玄武岩纤维及其复合材料的研究进展
摘要：本文介绍了玄武岩纤维的成分及其结构，详细列举了玄武岩纤维的特点，阐述了玄武岩纤维的生产方法和设备开发现状及其研究进展以及用玄武岩纤维作复合材料的应用现状及其研究进展。
关键词玄武岩纤维复合材料进展
玄武岩纤维的原料是天然玄武岩，将玄武岩破碎后加入熔窑中,在1400~1500℃熔融后，通过拉伸成纤维,并以此纤维为增强体制成的新型复合材料。因玄武岩纤维是采用单组分矿物原料熔体制备而成，在耐高温性、化学稳定性、耐腐蚀性、导热性、绝缘性、抗摩擦性等许多技术指标优于玻璃纤维，同时，因碳纤维的严重短缺，玄武岩纤维在部分应用中可替代昂贵的碳纤维，并且不产生环境问题。所以玄武岩纤维原料成本低、能耗少、生产过程清洁，是一种生态环境材料[1]，深受各国学者的关注[2]。
目前利用玄武岩纤维制备复合材料的用途国外报道得很多，而国内研究较少。玄武岩纤维不仅应用于工业、农业、建筑业,还用于航空、造纸、化工、医疗、交通和军事等方面。随着人们对玄武岩纤维的深入研究，它还将广泛应用于尖端技术领域的高强度、耐高温、防辐射等复合材料的制备，值得我们关注[3]。
1 玄武岩纤维概述
1.1 玄武岩纤维的化学成分和结构
玄武岩纤维在原料的选择上要求玄武岩熔化温度、成形温度、析晶上限温度必须在一定可操作范围内，这就需对玄武岩矿物做一定的筛选。制造纤维的玄武
岩要求SiO
2含量大于50%，Al
2
O
3
含量在18%左右，这种成分赋予玄武岩熔体于高
粘度的特性。此外，玄武岩成分中要求FeO和Fe
2O
3
含量高达9%~14%，高含量的
铁使熔体呈黑棕色，透热性只为普通浅色玻璃透热性的1/5。玄武岩要求含有一
定量的K
2O、MgO和TiO
2
，对提高纤维防水性能和耐腐蚀性能起到了重要的作用。
随着现代表征技术的发展，玄武岩纤维的结构日益明朗。目前,业内人士普遍认为：内部玄武岩纤维为非晶态物质,具有近程有序、远程无序的结构特征主，
要由[SiO
4]四面体形成骨架结构，四面体的两个顶点互相连接成连[SiO
3
]n链，
铝原子可以取代硅氧四面体中的硅，也可以氧八面体的形式存在于硅氧四面体的空隙中。链的侧方由钙、镁、铁、钾、钠、钛等金属阳离子进行连接。处于玄武岩纤维表面的金属离子因配位数未能满足而从空气和水中缔合质子或羟基,导致
表面的羟基化[4]。
1.2 玄武岩纤维的特点
相对于其它类型的纤维材料，玄武岩纤维有以下特点：
(1)高热稳定性和高的声热绝缘特性：玄武岩纤维由于导热系数低、工作范围大、抗震性能好，广泛应用于绝热保温材料。另外，由于玄武岩纤维具有多孔结构和无规则的排列方式，吸声性能好，可作为生产设备的声绝缘材料[5]。
(2)优异的力学性能：玄武岩纤维的抗拉比强度高和弹性模量非常优异，可广泛应用于增强性的复合材料。
(3)高电绝缘性能以对电磁波的高透过性：玄武岩纤维具有比玻纤高的电绝缘性，可以将其作为耐热绝缘材料而广泛应用于电子工业的印刷线路板制造等领域，对电磁波的透过性极好，如果在建筑物的墙体中增加一层玄武岩纤维布，则能对各种电磁波产生良好的屏蔽作用。
(4)高耐腐蚀性与化学稳定性：玄武岩纤维在碱性溶液中具有独一无二的化学稳定性，该特性为在桥梁、隧道、堤坝、楼板等混凝土结构以及沥青混凝土路面、飞机起落跑道等重要且经常受到高湿度、酸、碱、盐类介质作用的建筑结构中的应用开辟了广阔的前景。
(5)过滤净化特性及原料无毒副反应:玄武岩纤维的过滤系数高,可用作过滤材料。它成功地在净化空气或烟气的设备中用作高温过滤材料,过滤腐蚀性液体或气体,如过滤熔融铝,并用作医学领域中的空气超净化过滤器等。
(6)是玻璃纤维吸湿率的12%~15%：正是由于玄武岩纤维的吸湿性极低，所以由玄武岩纤维制造的隔声隔热材料在飞机、火箭、船舶制造业等需要低吸湿性的领域率先得到广泛的应用。
(7)与金属、塑料、碳纤维等材料的良好兼容性:玄武岩连续纤维和各类树脂复合时，比玻璃纤维、碳纤维有着更强的粘合强度。用连续玄武岩纤维制成的复合材料在强度方面与玻璃纤维E相当，但弹性模量在各种纤维中具有明显优势。如果在玄武岩纤维中加入一定数量的碳纤维，并将两种不同纤维相间混杂编织，其复合材料的弹性模量、抗拉强度和其它性能都将得到明显的提高，与纯碳纤维复合材料相比，成本则会大大降低。
2 玄武岩纤维的生产方法和设备开发研究进展
2.1玄武岩纤维的生产方法
玄武岩纤维的生产方法目前主要是过热蒸气或压缩空气垂直喷吹法、离心喷吹法和火焰喷吹法。蒸气或压缩空气垂直喷吹法是利用位于漏板下的喷嘴喷出高速气流垂直冲击漏嘴流出的熔体流股。在高速气流的作用下,熔体流股被分散并被牵引伸成许多细纤维。这种方法生产的纤维直径为7~14µm,长径比为1：
1000~3000,常用作生产普通玄武岩棉。
离心喷吹法是熔体不断落入离心机的分配器内,在离心力的作用下,熔体从分配器向外甩至离心机的内表面,并从离心器筒体壁上的0.8~1.2µm的小孔甩出。软化的细流股在高温高速的气流中被拉伸成细纤维。生产的纤维直径为1~14µm的短纤维,也可生产普通玄武岩棉。这种工艺的不利之处在于所采用的铂铑漏板质量达2.5kg,且漏板稳定性不高,使用不超过3个月就需替换、维修和补充贵重材料的消耗。因此,最近有报道新工艺法生产超细玄武岩纤维,即以冷坩埚感应熔化与空气立吹玄武岩熔体流股相结合为基础。此法是单独利用动力介质的较为有效的方法,与火焰喷吹法生产相比,节约成本50%。
火焰喷吹法是生产玄武岩超细纤维的主要方法,其工艺过程如下:将玄武岩原料加入池窑,熔化后从漏嘴流出,在漏板下方形成一次纤维；一次纤维在旋转胶辊和导丝装置的引导下,被成排地送到燃烧器喷出的高温高速气流中,经二次熔化、拉伸，形成20~200nm的定长超细纤维。其中由于玄武岩熔体的透热性比玻璃熔体低,容易结晶,拉丝区域的粘度高,必须建造特殊熔炉和拉丝装置。
2.2玄武岩纤维的设备开发研究进展
目前国内有专利报道:采用1根铂金导料管将通道中最佳部位的熔体引导到漏板里,这样的设计保证了熔体的粘度符合拉丝需要,又不太接近其析晶温度。同时为了保证拉丝的质量,漏板各部分的结构尺寸应根据原料成分、原丝直径和产量等因素进行特殊设计,以确保温度沿整个漏板均匀分布。另外,由于在漏板下方形成纤维时易形成固体氧化物,影响了后序的工艺操作。Popovskij V M发明了一种生产玄武岩超细纤维的高效节能设备和生产方法[6]:连续供料系统将玄武岩连续输送至4000℃等离子火炬区(等离子形成是由碳正负电极之间的放电将电极间的气体电离为等离子并产生高温),随后流动的熔岩通过一个底部水冷的装置进入积蓄区,进入有高速气流的喷嘴系统进行分散并形成纤维于金属氧化物分离,此系统能有效阻止固体氧化物的产生。所制得的纤维的固体氧化物含量低于4%。
池窑是生产玄武岩纤维的关键设备,必须对熔化温度和气氛进行严格控制。其关键为池窑的设计[7]、加热方式和金属换热器的热效率。独联体国家针对玄武岩的特点,对设计单元窑提出了专门计算公式；Denisov G A通过对池窑的设计[8],增大了制造纤维的产率且设备易于维护,提高了设备的使用率。我国目前对池窑的加热方式有火焰法和电加热。另外,据文献报道:Gogoladze Paata等采用电极在熔体内部加热,同时采用浅层熔化法,可以有效提高玄武岩熔化效率,减少熔体上下温差,并提高窑中熔体的均匀性[9]。胡显奇的专利中采用中高频(1~300kHz)感应加热法熔化玄武岩。该专利与传统的熔融技术及装置相比,具有热能均匀分
