玄武岩纤维和玻璃纤维的比较

玄武岩纤维和玻璃纤维的比较在全球的大部分国家中都可以找到坚硬而致密的火山岩。玄武岩作为一种火成岩，它是从熔融状态下演变而成。玄武岩通过浇铸工艺制成瓦及板用于建筑市场已有多年历史。此外，在工业用途方面浇铸的玄武岩钢管内衬也有很高的耐磨性。玄武岩在粉碎状态下还可以用作混凝土的集料。后来，采用天然耐火玄武岩挤出的连续纤维，在几乎所有的用途方面都可以用来替代石棉纤维。近十年，玄武岩纤维已成为增强复合材料的竞争性材料。这一姗姗来迟的产品的支持者声称他们产品的性能与S-2玻璃相似，其价格则介于S-2玻璃和E玻璃之间，甚至有可能成为碳纤维的较为便宜的替代品。法国的PaulDhe是第一个有从玄武岩挤出纤维的想法的人。他在1923年申请了一项美国专利。大约在1960年，美国和前苏联都开始研究玄武岩的用途，尤其是在军事硬件如火箭上的用途。在美国西北部，集中了大量的玄武岩层。华盛顿州立大学的R.V.Subramanian对玄武岩的代学成份、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。大约在1970年前后,美国玻璃公司放弃了玄武岩纤维的研究,将战略重心定于其核心产品,研发出了包括OC公司的S-2玻纤在内的许多更好的玻璃纤维。与此同时,东欧方面的研究工作仍在继续,自上世纪50年代在莫斯科、布拉格和其他地区从事这方面研究工作的独立机构被前苏联国防部收归国有,集中于前苏联乌克兰的基辅附近的研究院和工厂进行研制。1991年苏联解体后，苏联的研究成果被解密，开始用于民用产品。今天，玄武岩纤维的研究、生产和大部分市场化的努力都是基于那些曾与苏维埃集团结盟的国家的研究成果。目前生产和销售玄武岩的公司有：KamennyVek公司（俄罗斯）、Technobasalt公司（乌克兰）、横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司（简称GBF）和玻璃钢及纤维研究院（乌克兰）。Basaltex公司是比利时MasureelHolding公司的子公司，它和美国SudaglassFiberTechnology公司分别向欧洲和北美市场提供织造和非织造玄武岩纤维增强材料。玄武岩纤维是采用在许多方面类似于玻纤拉丝的连续方法制造而成。首先需要将开采出的玄武岩进行粉碎处理和洗涤，然后装入与投料机相连的料仓内，由投料机将原料投入到用天然气加热的窑炉的熔化部。实际上这一过程比生产玻璃纤维要简单，因为玄武岩的成份更不复杂。一般玻璃成份中除50%SiO2外，其他成份还包括氧化硼、氧化铝和/或其他几种材料。这些材料在进入窑炉之前必须分别投入称量系统。不同于玻璃，玄武岩纤维不含第二种原料。生产过程只需要一条单独的投料线将粉碎的玄武岩送入熔窑。换言之，玄武岩纤维制造商对玄武岩原料的纯度和稳定性的直接控制工作更少。虽然玄武岩和玻璃都是硅酸盐，但熔融玻璃冷却后形成非晶状固体，而玄武岩具有晶体结构。玄武岩含有三种硅酸盐矿物质：斜长石、辉石和橄榄石。斜长石为一些由硅酸钠和硅酸钙组成的三晶长石。辉石为含有镁、铁、钙三种金属氧化物中任意两种氧化物的晶体硅酸盐。橄榄石是含有硅酸镁和硅酸铁的硅酸盐。这种成份变异意味着构成玄武岩的矿物水平和化学组成可以因地域关系存在很大差别。甚至于岩浆在接近地表时的冷却速率也会影响到晶体结构。Basaltex公司负责研发的人士指出，尽管能够从世界各地的矿井或露天进行开采，实际上全球只有几十个地区的玄武岩经过分析适合于制造连续细纤维。Technobasalt公司负责销售的人士认为，乌克兰地区的玄武岩成份非常适合于制造连续细纤维。KamennyVek公司所用的玄武岩原料都取自乌克兰西部。该公司在俄罗斯有一座备用矿，其玄武岩化学成份虽然接近主要原料开采源，公司仍然倾向于使用同一来源开采的原料。将粉碎后的玄武岩送入窑炉后，在1500℃的温度下形成液态（玻璃熔点为1400～1600℃）。与透明的玻璃不同，不透明的玄武岩不传输红外能量只是吸收能量。因此很难利用普通玻璃窑上部的气体燃烧器对整个玄武岩混料进行均匀加热。在上部气体燃烧器的作用下，熔化的玄武岩必须置于池内若干小时，确保均匀的温度分布。为了对原料进行均匀加热，生产厂商采用了多种方法，包括在池内放置电极。比起使用电加热，Technobasalt公司更倾向使用燃气加热，这是出于对质量的考虑，尽管这样做增加了制造成本。该公司采用了两步加热法，在分开的区段分别安装了加热控制系统。他们认为只有在窑炉出料区靠近拉丝漏板的位置需要安装很精确的温度控制系统，在初始加热区可以使用相对简单的控制系统。和玻璃纤维一样，玄武岩纤维也是用铂铑合金漏板拉制而成。在纤维冷却时涂覆浸润剂，纤维送入拉丝设备和卷绕设备，然后绕在纱筒上。由于玄武岩纤维比玻璃纤维更有磨损性，昂贵的漏板需要经常整修。随着漏板的磨损，漏板上的圆孔变得不均匀，影响了工艺控制。如不进行定期维修，不圆的孔径会导致纤维直径不在正常范围之内，生产出的无捻粗纱也无法预测它的断裂荷载。玻璃纤维漏板在使用6个月或更长时间后需要进行重新加工，而过去用于拉制玄武岩纤维的漏板的使用期限只有3～5个月，但KamennyVek公司经过工艺控制方面的改进已经使漏板的寿命延长到了6个月。总之，由于在加工和维修方面存在上述差异使玄武岩纤维的生产成本超过了E玻璃纤维，但是玄武岩纤维的支持者称它在复合材料用途中明显优于E玻璃纤维。玄武岩短切毡、无捻粗纱和单向织物比同类型的E玻纤产品有着更高的断裂载荷和更高的杨氏模量（材料的刚性参数）。比利时Leuven大学复合材料系专门从事玄武岩纤维和E玻纤研究的IgnaasVerpost教授进行了一项试验。用环氧树脂浸渍E玻纤和玄武岩无捻粗纱后，缠绕在一芯轴上，然后压实层合材料直至其完全固化，分别切下135㎜×15㎜的试样测量厚度。然后对试样进行三点弯曲试验（ISO178）和ILSS试验（ISO14130）来测强度和刚性。试验结果显示，虽然每块试样中的纤维含量均为40%，但玄武岩环氧试样的强度比E玻纤环氧试样高13.7%，刚性高17.5%，而玄武岩试样比E玻纤试样重3.6%。此外，玄武岩纤维天然耐受紫外线和高能量电磁辐射，在低温下仍能保持真性能，具有更好的耐酸性。据报道，玄武岩纤维在安全操作和空气质量方面没有问题。Technobasalt公司人士称，由于玄武岩是火山活动的产物，其成纤过程比玻纤对环境的影响更小，在成纤过程中可能释放的“温室”气体在几百万年前岩浆喷发时就已释放出来。玄武岩属于百分之百的惰性物质，与空气与水不发生毒性反应，为不燃和防爆物质。在将玄武岩纤维转换成有用的增强材料时，生产厂商总会面临新的挑战。例如，Basaltex公司以前就曾发现直接从织布机织出的玄武岩织物在加工时脆而易损，强烈弯折时会使纤维断裂，对皮肤还有刺激作用。为了使产品更稳定，Basaltex公司研发了一种有利于产品后道加工的专有硅烷浸润剂技术。这种纤维涂层加热后不发毒烟，也不会降低纤维的阻燃性能。该公司称，在初始阶段造成织物性能低劣的明显原因是在成纤过程中造成了纤维的损坏。今天，采用浸润剂技术和精良的生产工艺已经使纤维损坏降低到最低程度，制造出很有强度的玄武岩纤维，编织和机织时不会影响性能。虽然目前玄武岩纤维尚未得到广泛使用，它已逐渐进入消费者手中，它的价位处于S玻璃（5～7美元/磅）和E玻璃（0.75～1.25美元/磅）之间,但却有着与S玻璃相似的性能。由于它的高熔点，它最常用在防火领域。Basaltex公司进行了一些防火试验。试验时，将玄武岩织物置于Bunsen燃烧器的前端，使黄色的火焰直接接触到织物，黄色火焰的温度为1100℃～1200℃，使织物像金属织物那样变得红热。即使延长暴露在火焰中的时间，玄武岩纤维仍能保留其完整性，但是如果把同样密度的E玻纤织物放在火焰前端，只需几秒钟就会烧穿。由于玄武岩的阻燃性，使其成为摩擦材料中石棉的替代品，如制造复合材料刹车垫。由于它在高温下不会软化，不会因软化而沉积在刹车系统匹配件（盘式制动器或制动鼓）上。玄武岩也用于增强其他普通复合材料结构件。因为玄武岩容易被浸湿，适合于快速树脂浸渍和树脂传递模塑。Technobasalt公司称，所有用玻璃纤维制造的产品都可以用玄武岩纤维制造。KamennyVek公司现有几家使用它的标准增强材料产品的用户，其中之一是芬兰玻纤制造商奥斯龙公司，该公司现正在提供用于风力涡轮机叶片层合材料的双轴向玄武岩织物。风轮机叶片业务受材料刚性左右，玄武岩纤维的模量和拉伸强度分别比E玻纤高15%和25%，因而成为风轮机叶片某些部位的理想材料。工程设计人员采用计算机系统计算不同材料和施加浸润剂带来的优缺点，并对产品原型进行一系列试验。由KamennyVek公司供应的织物制成的风力机叶片有望在今年末通过德国劳氏认证。OEMs（贴牌生产厂商们）也正在着手了解用作消费品的玄武岩纤维产品的情况。专门销售摄影三脚架和云台的法国Gitzo公司最近推出了它的玄武岩三脚架和独脚架。公司提供多种型号来满足所有摄影者的需求。该公司先是用碳纤维生产复合材料制件，现在则利用公司现有的纤维增强管制造技术经验来制造玄武岩复合材料制品，因为玄武岩增强复合材料强度高，成本却比碳纤维低。玄武岩三脚架腿比铝制三脚架腿大约轻20%，而且具有更好的减震效果。美国LibFechnologies公司目前销售两种不同型号的滑雪板，在这两种型号中加入的是玄武岩纤维而非在其他型号中通常使用的玻璃纤维。MervinManufacturing公司制造玄武岩增强滑雪板，在其拥有专利权的滑雪板木芯的每一侧都有玄武岩衬里，使滑雪板刚性更好，重量更轻。该公司还在其生产的QuikSliver牌滑雪板中使用了Basaltex公司的玄武岩产品。该款滑雪板曾出现在2005年JEC展览会Basaltex摊位上。在汽车工业方面，美国Azdel公司（GE和PPG的50/50合资公司）开发了一种商名为Volcalite的热成型热塑性复合材料，该热塑性复合材料含有聚丙烯和长的短切玄武岩纤维。该公司称玄武岩聚丙烯系统吸声性好、热膨胀系数低、强度重量比高、延展性好。在制造汽车顶蓬内衬时能够比使用普通材料薄出50%。在英美都设有公司的TehnicalFiberProducts公司使用短切玄武岩纤维制造薄毡。该公司正在用这种薄毡试生产层合的和热成型的汽车部件。佳斯迈威欧洲公司也在生产湿法玄武岩薄毡。在基础设施领域玄武岩纤维也日益成为竞争性材料。美国Sudaglass公司虽然自己不再生产纤维，但是却在生产几种含玄武岩纤维的制品，如混凝土加强筋。据报道，用单向玄武岩纤维拉挤而成的筋材比钢筋轻89%，具有与混凝土相同的热膨胀系数，在碱性环境中更不容易老化。该公司称，用1吨玄武岩加强筋的加固效果相当于用4吨钢筋的加固作用。PVC加工过程中增塑剂的选择及生产工艺特性增塑剂的加入，可以降低PVC分子链间的作用力，使PVC塑料的玻璃化温度、流动温度与所含微晶的熔点均降低，增塑剂可提高树脂的可塑性，使制品柔软、耐低温性能好。增塑剂在10份以下时对机械强度的影响不明显，当加5份左右的增塑剂时，机械强度反而最高，是所谓反增塑现象。一般认为，反增塑现象是加入少量增塑剂后，大分子链活动能力增大，使分子有序化产生微晶的效应。加少量的增塑剂的硬制品，其冲击强度反而比没有加时小，但加大到一定剂量后，其冲击强度就随用量的增大而增大，满足普适规律了。此外，增加增塑剂，制品的耐热性和耐腐蚀性均有下降，每增加一份增塑剂，耐热下降2~3。因此，一般硬制品不加增塑剂或少加增塑剂。有时为了提高加工流动性才加入几份增塑剂。而软制品则需要加入大量的增塑剂，增塑剂量越大，制品就越柔软。如何看待PVC化学建材如能实现绿色环保助剂与之配套，改进技术配方，以高科技的服务手段相配合，PVC（聚氯乙烯）化学建材在中国将商机无限。这是前来我国进行技术讲学的洋博士弗兰克先生接受记者采访时，描绘的PVC在我国的发展前景。在加拿大蒙特利尔大学获得化学系高分子博士的弗兰克先生，目前是全球塑料工程师协会高级会员、美国材料和测试标准