玄武岩纤维主要特性研究现状

陈 鹏，张谌虎，王成勇，石开仪，雷以柱

（1.六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州六盘水553004；2.中国矿业大学化工学院）

随着中国环保工作执行力度的不断加大，新型环保材料的研发越来越受到重视［1-2］。玄武岩纤维是利用天然玄武岩经高温熔融、拉丝而得的无机纤维，具有良好的耐高温、耐酸腐蚀、耐磨擦等性能以及抗拉强度高、绝缘性好等特性。此外，其生产过程环保，使用过后可以直接回归自然，被称为“21世纪的绿色环保材料”［3］。因此，其已被广泛用于制备水泥基、树脂基、金属基等纤维增强复合材料以及绝缘、保温、隔音等材料［4-9］。玄武岩纤维优良的物理、化学、力学等性能，主要受其化学组成与浸润剂涂层的影响［10］。作为中国重点发展的四大纤维之一的玄武岩纤维，虽然起步较晚，但发展较为迅速。近年来，关于玄武岩纤维增强复合材料的研究与工程实践报道很多，但有关玄武岩纤维基本性能及其影响因素的文献较少。为了更深入地研究玄武岩纤维的基本性能，本文从物理特性、化学特性、力学性能等方面对该纤维基本特性的研究进展进行了综述，着重介绍了影响其基本力学性能的因素。

1 玄武岩纤维的基本组成

制备该纤维的玄武岩化学组成有SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O及少量杂质，其中主要成分为SiO2、Al2O3、FexOy、MgO和CaO，不同地区的玄武岩制成的纤维，其化学组成有较大差异，适宜熔融拉丝制备纤维的玄武岩各组分含量如表1所示［11-15］。

表1 玄武岩原料的化学组成

化学组分含量的不同对玄武岩纤维的基本性质影响较大：组成纤维骨架的酸性氧化物SiO2和Al2O3含量较高时，有利于纤维的弹性与化学稳定性［16］；碱性氧化物MgO与CaO的存在，不利于纤维的 化 学 稳 定 性［17］；Fe2O3与FeO的 含 量 会 影 响 纤 维的颜色，同时Fe3+的含量较高时会降低纤维的抗拉强度［9］；其他的化学组分也会对纤维的化学稳定性、耐高温性等产生一定的影响［11，18］。

2 玄武岩纤维的物理特性

由于玄武岩纤维特殊的空间网络结构，使其具有良好的物理特性。1）电绝缘性与介电性能良好。玄武岩纤维的体积电阻较高，为1×1012Ω·m，明显高于无碱玻璃纤维，1 MHz条件下的介电常数为2.2～2.7［19-20］。值得一提的是，中德两国科学家合作采用化学气相沉积技术，并利用玄武岩纤维本身所具有的金属元素，成功实现了在玄武岩纤维表面生长出碳纳米颗粒涂层或碳纳米管，将该纤维由绝缘体转变为了导体［21］。2）优良的吸波性能。树脂基玄武岩纤维增强复合板，在8～18 GHz下进行测试时，发现 该 材 料 具 有 一 定 的 吸 波 性 能［22］。3）隔 热［23］、隔声性能好。玄武岩纤维的热传导系数为0.031～0.038 W/（m·K）［24］，曹海琳等［25］在空气氛围下对玄武岩纤维进行热处理，发现温度小于200℃时，纤维的抗拉强度没有明显变化。玄武岩纤维的吸音系数为0.9～0.99，明显高于E-玻璃纤维［26］。

如图1所示，玄武岩纤维原丝为圆柱形，且表面光滑，其对水和空气的阻力小，是理想的过滤材料［27-28］。

图1 玄武岩纤维原丝扫描电镜图［10］

3 玄武岩纤维的化学特性

玄武岩纤维的化学稳定性良好，主要表现为优良的耐酸性、较强的耐碱性、耐水性和低吸湿性［29-30］。玄武岩纤维中的硅氧化物、铝氧化物等硅酸盐矿物，在一定程度上影响其耐酸碱性，除在较高浓度的强酸、强碱条件下，其均表现出良好的化学稳定性。在80℃、2 mol/L的H2SO4溶液中侵蚀1 h后，玄武岩纤维的质量保留率大于93%、抗拉强度与弹性模量保留率接近90%；在80℃、2 mol/L的碱溶液中侵蚀1 h后，玄武岩纤维的质量保留率大于93%、抗拉强度与弹性模量保留率大于80%［31］。研究表明，玄武岩纤维在沸水中浸泡3 h后的质量保留率为99.6%，抗拉强度保留率达到99.8%，几乎没有发生变化。玄武岩纤维的吸湿性低，在相对湿度为65%时，其回潮率小于0.1%［32］。

4 玄武岩纤维的力学特性及其影响因素

4.1 玄武岩纤维的力学特性

玄武岩纤维是一种脆性材料，其理论抗拉强度为3 000～4 840 MPa，弹性模量为90～110 GPa，断裂伸长率为3.2%左右。其抗拉强度是E型玻璃纤维的1.4～1.5倍，与S型玻璃纤维的抗拉强度相当，明显优于芳纶、聚丙烯纤维、氧化铝纤维等［33］。目前，市场上玄武岩纤维的抗拉强度普遍在2 000～2 500 MPa，明显低于其理论抗拉强度［10］，因此研究影响玄武岩纤维力学性能的因素，进而优化这些因素，对于提高玄武岩纤维的力学性能至关重要。

4.2 影响玄武岩纤维力学特性的主要因素

4.2.1 化学成分对玄武岩纤维力学性能的影响

玄武岩纤维的空间网络结构是影响其力学性能的关键因素，其空间网络结构连接越紧密，力学性能越高。SiO2与Al2O3是构成玄武岩纤维空间网络结构骨架的氧化物，其含量的高低决定了纤维空间网络结构的紧密程度。Mg、Ca、Na、K等碱金属与碱土金属会破坏纤维的空间网络结构，使其聚合度降低［11］。王宁［31］对玄武岩纤维进行红外光谱与拉曼光谱表征发现：在1 002 cm-1处的Si—Onb极性键，表明其主要成分为硅酸盐；450 cm-1处由Al—Obr—Al对称弯曲振动引起的峰，说明部分Al取代Si进入骨架结构，起到空间网络形成体的作用；720 cm-1处由AlⅣ—Onb对称伸缩振动引起的弱峰，表明部分Al—Obr—Al被碱金属或碱土金属破坏，且330 cm-1处的峰是典型碱（碱土）金属R+—O（R2+—O）的振动峰。

统计学研究表明，Fe3+的含量越高，玄武岩纤维的表面缺陷越多，力学性能越差［10］。对玄武岩纤维进行SEM-EDS表征发现，纤维表面比较光滑，但是存在大小不一、形状各异的凸起缺陷，凸起处与纤维本体结构的主要化学成分基本一致，但含量不同，Fe的含量明显较高［31-34］。

矿物组分对玄武岩纤维力学性能的影响。玄武岩的矿物组成主要有斜长石、辉石、石英、正长石与橄榄石等硅酸盐矿物及其他杂质，这些矿物是其化学元素的存在形式。理论上硅酸盐矿物含量越高，纤维的空间网络结构越紧密，抗拉强度也越高，但矿物组分对玄武岩的熔融温度、熔体黏度、析晶温度等均有影响，从而影响玄武岩纤维熔融拉丝的过程，进而影响该纤维的力学性能。例如玄武岩各矿物组分熔点不同（斜长石、辉石、石英与正长石等矿物熔点较低，橄榄石熔点较高），在高温条件下，熔点高的矿物难以完全融化，会造成熔体的不均质性，进而引起玄武岩纤维内部结构的不均匀性，在微不均匀处易产生应力集中现象，从而造成纤维力学性能下降［35-36］。

4.2.2 浸润剂涂层对玄武岩纤维力学性能的影响

如前所述，玄武岩纤维表面存在凸起等缺陷，浸润剂主要是通过修复玄武岩纤维的表面缺陷来增强其力学性能。由于玄武岩纤维是一种无机纤维，脆性大是该纤维原丝的一大特性，浸润剂涂层能够有效改变该纤维的集束性与柔顺性，从而提高其力学性能。通过力学试验证明，涂覆浸润剂之后，玄武岩纤维的抗拉强度能够提高25%，其原因是浸润剂涂层可以有效地降低玄武岩纤维表面冲击裂纹尖端的应力集中，提供可靠的愈合功能，从而大大提高纤维的抗拉强度［37-38］。

利用原子力显微镜（AFM）对涂覆浸润剂前后的玄武岩纤维表面粗糙度进行表征，如图2、图3所示，发现涂覆浸润剂后的玄武岩纤维表面比相同区域未涂覆浸润剂的纤维表面粗糙度明显提高，这有助于玄武岩纤维增强复合材料中纤维与基体材料的相互作用，进而增强玄武岩纤维增韧复合材料的力学性能［10］。

值得注意的是，不同类型的浸润剂在玄武岩纤维表面改性上的作用不同，在纤维拉丝成型涂覆浸润剂的过程中，应考虑纤维产品的用途，选用合适的浸润剂。

图2 涂覆浸润剂的玄武岩纤维AFM图［10］

图3 未涂覆浸润剂的玄武岩纤维AFM剖面图［10］

5 结语

1）玄武岩纤维的空间网络结构决定了其具有优良的物理与力学特性，其化学成分决定了其有良好的化学稳定性。2）玄武岩的成分是影响其纤维的内因，全面系统地研究玄武岩的化学成分与矿物组分对其熔融拉丝过程的影响，是提高玄武岩纤维力学性能的根本所在。3）目前，玄武岩纤维用浸润剂多为有机试剂，且多借用于玻璃纤维的浸润剂，而该纤维为无机物，因此在浸润剂的专用性及浸润剂与纤维基体的结合性上均表现不理想，故体系化开发玄武岩纤维专用无机浸润剂迫在眉睫。中国的玄武岩纤维产业发展迅速，但是还有许多问题需要解决，在今后的发展中，希望国家在科学研究投入、政策导向、人才培养等方面给予玄武岩纤维产业更多的支持。