21世紀的新型環(huán)保纖維--玄武巖纖維

　　玄武巖纖維是一種由天然巖石制成的纖維。上世紀50年代初期，德國、捷克和波蘭等東歐國家以玄武巖為原料，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60年代初期，美國、前蘇聯(lián)、德國等大力發(fā)展垂直立吹法生產(chǎn)工藝，使玄武巖棉產(chǎn)量迅速增長。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度得到提高。

　　上世紀60年代初，前蘇聯(lián)引進了德國立吹法制造礦物棉的生產(chǎn)專利，在消化、吸收的基礎(chǔ)上，成功地將該項技術(shù)應(yīng)用于玄武巖棉的生產(chǎn)。設(shè)計生產(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)還進行了玄武巖長纖維增強混凝土的研究工作，證明了在所研究的5種無機纖維中，玄武巖纖維具有最好的抵抗水泥硬化時析出的Ca（OH）2的侵蝕。1973年，前蘇聯(lián)新聞機構(gòu)報道了有關(guān)玄武巖纖維材料在其國內(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研究院烏克蘭分院早在上世紀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)線在烏克蘭纖維實驗室（TZI）建成投產(chǎn)，年產(chǎn)量為260噸，產(chǎn)品主要用于國防軍工。目前，俄羅斯、烏克蘭等國家已采用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)玄武巖纖維具有優(yōu)良的力學性能、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和電絕緣性能。定長纖維具有優(yōu)良的耐熱性、熱振穩(wěn)定性、化學穩(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)是斜長石，在俄羅斯烏拉爾山脈、美國西部、印度尼西亞、菲律賓、越南等地有廣泛礦藏分布。我國的黑龍江、寧夏、四川、山東、河北等地也有豐富的儲量。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。由于玄武巖熔化過程中沒有硼和其他堿金屬氧化物排出，使連續(xù)玄武巖纖維制造過程的池爐排放煙塵中無有害物質(zhì)析出，不向大氣排放有害氣體，無工業(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、建筑等多領(lǐng)域，因而，連續(xù)玄武巖纖維被譽為21世紀“火山巖變絲”、“點石成金”的新型環(huán)保纖維。

　　增強復材的競爭性材料

　　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替代石棉纖維。近10年，玄武巖纖維已成為增強復合材料的競爭性材料。雖然目前玄武巖纖維尚未得到廣泛使用，但已逐漸進入消費者視線，價位處于高強玻璃纖維和無堿玻璃纖維之間，但卻有著與高強玻璃纖維相似的性能。玄武巖礦石原料不僅廉價且隨地可取，其價格僅相當于鋪路石料價，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行熔化后進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。在纖維冷卻時涂覆浸潤劑，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，漏板上的圓孔會變得不均勻，進而影響了工藝控制，如不進行定期維修，不圓的孔徑會導致纖維直徑不在正常范圍之內(nèi)，生產(chǎn)出的無捻粗紗也無法預測斷裂荷載。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)成本超過了無堿玻璃纖維，但是玄武巖纖維的支持者稱它在復合材料用途中明顯優(yōu)于無堿玻璃纖維。玄武巖短切氈、無捻粗紗和單向織物比同類型的無堿玻纖產(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)展的風力發(fā)電機葉片產(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度分別比無堿玻纖高15%和25%，因而將成為1.5兆瓦或2兆瓦風力發(fā)電機葉片承力部位的理想材料。