玄武岩纤维的研究进展及应用

张晓青，冯 静，王仁舒，秦小山

(六盘水师范学院 化学与材料工程学院，六盘水 贵州 553004)

玄武岩纤维，是以大自然中天然玄武岩为原料，通过熔融拉丝等工艺制备而得的一种新型高性能无机矿物纤维。它具有力学强度高、耐腐蚀性好、价格低廉、原料易得、低导热性和较好的介电性能等多重优良性能[1]，制造过程无危害，能直接降解为泥土，是21世纪的“绿色工业材料”。玄武岩纤维及其复合材料在电子、汽车、消防、建筑、工程塑料、农业、军事、石油、航天航空、造船业等高科技技术范围方面都有着至关重要的地位，应用前景广阔。

1 玄武岩成分

玄武岩的主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、和MgO，其次为Fe2O3、FeO、TiO2、K2O和Na2O[2]。玄武岩纤维中SiO2、Al2O3、TiO2所占比例增加能提高熔融体的粘度，对生产极其有利[3]。CaO能增加其抗渗性，K2O、MgO等成分能提高纤维的耐化学腐蚀及防水性能，在制作过程中增加更多的Fe2O3(矿石)可提高玄武岩纤维的使用温度[3]。

2 玄武岩纤维的国内外发展

国外最早以玄武岩为原料首次生产岩棉是在19世纪40年代的英国威尔斯[4]，至今已有170多年。20世纪50年代，前苏联莫斯科玻璃和纤维研究院开发出了连续玄武岩纤维(CBF)[5]。80年代中期，第一台具有200孔漏板的组合炉拉丝工艺的工业化生产炉在乌克兰实验室建成[3-6]。20世纪90年代，由于前苏联的解体，玄武岩纤维的生产技术被公开化并大量应用于民用方面，在此之前，前苏联的玄武岩纤维产品主要应用于军工行业。国际上，一些科技发达的国家例如美国、日本、德国等都加强了对玄武岩纤维的研究开发，不仅如此，加拿大、英国、韩国等国也接二连三的加大国防科研的投入，开展了玄武岩纤维在国防军事领域的应用[7]，并取得了显著的成果。

我国最早研究玄武岩纤维是在20世纪90年代于南京玻璃纤维研究院开展的，专注于玄武岩纤维隔热材料复合材料的研究，主要用于战斗机的发动机外壳[8]。随后全国致力于玄武岩纤维的开发，由于CBF应用广泛，需求量日渐增大，玄武岩纤维在我国迎来了发展的黄金时代。

3 玄武岩纤维的应用

张运华，姚丽萍等人指出经表面处理后的玄武岩纤维增强了水泥基复合材料的力学性能[9]。陈峰等人提出了玄武岩纤维能增强混凝土的延性、抗冲击性、抗渗性[10]。

崔光耀等人研究指出相对于钢筋混凝土，玄武岩纤维混凝土衬砌的初裂荷载提高了20%；参入玄武岩纤维后衬砌结构的韧性增强，衬砌初裂后仍可承担较大的弯矩和变形[11]。Jong Sim的研究中指出，相对于普通的混凝土，玄武岩纤维混凝土的抗拉强度是普通混凝土的0.5～1倍，延伸率提高了3～5倍[12]。目前玄武岩纤维混凝土主要应用于道路修筑、房地产建筑、机场跑道、隧洞、桥梁等方面的工程。

工业中，钟晨等人在其研究中指出玄武岩纤维复合材料应用于舰船结构制造不仅能提高船体强度，还能降低制造成本[13]。在汽车领域里可用于制作汽车的制垫片和离合器的摩擦片。电子工业上，BF具有良好的介电性能,非常适合用于耐热介电材料[6]。又由于其耐高温、耐腐蚀且绝缘性能好，可用于制作雷达无线电装置、天线整流罩、玄武岩纤维绝缘纸等。在火力发电、钢铁工业、石油化工中，会产生大量的高温粉尘气体，气体排放前须经除尘，而玄武岩纤维则是最理想的高温过滤材料[14]。

农业中，玄武岩纤维复合材料制作的塑料支架可在葡萄园、猕猴桃园等藤本植物中广泛应用，军事上可作防护装甲、炮弹箱、防爆毯。

日常生活中，胡琳娜等人研究了玄武岩纤维和植物纤维制备复合纸板及型体材料可生产一次性餐、饮盒具及农用育苗钵和衬垫包装材料等[15]，且废弃后可直接降解为泥土，减少环境污染。玄武岩纤维具有较高的吸声系数，可用于制作高效消音材料[16]。耐高温又可用于消防服、防火毯的制作;家庭装修中使用玄武岩壁纸不仅耐磨而且经济性高。

4 结语

由于玄武岩纤维优异的综合性能和性价比高，玄武岩纤维在多个行业(航空航天、新能源、海洋、生物医学、通讯信息、军工)中广泛应用，并带动了国内复合材料产业的增长，形成了一定的产业规模和相关产业链。据业内专家Ben Rasmussen在他的文章中指出：“现在世界最大的潜在复合材料制造商和终端用户是中国”。而我国六盘水地区玄武岩含量丰富，且我们又有着低成本制造玄武岩纤维得天独厚的条件。玄武岩纤维作为新型绿色材料有着庞大的市场，若能加以利用，必定能给本地区带来可观的经济效。