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,其斷裂強(qiáng)度能夠保持原始強(qiáng)度的85%;在600℃下工作時,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,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個大氣壓,管徑可達(dá)3m。在某些場合,玄武巖纖維甚至可以部分代替每噸售價在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。美國雖然對其研究相對較晚,但使用800孔漏板拉絲技術(shù),其產(chǎn)品基本用于軍工方面,民用方面鮮有報道。近幾年來,日本、德國等地都加強(qiáng)了對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;王嵐和李振偉針對玄武巖熔點(diǎn)高,熔融體易結(jié)晶、漫流等問題,對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。
