吳佳林

(廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528041)

連續(xù)玄武巖纖維(Continous Basalt Fibre，以下簡稱CBF) 是一種無機(jī)纖維。它是以天然玄武巖礦石作為原料，將其破碎后加入熔窯中，在1 450～1 500 ℃ 熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維[1]。由于玄武巖熔化過程中沒有硼和其它堿金屬氧化物排出，使玄武巖連續(xù)纖維的制造過程對環(huán)境無害，無工業(yè)垃圾，不向大氣排放有害氣體，故CBF被譽(yù)為21世紀(jì)的新材料[2]。玄武巖纖維一般可分為普通玄武巖棉、超細(xì)玄武巖纖維和CBF。與碳纖維、芳綸、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維等其它高科技纖維相比，CBF具有許多獨特的優(yōu)點，如突出的力學(xué)性能、耐高溫、耐酸堿、吸濕性低，此外還有絕緣性好、絕熱隔音性能優(yōu)異、良好的透波性能等優(yōu)點。以CBF為增強(qiáng)體可制成各種性能優(yōu)異的復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、化工、醫(yī)學(xué)、電子、農(nóng)業(yè)等軍工和民用領(lǐng)域。

1 CBF發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

以玄武巖為主要原料生產(chǎn)的巖棉自從1840年首先在英國威爾斯試制成功到現(xiàn)在已有160多年的歷史[3]。前蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院于1953～1954年開發(fā)出CBF[4]。l959年德國人報道有關(guān)玄武巖棉的生產(chǎn)裝置。1960～1970年，前蘇玻璃鋼與玻璃纖維科研院烏克蘭分院根據(jù)前蘇聯(lián)國防部的指令，著手研制CBF。烏克蘭建筑材料工業(yè)部設(shè)立了專門的絕熱隔音材料科研生產(chǎn)聯(lián)合體，主要任務(wù)是研制CBF及其制品制備工藝的生產(chǎn)線。聯(lián)合體的科研實驗室于1972年開始研究制備CBF，曾經(jīng)研制出20多種CBF制品的生產(chǎn)工藝[5]；1985年CBF研制成功并實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。由此可知，CBF開發(fā)成功和投入生產(chǎn)的歷史有30多年左右。在這期間，烏克蘭、俄羅斯、美國等幾個國家都陸續(xù)建立起了CBF制造工廠。近幾年來，國際上例如美國、日本、德國等一些科技發(fā)達(dá)國家都加強(qiáng)了對CBF這一新型非金屬無機(jī)纖維的研究開發(fā)，并取得了一系列新的應(yīng)用研究成果。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國玄武巖分布很廣，因此具有穩(wěn)定的原料來源。我國對于玄武巖纖維的研究始于20世紀(jì)70年代起，當(dāng)時國家建筑材料科學(xué)院和南京玻璃纖維研究設(shè)計所曾先后進(jìn)行相應(yīng)的研究，但沒獲得成功。玄武巖纖維項目在2001年6月被列為中俄兩國政府間科技合作項目；2002年8月，我國將“連續(xù)玄武巖纖維及其復(fù)合材料”列入國家863計劃。目前該項目成為各地發(fā)展高技術(shù)材料熱門選擇的對象。“十五”期間，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的863計劃成果為玄武巖纖維項目的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。2003年，該863計劃成果與浙江民營企業(yè)對接成立了橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司。2004年開始在上海實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前技術(shù)己經(jīng)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，部分技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平和領(lǐng)先水平。從而為今后大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)CBF奠定了基礎(chǔ)。2008年被列為國家重點新產(chǎn)品項目。近年來，玄武巖纖維在我國發(fā)展較為迅速，我國成為擁有世界上最領(lǐng)先的玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)的幾個國家之一，多家研究機(jī)構(gòu)相繼發(fā)表了許多研究成果。國內(nèi)生產(chǎn)玄武巖纖維企業(yè)主要有上海橫店、浙江石金、四川航天拓鑫、牡丹江金石、山西巴塞奧特、遼寧金石、營口洪源、江蘇天龍、河北通輝等9家。2010年纖維總產(chǎn)量粗略統(tǒng)計在2 000 t左右，有專家學(xué)者預(yù)測：2020年為10萬 t左右[6]。

2 連續(xù)玄武巖纖維的應(yīng)用

2.1 CBF在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

玄武巖纖維具有較高的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)臄嗔焉扉L，這些力學(xué)性能指標(biāo)有利于紡織加工生產(chǎn)。目前，玄武巖纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要有以下三個方面：玄武巖纖維紗；玄武巖纖維布；玄武巖纖維氈。

(1)玄武巖纖維紗的品種主要有玄武巖纖維紗、玄武巖纖維無捻粗紗、玄武巖短纖紗與玄武巖纖維膨體紗。玄武巖纖維紡織紗是由多根連續(xù)玄武巖纖維原絲經(jīng)一次加捻而成的紗線。大體可以分為織造和其他工業(yè)用紗。趙明良等[7]研究和確定了適合在改進(jìn)的環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)上紡制棉/玄武巖纖維賽絡(luò)紡包芯紗的工藝參數(shù)；周榮穩(wěn)等[8]通過與玻璃纖維對比，研究了玄武巖纖維紗線拉伸性能、耐熱水、耐酸堿性以及耐高溫性能，結(jié)果表明，玄武巖纖維具有比玻璃纖維更好的耐酸堿腐蝕性和高溫穩(wěn)定性能，為玄武巖纖維紗在紡織生產(chǎn)方面的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。何青[9]在橫機(jī)上，選用玻璃纖維紗與毛腈混紡紗作為玄武巖纖維紗的對比紗，在不同工藝參數(shù)下編織圓筒形平針和1×1羅紋織物，分析比較這些參數(shù)對線圈長度及紗線強(qiáng)力損傷率的影響趨勢，重點探討玄武巖纖維紗線的可編織性，并最終得出它的最佳編織工藝范圍，為玄武巖纖維紗選擇合理的編織工藝參數(shù)提供可靠的依據(jù)，具有實際應(yīng)用價值。

(2)玄武巖纖維布是采用玄武巖纖維紗加工而成的織物，包括基布、防火布、土工布和多軸向布等。MING Zhi-hong等[10]在電腦橫機(jī)上分別編織連續(xù)玄武巖纖維變化緯平針和不同墊紗比的襯墊織物4種預(yù)制件。通過VARTM技術(shù)制成復(fù)合材料，測試樣品的縱向、橫向拉伸性能。結(jié)果表明：襯墊紗的浮線可以明顯提高織物的橫向拉伸性能，為玄武巖纖維及緯編增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)設(shè)計和應(yīng)用提供依據(jù)。張明星[11]以玄武巖纖維梭織平紋織物和針織羅紋、雙羅紋、緯平針及羅紋空氣層4種針織物為試驗材料，通過測試，得出拉伸載荷-伸長位移曲線，分析了載荷與伸長位移間的內(nèi)在關(guān)系，為玄武巖纖維紡織增強(qiáng)體的應(yīng)用提供了依據(jù)。徐艷華[12]分別選用不同線密度的高強(qiáng)高模量玄武巖纖維作為經(jīng)紗、緯紗和針織紗編織織物，采用VARTM工藝制作玄武巖纖維/乙烯復(fù)合材料。測試復(fù)合材料的拉伸性能，結(jié)果表明：這種復(fù)合材料具有較好的軸向拉伸性能，橫向和縱向的拉伸性能均優(yōu)于斜向，其拉伸斷裂均為脆性斷裂。

(3)玄武巖纖維氈是由玄武巖單纖維無序交錯穿插而形成的無定向三維微孔結(jié)構(gòu)，主要包括玄武巖纖維針刺氈、玄武巖纖維表面氈和玄武巖纖維短切原絲氈。玄武巖纖維氈多用于復(fù)合材料，由于玄武巖纖維的電絕緣性好，具有透波和吸波性能，是高性能汽車和艦船的優(yōu)質(zhì)材料。

2.2 CBF在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著我國連續(xù)玄武巖纖維的批量生產(chǎn)，由于玄武巖纖維良好的性能，這種材料開始引入土木工程領(lǐng)域，引起國內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。近年來玄武巖纖維在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)纖維增強(qiáng)混凝土方面。在攪拌混凝土的同時加入短切玄武巖纖維制成玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土，用于新建結(jié)構(gòu)。李為民等[13]研究了短切玄武巖纖維對混凝土的增強(qiáng)和增韌效應(yīng)，給出了不同體積摻量的玄武巖纖維混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并且通過試驗得出了不同纖維體積摻量的玄武巖纖維混凝土的沖擊韌性隨平均應(yīng)變率的變化曲線，從而得出結(jié)論：在一定體積摻量情況下玄武巖纖維的增韌效果優(yōu)于碳纖維 ，并且確定了最佳體積摻量。

(2)建筑結(jié)構(gòu)加固、修復(fù)方面。將玄武巖纖維制成織物或片材，黏貼到混凝土表面用于混凝土的補(bǔ)強(qiáng)、修復(fù)與加固。目前常用的加固材料主要是碳纖維和芳綸纖維，然而這兩種纖維成本均相對較高。隨著玄武巖纖維的出現(xiàn)，尤其是其具有高強(qiáng)、高模的特點，成為纖維材料補(bǔ)強(qiáng)的替代品[14]。

(3)玄武巖纖維增強(qiáng)塑料(FRP)筋方面。把玄武巖纖維制成束狀的玄武巖纖維增強(qiáng)塑料筋用在現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中代替鋼筋，用于新建結(jié)構(gòu)。長期以來，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中一直存在鋼筋銹蝕引起的結(jié)構(gòu)耐久性問題，特別是在一些侵蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于混凝土的碳化和氯離子的侵蝕，使混凝土逐漸中性化，鋼筋鈍化膜受到破壞后，鋼筋開始被腐蝕。而玄武巖纖維由于獨特的性能，如耐高溫和低溫?zé)岱€(wěn)定性、高的耐酸堿性和化學(xué)穩(wěn)定性、耐紫外線光照、抗老化性能良好、性價比高等優(yōu)點，可將其制成玄武巖FRP筋用于混凝土結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)來代替鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋。鄒鵬程等[15]進(jìn)行了玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土圓柱段的軸心受壓試驗，并且根據(jù)試驗數(shù)據(jù)作出了玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2.3 CBF在過濾環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，由此帶來的一系列環(huán)境污染的問題也越來越嚴(yán)重，大量工業(yè)三氣排放是對大氣造成污染的主要原因，提高排放煙氣的潔凈程度是有利于環(huán)境保護(hù)的必要措施。玄武巖纖維由于其良好的特性，可作氣固分離和液固分離的多種過濾材料，因此可以在過濾材料領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用。

(1)耐高溫過濾材料。受高溫?zé)煔夤r條件的限制，一般的纖維不適合作高溫?zé)煔膺^濾材料，目前用于高溫?zé)煔膺^濾的材料主要有芳綸、玻璃纖維、聚苯硫醚和聚四氟乙烯等高性能纖維。芳綸纖維的極限氧指數(shù)值為29%，屬于難燃纖維。芳綸纖維是水解性纖維，耐氧化性差，不能用于高溫?zé)煔庵泻兴趾脱趸锏墓r條件，使用溫度也不宜超過190 ℃。玻璃纖維使用溫度為260 ℃，最高使用溫度在 290～450 ℃。但是玻璃纖維耐磨性差，耐折性差，不耐HF，影響其使用壽命。聚苯硫醚、聚酰亞胺和聚四氟乙烯等高性能纖維雖然綜合性能較好，但價格較高，主要依賴進(jìn)口。玄武巖纖維的使用溫度范圍為-269～700 ℃，最高使用溫度在860～900 ℃，具有突出的耐溫性能，而且價格合理，性價比高，是未來高溫過濾材料的首推材料[16]。

(2) 耐酸堿過濾材料。玄武巖纖維具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，當(dāng)需要對含有酸堿性物質(zhì)的材料進(jìn)行過濾時，可以選用化學(xué)穩(wěn)定性非常好的玄武巖纖維作為過濾材料。馮建民等[17]研究了玄武巖針刺濾料與其他三種市場上常見的針刺過濾氈，30 ℃下經(jīng)酸堿溶液不同時間的腐蝕后的拉伸性能變化。結(jié)果表明，玄武巖纖維復(fù)合針刺過濾材料耐酸性能優(yōu)良，耐酸性與其他三種針刺氈相當(dāng)，耐堿性略優(yōu)于它們；另外玄武巖纖維復(fù)合針刺過濾材料本身的耐酸性優(yōu)于耐堿性。王明超等[18]研究玄武巖纖維在2 mol/L NaOH中煮沸3 h，玄武巖纖維質(zhì)量僅損失2.2%，玄武巖纖維的耐酸性優(yōu)于耐堿性。

2.4 CBF在公路交通領(lǐng)域的應(yīng)用

玄武巖纖維在路面及混凝土結(jié)構(gòu)中具有單絲抗拉強(qiáng)度極高、彈性模量高、斷裂延伸率適中、抗銹蝕能力極強(qiáng)，生產(chǎn)工藝短、能耗低、性價比高、純天然綠色環(huán)保等特點，尤其是在建設(shè)創(chuàng)新型國家、創(chuàng)新型行業(yè)、節(jié)能減排、低碳及長壽命的交通設(shè)施建設(shè)中越來越引起公路工程技術(shù)界的廣泛關(guān)注和積極推廣應(yīng)用。甄娜娜[19]通過實例和路用性能分析玄武巖纖維可以改善瀝青混合料的疲勞性能、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等，在瀝青混合料中滲加玄武巖纖維具有重要的意義。易波[20]比較石灰?guī)r和玄武巖在瀝青瑪蹄脂碎石中的適應(yīng)性，可以促進(jìn)石灰?guī)r在實際工程中的應(yīng)用。羅鑫[21]研究玄武巖纖維對地質(zhì)聚合物混凝土(GC)性能的改善能力，能夠改善GC的抗壓、抗折強(qiáng)度；為BFRGC在機(jī)場道面快速修補(bǔ)提供了更加廣闊的應(yīng)用前景。

2.5 其他方面的應(yīng)用

基于玄武巖纖維所具有的獨特性能，除了以上幾方面應(yīng)用外，另外玄武巖纖維在隔音材料[22]、電力工業(yè)、農(nóng)業(yè)和軍事等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語

玄武巖纖維的優(yōu)良特性和市場的需求使其得到快速發(fā)展。隨著進(jìn)一步的深入研究和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，玄武巖纖維將在許多領(lǐng)域扮演重要的角色。因此加快對玄武巖纖維及其制品的研究與開發(fā)符合國家產(chǎn)業(yè)化發(fā)展政策，有利于促進(jìn)我國礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)和綜合利用，對促進(jìn)建立一種低投入、高產(chǎn)出、少排放、能循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會有著舉足輕重的意義。

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