玄武岩纤维的性能应用及最新进展
玄武岩属于火山喷出岩,是地球上存在和分布最广的矿物之一。用它生产的连续纤维与普通岩棉相比,在纤维质量方面有了质的飞跃,它所表现出来的高弹性模量、高热稳定性以及优异的耐酸碱性,使其得到广泛的应用。近年来,美国、韩国、中国和日本相继展开了这方面的研究工作,其中美国已经达到了1000～1500t/a的规模。在我国,玄武岩纤维的制备与应用尚处于起步阶段。
1玄武岩纤维的性能及用途
相对于玻璃纤维、矿棉纤维等纤维材料,玄武岩纤维具有如下的优越性:
1.1良好的拉伸强度及增强效应
玄武岩纤维在70℃水作用下其强度可保持1200h,而一般玻璃纤维不到200h便失去强度;在100～ 250℃温度下的拉伸强度可提高30%,而一般玻璃纤维却下降23%。单纤维拔丝试验表明,玄武岩纤维与环氧聚合物的粘合能力高于玻璃纤维,而且在采用硅烷偶联剂处理后还会进一步提高。因此,玄武岩纤维可以代替即将禁用的石棉作为耐高温结构复合材料、橡胶技术制品等的增强材料,也可用于制作制动器、离合器等的磨擦片的增强材料。
1.2高的耐腐蚀性和化学稳定性
玄武岩纤维在碱性溶液中具有独一无二的化学稳定性,耐酸性比ECR玻璃纤维还好,具有明显的耐酸耐碱性同时成本却大大降低。可应用于纤维增强混凝土构建和土木材料中。特别是在桥梁、隧道、堤坝、楼板这些混凝土结构以及沥青混凝土路面、飞机起落跑道等经常受到高湿度、酸、碱、盐类介质作用的建筑结构中具有广阔的应用前景。
1.3良好的绝缘性
玄武岩纤维的介电损耗角正切与玻璃纤维相近,用专门浸润剂处理过的玄武岩纤维,其介电损耗角正切比一般玻璃纤维还低50%,可用其制造高压(达250KV)电绝缘材料、低压(500V)装置、天线整流罩以及雷达无线电装置等,前景十分广阔,专门浸润剂处理的玄武岩纤维还可用于制造新型耐热介电材料。
1.4耐高温和低温热稳定性
耐热性接近于耐高温的石英玻璃纤维,在400℃下工作时,其断裂强度能够保持原始强度的85%;在600℃下工作时,其断裂强度能够保持原始强度的80%,矿棉在相同情况下只能保持50%～60%的原始强度,玻璃棉则完全破坏。如果玄武岩纤维预先在780～820℃下进行处理,纤维能在860℃下工作而不会出现收缩。在长期处于低温(-196℃)液氮介质作用下,玄武岩纤维的强度不会发生改变,是有效的低温绝热材料。
1.5高的弹性模量
玄武岩纤维的弹性模量与昂贵的S玻璃纤维相近,强度相当;用于织造织物重量在150～210g/㎡的产品时,织造性能良好;可用以代替S等玻璃纤维制造绝热制品和复合材料,制造硬质装甲和各种GFRP产品。例如,利用E玻璃纤维生产玻璃钢管,只能承受25个大气压,管径最大为2m;而用玄武岩纤维做玻璃钢管,则可承受60个大气压,管径可达3m。在某些场合,玄武岩纤维甚至可以部分代替每吨售价在20余万元的碳纤维或芳纶纤维。
1.6隔热隔音性能
玄武岩纤维及其制品具有极高的隔热、隔音的结构特性,其吸音系数比E玻璃还高,是高效的隔音材料,能以稀释毡或板的形式用于公共大厅,汽车船舶制造上用于绝热隔音材料。
2玄武岩纤维的制备方法
根据熔融原料所使用的容器不同,生产方法分为坩埚法和池窑法两种。前者是将玄武岩混合料加入坩埚内,经过高温熔融、澄清均化,融化后的原料融体经漏嘴流出,被拉成纤维。该方法的能源利用率很低,坩埚的有效利用率只有10%～18%。池窑拉丝法又称直接法,它是把原料制成配合料直接加入到窑内,经过高温熔融、澄清均化,熔体直接流入成型通路,经漏嘴流出后拉成纤维。与坩埚法相比,该法生产纤维的过程简单、直接、节能。纤维类型不同,其制备方法略有差异,下面略述玄武岩短纤维、连续纤维、超细纤维的制造法。
2.1玄武岩短纤维
玄武岩短纤维常采用空气立吹法工艺。其工艺过程为:将原料粉碎成直径为50mm的块料,加入熔窑中,在1450～1500℃下溶化,均质化的玄武岩熔体通过铂铹漏板形成为一定直径的的连续流体,进入喷头,在纤维喷头中以压缩空气或过热气体为能量载体对玄武岩熔融物的射束流施加喷吹压力(0.6～0.9MPa),能量载体所要达到的速度接近声速。在能量载体流的作用下,将玄武岩熔融物的散滴变成玄武岩短纤维。
2.2连续玄武岩纤维
其拉丝过程为:清洗玄武岩块料(50～60mm),在池窑中熔化后通过铂铹漏板拉丝,绕到机头筒子上。与玻璃熔制相比,玄武岩熔化池较小,无需配料,生产过程更加简洁。因为玄武岩熔体的透热性比玻璃熔体低,容易结晶,拉丝区域的黏度高,必须构建特殊的熔炉和装置。通过在熔化区与作业区设分隔墙、上升通道、热屏、薄层熔融体溢流带和溜槽等部分,保证工业参数的稳定。
2.3超细玄武岩纤维
超细玄武岩纤维采用火焰喷吹法制备工艺。工艺为:经磨碎、清洗后的玄武岩碎料由加料机械送入池窑。在垂直方向燃气和空气混合物作用下玄武岩熔化。熔体经过料道进入漏板,在漏板下方形成一次纤维,通过拉丝胶辊的引导到达喷嘴,从喷嘴中喷出的高温燃气流,将纤维一次吹散成长度20～200mm的定长超细纤维,然后经集棉筒传送至成形设备,沉降于缓慢旋转的打孔滚筒表面,再经辊压后在另一收棉辊上形成毡。当棉毡达到要求厚度,沿母线方向将毡切开取出。该工艺所用铂铹漏板质量达2.5kg,且稳定性不高,使用超过3个月就需替换,维修成本昂贵。
3国内外研究现状
俄罗斯与乌克兰在玄武岩纤维的研究、生产及制品开发上代表了世界的最高水平,其采用铂金管分流器,加热式管状流液洞,同时采用了中心取液法,配合较小的漏板,很短的漏嘴和热风式丝根冷却器等一系列专有技术,使玄武岩纤维产品稳定,且已开发了上百种玄武岩纤维制品。美国虽然对其研究相对较晚,但使用800孔漏板拉丝技术,其产品基本用于军工方面,民用方面鲜有报道。近几年来,日本、德国等地都加强了对玄武岩纤维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。
在上世纪90年代中期,南京玻璃纤维研究设计院就开始了玄武岩纤维的研究。其中,刘柏森、斯维特兰娜、何建生等针对玄武岩熔体透热性低,易结晶、拉丝黏度高等特性,研究了一种生产连续玄武岩纤维的池窑,它是在玻璃纤维池窑的基础上,通过在熔化池与作业区之间增加分隔墙,上升通道,热屏、薄层熔融体溢流带和溜槽等部分,保证了流入拉丝作业漏板的熔融体的质量和参数的稳定;王岚和李振伟针对玄武岩熔点高,熔融体易结晶、漫流等问题,对普通玻璃纤维用铂金漏板中漏嘴进行改进,制成了玄武岩纤维用的铂金漏板,此种漏板中漏嘴出口与入口的直径比为1∶1.05～ 1.3,高度为2～7mm,壁厚0.2～ 0.7mm,这样的漏板有效地解决了料液在漏板上的析晶、漫流等问题,降低了拉丝工作的劳动强度并提高了产品成品率;奥斯诺斯 谢尔盖 彼得洛维奇、李中郢通过研究玄武岩矿石的熔融体制取短纤维的工艺和设备,给出了矿石的熔融温度范围、拉丝的温度范围、喷吹短纤维的喷吹压力值和喷吹气流速度的范围,明确了玄武岩短纤维生产设备的构成;闫全英、胡琳娜、谈和平等也对玄武岩成型工艺中粘流性、高温粘度、析晶性能等在理论上做了大量的研究。
4结论
玄武岩纤维具有许多玻璃纤维所不具有的耐热、耐酸碱、绝缘性及化学稳定性等特征,且生产原料易得,贮量丰富,工业生产无“三废”排放,在工农业生产、军事上及沥青混凝土路面具有极大的用途。玄武岩纤维的制备与应用开发在国内尚处于初始阶段,其发展前景不可估量。
