玄武岩纤维

玄武岩纤维（CBF）的介绍与应用陈银06120114数学科学院前言•我国现很多房屋、桥梁、隧道等建筑物，由于材料老化、荷载增加、结构部分损坏、使用功能改变、设计与施工缺陷以及地震、战争等原因，均会导致原有结构的承载力满足不了要求，为此，需进行加固和修复。目前面临着大规模的补强加固、改建和扩建工程,其中建筑材料的选择尤为重要。•新型复合建筑材料发展很快,主要有钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土等。•玄武岩纤维是近几年在中国发展起来的新型材料,由于其较其他纤维材料性能优异、性价比好,尤其具有良好的抗拉强度和韧性,在防护工程补强加固、抗爆方面具有广阔的应用前景。玄武岩纤维（CBF）的形成•玄武岩纤维是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1450—1500°C熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。•玄武岩纤维（CBF）的组成玄武岩纤维的成分几乎囊括了地壳中的所有元素包括Si,Mg,Fe,Ca,Al,Na,K等主要元素成分,约占99%以上。在PHLIPSXL30EDS电子探针能谱仪上进行玄武岩纤维元素含量的测定,发现其主要成分如下下(原子分数/%):Si=26.36,Ca=18.93,Al=7.89,Mg=6.90,O=31.81,K=1.18,Na=1.63,Ti=1·26,Fe=4.04。玄武岩纤维与其他玻璃纤维成分的比较•SiO2是玄武岩连续纤维最主要的成分,占45%~60%,被称为网络形成物,它保持了纤维的化学稳定性和机械强度;Al2O3的含量也较高,占12%~19%,提高了纤维的化学稳定性、热稳定性和机械强度,为提高复合材料的力学性能打下良好的基础；•CaO的含量为6%~12%,对提高纤维耐水的腐蚀、硬度和机械强度都是有利的;•Fe2O3和FeO的含量在5%~15%,含铁量高,使纤维呈古铜色;•玄武岩纤维中还含有Na2O,K2O,MgO和TiO2等成分,对提高纤维的防水性和耐腐蚀性有重要作用。玄武岩纤维的结构•纯天然的CBF外观呈光滑的圆柱体，其截面呈完整的圆形；•图a所示为玄武岩纤维在体视显微镜下观测的外观形态图；•图b中间位置的黑色原点为玄武岩纤维经过切片获得的纤维截面图；•宏观结构上,玄武岩纤维的外观很像一根极细的管子,呈光滑的圆柱状,其截面呈完整的圆形（a）（b）玄武岩纤维的性能新型环保材料物理性能拉伸强度大突出的耐温性能弹性模量电性能隔音性较好的分散性环保性能CBF具有非人工合成的纯天然性，加之生产过程无害，且产品寿命长，是一种低成本﹑高性能﹑洁净程度理想的新型绿色主动环保材料。玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出，使CBF制造过程的池炉排放烟尘中无有害物质析出，不向大气排放有害气体，无工业垃圾及有毒物质污染环境。玄武岩纤维在很大程度上可代替玻璃纤维，被广泛用于航天航空、石油化工、汽车、建筑等多领域，因而，CBF被誉为21世纪“火山岩变丝”、“点石成金”的新型环保纤维。各种纤维材料的物理性能对比性能1：拉伸强度一般情况下,玄武岩纤维的拉伸强度是普通钢材的10~15倍,是E型玻璃纤维的1·4~1·5倍,是理想的增强材料。玄武岩连续纤维的拉伸强度为3000~4840MPa。例如E-玻纤的拉伸强度为3100~3800MPa,Kevlar49为2758~3034MPa,碳纤维为2500~3500MPa。性能2：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/m2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,只能耐25个大气压,管径最大为2m;而用玄武岩纤维做玻璃钢管,则可耐60个大气压,管径可达3m。性能3：耐温性能CBF的使用温度范围为：-260～650℃，E纤维的使用温度范围为：-60～350℃，CBF在400℃下工作时，其断后强度能够保持85%；在600℃下工作时，其断后强度仍能够保持80%的原始强度；CBF预先在780～820℃下进行处理，还能在860℃下工作而不会出现收缩，而即使耐温性优良的矿棉此时也只能保持50%～60%的强度，玻璃棉则完全破坏。碳纤维的抗氧化性较差，在300℃有CO2和CO产生；间位芳纶最高使用温度也只有250℃。性能4：电性能E-玻纤具有良好的电绝缘性能和介电性能,在常温下其体积电阻率和表面电阻率均大于1011Ω·m，而玄武岩连续纤维的体积电阻率和表面电阻率比E-玻纤还要高一个数量级,玄武岩纤维的介电损耗角正切与E玻璃纤维相近,应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。5.隔音性由表3可见,随着频率增加,其吸声系数增加。玄武岩连续纤维的吸湿性极低,吸湿能有0·2%~0·3%，而且吸湿能力不随时间变化玄武岩连续纤维制作的隔音材料在航空、船舶要低湿性材料的领域有着广阔的前景。性能6：较好的分散性纤维在混凝土中的分散性极为重要,如果纤维的分散性不能满足要求,纤维的掺入不但对混凝土或砂浆没有增强增韧作用相反,会降低混凝土的力学性能和耐久性。玄武岩纤维是以同属硅酸盐的火山喷出岩为原料制成的,与混凝土有着基本相同的成分,也较接近,所以CBF的相容性和分散性优于其他增强纤维,同时与混凝土有很好的粘结性能。•化学稳定性是指纤维抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力。通常以受介质侵蚀前后的质量损失和强度损失来度量。•表4是玄武岩连续纤维和E-玻纤在不同介质中煮沸3h后质量损失率。玄武岩的化学性能（4）•表5是2种纤维在不同介质中浸泡2h后强度保留率；从表4、5看出,玄武岩连续纤维比玻璃纤维具有更稳定的化学性能。该特性为玄武岩连续纤维在桥梁道、堤坝等混凝土结构以及沥青混凝土路面、飞落跑道等经常受到高湿度、酸、碱类介质作用的结构中的应用开辟了广阔的前景。玄武岩连续的最高使用温度为650℃,高于其它一些高技维,如碳纤维的最高使用温度为500℃,E-玻350℃,Kevlar49为250℃。由于玄武岩连续的使用温度高达650℃,再加上它的耐酸、耐碱能,因而玄武岩连续纤维是用于高温腐蚀性气烟层过滤，腐蚀性液体过滤的优质材料。玄武岩的生产工艺生产流程选料阶段磨料、熔融阶段拉丝阶段生产工艺流程图选料要求•玄武岩矿石作为原料必须经过高温熔化后能形成玻璃体,即在高温下形成玄武岩熔融玻璃体。•玄武岩玻璃必须满足熔制和成型工艺的要求。•拉丝温度不能过高,必须满足铂铑(Pt-Rn)合金对拉丝的要求,其玄武岩熔融玻璃体的温度粘度曲线必须满足拉丝工艺要求。•玄武岩矿产储量要大,组分含量要稳定,易于开采加工,运输方便,价格低廉是生产玄武岩连续纤维的基本保证。磨料、熔融阶段•玄武岩矿基面经过化验分析后,确定满足可以拉制连续纤维的条件,将玄武岩基石粉碎成0~5mm,粉料经磁选后进入混料机均匀搅拌成待用料进入料仓,或自动加料喂料机将玄武岩原料自动加入到预热池加热,进入预热池的玄武岩粉料温度逐渐升到600~900℃,然后进入熔化池熔,玄武岩的熔融是在电炉内进行的，依靠电炉内电极的辐射和高温气流的对流。•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。研究表明由于玄武岩的最高析晶温度约为1280℃。故当温度升至1320℃时有熔岩流出，1340℃保温阶段时，熔岩流动就较急，但不太稳定，一般能自动带出2一3m的纤维，用牵引棒牵引时用手能拉出2-3m左右的纤维，经测量，纤维平均直径为12·2um，在1360℃的保温阶段的最后阶段时熔岩就呈流水状，不易成丝。这些措施可以去除结晶水、气泡和泡沫,使玻璃熔体的体积稳定,得到平整光滑稳定的液面,有利于玄武岩熔体温度和粘度的稳定性,同时也消除了由于窑炉液面的波动对单丝直径的影响；•玄武岩的熔融过程是制备玄武岩纤维的重要环节。拉丝阶段•玄武岩玻璃液体从漏嘴流出时,要保证液滴在漏嘴底部不能漫流,润湿角要大一些,减小拉丝时的涨力。拉丝过程中解决粘性流体在漏嘴中流动的流体力学问题。•漏板的设计要考虑合理的结构,机械强度要好等问题,还要涉及到电流在漏板上分布均匀的问题。•玄武岩玻璃液的粘度是温度的函数,所以要考虑到漏板的恒温控制及成型区的热交换和温度控制。•池窑通路要保证提供化学均匀性和温度均匀性都好的玄武岩玻璃液供给漏板。•为保证整个窑炉的熔化质量,要求液面的波动要小,热点温度控制要稳定等。玄武岩的应用玄武岩纤维声、热绝缘复合材料1.玄武岩纤维的使用温度范围和抗震性能优于玻纤,因此可应用于高温和超低温设备以及高温作业的防护服和低温保温服；2.玄武岩纤维织成的板状和网状的结构具有多孔结构和无规则的排列方式,吸声性能好,玄武岩纤维吸声能力随着纤维层厚度的增加和密度的减少而增强,玄武岩纤维可制成声绝缘复合材料应用于航空、船舶、机械制造、建筑行业中作为隔音材料；玄武岩纤维短切原丝毡在过滤环保领域的应用利用玄武岩纤维的耐温特性，CBF是用于高温过滤材料（例如除尘袋、汽车消音器滤芯）、避火消防服阻燃隔热面料、防火卷帘、过冷防护服、防弹服、热防护服、军用帐篷、坦克发动机绝热隔音罩、核潜艇等军舰内装饰、火箭燃烧喉管等军工武器装备领域等优选的新材料。玄武岩防火板在混凝土增强领域的应用•玄武岩纤维筋的抗碱性能又比玻璃纤维筋优异,拉伸强度也要更高一些,可大大提高混凝土制品的使用寿命。此外,用玄武岩连续纤维增强铁路水泥枕木可增强其耐久性,尤其适合在青藏高原等气候多变地区使用。由于抗碱性较好,据估计玄武岩连续纤维混凝土可使用70年~100年。用玄武岩连续纤维增强水泥基复合材料还可降低制品的成本。由于玄武岩连续纤维具有较高的强度、弹性模量、耐高温和优良的耐化学腐蚀性能,其在水泥基复合材料中有广阔的应用前景。玄武岩钢筋在建筑修复、加固和更新领域的应用它可广泛用于梁、柱、板墙等补强，也可用于桥梁、隧道、水坝等其它土木工程的加固，尤其是抗震加固方面具有极为广阔的应用前景；在道路施工领域的应用玄武岩纤维具有较高的强度、弹性模量和耐高低温、耐侵蚀等性能,适用于路面土工格栅中的基础材料———纤维布；抗疲劳开裂；耐高温车辙、抗低温缩裂；加强软土基；玄武岩纤维布在医学上的应用纤维的酸度系数Mk越低，化学耐久性越好，使用温度也越高。CBF的pH值计算公式为pH=-0.0602WSiO2-0.12WAl2O3+0.232WCaO+0.120WMgO+0.144WFe2O3+0.217WNa2O，pH值越高，碱性氧化物越多，抗水性就越差，一般而言，4是最稳定的，5是稳定的，6是中等稳定的。•对上海俄金CBF有限公司的纤维计算，为5.48，pH值为1.7。它的使用温度范围为-269～650℃，而玻璃纤维为60～450℃。在工900℃高温下CBF的质量损失为12%[17]，所以CBF用作高温过滤材料，对抗生素生产过程中的空气净化和消毒。CBF在我国的发展前景•我国有关决策部门拟从新材料的战略发展高度引起充分的关注和重视，以推动我国CBF及其产业的快速发展，真正成为全球“后来者居上”的CBF制造大国。•值得注意的是，在全世界碳纤维严重短缺的背景下，一方面，美国利用其军事联盟国（包括日本在内）借机对我国进行更加严密的封锁；另一方面，近几年来，美国、加拿大、德国、英国、日本、韩国等国也纷纷加大国防科研的投入，开展了CBF在国防军工领域的应用研究，并展开了激烈的专利保护战。显然CBF将改变世界先进材料的格局由于性价比好，已经展现出广阔的国防军工的应用前景。