连续玄武岩纤维的研究进展及应用

吴佳林

(广东职业技术学院，广东 佛山 528041)

连续玄武岩纤维(Continous Basalt Fibre，以下简称CBF) 是一种无机纤维。它是以天然玄武岩矿石作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1 450～1 500 ℃ 熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维[1]。由于玄武岩熔化过程中没有硼和其它碱金属氧化物排出，使玄武岩连续纤维的制造过程对环境无害，无工业垃圾，不向大气排放有害气体，故CBF被誉为21世纪的新材料[2]。玄武岩纤维一般可分为普通玄武岩棉、超细玄武岩纤维和CBF。与碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维等其它高科技纤维相比，CBF具有许多独特的优点，如突出的力学性能、耐高温、耐酸碱、吸湿性低，此外还有绝缘性好、绝热隔音性能优异、良好的透波性能等优点。以CBF为增强体可制成各种性能优异的复合材料，可广泛应用于航空航天、建筑、化工、医学、电子、农业等军工和民用领域。

1 CBF发展现状

1.1 国外发展现状

以玄武岩为主要原料生产的岩棉自从1840年首先在英国威尔斯试制成功到现在已有160多年的历史[3]。前苏联莫斯科玻璃和塑料研究院于1953～1954年开发出CBF[4]。l959年德国人报道有关玄武岩棉的生产装置。1960～1970年，前苏玻璃钢与玻璃纤维科研院乌克兰分院根据前苏联国防部的指令，着手研制CBF。乌克兰建筑材料工业部设立了专门的绝热隔音材料科研生产联合体，主要任务是研制CBF及其制品制备工艺的生产线。联合体的科研实验室于1972年开始研究制备CBF，曾经研制出20多种CBF制品的生产工艺[5]；1985年CBF研制成功并实现了工业化生产。由此可知，CBF开发成功和投入生产的历史有30多年左右。在这期间，乌克兰、俄罗斯、美国等几个国家都陆续建立起了CBF制造工厂。近几年来，国际上例如美国、日本、德国等一些科技发达国家都加强了对CBF这一新型非金属无机纤维的研究开发，并取得了一系列新的应用研究成果。

1.2 国内发展现状

我国玄武岩分布很广，因此具有稳定的原料来源。我国对于玄武岩纤维的研究始于20世纪70年代起，当时国家建筑材料科学院和南京玻璃纤维研究设计所曾先后进行相应的研究，但没获得成功。玄武岩纤维项目在2001年6月被列为中俄两国政府间科技合作项目；2002年8月，我国将“连续玄武岩纤维及其复合材料”列入国家863计划。目前该项目成为各地发展高技术材料热门选择的对象。“十五”期间，拥有自主知识产权的863计划成果为玄武岩纤维项目的产业化奠定了坚实的基础。2003年，该863计划成果与浙江民营企业对接成立了横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司。2004年开始在上海实现产业化，目前技术己经达到国内领先水平，部分技术达到国际先进水平和领先水平。从而为今后大规模稳定生产CBF奠定了基础。2008年被列为国家重点新产品项目。近年来，玄武岩纤维在我国发展较为迅速，我国成为拥有世界上最领先的玄武岩纤维生产技术的几个国家之一，多家研究机构相继发表了许多研究成果。国内生产玄武岩纤维企业主要有上海横店、浙江石金、四川航天拓鑫、牡丹江金石、山西巴塞奥特、辽宁金石、营口洪源、江苏天龙、河北通辉等9家。2010年纤维总产量粗略统计在2 000 t左右，有专家学者预测：2020年为10万 t左右[6]。

2 连续玄武岩纤维的应用

2.1 CBF在纺织领域的应用

玄武岩纤维具有较高的强度和适当的断裂伸长，这些力学性能指标有利于纺织加工生产。目前，玄武岩纤维在纺织领域的应用研究主要有以下三个方面：玄武岩纤维纱；玄武岩纤维布；玄武岩纤维毡。

(1)玄武岩纤维纱的品种主要有玄武岩纤维纱、玄武岩纤维无捻粗纱、玄武岩短纤纱与玄武岩纤维膨体纱。玄武岩纤维纺织纱是由多根连续玄武岩纤维原丝经一次加捻而成的纱线。大体可以分为织造和其他工业用纱。赵明良等[7]研究和确定了适合在改进的环锭纺细纱机上纺制棉/玄武岩纤维赛络纺包芯纱的工艺参数；周荣稳等[8]通过与玻璃纤维对比，研究了玄武岩纤维纱线拉伸性能、耐热水、耐酸碱性以及耐高温性能，结果表明，玄武岩纤维具有比玻璃纤维更好的耐酸碱腐蚀性和高温稳定性能，为玄武岩纤维纱在纺织生产方面的应用提供基础。何青[9]在横机上，选用玻璃纤维纱与毛腈混纺纱作为玄武岩纤维纱的对比纱，在不同工艺参数下编织圆筒形平针和1×1罗纹织物，分析比较这些参数对线圈长度及纱线强力损伤率的影响趋势，重点探讨玄武岩纤维纱线的可编织性，并最终得出它的最佳编织工艺范围，为玄武岩纤维纱选择合理的编织工艺参数提供可靠的依据，具有实际应用价值。

(2)玄武岩纤维布是采用玄武岩纤维纱加工而成的织物，包括基布、防火布、土工布和多轴向布等。MING Zhi-hong等[10]在电脑横机上分别编织连续玄武岩纤维变化纬平针和不同垫纱比的衬垫织物4种预制件。通过VARTM技术制成复合材料，测试样品的纵向、横向拉伸性能。结果表明：衬垫纱的浮线可以明显提高织物的横向拉伸性能，为玄武岩纤维及纬编增强复合材料的生产设计和应用提供依据。张明星[11]以玄武岩纤维梭织平纹织物和针织罗纹、双罗纹、纬平针及罗纹空气层4种针织物为试验材料，通过测试，得出拉伸载荷-伸长位移曲线，分析了载荷与伸长位移间的内在关系，为玄武岩纤维纺织增强体的应用提供了依据。徐艳华[12]分别选用不同线密度的高强高模量玄武岩纤维作为经纱、纬纱和针织纱编织织物，采用VARTM工艺制作玄武岩纤维/乙烯复合材料。测试复合材料的拉伸性能，结果表明：这种复合材料具有较好的轴向拉伸性能，横向和纵向的拉伸性能均优于斜向，其拉伸断裂均为脆性断裂。

(3)玄武岩纤维毡是由玄武岩单纤维无序交错穿插而形成的无定向三维微孔结构，主要包括玄武岩纤维针刺毡、玄武岩纤维表面毡和玄武岩纤维短切原丝毡。玄武岩纤维毡多用于复合材料，由于玄武岩纤维的电绝缘性好，具有透波和吸波性能，是高性能汽车和舰船的优质材料。

2.2 CBF在建筑领域的应用

随着我国连续玄武岩纤维的批量生产，由于玄武岩纤维良好的性能，这种材料开始引入土木工程领域，引起国内外专家的广泛关注。近年来玄武岩纤维在建筑领域的应用主要体现在以下几个方面。

(1)纤维增强混凝土方面。在搅拌混凝土的同时加入短切玄武岩纤维制成玄武岩纤维增强混凝土，用于新建结构。李为民等[13]研究了短切玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应，给出了不同体积掺量的玄武岩纤维混凝土的应力-应变曲线，并且通过试验得出了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土的冲击韧性随平均应变率的变化曲线，从而得出结论：在一定体积掺量情况下玄武岩纤维的增韧效果优于碳纤维 ，并且确定了最佳体积掺量。

(2)建筑结构加固、修复方面。将玄武岩纤维制成织物或片材，黏贴到混凝土表面用于混凝土的补强、修复与加固。目前常用的加固材料主要是碳纤维和芳纶纤维，然而这两种纤维成本均相对较高。随着玄武岩纤维的出现，尤其是其具有高强、高模的特点，成为纤维材料补强的替代品[14]。

(3)玄武岩纤维增强塑料(FRP)筋方面。把玄武岩纤维制成束状的玄武岩纤维增强塑料筋用在现浇混凝土结构中代替钢筋，用于新建结构。长期以来，在钢筋混凝土结构中一直存在钢筋锈蚀引起的结构耐久性问题，特别是在一些侵蚀环境下的钢筋混凝土结构，由于混凝土的碳化和氯离子的侵蚀，使混凝土逐渐中性化，钢筋钝化膜受到破坏后，钢筋开始被腐蚀。而玄武岩纤维由于独特的性能，如耐高温和低温热稳定性、高的耐酸碱性和化学稳定性、耐紫外线光照、抗老化性能良好、性价比高等优点，可将其制成玄武岩FRP筋用于混凝土结构或预应力混凝土结构来代替钢筋和预应力钢筋。邹鹏程等[15]进行了玄武岩纤维布约束钢筋混凝土圆柱段的轴心受压试验，并且根据试验数据作出了玄武岩纤维布约束钢筋混凝土柱的应力-应变曲线。

2.3 CBF在过滤环保领域的应用

随着工业的不断发展，由此带来的一系列环境污染的问题也越来越严重，大量工业三气排放是对大气造成污染的主要原因，提高排放烟气的洁净程度是有利于环境保护的必要措施。玄武岩纤维由于其良好的特性，可作气固分离和液固分离的多种过滤材料，因此可以在过滤材料领域发挥较大的作用。

(1)耐高温过滤材料。受高温烟气工况条件的限制，一般的纤维不适合作高温烟气过滤材料，目前用于高温烟气过滤的材料主要有芳纶、玻璃纤维、聚苯硫醚和聚四氟乙烯等高性能纤维。芳纶纤维的极限氧指数值为29%，属于难燃纤维。芳纶纤维是水解性纤维，耐氧化性差，不能用于高温烟气中含有水分和氧化物的工况条件，使用温度也不宜超过190 ℃。玻璃纤维使用温度为260 ℃，最高使用温度在 290～450 ℃。但是玻璃纤维耐磨性差，耐折性差，不耐HF，影响其使用寿命。聚苯硫醚、聚酰亚胺和聚四氟乙烯等高性能纤维虽然综合性能较好，但价格较高，主要依赖进口。玄武岩纤维的使用温度范围为-269～700 ℃，最高使用温度在860～900 ℃，具有突出的耐温性能，而且价格合理，性价比高，是未来高温过滤材料的首推材料[16]。

(2) 耐酸碱过滤材料。玄武岩纤维具有稳定的化学性能，当需要对含有酸碱性物质的材料进行过滤时，可以选用化学稳定性非常好的玄武岩纤维作为过滤材料。冯建民等[17]研究了玄武岩针刺滤料与其他三种市场上常见的针刺过滤毡，30 ℃下经酸碱溶液不同时间的腐蚀后的拉伸性能变化。结果表明，玄武岩纤维复合针刺过滤材料耐酸性能优良，耐酸性与其他三种针刺毡相当，耐碱性略优于它们；另外玄武岩纤维复合针刺过滤材料本身的耐酸性优于耐碱性。王明超等[18]研究玄武岩纤维在2 mol/L NaOH中煮沸3 h，玄武岩纤维质量仅损失2.2%，玄武岩纤维的耐酸性优于耐碱性。

2.4 CBF在公路交通领域的应用

玄武岩纤维在路面及混凝土结构中具有单丝抗拉强度极高、弹性模量高、断裂延伸率适中、抗锈蚀能力极强，生产工艺短、能耗低、性价比高、纯天然绿色环保等特点，尤其是在建设创新型国家、创新型行业、节能减排、低碳及长寿命的交通设施建设中越来越引起公路工程技术界的广泛关注和积极推广应用。甄娜娜[19]通过实例和路用性能分析玄武岩纤维可以改善沥青混合料的疲劳性能、高温稳定性、水稳定性等，在沥青混合料中渗加玄武岩纤维具有重要的意义。易波[20]比较石灰岩和玄武岩在沥青玛蹄脂碎石中的适应性，可以促进石灰岩在实际工程中的应用。罗鑫[21]研究玄武岩纤维对地质聚合物混凝土(GC)性能的改善能力，能够改善GC的抗压、抗折强度；为BFRGC在机场道面快速修补提供了更加广阔的应用前景。

2.5 其他方面的应用

基于玄武岩纤维所具有的独特性能，除了以上几方面应用外，另外玄武岩纤维在隔音材料[22]、电力工业、农业和军事等领域都具有广阔的应用前景。

3 结 语

玄武岩纤维的优良特性和市场的需求使其得到快速发展。随着进一步的深入研究和大规模的工业化生产，玄武岩纤维将在许多领域扮演重要的角色。因此加快对玄武岩纤维及其制品的研究与开发符合国家产业化发展政策，有利于促进我国矿产资源的合理开发和综合利用，对促进建立一种低投入、高产出、少排放、能循环、可持续发展的资源节约型、环境友好型社会有着举足轻重的意义。

[1] Vanvoom B，Smit H H G，Sinke R J,et a1．Natural fiber reinforced sheet moulding compound[J]．Composites Part A，2001，32(5)：1271-1273.

[2] 崔毅华．玄武岩连续纤维的基本特性[J]．纺织学报，2005，26(5)：57-60．

[3] 王岚, 陈阳，李振伟．连续玄武岩纤维及其复合材料的研究[J]．玻璃钢/复合材料，2000 (6)：22-24．

[4] 石钱华．国外连续玄武岩纤维的发展及其应用[J]．玻璃纤维，2003 (4)：27-31．

[5] 陈阳．一种新型矿物棉材料-连续玄武岩纤维[J]．保温材料与节能技术，1999 (3)：18-21．

[6] 郭欢，麻岩，陈姝娜. 连续玄武岩纤维的发展及其应用前景[J].中国纤检，2010(3): 76-79.

[7] 赵明良，唐佃花. 棉/玄武岩纤维赛络纺包芯纱的工艺参数研究[J].纺织服装科技，2009,30(1)：22-24.

[8] 周荣稳，宋鹏飞，王秋美.玄武岩纤维纱线的性能研究[J].山东纺织科技，2010(3): 3-6.

[9] HE Qing，HU Hong.Investigation on the Knittability of Basalt Fiber Yarns by a Computerized Flat Knitting Machine[J].Journal of Donghua University(Natural Science),2009,35(3):1-5.

[10] MING Zhi-hong,HU Hong.CBF Weft Fleecy Strcture Reinforced Composites and Their Properties[J].Journal of Donghua University(Natural Science),2009,35(6):660-664.

[11] 张明星，胡红.玄武岩纺织增强结构的拉伸性能研究[J].针织工业，2009(9): 9-12.

[12] 徐艳华，袁新林，胡红. 玄武岩纤维机织针织复合结构增强复合材料的拉伸性能[J].纺织学报，2011,32(2):48-51.

[13] 李为民,许金余．玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J]．硅酸盐学报，2008，36(4)：476-481.

[14] 李素娟，曹志强，柳丽霞,等. 玄武岩纤维在土木工程领域的研究与应用[J].唐山学院学报，2010,23(3):17-19.

[15] 邹鹏程，张云波，杨勇新．玄武岩纤维布约束钢筋混凝土柱的轴心受压试验研究[J]．福建建筑, 2009，131 (5)：40-42，20．

[16] 李新娥. 玄武岩纤维在高温烟气过滤上应用之优势[J]. 产业用纺织品，2008，211(4)：46-48.

[17] 冯建民，吴海波.玄武岩纤维复合针刺过滤材料耐酸碱性能对比研究[J].非织造布，2011,19(2):15-17.

[18] 王明超，张佐光．连续玄武岩纤维及其复合材料耐腐蚀特性[J]．北京航空航天大学学报，2006，32(10)：1255-1258.

[19] 甄娜娜.沥青混合料中渗加玄武岩纤维对路面性能的改善研究[J]. 现代商贸工业，2009(5): 296-297.

[20] 易波. 石灰岩和玄武岩在SMA中的适应性比较[J]. 交通标准化，2011(12):103-106.

[21] 罗鑫，许金余，李为民, 等. 玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土在机场道面快速修补中的应用研究[J]. 混凝土，2009(12):106-109.

[22] 杨瑞斌，张鹏，钟智丽. 玄武岩长丝振膜织物吸声系数研究[J]. 产业用纺织品，2011(8): 19-22.