魏 晨，郭榮輝

(四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065)

作為21世紀(jì)綠色環(huán)保高性能無(wú)機(jī)纖維材料之一，玄武巖纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性等特點(diǎn)[1]。玄武巖纖維來(lái)自大自然中的天然玄武巖。玄武巖纖維是通過(guò)熔融紡絲拉伸工藝，在極高溫的條件下將玄武巖高溫熔融，通過(guò)噴絲板拉伸得到的連續(xù)纖維。因此，玄武巖纖維通常也會(huì)被一些文獻(xiàn)稱為玄武巖連續(xù)纖維[2]或連續(xù)玄武巖纖維[3]。

1 玄武巖纖維的基本組成

玄武巖(即玄武巖、安山玄武巖、輝綠巖、輝長(zhǎng)巖、閃石及其它巖石)是由巖漿形成的一種基本礦石，大自然劇烈演變的磨礪(古代火山活動(dòng))保證了玄武巖纖維的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[4]。玄武巖礦石的化學(xué)成分是相對(duì)穩(wěn)定的，尤其是在同一個(gè)火山地域范圍之內(nèi)，玄武巖纖維化學(xué)成分穩(wěn)定性會(huì)更高。

玄武巖是火山活動(dòng)的結(jié)果。因此，玄武巖是一種硅酸鹽無(wú)機(jī)物，其密度范圍是2.6 g/cm3～2.7 g/cm3，主要由二氧化硅和鋁、鎂、鈣的氧化物組成。此外，玄武巖成分中還含有少量其他的金屬氧化物(Fe2O3、FeO、TiO2、K2O 和 Na2O 等)[5]。

玄武巖纖維化學(xué)組分會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生比較大的影響。SiO2是玄武巖纖維中最主要的成分，含量為45%～60%，二氧化硅晶體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度；Al2O3也是玄武巖纖維中的基本成分，含量為12%～19%，Al2O3具有化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性，為提高玄武巖纖維復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性和力學(xué)性能提供了可能性；CaO的含量為6%～12%，有利于纖維耐水性、力學(xué)強(qiáng)度和纖維硬度的提高，纖維會(huì)呈古銅色，這是因?yàn)?Fe2O3和 FeO的含量也較大，在 5%～15%[4]，一般都是在10%以上[6]，而鐵元素往往成紅褐色和黑色，它會(huì)對(duì)玄武巖纖維的顏色有較大的影響。另外，玄武巖纖維中的其他組分也會(huì)有利于纖維的耐水性和耐化學(xué)腐蝕的提高。

化學(xué)成分的改變對(duì)玄武巖纖維的生產(chǎn)制造也有較大的影響。玄武巖纖維的生產(chǎn)目前較多采用熔融拉絲的方法，熔融體粘度和熔融溫度是紡絲工藝中比較重要的工藝參數(shù)，熔體粘度越高，越有利于生產(chǎn)。 根據(jù)上述分析，SiO2、TiO2、Al2O3在玄武巖纖維比例的增加都能夠使玄武巖的熔體粘度提高[7]。在玄武巖纖維的制作過(guò)程中，如果增加更多的Fe2O3，則能夠提高玄武巖纖維的使用溫度。

2 玄武巖纖維的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 玄武巖纖維國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

玄武巖纖維最早在1953～1954年間，由蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院研究開(kāi)發(fā)。到2002年，前蘇聯(lián)已經(jīng)能夠每年生產(chǎn)500噸左右連續(xù)玄武巖纖維的產(chǎn)品，玄武巖纖維在當(dāng)時(shí)主要用于軍工行業(yè)。國(guó)際上，一些科技發(fā)達(dá)的國(guó)家例如美國(guó)、日本和德國(guó)等都加強(qiáng)了對(duì)玄武巖纖維的研究開(kāi)發(fā)，不僅如此，加拿大、韓國(guó)、英國(guó)等國(guó)也加大國(guó)防科研的投入，開(kāi)展了玄武巖纖維在國(guó)防軍事領(lǐng)域的應(yīng)用[8]，并都取得了顯著的成果。

2.2 玄武巖纖維國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)最早開(kāi)始研究玄武巖纖維是在1990年后，在南京玻璃纖維研究院開(kāi)展，研究方向是玄武巖纖維隔熱材料復(fù)合材料[9]。隨后全國(guó)也開(kāi)始致力于玄武巖纖維的開(kāi)發(fā)，其中連續(xù)玄武巖纖維應(yīng)用廣泛，需求量日漸增大[1]，這促進(jìn)了我國(guó)在玄武巖纖維的研究和發(fā)展。我國(guó)在2002年11月，將“玄武巖纖維及其復(fù)合材料”批準(zhǔn)列為863國(guó)家計(jì)劃(2002AA334110)[10]。

在2004年，玄武巖纖維在上海實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，屬于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，產(chǎn)業(yè)部分技術(shù)已能達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際的先進(jìn)水平，為今后大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)玄武巖纖維奠定了基礎(chǔ)。

近年來(lái)，豐富的天然玄武巖生產(chǎn)的玄武巖纖維是一個(gè)重要的硅酸鹽纖維家族，且它具有十分優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性、可再生性、生物相容性、機(jī)械模量和強(qiáng)度、隔熱隔音性能和抗電磁輻射等性能，其單位成本低于玻璃纖維，特別是遠(yuǎn)低于碳纖維等高性能纖維。因此，這些環(huán)保、低成本的特點(diǎn)使玄武巖纖維成為復(fù)合材料的組成之一。例如，玄武巖纖維與生物降解脂肪族聚酯制備綠色復(fù)合材料，是一種良好替代的增強(qiáng)劑；玄武巖纖維復(fù)合材料也可利用在3D打印技術(shù)[11]；且到目前為止，在土木工程領(lǐng)域玄武巖纖維的應(yīng)用還處于探索階段，但前途不可估量[12]。因此，無(wú)論在國(guó)內(nèi)外，玄武巖纖維在21世紀(jì)的發(fā)展前途無(wú)量。

3 玄武巖纖維的性能

3.1 玄武巖纖維的外觀特性

由于大部分玄武巖纖維中含鐵量是較高的，導(dǎo)致玄武巖纖維的外觀大多數(shù)呈深棕色[13]，因此會(huì)發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維色澤與碳纖維十分相似。如圖1所示，玄武巖纖維擁有與其他人造化學(xué)纖維相似的表面形貌，即整體看來(lái)是光滑的圓柱狀，其截面由于在拉伸過(guò)程中受到表面張力的影響，也是呈幾乎完美的圓形[3]。

玄武巖之間抱合力非常小，這是因?yàn)樾鋷r纖維表面的粗糙度比較小。因此，在與樹(shù)脂復(fù)合作為增強(qiáng)材料時(shí)，這會(huì)極大地影響到與樹(shù)脂的復(fù)合效果，玄武巖纖維復(fù)合材料的制備往往需進(jìn)行一定的表面改性處理，增大其粗糙度。但是光滑的表面對(duì)氣體和液體通過(guò)的阻力小，用玄武巖纖維產(chǎn)品是比較理想的過(guò)濾材料。

圖1 玄武巖纖維電鏡圖[4]

3.2 優(yōu)異的力學(xué)性能

玄武巖纖維具有優(yōu)異的抗拉伸強(qiáng)度和模量。玄武巖連續(xù)纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天然纖維和合成纖維，屬于高性能纖維，是理想的增強(qiáng)材料。玄武巖連續(xù)纖維的拉伸強(qiáng)度高于其它一些常見(jiàn)高性能纖維的拉伸強(qiáng)度(表1)。玄武巖纖維抗拉比強(qiáng)度在高性能纖維中也是突出的。其比強(qiáng)度高出金屬的1～1.5倍，高出E－玻璃纖維的0.4～0.5倍[4]。此外，玄武巖纖維的彈性模量較大，其彈性模量顯著優(yōu)于E－玻璃纖維[6]。

表1 各種材料的拉伸強(qiáng)扶

3.3 高電絕緣性

玄武巖纖維具有高電絕緣性。研究表明，玄武巖纖維的表面電阻率和體積電阻率是E－玻璃纖維的10倍以上[3]，可大于10000Ω·cm。因?yàn)樾鋷r纖維具有良好的電絕緣性，玄武巖纖維可以在電絕緣材料[15－16]上有廣闊的應(yīng)用，例如制造高壓(達(dá)250千伏)電絕緣材料[4]。

3.4 良好的隔音隔熱性能

玄武巖纖維具有優(yōu)異的隔音隔熱性能。從結(jié)構(gòu)上看，玄武巖纖維的多孔結(jié)構(gòu)被證實(shí)具有較好的吸音能力，玄武巖纖維吸音系數(shù)較高，可用來(lái)作為卓越的吸音材料[17]。另外，玄武巖纖維的導(dǎo)熱系數(shù)低，能被應(yīng)用于保溫絕熱領(lǐng)域。

由于玄武巖纖維吸音系數(shù)是高于大多數(shù)高性能纖維的，而且具有隔熱功能，能用于各種公共場(chǎng)合的吸引地板或者地氈[18]。玄武巖纖維產(chǎn)品應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)及住房建筑中，能夠吸收噪音，還能夠起到保溫絕熱的作用，防止火災(zāi)的發(fā)生。

3.5 化學(xué)穩(wěn)定性

玄武巖纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠耐酸耐堿。玄武巖纖維中硅氧化合物、氧化鋁等硅酸鹽成分會(huì)影響玄武巖纖維的耐酸耐堿性能，常規(guī)玄武巖纖維在除了強(qiáng)酸溶液外，均能具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。玄武巖纖維可以應(yīng)用在經(jīng)常受到高濕度、各類介質(zhì)作用的建筑結(jié)構(gòu)中，正是因?yàn)槠渚哂辛己玫幕瘜W(xué)穩(wěn)定性[16]，特別是混凝土行業(yè)的增強(qiáng)材料，往往以玄武巖纖維作為替代品。此外，玄武巖纖維也具有高耐久性。研究表明，玄武巖纖維制成的材料在超過(guò)九年的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，經(jīng)受交變電流作用后幾乎沒(méi)有任何破損、強(qiáng)力下降的痕跡顯現(xiàn)[9]，這也使得其在建筑結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)材料領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊的前景。

玄武巖纖維也具有低吸濕性和耐水性的特點(diǎn)。玄武巖纖維的吸濕率是玻璃纖維吸濕率的12%～15%[16]，屬于低吸濕纖維。此外，玄武巖纖維在溫?zé)崴幸材鼙３州^高的強(qiáng)度，而其他高性能纖維，如玻璃纖維，在70℃條件下，經(jīng)過(guò)200小時(shí)后基本上失去強(qiáng)度，但是玄武巖纖維在其6倍時(shí)長(zhǎng)后才失去部分強(qiáng)度[16]?；谝陨咸攸c(diǎn)，玄武巖纖維在飛機(jī)、火箭、船體制造業(yè)等需要吸濕率較低材料的領(lǐng)域，能夠得到廣泛的應(yīng)用。

3.6 耐高溫性能

玄武巖纖維具有耐高溫性。常見(jiàn)的高性能纖維最高使用溫度見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，玄武巖纖維的耐高溫性甚至優(yōu)于碳纖維。

表2 幾種高性能纖維的最高使用溫度[16]

玄武巖纖維的熱穩(wěn)定性能很好，玄武巖纖維的斷裂強(qiáng)度在400℃～600℃溫度下工作時(shí)能夠保持在百分之八十多。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，耐高溫性能很好的礦棉也只能保持一半的強(qiáng)度，而E－玻璃纖維則完全失去力學(xué)性能[16]。玄武巖纖維的耐熱性比E－玻璃纖維和礦棉好得多，接近石英玻璃纖維。目前石英玻璃纖維是耐高溫材料最好的產(chǎn)品，但是石英玻璃纖維價(jià)格貴、產(chǎn)量低，玄武巖纖維是制造業(yè)中耐高溫材料的良好替代品。

3.7 與金屬、塑料良好的兼容性

玄武巖纖維具有良好的與材料兼容性。玄武巖纖維與金屬、樹(shù)脂等材料復(fù)合使用，比一般高性能纖維有具有更強(qiáng)的相對(duì)粘合強(qiáng)度。但是玄武巖纖維表面摩擦力小，與材料的抱合力不大，如果要作為復(fù)合材料依然需要進(jìn)行一定表面改性[3]。玄武巖纖維往往與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，得到更高性能的材料。碳纖維的價(jià)格昂貴，產(chǎn)量也不大，如果加入低成本的玄武巖纖維能降低其成本，且如果在玄武巖纖維中加入一定比例的碳纖維，并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行一定的處理，其強(qiáng)度和模量都能夠得到顯著的提升。

4 玄武巖纖維的應(yīng)用

玄武巖纖維作為一種環(huán)保型新材料，其來(lái)源廣，資源豐富，生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)帶來(lái)環(huán)境壓力，且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐化學(xué) 腐蝕性、耐高溫性，優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度、抗拉伸能力、隔音隔熱等性能。因此，玄武巖纖維和其他纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng) 域范圍十分廣泛[16]。

目前國(guó)外利用玄武巖纖維制備復(fù)合材料的研究較多，而國(guó)內(nèi)對(duì)玄武巖纖維的復(fù)合應(yīng)用研究相對(duì)較少。玄武巖纖維及其復(fù)合材料在生活生產(chǎn)中隨處可見(jiàn)。隨著人們對(duì)玄武巖纖維及其復(fù)合材料的深入探究，玄武巖纖維的其他性能也逐漸被發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改性處理等方法，玄武巖纖維及其復(fù)合材料在高端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的高強(qiáng)度、耐高溫等也有著其廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 工業(yè)管材領(lǐng)域

由于玄武巖纖維的高強(qiáng)度和抗拉伸能力，用玄武巖纖維制造管材是十分常見(jiàn)的。在石油行業(yè)、各種化工工業(yè)中不同用途的管材都可以由玄武巖纖維制造，這種管材檢修期可相對(duì)縮短，其斷裂和被腐蝕的危險(xiǎn)也相對(duì)降低。例如輸送高含量硫化氫和CO2的天然氣管線[16]，采用玄武巖纖維管材，避免腐蝕性液體和氣體腐蝕破壞管道。在冶金方面，玄武巖纖維的耐高溫性也能得到很好的應(yīng)用。

此外，玄武巖纖維還可被應(yīng)用于各種運(yùn)輸容器、絕緣支架等方面。這在我國(guó)西 部開(kāi)發(fā)中能夠起到重要的作用，僅輸油輸氣管道主管線一項(xiàng)就需要8000 km多[16]，還不包括輸油輸氣管支線工程，而玄武巖纖維的應(yīng)用能夠極大的降低工程項(xiàng)目的成本。

4.2 交通運(yùn)輸領(lǐng)域

玄武巖纖維可用于汽車部件及車內(nèi)裝修，車外耐摩擦材料、車罩材料等[19－20]。據(jù)報(bào)道，在日本的一個(gè)汽車制造工廠開(kāi)發(fā)出用玄 武巖纖 維作保溫吸音材料，以此替代玻纖作消 音器填充物，獲得了成功，并開(kāi)始了批量生產(chǎn)。此外，玄武巖纖維可制成多種復(fù)合材料應(yīng)用于其他交通運(yùn)輸領(lǐng)域，例如，增強(qiáng)材料，可制備如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車廢氣排放系統(tǒng)的絕熱、吸音材料；飛 機(jī)機(jī)體的部件、整體框架；輪船的隔板和構(gòu)架增強(qiáng)材料等。

4.3 建筑領(lǐng)域

玄武巖纖維具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，且其耐久性也很好。因此，將玄武巖纖維應(yīng)用于工業(yè)建筑領(lǐng)域是目前研究的一大熱點(diǎn)。玄武巖纖維優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度使得其在抗震增強(qiáng)上能夠提高建筑質(zhì)量，而其吸音性能、絕熱性能和耐高溫性能，對(duì)建筑的安全、保暖性也能夠起到提升的作用。玄武巖纖維往往會(huì)作為混凝土的增強(qiáng)材料，以此應(yīng)用于建筑行業(yè)。此外，玄武巖纖維和無(wú)捻粗紗也能夠編織成工業(yè)材料，在橋梁、大壩等結(jié)構(gòu)中進(jìn)行增強(qiáng)。玄武巖纖維也可以與各種其他纖維復(fù)合，制得增強(qiáng)塑料、橡膠制品等。其中，利用玄武巖纖維作為鋼筋的替代品，用在混凝土中的增強(qiáng)材料是最近國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。玄武巖纖維作為一種新興的綠色硅酸鹽纖維材料，是其它纖維材料的良好替代品[21]。在土木工程方面，在混凝土中摻入一定量的短切玄武巖纖維，可以有效改善素混凝土的脆性問(wèn)題，顯著加強(qiáng)素 混凝土抗壓、抗拉以及抗 折等力學(xué)性能[12]。此外，玄武巖纖維布也可以用于加固混凝土結(jié)構(gòu)[22]。雖然國(guó)內(nèi)外在玄武巖纖維加固混凝土構(gòu)件方面進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究，但是對(duì)掌握玄武巖纖維加固混凝土構(gòu)件的破壞特征和承載力提高程度并基于此得到玄武巖纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，還有許多工作需要完善和進(jìn)一步開(kāi)展[13]。

4.4 吸附領(lǐng)域

玄武巖纖維經(jīng)過(guò)表面改性處理，可應(yīng)用于水處理吸附以及生物催化領(lǐng)域。

玄武巖纖維用于水質(zhì)凈化用微生物載體領(lǐng)域，取得了較好的脫氮除碳效果[23－24]。但玄武巖纖維表面光滑，不利于微生物在其表面附著，需要對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面處理，采用酸刻蝕玄武巖纖維可保證其本身的基本強(qiáng)度不受破壞的同時(shí)增大其表面粗糙度。因此，采用酸堿刻蝕法對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面處理，以增加微生物與玄武巖纖維間的接觸面積，促使更多微生物附著其表面，能夠進(jìn)一步提高玄武巖纖維的生物親和性及其作為微生物載體時(shí)的水質(zhì)處理效果[25－27]。

此外，玄武巖纖維中的 MgO、CaO、Fe2O3、K2O對(duì)生物質(zhì)催化氣化都有很好的催化作用。所以，采用玄武巖纖維作氣化的催化劑載體，是一個(gè)值得嘗試的選擇[28]。

4.5 過(guò)濾材料領(lǐng)域

應(yīng)用于過(guò)濾用的纖維除了取決于纖維的品種外，還在極大程度上取決于纖維的直徑、形態(tài)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。玄武巖纖維是具有多 孔結(jié)構(gòu)的纖維，表面是光滑的圓柱形，截面是規(guī)整的圓形。玄武巖纖維的比表面積大，密度較小，這些賦予玄武巖纖維優(yōu)異的過(guò)濾性能。光滑的表面可以使流經(jīng)的氣體液體快速通過(guò)。過(guò)濾過(guò)程中材料內(nèi)部顆粒吸附在纖維表面，促使比表面積擴(kuò)大，進(jìn)一步提高過(guò)濾效率[29－31]。玄武巖纖維材料可用來(lái)凈化工業(yè)生產(chǎn)中的有害氣體和粉塵，如鋼鐵、水泥、食品等行業(yè)。玄武巖纖維是制作過(guò)濾設(shè)備性價(jià)比高的材料[29]。

5 結(jié)束語(yǔ)

玄武巖纖維具有力學(xué)強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕性好、價(jià)格低廉、原料易得、低導(dǎo)熱性和較好的介電性能等多重優(yōu)良性能，并且制造過(guò)程環(huán)保無(wú)危害，能直接降解為泥土，被稱為21世紀(jì)的“綠色工業(yè)材料”。玄武巖纖維及其復(fù)合材料在建筑、工程塑料、農(nóng)業(yè)、軍事、石油、航天航空、造船業(yè)等高科技技術(shù)范圍方面都有著至關(guān)重要的地位，應(yīng)用前景廣闊，特別是目前玄武巖纖維在混凝土建筑領(lǐng)域作為增強(qiáng)材料的研究十分火熱。但是，目前玄武巖纖維僅在科學(xué)研究領(lǐng)域有比較大的突破，如何將玄武巖纖維及其復(fù)合材料大批量的生產(chǎn)且應(yīng)用于不同的行業(yè)領(lǐng)域，仍是現(xiàn)在亟待解決的問(wèn)題。