玄武岩纤维：玻璃纤维的替代品？

　　玄武岩是一种坚硬、致密的火山岩，在全球大多数国家都可以找到，它是一种火成岩，这意味着它开始时处于熔融状态。多年来，玄武岩一直用于建筑应用。然而，在过去的十几年中，玄武岩已成为复合材料纤维增强领域的竞争者。玄武岩纤维是继碳纤维、芳纶、聚乙烯纤维等之后的一种低成本、高性能、洁净程度理想的新纤维。

　　玄武岩纤维及其复合材料具有力学强度高，物理和化学性能好，可以用来制作高端产品；就是与价格昂贵的碳纤维相比，二者的综合性能也不相上下，玄武岩纤维有些性能还好于碳纤维，而其成本按现在的市场价还不及碳纤维的十分之一。且玄武岩纤维的性能非常接近碳纤维。所以玄武岩纤维有望替代昂贵的碳纤维，生产碳-玄武岩复合材料。

　　美国德州的玄武岩连续纤维工业联盟指出：“玄武岩连续纤维是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是迄今为止唯一无环境污染、不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品，具有广阔的市场需求和应用前景”。

　　我国在玄武岩纤维生产方面起步较晚，但发展很快。目前在工艺及设备运行稳定性、纤维性能、终端纤维制品的开发等方面，已经达到国内外领先水平。同时，我国玄武岩资源十分丰富，甘肃、黑龙江、新疆、山西、四川等地均有大量的玄武岩矿产资源分布。我国也已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维（碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维）之一，实现了工业化生产。

　　开发、研究和生产

　　玄武岩纤维是玄武岩矿石经过高温熔融后，通过高速拉丝漏板拉制而成。来自法国巴黎的 Paul Dhé 是第一个提出从玄武岩中挤出纤维的想法的人。他于1923 年获得美国专利。1960 年左右，美国和苏联开始研究玄武岩纤维的应用，特别是在导弹等军事硬件中。

　　在美国西北部， 集中了大量的玄武岩层。华盛顿州立大学R.V.Subramanian 对玄武岩的化学成份、挤出条件和玄武岩纤维的理化特性进行了研究。欧文斯科宁(OC) 公司和其他几家玻璃公司都进行了一些独立研究项目，并取得了一些美国专利。然而，大约在1970 年前后，美国玻璃公司放弃了玄武岩纤维的研究。

　　与此同时，苏联和东欧方面的研究工作仍在继续。今天，玄武岩纤维的研究、生产和市场应用大部分都是基于苏联研究成果。

　　玄武岩纤维的生产采用连续工艺，在许多方面与制造玻璃纤维的工艺相似。开采出来的玄武岩首先被破碎，然后被清洗并装入与进料器相连的料箱中，进料器将材料移动到燃气加热炉的熔池中。在这里，该过程实际上比玻璃纤维加工更简单，因为玄武岩纤维的成分不太复杂。玻璃通常由 50% 的硅砂与硼、铝和/或几种其他矿物质的氧化物混合而成，这些材料在进入熔炉之前必须独立送入计量系统。与玻璃不同，玄武岩纤维不含有辅助材料。该工艺仅需要一条进料线即可将碎玄武岩输送到熔炉中。另一方面，玄武岩纤维制造商对玄武岩原石的纯度和稠度的直接控制较少。虽然玄武岩和玻璃都是硅酸盐，但熔融玻璃在冷却时会形成非晶态固体。

　　岩石到纤维

　　火焰喷吹是常用的玄武岩纤维生产方法，破碎后的玄武岩在1450~1500℃加热至熔融状态，经过漏嘴形成一次纤维；一次纤维经过旋转胶辊和导丝装置后，被输送到高温、高速气流中，经过第二次融化、拉伸后，制成长度为20~200nm 的定长超细纤维。

　　玄武岩纤维的生产工艺决定了其生产过程中无硼或其它碱金属氧化物排出，因此其烟尘中无有害物质析出，对大气不会造成污染。且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，因此是一种名副其实的绿色、环保材料。

　　与玻璃纤维一样，玄武岩丝由铂铑套管形成。当它们冷却时，会施加上浆剂，并将长丝移动到速度控制的纤维拉伸设备，然后移动到卷绕设备，在卷绕设备上将纤维卷绕起来。

　　纤维到织物

　　一旦生产商掌握了纤维制造，他们面临着额外的挑战，因为产品被转换成有用的增强形式。例如，Basaltex 很早就发现，直接从织布机上织出的玄武岩织物很脆弱，在处理时很容易损坏，在急剧折叠或弯曲时会出现纤维断裂，并且对皮肤有刺激性。为了使产品更稳定，Basaltex开发了一种专有的硅烷基施胶剂，方便后期加工。涂层加热时不会产生有毒烟雾，也不会降低纤维的耐火性能。一个重要的因素，最初较差的织物性能是纤维损伤过程中发生的纤维。如今，浆纱和精细生产技术的结合可以最大限度地减少损伤，并使玄武岩纤维制造商能够生产出坚固的纤维，这些纤维可以编织和编织，而不会抑制预期的性能。

　　虽然玄武岩纤维还没有得到广泛的应用，但它正慢慢地进入消费者的手中。一种常见的用途是在消防部门，因为它的高熔点。由Basaltex 进行的防火测试将其玄武岩织物置于本生灯前，使火焰的黄色尖端与织物直接接触。黄色尖端达到1100° C 至1200° C（2012° F 至2192°F）的温度，并使织物变得红热，类似于金属织物。当暴露在火焰中时，玄武岩纤维能长时间保持其物理完整性，而同样密度的电子玻璃制成的织物能在几秒钟内被火焰穿透。

　　它的耐燃性使玄武岩纤维成为摩擦应用中的石棉替代品，例如复合制动片，因为它在高温下不会软化，也不会沉积在制动系统中的对应物（制动盘或制动鼓）上。连续玄武岩纤维也被用作其他传统复合材料结构的增强材料。此外，玄武岩纤维容易受潮，因此能够快速树脂浸渍，使其适合树脂传递模塑、灌注模塑和拉挤成型。所有由玻璃纤维制成的产品都可以由玄武岩纤维制成。

　　原料到应用

　　连续玄武岩纤维可被制成粗纱、细纱、土工布、编织布、短切纱、针刺毡、套管等，应用于不同领域。玄武岩纤维具有优越的化学、物理、力学及高温性能，因此它可在各行各业获得广泛的应用。

　　玄武岩纤维产品在复合材料方面明显优于玻璃纤维。在短切毡、粗纱和单向织物形式中，玄武岩纤维表现出比玻璃纤维更高的断裂载荷和杨氏模量（对给定材料刚度的度量）。在比利时Luvin 大学复合材料系的IgnaasVerpoest 教授进行的玄武岩纤维和E-玻璃纤维的研究中，通过浸渍环氧树脂玻璃和玄武岩并缠绕在芯棒上，然后压制层压板直至达到完全固化，制备了单向预浸料。切割135 mm×15 mm（5.3英寸×0.6 英寸）的样品并测量其厚度。然后对试件进行三点弯曲试验（ISO178）和ILSS 试验（ISO 14130），以测试强度和刚度。Verpoest 报告说，每个样品的纤维体积分数为40%，但玄武岩/环氧树脂样品的强度比E-glass样品高13.7%，硬度比E-glass 样品高17.5%，尽管玄武岩样品比E-glass 样品重3.6%。

　　此外，玄武岩纤维天然抗紫外线（UV）和高能电磁辐射，在低温下保持其性能，并提供更好的耐酸性。据报道，玄武岩在工人安全和空气质量方面也具有优越性。由于玄武岩是火山活动的产物，因此纤维化过程比玻璃纤维更环保。此外，玄武岩是100% 惰性的，也就是说，它与空气或水没有毒性反应，是不燃和防爆的。

　　防火隔热领域的应用：玄武岩纤维织成的防火布耐高温、隔热效果好、无熔融滴落、无有毒气体排出、无热收缩，是防火服、防火毯、防火帘的优良材料，耐温可高达650℃，极限氧指数大于68, 大大优于芳纶等到有机纤维。

　　基础设施领域的应用：玄武岩纤维拉伸强度高、耐酸碱、化学性能稳定，可部分替代碳纤维片，用于基础设施的修复、更新和加固；亦可替代聚脂纤维、聚炳烯纤维、聚炳烯腈纤维，用于增强砂浆混凝土和沥青混凝土，具有较强的防渗抗裂功效，可广泛用于高速公路、飞机跑道、海港码头、水电工程建筑等基础设施领域。

　　在环保领域的应用：玄武岩纤维是一种新型的绿色环保材料，可用于环保领域有害介质、气体的过滤、吸附和净化，特别是在高温过滤领域，玄武岩纤维的长期使用温度是650℃，远优于传统过滤材料，是过滤基布、过滤材料、耐高温毡的首选材料。

　　玄武岩纤维增强塑料（BFRP）的应用：以玄武岩纤维为增强体的复合材料可用于防弹装甲、雷达罩、炮管热护、吸波透波隐身材料等国防领域；也可用于车船结构、耐压耐腐蚀管道、缠绕钢瓶、印刷电路板等民用领域。

　　另外，玄武岩纤维还是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能。尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境污染的、不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。所以玄武岩纤维在复合材料的增强材料领域的应用，已引起广泛的重视并将快速发展。