玄武岩纤维性能与用途探讨_王峣舜
#40#纺织科技进展 2010年第1期
玄武岩纤维性能与用途探讨
王峣舜
(天津工业大学纺织学院,天津300160)
摘 要:玄武岩纤维属于高科技纤维,其应用领域广泛。介绍了玄武岩纤维优良的物理化学性能和存在的某些缺陷,并展望了其发展方向和领域。
关键词:玄武岩纤维;性能;应用
中图分类号:TS10214 文献标识码:A
文章编号:1673-0356(2010)01-0040-03
随着科学技术的发展和生活水平的不断提高,人们对产业用纺织品的性能要求也越来越高,新型纤维不断开发,高性能产业用纤维原料不断涌现,如玻璃纤
维、芳纶纤维、碳纤维等。如今,高性能纤维中又增加了新的活力,这就是玄武岩纤维。早在20世纪七八十年代前苏联科学家首先研发成功连续玄武岩纤维,并于1985年在乌克兰首次投入批量生产,由此,全世界各国展开了对玄武岩的深加工利用和科学研究。目前,全世界能生产玄武岩纤维的有俄罗斯、乌克兰、美国、加拿大和中国等少数几个国家。随着科学研究的深入,人们发现,玄武岩纤维制造过程中,没有金属氧化物的排放污染,回收后可以自然降解,不会对环境造成二次污染,所以对玄武岩纤维技术的开发和研究具有重要的战略意义。文章详细介绍了玄武岩纤维优良的物理化学性能,也说明了其某些缺陷,并展望了应用前景和方向,以期对从事玄武岩纤维研究开发的同仁有所帮助。
1 玄武岩纤维性能优点
纯天然的连续玄武岩纤维颜色似金色,外观呈光滑的圆柱体,其截面呈完整的圆形。玄武岩纤维的密度较高,硬度很高,因而具有优异的耐磨、抗拉增强性能[1]。玄武岩纤维为非晶态物质,使用温度一般在-269~700e(软化点为960e),耐酸耐碱,抗紫外线性能强、吸湿性低、有较好的耐环境性能。此外,还有较好的绝缘性,高温过滤性、抗辐射和良好的透波性、热振稳定性、环保洁净性以及其结构性能与结构质量的比值优良等优点
[2]
较,在许多方面都具有优异的性能,其主要性能与其他纤维性能的比较详见表1。
111 较好的力学性能
连续玄武岩纤维的密度有2.65~3.00g/cm,硬
度很高,为莫氏硬度5~9度,因而它具有优异的耐磨、抗拉增强性能。它的力学强度远远超过天然纤维和合成纤维,所以它是一种理想的增强材料,其优异的力学性能位于高性能四大纤维前列。
112 突出的介电性能
3
连续玄武岩纤维的体积电阻率比E玻璃纤维高出一个数量级,具有很好的介电性能。虽然玄武岩矿石中含有质量分数近0.2的导电氧化物,但采用特殊的浸润剂专门表面处理后,该玄武岩纤维介电耗角正切(tanD)比玻璃纤维低50%,纤维的体积电阻率也高于玻璃纤维。
113 出众的隔音性能
连续玄武岩纤维具有优异的隔音、吸声性能,从该纤维在不同音频下的吸声系数就能得知,随着频率的增加,它的吸声系数显著增加。如选用直径为1~3Lm玄武岩纤维制成的(密度为15kg/m3,厚度为30mm)吸音材料,在音频为100~300Hz、400~900Hz和1200~7000Hz条件下,该纤维材料的吸声系数分别为0105~0115,0122~0175和0185~0193。
114 耐高温耐水性
[3]
连续玄武岩纤维的工作温度范围一般为-269~700e(软化点为960e),而玻璃纤维为-60~450e,碳纤维最高使用温度也只能达500e。特别是玄武岩纤维在600e工作时,其断后强度仍能保持80%的原始强度;在860e下工作而不会出现收缩,即使耐温性优良的矿棉此时断后强度也只能保持在50%~
。玄武岩纤维与其他纤维相比
收稿日期:2009-11-23;修回日期:2009-12-05作者简介:王峣舜(1987-),男,本科,研究方向为纺织工程。
60%,玻璃棉则完全破坏。而碳纤维约在300e就有CO和CO2产生。玄武岩纤维在70e热水作用下能够
2010年第1期 纺织科技进展保持较高的强度,玄武岩纤维在1200h后才可能失去部分强度[4]。
115 良好的化学稳定性和耐腐蚀性
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为有利,起相当重要作用。它与玻璃纤维的化学稳定性相比更显优势,特别是在碱性和酸性介质中更加明显
[5]
。玄武岩纤维在饱和的Ca(OH)2溶液和水泥等
连续玄武岩纤维中含有K2O、MgO和TiO2等成分,而这些成分对提高纤维耐化学腐蚀及防水性能极
碱性介质中还能保持更高的抗碱液腐蚀性能。
表1 玄武岩纤维与其他纤维的性能比较
性能
物理性能
密度/g#m-3
抗拉强度/MPa弹性模量/GPa断后延伸率/%
导热系数/w#(m#kg)-1体积电阻率/8#m吸声系数
化学性能
软化点
最高使用温度/e耐化学性价格/元#kg-1
玄武岩纤维2.65~3.003000~484079.3~93.1
3.150.031~0.0381@
1012
0.9~0.99
960700耐酸耐碱
38
E-玻璃纤维2.55~2.623100~380076~784.700.034~0.041@1011
0.8~0.93
850380耐碱一般
17
s-玻璃纤维2.46~2.494590~483088~915.600.036~0.041@
1011
0.8~0.931056300耐碱一般
20
2000不作用300
250耐酸一般200
碳纤维HS(高强)
1.783100~5000230~2401.205~1852@10-5小
芳纶纤维1313
1.442758~3034124~1312.30低大于1@1011
小
2 玄武岩纤维先天不足与工艺缺陷
211 玄武岩纤维成分波动较大
丝过冲中极易成为晶核而加速析晶现象出现。目前,高SiO2含量的玄武岩原料很难作为合适的玄武岩纤维生产原料。
214 FeO/Fe2O3比例波动及铁氧化物含量高
玄武岩是地球熔岩形成的,所以各地区不同矿床成分的较大不同导致先天成分的不足,即使是同一矿点化学成分也有小幅波动。由于成分的波动,导致化学成分也非常复杂,难以用于玻璃陶瓷等配合料的原料中。表2为世界各地玄武岩化学成分的大致范围。
表2 玄武岩纤维化学成分
化学成分SiO2Al2O3Fe2O3/FeO
CaOMgOTiO2
Na2O其他杂质
最低质量分数/%
[***********]215210
最高质量分数/%
[***********]10610
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玄武岩纤维中,铁氧化物比例的波动,也会造成性能的波动。FeO/Fe2O3比例越高纤维抗拉强度越大。各地矿石比例不同,熔炼上也有阻碍。当电熔时加入的还原剂,如果比率不当,金属铁将会还原析出,影响正常熔制过程。高含铁量会使玄武岩熔体透热性变差,熔化不易充分,熔制效率低。操作过程中稍有不慎,铁离子就会被还原成为金属铁,导致金属中毒。
215 制作工艺上的缺陷
由于玄武岩熔体透热性较差,采用的加热模式也是天然气表面加热,所以只能采用浅料位熔制。为了提高熔化效率,而采用的对熔体进行整体加热,也由于原料含铁氧化物较高而容易产生极大的腐蚀。而且电熔加热方法会使比重较大的铁氧化物向窑底富集,容易在铂铑合金漏板周围富集,加速对铂铑的侵蚀。3 玄武岩用途探讨与未来发展方向
311 在建筑领域方面的应用
212 天然玄武岩原料的料性短
玄武岩成分的最高使用温度和拉丝成形温度非常接近,成纤温度范围窄,而且在析晶温度有较大的离散性
[6]
,大大降低了成纤工艺的稳定性,会出现断丝等现
象。即使在拉制过程中未出现断丝,也会给纤维拉伸强度等方面的特性产生较大的波动。
213 玄武岩原料内部微晶结构差别
玄武岩纤维抗拉强度高,同时耐酸耐碱,与混凝土有着基本相同的成分,密度也接近,所以玄武岩纤维的相容性和分散性好于其他增强纤维,可用来替代钢筋作混凝土建筑结构的增强材料,不仅能提高建筑物强度,还能大大延长建筑物的使用寿命。
某些微晶物具有高的熔点,在原料不充分溶制过程中,未能得到充分的熔化和均化,因此纤维成形过程中,这些高熔点的微晶未能充分熔化与均化,导致在拉
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312 在消防方面的应用
纺织科技进展 2010年第1期
4 结语
玄武岩纤维作为新型高性能纤维家族的新成员,
其卓越突出的性能,必将成为21世纪高技术纤维的研究和应用的新热点。随着国内对玄武岩纤维的不断研究和发展,需求量必然会不断的增加,其低廉的价格和良好的性能,必然会成为民用的热点纤维。研究与开发玄武岩纤维对促进我国玄武岩大规模生产具有举足轻重的意义,对我国综合国力的发展也必将作出巨大的贡献。参考文献:
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玄武岩纤维也可用于防火服,由于其本身的特殊性能,用于防火服领域有较大的优势。不燃性、耐温性、无有毒气体排出、绝热性好、无熔融或滴落、强度高、无热收缩现象等优点[7]。缺点是密度较芳纶大,穿着的舒适感不如芳纶防火服。
313 在体育用品方面的应用
玄武岩纤维是最早应用于体育用纤维之一,因为玄武岩纤维具有优异的抗拉强度[8]。国外已开发的产品有:钓鱼杆、曲棍棒、天线、滑雪板、雨伞柄、撑杆、弓箭和驽弓、运动场坐凳等。
314 在石油化工方面的应用
玄武岩纤维复合材料可引发石油天然气管道业的革命。用玄武岩纤维缠绕环氧树脂的复合管材可用于输送石油、天然气、冷热水、化学腐蚀液体、散料、电缆管道、低压和高压钢瓶和出油管等。以石油管道为例,玄武岩纤维管道施工投产后,连续使用期限为80年。同时玄武岩纤维具有优良的耐高温性,可以用作压机缓冲垫,冷藏或气体液体槽罐的隔热材料,高温净化过滤材料[9]。
315 在医学领域方面的应用
纤维的酸度系数越低,其化学耐久性越好,使用温度也越高。pH值越高,碱性氧化物越多,抗水性能就越差。根据上海俄金有限公司计算,玄武岩纤维的酸度系数为5.48,pH值为1.7。所以玄武岩纤维具有特殊的耐温性和良好的化学稳定性,用作高温过滤材料,有利于抗生素生产过程中空气净化和消毒。
[10]
DiscussofBasaltFilament'sPropertyandApplication
WANGYao-shun
(TextileCollege,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160,China)
Abstract:Basaltfilamentbelongstohightechnologyfiberswhichuseinawidearea.Thegoodphysicalandchemicalpropertiesofthefiberwasintroduced,andsomedefectswasalsoincluded.Itsdevelopmenttrendandareawasprospected.
Keywords:basaltfilament;property;application
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