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玄武巖纖維:21世紀(jì)的新型環(huán)保纖維

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2009-04-17  來(lái)源:中國(guó)混凝土網(wǎng)  作者:中國(guó)建材報(bào) 文風(fēng)
核心提示:玄武巖纖維:21世紀(jì)的新型環(huán)保纖維
  玄武巖纖維是一種由天然巖石制成的纖維。上世紀(jì)50年代初期,德國(guó)、捷克和波蘭等東歐國(guó)家以玄武巖為原料,采用離心法生產(chǎn)出了纖維平均直徑為25μm~30μm的玄武巖棉。上世紀(jì)60年代初期,美國(guó)、前蘇聯(lián)、德國(guó)等大力發(fā)展垂直立吹法生產(chǎn)工藝,使玄武巖棉產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)。波蘭的玄武巖棉廠共有12座熔窯,年產(chǎn)玄武巖9000噸~10000噸。原捷克的玄武巖棉廠有7座熔窯,每座熔窯日產(chǎn)玄武巖棉2.4噸~2.9噸,年產(chǎn)玄武巖棉5000噸~6000噸,大量用于建筑和工業(yè)保溫,部分取代石棉用于生產(chǎn)石棉水泥制品,并使石棉水泥制品的強(qiáng)度得到提高。  

  上世紀(jì)60年代初,前蘇聯(lián)引進(jìn)了德國(guó)立吹法制造礦物棉的生產(chǎn)專(zhuān)利,在消化、吸收的基礎(chǔ)上,成功地將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于玄武巖棉的生產(chǎn)。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為日產(chǎn)38噸~40噸玄武巖棉,從而大大加快了前蘇聯(lián)玄武巖棉工業(yè)的發(fā)展。此外,前蘇聯(lián)還進(jìn)行了玄武巖長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土的研究工作,證明了在所研究的5種無(wú)機(jī)纖維中,玄武巖纖維具有最好的抵抗水泥硬化時(shí)析出的Ca(OH)2的侵蝕。1973年,前蘇聯(lián)新聞機(jī)構(gòu)報(bào)道了有關(guān)玄武巖纖維材料在其國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的情況。  

  玄武巖纖維的研究工作主要集中在前蘇聯(lián)。全蘇玻璃鋼與玻璃纖維科學(xué)研究院烏克蘭分院早在上世紀(jì)60年代~70年代就致力于這方面的研究工作。1985年,第一座連續(xù)玄武巖纖維工業(yè)化生產(chǎn)線在烏克蘭纖維實(shí)驗(yàn)室(TZI)建成投產(chǎn),年產(chǎn)量為260噸,產(chǎn)品主要用于國(guó)防軍工。目前,俄羅斯、烏克蘭等國(guó)家已采用400孔池窯拉絲工藝生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維及其制品,年產(chǎn)量700噸左右。美國(guó)則采用800孔池窯拉絲工藝,年產(chǎn)量為1000噸~1500噸。  

  連續(xù)玄武巖纖維(見(jiàn)圖1)具有優(yōu)良的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性能。定長(zhǎng)纖維具有優(yōu)良的耐熱性、熱振穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良的隔熱吸音性能,因此具有廣闊的應(yīng)用前景。制備連續(xù)玄武巖纖維的原料玄武巖(見(jiàn)圖2),是由巖漿形成的基本礦石,是一種硬而致密的深色火山巖,主要礦物質(zhì)是斜長(zhǎng)石,在俄羅斯烏拉爾山脈、美國(guó)西部、印度尼西亞、菲律賓、越南等地有廣泛礦藏分布。我國(guó)的黑龍江、寧夏、四川、山東、河北等地也有豐富的儲(chǔ)量。而玻璃纖維則由葉臘石、石英砂、石灰石、硼鈣石、硼鎂石、螢石等原料制成。由于玄武巖熔化過(guò)程中沒(méi)有硼和其他堿金屬氧化物排出,使連續(xù)玄武巖纖維制造過(guò)程的池爐排放煙塵中無(wú)有害物質(zhì)析出,不向大氣排放有害氣體,無(wú)工業(yè)垃圾及有毒物質(zhì)污染環(huán)境。它在很大程度上可代替玻璃纖維,被廣泛用于航天航空、石油化工、汽車(chē)、建筑等多領(lǐng)域,因而,連續(xù)玄武巖纖維被譽(yù)為21世紀(jì)“火山巖變絲”、“點(diǎn)石成金”的新型環(huán)保纖維。  

  增強(qiáng)復(fù)材的競(jìng)爭(zhēng)性材料  

  采用天然耐火玄武巖擠出的連續(xù)纖維,在幾乎所有的用途方面都可以用來(lái)替代石棉纖維。近10年,玄武巖纖維已成為增強(qiáng)復(fù)合材料的競(jìng)爭(zhēng)性材料。雖然目前玄武巖纖維尚未得到廣泛使用,但已逐漸進(jìn)入消費(fèi)者視線,價(jià)位處于高強(qiáng)玻璃纖維和無(wú)堿玻璃纖維之間,但卻有著與高強(qiáng)玻璃纖維相似的性能。玄武巖礦石原料不僅廉價(jià)且隨地可取,其價(jià)格僅相當(dāng)于鋪路石料價(jià),占玄武巖纖維生產(chǎn)成本的3%~5%,而生產(chǎn)玄武巖纖維只是將礦石在熔化爐中進(jìn)行熔化后進(jìn)入接絲漏板纖維成形,這就是連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)的全部工藝過(guò)程。與玻璃纖維一樣,玄武巖纖維也是用鉑銠合金漏板拉制而成。在纖維冷卻時(shí)涂覆浸潤(rùn)劑,纖維送入拉絲設(shè)備和卷繞設(shè)備,然后繞在紗筒上。  

  由于玄武巖纖維比玻璃纖維更有磨損性,價(jià)格昂貴的漏板需要經(jīng)常整修。隨著漏板的磨損,漏板上的圓孔會(huì)變得不均勻,進(jìn)而影響了工藝控制,如不進(jìn)行定期維修,不圓的孔徑會(huì)導(dǎo)致纖維直徑不在正常范圍之內(nèi),生產(chǎn)出的無(wú)捻粗紗也無(wú)法預(yù)測(cè)斷裂荷載。由于在加工和維修方面存在上述差異,使玄武巖纖維的生產(chǎn)成本超過(guò)了無(wú)堿玻璃纖維,但是玄武巖纖維的支持者稱(chēng)它在復(fù)合材料用途中明顯優(yōu)于無(wú)堿玻璃纖維。玄武巖短切氈、無(wú)捻粗紗和單向織物比同類(lèi)型的無(wú)堿玻纖產(chǎn)品有著更高的斷裂載荷和更高的楊氏模量(材料的剛性參數(shù)).近年飛速發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片產(chǎn)業(yè)受材料剛性左右的因素日益突出。玄武巖纖維的模量和拉伸強(qiáng)度分別比無(wú)堿玻纖高15%和25%,因而將成為1.5兆瓦或2兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片承力部位的理想材料。  

  玄武巖纖維的特性與應(yīng)用  

  與玻璃纖維、巖棉、石棉、化學(xué)纖維相比,玄武巖纖維及其制品同時(shí)在很多方面表現(xiàn)出異常的優(yōu)越性能。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①高使用溫度。玄武巖纖維的使用溫度范圍為-260℃~880℃,這一溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚丙聚纖維、芳綸纖維、無(wú)堿E玻纖、石棉、巖棉、不銹鋼,接近硅纖維、硅酸鋁纖維和陶瓷纖維;②較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。玄武巖纖維的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.031W/m·K~0.038W/m·K,低于芳綸纖維、硅酸鋁纖維、無(wú)堿玻纖、巖棉、硅纖維、碳纖維和不銹鋼;③高的彈性模量。玄武巖纖維的彈性模量為:9100kg/mm2~11000kg/mm2,高于無(wú)堿玻纖、石棉、芳綸纖維、聚丙稀纖維和硅纖維;④經(jīng)熱處理后強(qiáng)度的損失較低,低于無(wú)堿玻纖(其他纖維暫無(wú)數(shù)據(jù)提供);⑤化學(xué)穩(wěn)定性(耐酸堿腐蝕能力)較強(qiáng),高于巖棉、無(wú)堿玻纖、硅纖維;⑥吸音系數(shù)較高,玄武巖纖維的吸音系數(shù)為0.9~0.99,高于無(wú)堿玻纖和硅纖維;⑦比體積電阻較高,玄武巖纖維的比體積電阻為1×102ohm.m,大大高于無(wú)堿玻纖和硅纖維;⑧較低的吸濕性,玄武巖纖維的吸濕性低于0.1%,低于芳綸纖維、巖棉和石棉。  

  連續(xù)玄武巖纖維可被制成粗紗、細(xì)紗、土工布、編織布、短切紗(見(jiàn)圖3)、針刺氈、套管等,應(yīng)用于不同領(lǐng)域。玄武巖纖維具有優(yōu)越的化學(xué)、物理、力學(xué)及高溫性能,因此它可在各行各業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。  

 ?、俜阑鸶魺犷I(lǐng)域的應(yīng)用:玄武巖纖維織成的防火布耐高溫、隔熱效果好、無(wú)熔融滴落、無(wú)有毒氣體排出、無(wú)熱收縮,是防火服、防火毯、防火簾的優(yōu)良材料,耐溫可高達(dá)650℃,極限氧指數(shù)大于68,大大優(yōu)于芳綸等到有機(jī)纖維。  

 ?、诨A(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用:玄武巖纖維拉伸強(qiáng)度高、耐酸堿、化學(xué)性能穩(wěn)定,可部分替代碳纖維片,用于基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)、更新和加固;亦可替代聚脂纖維、聚炳烯纖維、聚炳烯腈纖維,用于增強(qiáng)砂漿混凝土和瀝青混凝土,具有較強(qiáng)的防滲抗裂功效,可廣泛用于高速公路、飛機(jī)跑道、海港碼頭、水電工程建筑等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。  

 ?、墼诃h(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用:玄武巖纖維是一種新型的綠色環(huán)保材料,可用于環(huán)保領(lǐng)域有害介質(zhì)、氣體的過(guò)濾、吸附和凈化,特別是在高溫過(guò)濾領(lǐng)域,玄武巖纖維的長(zhǎng)期使用溫度是650℃,遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)過(guò)濾材料,是過(guò)濾基布、過(guò)濾材料、耐高溫氈的首選材料。  

  ④玄武巖纖維增強(qiáng)塑料(BFRP)的應(yīng)用:以玄武巖纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料可用于防彈裝甲、雷達(dá)罩、炮管熱護(hù)、吸波透波隱身材料等國(guó)防領(lǐng)域;也可用于車(chē)船結(jié)構(gòu)、耐壓耐腐蝕管道、纏繞鋼瓶、印刷電路板等民用領(lǐng)域。  

  另外,玄武巖纖維還是碳纖維的低價(jià)替代品,具有一系列優(yōu)異性能。尤為重要的是,由于它取自天然礦石而無(wú)任何添加劑,是目前為止唯一的無(wú)環(huán)境污染的、不致癌的綠色健康玻璃質(zhì)纖維產(chǎn)品。所以玄武巖纖維在復(fù)合材料的增強(qiáng)材料領(lǐng)域的應(yīng)用,已引起廣泛的重視并將快速發(fā)展。  

  高技術(shù)纖維是國(guó)防軍工建設(shè)和支撐高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料,它直接關(guān)系到國(guó)防科技工業(yè)的建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。玄武巖纖維就是繼碳纖維、芳綸、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維之后的第四大高技術(shù)纖維。它是21世紀(jì)在國(guó)防軍工領(lǐng)域有著非常重要應(yīng)用的一種高技術(shù)纖維,是體現(xiàn)國(guó)防科技戰(zhàn)略布局的一種新材料。  

  從新材料的制造成本看,中國(guó)具有低成本制造玄武巖纖維得天獨(dú)厚的條件。國(guó)家863計(jì)劃該課題的研究成果表明,我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低成本、大規(guī)模發(fā)展玄武巖纖維的新技術(shù)、新裝置和新工藝。從全球的發(fā)展水平看,全世界玄武巖纖維的技術(shù)及規(guī)模尚處于初級(jí)階段,這給我們追趕乃至超過(guò)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)水平提供了很大的發(fā)展空間和市場(chǎng)機(jī)遇。在碳纖維短缺的時(shí)期,要積極開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品,以變應(yīng)變,把碳纖維的短缺當(dāng)作一個(gè)契機(jī)或轉(zhuǎn)機(jī),開(kāi)發(fā)以玄武巖纖維為原料的新產(chǎn)品。新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要源于市場(chǎng),更要高于市場(chǎng),應(yīng)主動(dòng)去引導(dǎo)市場(chǎng),例如利用玄武巖纖維優(yōu)異的綜合性能和良好的性?xún)r(jià)比,去開(kāi)發(fā)出更多的新產(chǎn)品。與其他高科技纖維的發(fā)展相比,我國(guó)玄武巖纖維的發(fā)展有希望“后來(lái)者居上”,并最終成為全世界最大的生產(chǎn)及應(yīng)用大國(guó)。  
 
 
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