締合質子或羥基,導致表面的羥基化[4]。
1.2 玄武岩纖維的特點
相對於其它型別的纖維材料，玄武岩纖維有以下特點：
(1)高熱穩定性和高的聲熱絕緣特性：玄武岩纖維由於導熱係數低、工作範圍大、抗震效能好，廣泛應用於絕熱保溫材料。另外，由於玄武岩纖維具有多孔結構和無規則的排列方式，吸聲效能好，可作為生產裝置的聲絕緣材料[5]。
(2)優異的力學效能：玄武岩纖維的抗拉比強度高和彈性模量非常優異，可廣泛應用於增強性的複合材料。
(3)高電絕緣效能以對電磁波的高透過性：玄武岩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用於電子工業的印刷線路板製造等領域，對電磁波的透過性極好，如果在建築物的牆體中增加一層玄武岩纖維布，則能對各種電磁波產生良好的遮蔽作用。
(4)高耐腐蝕性與化學穩定性：玄武岩纖維在鹼性溶液中具有獨一無二的化學穩定性，該特性為在橋梁、隧道、堤壩、樓板等混凝土結構以及瀝青混凝土路面、飛機起落跑道等重要且經常受到高濕度、酸、鹼、鹽類介質作用的建築結構中的應用開闢了廣闊的前景。
(5)過濾淨化特性及原料無毒副反應:玄武岩纖維的過濾係數高,可用作過濾材料。它成功地在淨化空氣或煙氣的裝置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,並用作醫學領域中的空氣超淨化過濾器等。
(6)是玻璃纖維吸濕率的12%~15%：正是由於玄武岩纖維的吸濕性極低，所以由玄武岩纖維製造的隔聲隔熱材料在飛機、火箭、船舶製造業等需要低吸濕性的領域率先得到廣泛的應用。
(7)與金屬、塑料、碳纖維等材料的良好相容性:玄武岩連續纖維和各類樹脂復合時，比玻璃纖維、碳纖維有著更強的粘合強度。用連續玄武岩纖維製成的複合材料在強度方面與玻璃纖維e相當，但彈性模量在各種纖維中具有明顯優勢。
如果在玄武岩纖維中加入一定數量的碳纖維，並將兩種不同纖維相間混雜編織，其複合材料的彈性模量、抗拉強度和其它效能都將得到明顯的提高，與純碳纖維複合材料相比，成本則會大大降低。
2 玄武岩纖維的生產方法和裝置開發研究進展
2.1玄武岩纖維的生產方法
玄武岩纖維的生產方法目前主要是過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於漏板下的噴嘴噴出高速氣流垂直衝擊漏嘴流出的熔體流股。在高速氣流的作用下,熔體流股被分散並被牽引伸成許多細纖維。
這種方法生產的纖維直徑為7~14m,長徑比為1：1000~3000,常用作生產普通玄武岩棉。
離心噴吹法是熔體不斷落入離心機的分配器內,在離心力的作用下,熔體從分配器向外甩至離心機的內表面,並從離心器筒體壁上的0.8~1.2m的小孔甩出。
軟化的細流股在高溫高速的氣流中被拉伸成細纖維。生產的纖維直徑為1~14m的短纖維,也可生產普通玄武岩棉。這種工藝的不利之處在於所採用的鉑銠漏板質量達2.
5kg,且漏板穩定性不高,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超細玄武岩纖維,即以冷坩堝感應熔化與空氣立吹玄武岩熔體流股相結合為基礎。此法是單獨利用動力介質的較為有效的方法,與火焰噴吹法生產相比,節約成本50%。
火焰噴吹法是生產玄武岩超細纖維的主要方法,其工藝過程如下:將玄武岩原料加入池窯,熔化後從漏嘴流出,在漏板下方形成一次纖維；一次纖維在旋轉膠輥和導絲裝置的引導下,被成排地送到燃燒器噴出的高溫高速氣流中,經二次熔化、拉伸，形成20~200nm的定長超細纖維。其中由於玄武岩熔體的透熱性比玻璃熔體低,容易結晶,拉絲區域的粘度高,必須建造特殊熔爐和拉絲裝置。
2.2玄武岩纖維的裝置開發研究進展
目前國內有專利報道:採用1根鉑金導料管將通道中最佳部位的熔體引導到漏板裡,這樣的設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量,漏板各部分的結構尺寸應根據原料成分、原絲直徑和產量等因素進行特殊設計,以確保溫度沿整個漏板均勻分布。
另外,由於在漏板下方形成纖維時易形成固體氧化物,影響了後序的工藝操作。popovskij v m發明了一種生產玄武岩超細纖維的高效節能裝置和生產方法[6]:連續供料系統將玄武岩連續輸送至4000℃等離子火炬區(等離子形成是由碳正負電極之間的放電將電極間的氣體電離為等離子並產生高溫),隨後流動的熔岩通過乙個底部水冷的裝置進入積蓄區,進入有高速氣流的噴嘴系統進行分散並形成纖維於金屬氧化物分離,此系統能有效阻止固體氧化物的產生。
所製得的纖維的固體氧化物含量低於4%。
池窯是生產玄武岩纖維的關鍵裝置,必須對熔化溫度和氣氛進行嚴格控制。其關鍵為池窯的設計[7]、加熱方式和金屬換熱器的熱效率。獨立國協國家針對玄武岩的特點,對設計單元窯提出了專門計算公式；denisov g a通過對池窯的設計[8],增大了製造纖維的產率且裝置易於維護,提高了裝置的使用率。
我國目前對池窯的加熱方式有火焰法和電加熱。另外,據文獻報道:gogoladze paata等採用電極在熔體內部加熱,同時採用淺層熔化法,可以有效提高玄武岩熔化效率,減少熔體上下溫差,並提高窯中熔體的均勻性[9]。
胡顯奇的專利中採用中高頻(1~300khz)感應加熱法熔化玄武岩。該專利與傳統的熔融技術及裝置相比,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點[10]。對池窯漏板結構研究的專利報道也較多[11],主要圍繞簡化結構和節約成本。
另外,有專利報道在玄武岩熔化時,通過新增li2o為總量的0.5%~1%後下絲。這種方法減少了製造纖維消耗,拓寬了選材範圍,提高了玄武岩纖維的效能。
3 玄武岩纖維複合材料的研究進展
3.1 玄武岩纖維增強複合材料
由於玄武岩纖維具有比普通玻璃纖維更高的拉伸強度、彈性模量以及更好的化學穩定性和優良的耐久性,用玄武岩纖維製成的增強複合材料在強度方面與e波纖相當[12,13],在其它方面都優於玻纖,並且與金屬、塑料、無機非金屬材料等材料有良好的相容性,在某些方面將有取代碳纖維作為增強複合材料的應用前景[14]。
採用玄武岩纖維作為增強物製得的複合材料,主要根據其纏繞和編織、分布方式及其填充混容物的不同而應用於各個領域。混容物一般用的是有機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[17,18],可用於建築物和橋梁等的補強、加固、更新[19]以及道路表面增強,機場起落跑道等。
用玄武岩纖維和織物浸漬樹脂後纏繞為壓力塑料管,可以使產品的物理及機械效能達到最佳化,可用於輸送石油、天然氣、化學腐蝕液體和電纜管道,如用金屬材料進行填充可製得高壓鋼瓶。
玄武岩纖維與樹脂的粘合強度高於玻璃纖維,利用聚乙烯、聚丙烯[20]為基體,通過環氧樹脂粘合可製成高強效能的複合材料,可利用其纖維的吸濕性應用於製造漁船、遊艇船體和防腐、防水門窗,既達到了防腐、防水的效果又增強了材料的強度。但這些複合材料的力學效能依賴於玄武岩纖維的含量和排列的方向[21]。為解決此問題,通過對玄武岩短切纖維聚醯銨複合材料的研究指出,複合材料的結構隨聚醯銨的量而改變,10%~20%的聚醯銨同玄武岩纖維形成無序的網狀結構,這一性質極大地增強了複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複合材料的成本。
但該技術尚有許多缺陷,需要進一步探索。
目前,對玄武岩纖維增強複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[22、23]。如日本發明了一種汽車用的材料[24],其內外表面是由玄武岩纖維編織的纖維板,而內層是由三維網狀玄武岩纖維組成的骨架結構,骨架內由熱硬化性新增劑和聚亞胺酯填充,通過熱擠壓形成一種高硬、高強、易處理的材料。
3.2 玄武岩纖維聲、熱絕緣複合材料
玄武岩纖維的導熱係數隨纖維直徑的減小而減小,隨纖維密度的增大先減小後增大,選用合適細度和密度的玄武岩纖維可使玄武岩纖維導熱係數很低,此種玄武岩纖維可作為熱絕緣複合材料[25]。同時由於此種玄武岩纖維的使用溫度範圍和抗震效能優於玻纖,因此可應用於高溫和超低溫裝置以及高溫作業的防護服和低溫保溫服[26]。由於玄武岩纖維織成的板狀和網狀的結構具有多孔結構和無規則的排列方式,吸聲效能好,玄武岩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,玄武岩纖維可製成聲絕緣複合材料應用於航空、船舶、機械製造、建築行業中作為隔音材料。
用玄武岩纖維還可以製造一系列兼備聲、熱隔絕效能的復合結構材料,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600~700℃,在與其它材料匹配使用時的工作溫度可以達到1000℃,在防火牆、防火門、電纜通孔等特殊工業或高層建築防火設施中大有其用武之地。用玄武岩纖維作聲、熱絕緣複合材料與玄武岩纖維產品選用及在複合材料中的結構有很大關聯,kodera ka-zuo通過適當的玄武岩纖維產品選用與樹脂、碳纖維的混合編織,制得了效能優越的聲、熱絕緣複合材料。
玄武岩纖維菱鎂複合材料管材
摘要 近些年來，隨著諸多新型材料的出現，玄武岩纖維和菱鎂材料也被復合在了一起，製作出了新的複合材料。本文對玄武岩纖維增強菱鎂材料的復合管材的製作技術及其特點進行闡述，並就起特點對其改進和發展提出見解。關鍵詞 玄武岩纖維 菱鎂復合管材 纖維纏繞 1.引言 纖維纏繞技術通常是纖維和樹脂基製作複合材料的一...
玄武岩的特點及其用途
玄武岩也是一種優質的交通建築用石，特別是建築修築公路 鐵路 港口碼頭 機場跑道等工程中最好的建築材料之一，其具有抗壓強度大 壓碎值低 耐磨 吸水率低 導電性弱 抗腐蝕性強 瀝青粘附性強等特點，國際認可，是發展鐵路運輸及公路運輸最好的基石。同時玄武岩出色的抗壓抗折條件效能，而且耐磨性好，吸水率低的原因...
玄武岩纖維在建築材料中的應用
墊！墊 建築科學 玄武岩纖維在建築材料中的應用 王帥 倪卓邢鋒 深圳大學土木工程學院廣東深圳 深圳大學化學與化工學院廣東深期 摘要 本文介紹了玄武岩纖維的效能 研究現狀和應用情況，重點介紹了玄武岩纖維在水泥混覆土及建築結構中的應用，對玄武岩纖 維在建築材料中的耐久性問題進行了評述。關鍵詞 玄武岩圩堆...