玄武岩纤维组成及优异性能

金友信

（天津工业大学,天津 300160）

综述

玄武岩纤维组成及优异性能

金友信

（天津工业大学,天津 300160）

文章主要概述了玄武岩纤维的优异性质,包括玄武岩纤维的组成及化学耐久性、物理性能、机械力学性能、高温稳定性能等。

玄武岩纤维;组成;优异性能

1 概述

玄武岩连续纤维以纯天然玄武岩矿石为原料,将矿石破碎后加入熔窑中,在1450～1500℃熔融后,制成玄武岩纤维。玄武岩连续纤维的制备由原料制备工艺、熔制工艺、成型工艺和退解工艺组成。玄武岩的化学组成一般为：SiO2、A 12O3、CaO、M gO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O 等及少量杂质,其中主要成分为 SiO2、A 12O3、CaO和M gO,次要成分是Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O等。

2 不同化学组分会赋予纤维特定的性能

SiO2是玄武岩所含有的主要氧化物,由它组成的结构骨架有利于纤维的弹性和化学稳定性。当SiO2含量增高时能提高熔体的粘度,一方面有利于制取长纤维,但另一方面也使原料熔化困难,增加熔体形成纤维的温度。A 12O3在纤维中也进入结构骨架网络,有利于提高纤维的化学稳定性,当A 12O3含量较少时,可改善熔体的粘度,对制取细纤维有利。但A 12O3大量提高时,则使熔体的粘度增加,原料熔化变得困难起来,必须提高熔化温度和熔体形成纤维时的温度。

CaO在纤维结构中不利于形成坚固的骨架,因为它是一种弱碱性的氧化物,其作用与酸性的氧化物SiO2、A 12O3相反,能够降低纤维的化学稳定性和熔体的粘度,并有利于原料的熔化和制取细纤维。

M gO按其化学性质来说类似于CaO,也属于碱性氧化物,它对熔体的粘性和纤维网络的影响近似于CaO。根据实验,往配料中加入M gO时在相当程度上可以替代CaO的影响。当部分取代时可适当提高纤维的化学耐久性和表面张力并扩大熔体形成纤维时的粘度范围,对制造短纤维的工艺操作有利,但当M gO含量或取代CaO量较高时则不利于熔体形成纤维并容易产生渣球,M gO含量较高时会增大析晶倾向。

TiO2在玄武岩中含量较低,它的存在可提高纤维的化学稳定性和熔体的表面张力和粘度,有利于形成长纤维。

Fe2O3和FeO在熔化过程中由于焦炭的还原作用会发生价态变化,甚至还原成金属铁。另外Fe2O3还具有强烈的染色作用并提高表面张力,容易在制取纤维的过程中产生黑色渣球。但是另一方面,在原材料配方中大量引入 Fe2O3（矿石）后可提高纤维的使用温度。

K2O、Na2O可以降低熔化温度、熔体粘度,加宽成型温度范围,但同时又降低了纤维的化学耐久性和使用温度。

当高炉矿渣中含有少量M nO或采用锰矿作为主要原料时,能降低熔化温度,并提高纤维的化学稳定性。

Cr2O3能提高纤维的化学耐久性,也提高熔体的表面张力,容易产生渣球。

根据以上的分析我们可以得出如下结论：

（1）SiO2的含量增加有利于提高纤维的弹性;

（2）SiO2、A 12O3、TiO2、M nO 和 Cr2O3的含量增加可提高纤维的化学稳定性;

（3）SiO2、A 12O3、TiO2含量增加时 ,可提高熔体的粘度,有利于制取长纤维;

（4）CaO、M gO的含量增加有利于原料的熔化和制取细纤维;

（5）在原料配方中大量引入 Fe2O3（矿石）后可提高纤维的使用温度。

根据上述分析结果,通过选取特定成分含量的玄武岩,我们可以设计出以下具有特殊优异性能的特种玄武岩连续纤维：①高弹性玄武岩连续纤维及其复合材料;②优质耐化学腐蚀性玄武岩连续纤维及其复合材料;③使用温度高于800℃的玄武岩连续纤维;这正是本项目的创新点所在,它在制造普通玄武岩连续纤维的基础上,根据玄武岩中化学成分含量的不同,有侧重性地选取不同成分含量的玄武岩,使得制造出的玄武岩连续纤维具有特殊的优异性能。我们所拉制的特种玄武岩连续纤维性能与普通玄武岩连续纤维相比,其性能有了很大的提高。普通玄武岩连续纤维的弹性模量在90～110（GPa）之间,高弹性玄武岩连续纤维的弹性模量在110～220（GPa）之间。耐化学腐蚀性玄武岩纤维的化学稳定性也有了很大提高,具体参数如表1所示：

表1 普通玄武岩纤维与耐化学腐蚀玄武岩纤维的化学稳定性对比

3 主要技术性能指标

纤维材料有很多种,如碳纤维、陶瓷纤维、硅土纤维、玻璃纤维、化学纤维、金属纤维、木纤维等。与这些纤维相比,玄武岩纤维在许多方面都表现出了优异的性能。

这些优异的性能主要表现在下述方面：

3.1 玄武岩纤维优异的化学性能

玄武岩纤维含有的 K2O、M gO和 TiO2等成分,对提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到了重要的作用。表2对比玄武岩纤维与玻纤的化学稳定性。从对比中可以看出,在酸溶液（2 mol/L HCL）中煮沸3 h后,玄武岩纤维的重量损失率为2.2%,而无碱玻纤损失率为38.9%,几乎是玄武岩纤维的20倍。说明玄武岩纤维在酸性介质中具有更加稳定的化学性。其耐酸性能大大优于玻纤。在碱溶液（2 mol/L NaOH）中煮沸3 h后,玄武岩纤维的重量损失率比无碱玻纤减少20%,说明玄武岩纤维比无碱玻纤具有更优异的耐碱性能（注：无碱玻纤是玻纤毓中耐碱能力最好的纤维）。在煮沸的水溶液中,玄武岩纤维的耐水能力也大大优于玻璃纤维,是玻纤的3.5倍。在室温水溶液中,玄武岩纤维24 h的吸水性（%）为0.02,而无碱玻纤为1.7,其防水能力是玻纤的85倍。

表2 玄武岩纤维与玻纤的化学稳定性对比

3.2 玄武岩纤维优异的物理性能

玄武岩属难熔矿石,熔化温度在1500℃以上,烧结温度达1060℃,普通玄武岩纤维的有效使用温度范围为-260～700℃,特种玄武岩纤维则高达982℃。说明玄武岩纤维具有优异的耐高温和耐低温性能,其使用温度范围大大超过其它类别纤维。

玄武岩纤维的热传导系数低于其它类别纤维。因而具有优良的绝热性能。玄武岩纤维的吸音系数大于玻纤等其它纤维,故是一种理想的隔音材料。玄武岩纤维的比体积电阻比无碱玻纤高一次方,具有优良的电绝缘性能,是一种理想的电绝缘电子材料。表3列出了各种纤维材料物理性能的对比。

表3 各种纤维材料物理性能的对比

3.3 玄武岩纤维优异的机械力学性能

玄武岩纤维具有很高的拉伸强度,见表4。与无碱（E）玻纤及碳纤维相当,在所有类别纤维中是最高的。玄武岩纤维的弹性模量是无碱玻纤的1.5倍,是高强 S玻纤的1.9倍,仅低于碳纤维。从机械力学性能看,玄武岩纤维是介于碳纤维与玻璃纤维之间的一种纤维,远远优于聚丙烯等化纤及木纤。因此,玄武岩纤维是一种非常理想的复合材料加强纤维。对于玄武岩纤维加强的复合材料,表5列出了各种加强纤维与环氧树脂复合形成的复合材料的性能对比。从表5中可以看出,玄武岩纤维单向增强复合材料,其抗拉强度与无碱玻纤相当,但拉伸模量高出无碱玻纤50%～70%,高出 S玻纤93%,高出A ramid纤维20%。

表4 各种纤维的机械力学性能对比

3.4 玄武岩纤维优异的高温稳定性能

除了上述性能外,玄武岩纤维还具有优异的高温稳定性。高温稳定性是指在加热等高温条件下保持其各项力学、物理及化学性能的能力。表6列出了玄武岩纤维与无碱玻纤在高温条件下抗拉强度下降的对比。从对比中可以看出,玄武岩纤维的高温力学性能大大优于无碱玻纤。试验还指出,玄武岩纤维还具有优异的高温化学稳定性。玄武岩纤维在70℃热水作用下在1200 h后才失去部分强度,而在此条件下无碱玻纤经过200 h后基本上失去强度。

表5 各种纤维增强环氧树脂复合材料的机械性能比较

表6 玄武岩纤维与无碱玻纤高温力学性能对比

4 结语

玄武岩纤维及其复合材料可以较好地满足国防建设、交通运输、建筑、石油化工、环保、电子、航空、航天等领域结构材料的需求,对国防建设、重大工程和产业结构升级具有重要的推动作用。它

既是21世纪符合生态环境要求的绿色材料,又是一个在世界高技术纤维行业中可持续发展的有竞争力的新材料产业。尤其是我国已经拥有自主知识产权的玄武岩纤维制造技术及工艺,并且以“后来居上”的后发展优势达到了国际领先水平,因此,大力发展玄武岩纤维及其复合材料产业无疑具有重要的意义。

[1] 谢尔盖.李中郢.玄武岩纤维材料的应用前景[J].纤维复合材料,2003,（3）：17—20.

[2] 霍冀川,雷永林,王海滨,刘树信.玄武岩纤维的制备及其复合材料的研究进展[J].材料导报,2006,（S1）：382—385.

[3] 沈晓梅,刘华武,刘长雷.玄武岩纤维的发展及其应用[J].山东纺织科技,2007,（3）：48—51.

Composition and Superior Property of Basalt Fibre

J IN You-xin
（Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China）

The superior p roperty of basalt fibre was generally introduced,incuding its composition,chem ical envionmental resistance,physical and mechanical p roperty and high temperature resistance,etc.

basalt fibre;composition;superio r p roperty

TS102.4+1

A

1009-3028（2010）02-0037-04

2010-02-08

金友信（1986—）,男,浙江平阳人,学士。