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玄武岩纤维的特性及其在中国的应用前景
发布时间:2007-11-21 14:39:31 阅读次数:4007 信息来源:
发布时间:2007-11-21 14:39:31 阅读次数:4007 信息来源:
本文系综述文章，文中介绍了有关玄武岩纤维特性研究工作有大量结果，提供了在各不同工业领域应用连续玄武纤维的现状及该纤维的生产经验。
本文介绍了连续玄武纤维的主要的优异性能，并提供了该纤维与玻璃纤维比较其生产技术的特殊性相关信息。用实际具体实例说明在不同工业领域玄武岩纤维及其加工的材料的应用前景及其特殊性能。
目前，世界各国对由玄武岩矿石生产的连续玄武岩纤维产生了极大的兴趣，之所以如此，基于下列因素：
——与玻璃纤维比较玄武纤维具有绝对优异的特性指标；
——玄武岩纤维的生产原料是无限的；
——近年来，玄武岩纤维生产新技术的成功应用大大地降低了其生产成本，基本上与玻璃纤维的生产成本相当；
特性指标角度来看，玻璃纤维有一定的局限性，例如：比强度；使用温度；化学稳定性，尤其是对碱性介质而言。除此之外，生产玻璃纤维必须到利化学纯的各种组份，尤 其是比较短缺组份氧化硼（B2O3）。因此近年来连续玄武岩纤维先进生产技术的开发取得较大进展，相继组建并投产了一批连续玄武岩纤维及其制品的工来企业。
玄武岩纤维生产的发展背景
玄武岩纤维生产技术的研究开发工作始于前苏联时期，在60年代初期生产了一批边疆玄武岩纤维样品，随之进行了多年的玄武岩纤维及其制品特性的研发工作。到80年代中期连续玄武岩纤维的工业生产装置投入生产。90年代中期已建成二个连续玄武岩纤维生产厂，到90年代末格鲁基亚和哈萨克斯坦分别建成二个连续玄武纤维生产工厂。但是这些工厂采用的工艺技术能耗高、设备结构复杂、产品成本高，因为当时产品基本上是用于国防工业，所以对产品成本基本上是不予考虑。
在90年代末开发成功连续玄武岩纤维生产的新工艺和新设备。由于采用新工艺和新设备使能耗降低了2.5倍，并相应地降低了生产成本，甚至低于玻璃纤维的生产成本。 这些研发成果为玄武岩纤维生产的发展给予极大的推动力，而且大大地扩展了玄武岩纤维应用的潜在市场。在2000年利用连续玄武岩纤维生产的新工艺技术和设备建成了世界最大规模的生产厂，该厂的全部产品用于日本《本田》汽车公司的零部件生产。除此之外，正在建设和将要建设数座连续玄武岩纤维的生产厂。
中国在前苏联专家的帮助下建设并投产一台连续玄武岩纤维工业试验装置，在该套装置上利用中国的玄武岩矿石进行运转并取得较好的结果。
玄武岩矿石属火山岩浆矿石，它具有天然的化学稳定性，玄武岩矿石是富集的、熔融的和质量均匀的单组元原料。上述各过程（熔融、质量均匀化等皆是在远古火山作用的结果。与玻璃纤维生产不同，玄武岩纤维的生产原料是天然且现成的。
近年来，为筛选适宜于生产连续玄武岩纤维的原料矿石进行过大量的研究工作，尤其是为了生产设定特性（如机械强度、化学和热稳定性、电绝缘性等）的玄武岩纤维，必须采用特定要求的矿石的化学组成和纤维成形性能。例如：生产连续玄武岩纤维所采用矿石的化学组成范围如表I所示。
|
化学组份 |
Sio2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
TiO2 |
Na2O |
其它杂质 |
|
最低% |
45 |
12 |
5 |
4 |
3 |
0.9 |
2.5 |
2.0 |
|
最高% |
60 |
19 |
15 |
12 |
7 |
2.0 |
6.0 |
3.5 |
非常遗憾的是，目前在中国对玄武岩矿石作为玄武岩纤维生产原料的研究工作尚未引起应有的重视。根据已掌握的玄武岩矿石化学组成分析数据说明，在中国的很多省份都有适合于连续玄武岩纤维生产的矿址（1）例如：四川、云南、黑龙江、浙江、湖北、海南岛、台湾等省，其中某些省的矿石已经在工业试验装置上生产出连续玄武岩纤维。
玄武岩矿石在地球表面上已存放了数百万年，经受着多种气候因素的作用，玄武岩矿石是最坚固的硅酸盐矿石之一，由玄武岩制造的纤维具有天然的强度和对腐蚀性介质作用的稳定性、耐用性、电绝缘性，玄武岩矿石是一种天然的环保型的洁净原料。
过去多年来，玄武岩纤维未能被广泛应用，主要原因是其生产工艺太复杂，而且又是新事物，工业生产技术尚未完全掌握。玄武岩纤维生产的工艺技术与玻璃纤维生产是不同的，具体如下：
——玄武岩矿石的化学组份与玻璃体完全不同；
——玄武岩矿石含有大量的铁的氧化物（FeO、Fe2O3），对热辐射而言它是不透明的；
——玄武岩矿石是已存在的天然熔融体亦即是说，按化学组份而论质量是均匀化的。
——玄武岩矿石的熔化过程与玻璃的熔化不同，不需经过澄清工序。
上述这些玄武岩矿石的特殊性决定了连续玄武岩纤维的生产工艺和技术装备的特点。最初建设的玄武岩矿石熔化炉力求与玻璃纤维生产相关类似的炉型，取得一定的效果，但其生产成本大大高于玻璃纤维。
评价连续玄武岩生产成本应考虑下列因素：玻璃纤维生产技术已发展了70多年，而玄武岩纤维的工艺技术仅在最近几年才取得一些进展；就拉丝漏板的孔眼数而言，玻璃纤维生产所用的拉丝漏板已达2000孔甚至更多，而玄武岩纤维工业生产的拉丝漏板目前仅为200孔而已。当然，目前也在进行生产能力更高的多孔数的漏板的研究开发工作。但是，目前使用200孔拉丝漏板条件下连续玄武岩纤维的生产成本相当于玻璃纤维的生产成本，原因何在？玄武岩矿石原料是廉价的而且随地可取，该价格是铺路石料价。玄武岩矿石价格仅占玄武岩纤维生产成本的3-5%，而生产玄武岩纤维只是将矿石在熔化炉中进行熔化后进入接丝漏板纤维成形，这就是连续玄武岩纤维生产的全部工艺过程。当然应该考虑将能耗降到最低值。因此，玄武岩矿石熔化炉结构应该更紧凑，这样纤维生产的能耗会更低些。
大自然已经提供了构成玄武岩矿石的主要能耗，在自然条件下，玄武岩矿石经过富集、化学组份均质化并在地球深部进行熔化等过程。甚至大自然都考虑到将玄武岩矿石以山岭的形式推列地球表面供人类利用，按统计数据约有1/3的山脉是由玄武岩构成。
时间在流逝，大自然的恩赐在享用，但我们应记住，大自然不是简单地赐给我们财富，生产玄武岩纤维必须有先进的工艺技术和现代化的设备。
玄武岩纤维和主要特性及与其它类型纤维和对比（2）
1、高断裂比强度，表2列出玄武岩纤维断裂比强度
|
单位直径，微米 |
5.0 |
6.0 |
8.0 |
9.0 |
11.0 |
|
单位断裂比强度Kg/mm2 |
215 |
210 |
208 |
214 |
205 |
表3列出RB-10连续玄武岩结束断裂负荷参数。
|
单位直径，微米 |
Tex值 |
断裂负荷（牛顿） |
|
10 |
600 |
400 |
|
10 |
1200 |
700 |
2、在腐蚀性介质中高耐蚀性和高化学稳定性（在酸、碱、盐溶液中）。
表4列出玄武岩纤维化学稳定性数据
|
连续玄武岩纤维 样品类型 |
H2O |
0.5N NaOH |
2N NaOH |
2N HCL |
|
No.I |
99.63 |
98.3 |
92.8 |
|
|
No.2 |
99.70 |
98.9 |
90.7 |
|
|
No.3 |
99.60 |
94.6 |
83.3 |
由表4所列数据可以看出，玄武岩纤维在碱性溶液中有独特的化学稳定性，该特性为在桥梁、隧道、堤坝、楼板等类混凝土结构的增强，以及沥青混凝土路面，机场飞机起落跑道的增强和其它易受潮湿、盐类与碱性混凝土介质腐蚀而导致金属钢筋腐蚀的建筑构件中的应用开辟了广泛的前景。
玄武岩纤维可以与无机粘合剂相容，用于制造新型耐燃复合材料。除此外，玄武岩纤维是制造净化工业废气和城市废物处理装置的过滤器不可替代的材料。
3、玄武岩纤维高热稳定性数据。
表5列出玄武岩纤维热稳定性数据。
|
温度 ℃ |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
|
No.I 234kg/mm2 |
98.7 |
88.7 |
58.9 |
38.4 |
25.0 |
|
No.2 240kg/mm2 |
99.0 |
89.0 |
61.0 |
39.0 |
27.0 |
|
No.3 254kg/mm2 |
100 |
90.0 |
65.0 |
38.8 |
28.6 |
由上表所列数据可见，由玄武岩纤维制造的各种材料可以在600℃条件下使用。利用无机粘合剂制造的玄武岩纤维隔热材料可以在700℃条件下使用。除此之外，利用某些高热稳定性玄武岩矿石制造的纤维可以在800℃条件下使用，而且该纤维已成功地制造成过滤器，并应用于选矿石、冶金工业、化工厂、建材厂和电站排放气中粉麈的脱除。用玄武岩纤维制成的过滤器可以净化300-650℃工作条件下的空气。
在抗生素过程中产生的气体也可以用玄武岩纤维进行净化和杀菌，用玄武岩纤维制成的过滤器在生产中长期使用说明，它可以承受强刺激性蒸汽的杀菌作用。
4、玄武岩纤维对交错变换负荷具有高稳定性和耐久性。
用连续玄武岩纤维制造的型材（玄武岩钢）如条、棒等，多年（9年以上）使用后，经多次交错变换负载作用下未发现任何疲劳破坏的痕迹——如裂缝和其它征兆。
5、高绝缘特性和高电子磁波辐射透过性。
连续玄武岩纤维具有较高的电绝缘性和较高的电磁波透过性，因而可以用于制造高压（250千伏）和低压（500伏）设备的电绝缘材料，如在按装高压输电线、天线整流罩，雷达及其它无线电设备等。
6、高隔热隔音特性.表6列出单线直径9-11微米玄武岩纤维材料的导热性数据。
|
材料密度kg/m3 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
140 |
160 |
|
导热系数Kcal/m.h.℃ |
|||||||
|
温降（50℃） |
0.052 |
0.050 |
0.047 |
0.044 |
0.041 |
0.040 |
0.041 |
表7列出直径为1-3微米超细纤维制造的材料的导热性的数据
|
材料密度kg/m3 |
20 |
30 |
60 |
80 |
100 |
120 |
140 |
|
导热系数Kcal/m.h.℃ |
|||||||
|
温降（50℃） |
0.0405 |
0.0375 |
0.0345 |
0.0340 |
0.0360 |
0.0380 |
0.041 |
在低温技术中玄武岩纤维可用作高效隔热保温材料.用单位直径为1-3微米的超细玄武岩纤维(密度为140kg/m3)制造的隔热保温材料在-196℃条件下导热系数为0.026 Kcal/m.h.℃,而且在该条件液态氮介质中浸泡后纤维强度无降低现象。因此，在冶金工厂中的液态氧生产部门长期使用玄武岩纤维制造的隔热保温材料。
表8列出由玄武岩纤维制造材料的吸音材料的性能数据，该材料是用直径为1-3微米的超细玄武岩纤维制成。
|
材料密度15kg/m3；厚度30mm；隔离壁面与材料的间距0.0mm; | |||
|
频率范围赫（HZ） |
100-300 |
400-900 |
1200-7000 |
|
法向吸音系数 |
0.05-0.15 |
0.22-0.75 |
0.85-0.93 |
|
材料密度15 kg/m3；厚度30mm；隔离壁面与材料的间距0.0mm; | |||
|
频率范围赫（HZ） |
100-200 |
300-900 |
1200-7000 |
|
法向吸音系数 |
0.15 |
0.86-0.99 |
0.74-0.99 |
玄武岩纤维制造的吸音材料正广泛应用于航空工业、造船工业和机械工业。除此之外，利用该纤维还可制造用于隔热吸音相结合的结构材料。该类材料是绝对不可然的，而且在加热情况下没有有害的物质或气体排出，其使用温度可达600-700℃，若与其它材料相结合使用温度可达1000℃。例如制度防火材料——防火墙、安全防火门、防火结构件、电缆
|
|
7、玄武岩纤维低吸湿率。
与玻璃纤维比较，玄武岩纤维吸湿率低于6-8倍，因此在航空工业、导弹生产和船舶工业中利用玄武岩纤维制造的隔热吸音材料属传统产品。因为上述行业而言重量轻、吸湿率低是至关重要的指标。
8、与金属、塑料、塑胶有较好的兼容性。
基于上述性能，玄武岩纤维即可用于开发新特性复合材料的广阔前景。
9、玄武岩纤维制造的材料和产品使用性能高。
在周围环境和腐蚀性介质作用下具有较高的化学稳定性。
技术—经济分析结果说明，与玻璃相比玄武岩纤维及其产品具有最佳的性价经。因此，我们认为连续玄开岩纤维不应该将其视为玻纤的竞争对手。从本文所述的内容可知，玄武纤维有其自己的应用领域，而这些领域玻纤是无法满足的（从材料特性的要求角度）。鉴于此，在某些特定的工业领域中玄武岩纤维有其独特的应用前景。
玄武岩纤维及其制品的分类及应用领域。
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连续玄武岩纤维 |
纤维参数：直径D：6-9微米 |
长度L＞10KM |
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玄武岩纤维原始材料 |
以玄武岩纤维制造的材料和产品 |
应用的工业领域 |
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粗纱、纺织加工用的复合加捻约束 |
拷编织物，电绝缘织物，网格、针织材料、基板、塑料板、卷状塑料、饰面、防火材料、壁纸 |
电子工业、电器工业、化学工业、塑料制品和建筑材料生产。 |
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连续玄武岩纤维 |
纤维参数：直径D：10-15微米 |
长度L＞10KM |
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粗纱、粗纱编织物
网络、粗纱布
短切纤维缝制材料 |
用于生产异型玻璃钢的粗纱—条、棒。型材，玄武岩钢筋，管材、容器。用于生产玻璃钢饰面材料的增强用粗纱织物，用于增强塑料制品，薄板制品的短切纤维。各种几何形状的编织材料—网格，用于增强路面、土堤加围、土墙加固抗浸蚀土壤加固，针缝制材料用于隔热吸音制品。 |
电机制造业、化学工业、电子工业、能源动力工业、薄板和建材工业、机械制造业、汽车工业、船舶工业及其它工业领域 |
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连续玄武岩纤维 |
纤维参数：直径D：15-19微米 |
长度L＞10KM |
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粗纱、粗纱布、短切
纤维 |
网格的增强，粗纱织物用地薄板的生产，短切纤维用于塑料制品增强，混凝土、浆液、建筑物顶盖的增强。闸瓦、刹车片的增强。不同几何形状织物用于网格，公路路面、土堤加固，抗侵蚀土壤加固等。 |
建材工业、机械工业、汽车工业、工业民用建筑，公路建筑等领域。 |
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连续玄武岩纤维 |
纤维参数：直径d＞19微米 |
长度L＞10KM |
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短切纤维 |
用于混凝土和混凝土沥青公路建设的增强材料 |
工业建筑和公路建设业 |
玄武岩纤维制品的应用领域
机械制造业 ——热处理设备的保湿，热管道的保湿。
航空工业 ——隔热、吸音薄板；钉板的防火编织物用于发动机和抢 系统的保温吸音。气体动力装置排气通道吸音材料。
船舶工业 ——设备的隔热吸音，船体和甲板上部装置的结构材料。
车厢制造业 ——车厢的隔热吸音，结构薄板的增强，不可燃和复合材料。
汽车工业 ——制造汽车消音器的隔热吸音材料，隔热垫圈，保湿隔离罩，隔热薄板，离合器盘，刹车闸瓦，结构塑料部件的增强，为可燃复合材料，汽车顶盖窗帘及其它材料。
动力能源工业——蒸汽锅炉，蒸汽透平等热设备的保温，电绝缘材料，高压输电线路悬 心线，核电能源用材料——不可燃的保湿和结构材料，玄武岩还是一种抗辐射保护材料。
化学工业
和石化工业——各种耐腐蚀管材，保护金属，不可燃复合材料。用连续玄武岩纤维制造的过滤器可净化排放气中的粉麈和污染物。
电子工业 —— 线路板的生产，电子仪表壳体的增强。
市政工程 —— 污水处理净化设备的过滤器。
冶金工业 —— 加热设备，热交换设备，管道与管线的保湿材料。选矿和炼钢车间排放气粉麈脱除过滤器，污水净化过滤器。
冷冻工程和设备 ——生产压缩天然气和液态氧及其它产品的隔热材料。
建材工业 ——建筑结构板材和饰面材料，增强网络，玄武岩钢钢筋用于桥梁、隧道、铁路、地铁枕木。
增强材料：用于建设沥青混凝土公路表面覆盖物，建筑用预制板，泡沫混凝土的增强材料。
水利工程 ——建设堤坝和灌溉工程用增强材料以及港口码头建设的增强材料。在此需要再次强调，玄武岩纤维与玻纤不同，它可以利用无机粘合剂制造复合材料，也就是说， 该复合材料是难燃甚至不可燃材料，它是一种新型复合材料，可以用在具有高火灾危然的工业建设项目，核电站，化学工业与石化工业，高层建筑群，造船工业，汽车制造业等领域。
10、在中国生产玄武岩纤维工艺技术的一些特殊性。
根据在中国生产连续玄武岩纤维的工作经验中所显露出的一些特殊性希望在此提出：
1）中国的玄武岩矿石与欧洲矿石不同，从地质角度考虑，中国的玄武岩矿石比较“年青”，它们不具备很鲜明的特征表现，即所谓的原化矿石的疤痕，通过对中国各省的如四川、黑龙江、云南、浙江、湖北，长江中下游、海南等地区玄武岩矿石的研究说明，在这些玄武岩矿石中不存在原化岩石，在表面上仅有一些典型的黄色的铁的氧化物薄层。这对连续玄武岩纤维生产是非常有利的，原料价格和加工成本低。
2）、在中国的玄武岩矿石中含有大量的铁的氧化物FeO、Fe2O3达15-16%，因此必须对连续玄武岩生产的工艺技术和操作规程进行调整和修正。
3）、在中国能源价格（天然气、电力）大大高于俄罗斯、乌克兰，甚至还高于欧洲和美国等世界价格水平，为了保证连续玄武岩纤维的生产成本就必须改造矿石熔化炉，燃气—空气系统，燃气烧喷的结构，采用新工艺技术，新型能源供应系统，新型耐火材料和保湿材料。上述这些措施和问题已经取得完满的解决。
目前，连续玄武岩纤维的生产处于开始发展阶段，本文的目的是：
——希望中国的专家们和企业界对玄武岩纤维给予足够的重视；
——希望共同努力对大自然赐给中国的亿万吨玄武岩得到充分的开发利和；
本文系综述性文章，不可能全面包含玄武岩纤维及其制品在各领域利用的可能性和使用特性。因此，将在今后的文章中逐步介绍一些应用实例。
(转自中国玄武岩纤维网)
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