玄武巖纖維的性能應(yīng)用及最新進(jìn)展
玄武巖屬于火山噴出巖,是地球上存在和分布最廣的礦物之一。用它生產(chǎn)的連續(xù)纖維與普通巖棉相比,在纖維質(zhì)量方面有了質(zhì)的飛躍,它所表現(xiàn)出來的高彈性模量、高熱穩(wěn)定性以及優(yōu)異的耐酸堿性,使其得到廣泛的應(yīng)用。近年來,美國、韓國、中國和日本相繼展開了這方面的研究工作,其中美國已經(jīng)達(dá)到了1000～1500t/a的規(guī)模。在我國,玄武巖纖維的制備與應(yīng)用尚處于起步階段。
1玄武巖纖維的性能及用途
? ??相對(duì)于玻璃纖維、礦棉纖維等纖維材料,玄武巖纖維具有如下的優(yōu)越性:
1.1良好的拉伸強(qiáng)度及增強(qiáng)效應(yīng)
? ? 玄武巖纖維在70℃水作用下其強(qiáng)度可保持1200h,而一般玻璃纖維不到200h便失去強(qiáng)度;在100～ 250℃溫度下的拉伸強(qiáng)度可提高30%,而一般玻璃纖維卻下降23%。單纖維拔絲試驗(yàn)表明,玄武巖纖維與環(huán)氧聚合物的粘合能力高于玻璃纖維,而且在采用硅烷偶聯(lián)劑處理后還會(huì)進(jìn)一步提高。因此,玄武巖纖維可以代替即將禁用的石棉作為耐高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、橡膠技術(shù)制品等的增強(qiáng)材料,也可用于制作制動(dòng)器、離合器等的磨擦片的增強(qiáng)材料。
1.2高的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性
? ? 玄武巖纖維在堿性溶液中具有獨(dú)一無二的化學(xué)穩(wěn)定性,耐酸性比ECR玻璃纖維還好,具有明顯的耐酸耐堿性同時(shí)成本卻大大降低。可應(yīng)用于纖維增強(qiáng)混凝土構(gòu)建和土木材料中。特別是在橋梁、隧道、堤壩、樓板這些混凝土結(jié)構(gòu)以及瀝青混凝土路面、飛機(jī)起落跑道等經(jīng)常受到高濕度、酸、堿、鹽類介質(zhì)作用的建筑結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
1.3良好的絕緣性
? ? 玄武巖纖維的介電損耗角正切與玻璃纖維相近,用專門浸潤劑處理過的玄武巖纖維,其介電損耗角正切比一般玻璃纖維還低50%,可用其制造高壓(達(dá)250KV)電絕緣材料、低壓(500V)裝置、天線整流罩以及雷達(dá)無線電裝置等,前景十分廣闊,專門浸潤劑處理的玄武巖纖維還可用于制造新型耐熱介電材料。
1.4耐高溫和低溫?zé)岱€(wěn)定性
? ? 耐熱性接近于耐高溫的石英玻璃纖維,在400℃下工作時(shí),其斷裂強(qiáng)度能夠保持原始強(qiáng)度的85%;在600℃下工作時(shí),其斷裂強(qiáng)度能夠保持原始強(qiáng)度的80%,礦棉在相同情況下只能保持50%～60%的原始強(qiáng)度,玻璃棉則完全破壞。如果玄武巖纖維預(yù)先在780～820℃下進(jìn)行處理,纖維能在860℃下工作而不會(huì)出現(xiàn)收縮。在長期處于低溫(-196℃)液氮介質(zhì)作用下,玄武巖纖維的強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生改變,是有效的低溫絕熱材料。
1.5高的彈性模量
? ? 玄武巖纖維的彈性模量與昂貴的S玻璃纖維相近,強(qiáng)度相當(dāng);用于織造織物重量在150～210g/㎡的產(chǎn)品時(shí),織造性能良好;可用以代替S等玻璃纖維制造絕熱制品和復(fù)合材料,制造硬質(zhì)裝甲和各種GFRP產(chǎn)品。例如,利用E玻璃纖維生產(chǎn)玻璃鋼管,只能承受25個(gè)大氣壓,管徑最大為2m;而用玄武巖纖維做玻璃鋼管,則可承受60個(gè)大氣壓,管徑可達(dá)3m。在某些場(chǎng)合,玄武巖纖維甚至可以部分代替每噸售價(jià)在20余萬元的碳纖維或芳綸纖維。
1.6隔熱隔音性能
? ? 玄武巖纖維及其制品具有極高的隔熱、隔音的結(jié)構(gòu)特性,其吸音系數(shù)比E玻璃還高,是高效的隔音材料,能以稀釋氈或板的形式用于公共大廳,汽車船舶制造上用于絕熱隔音材料。
2玄武巖纖維的制備方法
? ? 根據(jù)熔融原料所使用的容器不同,生產(chǎn)方法分為坩堝法和池窯法兩種。前者是將玄武巖混合料加入坩堝內(nèi),經(jīng)過高溫熔融、澄清均化,融化后的原料融體經(jīng)漏嘴流出,被拉成纖維。該方法的能源利用率很低,坩堝的有效利用率只有10%～18%。池窯拉絲法又稱直接法,它是把原料制成配合料直接加入到窯內(nèi),經(jīng)過高溫熔融、澄清均化,熔體直接流入成型通路,經(jīng)漏嘴流出后拉成纖維。與坩堝法相比,該法生產(chǎn)纖維的過程簡(jiǎn)單、直接、節(jié)能。纖維類型不同,其制備方法略有差異,下面略述玄武巖短纖維、連續(xù)纖維、超細(xì)纖維的制造法。
2.1玄武巖短纖維
? ? 玄武巖短纖維常采用空氣立吹法工藝。其工藝過程為:將原料粉碎成直徑為50mm的塊料,加入熔窯中,在1450～1500℃下溶化,均質(zhì)化的玄武巖熔體通過鉑鐒漏板形成為一定直徑的的連續(xù)流體,進(jìn)入噴頭,在纖維噴頭中以壓縮空氣或過熱氣體為能量載體對(duì)玄武巖熔融物的射束流施加噴吹壓力(0.6～0.9MPa),能量載體所要達(dá)到的速度接近聲速。在能量載體流的作用下,將玄武巖熔融物的散滴變成玄武巖短纖維。
2.2連續(xù)玄武巖纖維
? ? 其拉絲過程為:清洗玄武巖塊料(50～60mm),在池窯中熔化后通過鉑鐒漏板拉絲,繞到機(jī)頭筒子上。與玻璃熔制相比,玄武巖熔化池較小,無需配料,生產(chǎn)過程更加簡(jiǎn)潔。因?yàn)樾鋷r熔體的透熱性比玻璃熔體低,容易結(jié)晶,拉絲區(qū)域的黏度高,必須構(gòu)建特殊的熔爐和裝置。通過在熔化區(qū)與作業(yè)區(qū)設(shè)分隔墻、上升通道、熱屏、薄層熔融體溢流帶和溜槽等部分,保證工業(yè)參數(shù)的穩(wěn)定。
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2.3超細(xì)玄武巖纖維
? ? 超細(xì)玄武巖纖維采用火焰噴吹法制備工藝。工藝為:經(jīng)磨碎、清洗后的玄武巖碎料由加料機(jī)械送入池窯。在垂直方向燃?xì)夂涂諝饣旌衔镒饔孟滦鋷r熔化。熔體經(jīng)過料道進(jìn)入漏板,在漏板下方形成一次纖維,通過拉絲膠輥的引導(dǎo)到達(dá)噴嘴,從噴嘴中噴出的高溫燃?xì)饬?將纖維一次吹散成長度20～200mm的定長超細(xì)纖維,然后經(jīng)集棉筒傳送至成形設(shè)備,沉降于緩慢旋轉(zhuǎn)的打孔滾筒表面,再經(jīng)輥壓后在另一收棉輥上形成氈。當(dāng)棉氈達(dá)到要求厚度,沿母線方向?qū)智虚_取出。該工藝所用鉑鐒漏板質(zhì)量達(dá)2.5kg,且穩(wěn)定性不高,使用超過3個(gè)月就需替換,維修成本昂貴。
3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
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? ? 俄羅斯與烏克蘭在玄武巖纖維的研究、生產(chǎn)及制品開發(fā)上代表了世界的最高水平,其采用鉑金管分流器,加熱式管狀流液洞,同時(shí)采用了中心取液法,配合較小的漏板,很短的漏嘴和熱風(fēng)式絲根冷卻器等一系列專有技術(shù),使玄武巖纖維產(chǎn)品穩(wěn)定,且已開發(fā)了上百種玄武巖纖維制品。美國雖然對(duì)其研究相對(duì)較晚,但使用800孔漏板拉絲技術(shù),其產(chǎn)品基本用于軍工方面,民用方面鮮有報(bào)道。近幾年來,日本、德國等地都加強(qiáng)了對(duì)玄武巖纖維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。
? ? 在上世紀(jì)90年代中期,南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院就開始了玄武巖纖維的研究。其中,劉柏森、斯維特蘭娜、何建生等針對(duì)玄武巖熔體透熱性低,易結(jié)晶、拉絲黏度高等特性,研究了一種生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維的池窯,它是在玻璃纖維池窯的基礎(chǔ)上,通過在熔化池與作業(yè)區(qū)之間增加分隔墻,上升通道,熱屏、薄層熔融體溢流帶和溜槽等部分,保證了流入拉絲作業(yè)漏板的熔融體的質(zhì)量和參數(shù)的穩(wěn)定;王嵐和李振偉針對(duì)玄武巖熔點(diǎn)高,熔融體易結(jié)晶、漫流等問題,對(duì)普通玻璃纖維用鉑金漏板中漏嘴進(jìn)行改進(jìn),制成了玄武巖纖維用的鉑金漏板,此種漏板中漏嘴出口與入口的直徑比為1∶1.05～ 1.3,高度為2～7mm,壁厚0.2～ 0.7mm,這樣的漏板有效地解決了料液在漏板上的析晶、漫流等問題,降低了拉絲工作的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高了產(chǎn)品成品率;奧斯諾斯 謝爾蓋 彼得洛維奇、李中郢通過研究玄武巖礦石的熔融體制取短纖維的工藝和設(shè)備,給出了礦石的熔融溫度范圍、拉絲的溫度范圍、噴吹短纖維的噴吹壓力值和噴吹氣流速度的范圍,明確了玄武巖短纖維生產(chǎn)設(shè)備的構(gòu)成;閆全英、胡琳娜、談和平等也對(duì)玄武巖成型工藝中粘流性、高溫粘度、析晶性能等在理論上做了大量的研究。
4結(jié)論
? ? 玄武巖纖維具有許多玻璃纖維所不具有的耐熱、耐酸堿、絕緣性及化學(xué)穩(wěn)定性等特征,且生產(chǎn)原料易得,貯量豐富,工業(yè)生產(chǎn)無“三廢”排放,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事上及瀝青混凝土路面具有極大的用途。玄武巖纖維的制備與應(yīng)用開發(fā)在國內(nèi)尚處于初始階段,其發(fā)展前景不可估量。
