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21世纪的新型环保纤维--玄武岩纤维

2012-07-12 17:11
野明月
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  玄武岩纤维是一种由天然岩石制成的纤维。上世纪50年代初期,德国、捷克和波兰等东欧国家以玄武岩为原料,采用离心法生产出了纤维平均直径为25μm~30μm的玄武岩棉。上世纪60年代初期,美国、前苏联、德国等大力发展垂直立吹法生产工艺,使玄武岩棉产量迅速增长。波兰的玄武岩棉厂共有12座熔窑,年产玄武岩9000吨~10000吨。原捷克的玄武岩棉厂有7座熔窑,每座熔窑日产玄武岩棉2.4吨~2.9吨,年产玄武岩棉5000吨~6000吨,大量用于建筑和工业保温,部分取代石棉用于生产石棉水泥制品,并使石棉水泥制品的强度得到提高。

  上世纪60年代初,前苏联引进了德国立吹法制造矿物棉的生产专利,在消化、吸收的基础上,成功地将该项技术应用于玄武岩棉的生产。设计生产能力为日产38吨~40吨玄武岩棉,从而大大加快了前苏联玄武岩棉工业的发展。此外,前苏联还进行了玄武岩长纤维增强混凝土的研究工作,证明了在所研究的5种无机纤维中,玄武岩纤维具有最好的抵抗水泥硬化时析出的Ca(OH)2的侵蚀。1973年,前苏联新闻机构报道了有关玄武岩纤维材料在其国内广泛应用的情况。

  玄武岩纤维的研究工作主要集中在前苏联。全苏玻璃钢与玻璃纤维科学研究院乌克兰分院早在上世纪60年代~70年代就致力于这方面的研究工作。1985年,第一座连续玄武岩纤维工业化生产线在乌克兰纤维实验室(TZI)建成投产,年产量为260吨,产品主要用于国防军工。目前,俄罗斯、乌克兰等国家已采用400孔池窑拉丝工艺生产连续玄武岩纤维及其制品,年产量700吨左右。美国则采用800孔池窑拉丝工艺,年产量为1000吨~1500吨。

  连续玄武岩纤维具有优良的力学性能、热稳定性、化学稳定性和电绝缘性能。定长纤维具有优良的耐热性、热振稳定性、化学稳定性和优良的隔热吸音性能,因此具有广阔的应用前景。制备连续玄武岩纤维的原料玄武岩(见图2),是由岩浆形成的基本矿石,是一种硬而致密的深色火山岩,主要矿物质是斜长石,在俄罗斯乌拉尔山脉、美国西部、印度尼西亚、菲律宾、越南等地有广泛矿藏分布。我国的黑龙江、宁夏、四川、山东、河北等地也有丰富的储量。而玻璃纤维则由叶腊石、石英砂、石灰石、硼钙石、硼镁石、萤石等原料制成。由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出,使连续玄武岩纤维制造过程的池炉排放烟尘中无有害物质析出,不向大气排放有害气体,无工业垃圾及有毒物质污染环境。它在很大程度上可代替玻璃纤维,被广泛用于航天航空、石油化工、汽车、建筑等多领域,因而,连续玄武岩纤维被誉为21世纪“火山岩变丝”、“点石成金”的新型环保纤维。

  增强复材的竞争性材料

  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10年,玄武岩纤维已成为增强复合材料的竞争性材料。虽然目前玄武岩纤维尚未得到广泛使用,但已逐渐进入消费者视线,价位处于高强玻璃纤维和无碱玻璃纤维之间,但却有着与高强玻璃纤维相似的性能。玄武岩矿石原料不仅廉价且随地可取,其价格仅相当于铺路石料价,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。与玻璃纤维一样,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,价格昂贵的漏板需要经常整修。随着漏板的磨损,漏板上的圆孔会变得不均匀,进而影响了工艺控制,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断裂荷载。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无碱玻璃纤维,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无碱玻璃纤维。玄武岩短切毡、无捻粗纱和单向织物比同类型的无碱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)。近年飞速发展的风力发电机叶片产业受材料刚性左右的因素日益突出。玄武岩纤维的模量和拉伸强度分别比无碱玻纤高15%和25%,因而将成为1.5兆瓦或2兆瓦风力发电机叶片承力部位的理想材料。

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