第二節(jié) 玄武巖連續(xù)纖維（CBF）

玄武巖纖維材料是以火山噴發(fā)形成的特定玄武巖為原料生產(chǎn)出的連續(xù)纖維、巖棉和細(xì)微鱗片等產(chǎn)品，具有綜合性能好、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，在正常生產(chǎn)加工過(guò)程中不產(chǎn)生有毒物質(zhì)，無(wú)廢氣、廢水、廢渣排放，無(wú)污染，是高性能的綠色工業(yè)材料，是關(guān)乎國(guó)家安全戰(zhàn)略以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域升級(jí)換代的重要基礎(chǔ)材料之一，應(yīng)用前景十分廣闊。如果說(shuō)人類在使用材料方面先后經(jīng)歷了舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代、銅時(shí)代、鐵時(shí)代……那么現(xiàn)在應(yīng)該是“硅”時(shí)代。即從金屬走向非金屬，從自然、人工（合成）走向自然與人工（合成）高度統(tǒng)一的復(fù)合材料的新時(shí)代。方興未艾的玄武巖纖維材料將會(huì)成為這個(gè)新材料時(shí)代的重要代表之一。

玄武巖纖維（basaltfiber，BF），也被稱為“巖石之絲”，是玄武巖礦石在1450～1500℃熔融后制得，包括兩類產(chǎn)品形式：一類是純玄武巖棉，長(zhǎng)度為幾毫米，單絲直徑通常在5μm以下，是將均質(zhì)化的玄武巖熔體經(jīng)噴吹成氈制得；另一類是玄武巖連續(xù)纖維（continuous basaltfiber，CBF），是將玄武巖破碎加入窯爐中高溫熔融后通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板快速拉制而成，長(zhǎng)度可達(dá)上萬(wàn)米，直徑通常為7～13μm。CBF屬于非人工合成的高性能無(wú)機(jī)纖維，顏色呈金褐色，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨、抗輻射等一系列性能特點(diǎn)，其性能介于高強(qiáng)度S玻璃纖維和無(wú)堿E玻璃纖維之間，在某些應(yīng)用領(lǐng)域完全可以替代玻璃纖維乃至價(jià)格昂貴的碳纖維和芳綸，在玄武巖纖維材料中占有非常重要的地位。玄武巖纖維外觀及其產(chǎn)品見圖2-5。

一、玄武巖纖維的發(fā)展簡(jiǎn)史

玄武巖連續(xù)纖維于1953～1954年由前蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院開發(fā)，第一臺(tái)工業(yè)化生產(chǎn)爐與1985年在烏克蘭纖維實(shí)驗(yàn)室建成投產(chǎn)。1991年的蘇聯(lián)解體對(duì)CBF產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了極大的影響，在隨后的十幾年，發(fā)展陷于停滯。在2002年以前，前蘇聯(lián)每年大約有500t玄武巖連續(xù)纖維產(chǎn)品，主要用于軍工行業(yè)。近幾年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)保概念的深入人心， CBF再次走向前臺(tái)。目前，全世界只有烏克蘭、俄羅斯、格魯吉亞、中國(guó)、韓國(guó)、奧地利、比利時(shí)和德國(guó)等少數(shù)國(guó)家擁有CBF工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，全世界生產(chǎn)廠家不超過(guò)20家，主要集中于烏克蘭、俄羅斯和中國(guó)，形成三足鼎立的格局。

圖2-5 玄武巖纖維及其產(chǎn)品

我國(guó)的玄武巖纖維材料事業(yè)起步較晚，但發(fā)展很快，自從2002年9月科技部把“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”項(xiàng)目列入國(guó)家863計(jì)劃之后，各地生產(chǎn)廠家迅速增加，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品種類越來(lái)越多，技術(shù)水平明顯提高。目前，我國(guó)已經(jīng)頒布了CBF國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，CBF生產(chǎn)廠家多達(dá)20家左右，到2015年年底產(chǎn)能在3000～5000噸/年的有10家，其他均為1000噸/年以下。巖棉廠家有40家，產(chǎn)能大都為5萬(wàn)噸/年。目前，我國(guó)CBF產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)國(guó)外總量（圖2-6），整個(gè)玄武巖纖維材料行業(yè)呈現(xiàn)出欣欣向榮的局面。

圖2-6 我國(guó)CBF產(chǎn)量與其他國(guó)家對(duì)比

二、玄武巖連續(xù)纖維的制備

玄武巖連續(xù)纖維的制備方法是池窯拉絲法（高溫熔融+拉絲），制備工藝流程（圖2-7）一般是經(jīng)選料、破碎、清洗后，輸送至窯爐，加熱到1500℃左右的熔融狀態(tài)，通過(guò)鉑銠合金漏板拉至成絲，再涂覆浸潤(rùn)劑，即加工成纖。

圖2-7 CBF制備工藝流程圖

1—料倉(cāng) 2—喂料器 3—提升輸送機(jī) 4—定量下料器 5—原料初級(jí)融化帶 6—天然氣噴嘴7—二級(jí)溶制帶（前爐） 8—鉑銠合金漏板 9—施加浸潤(rùn)劑 10—集束器 11—纖維張緊器 12—自動(dòng)卷絲機(jī)

拉絲是玄武巖纖維制備的難點(diǎn)，由于玄武巖熔點(diǎn)高，透熱性差，黏度大，易析晶，容易造成漏板堵塞，引起拉絲中斷，并且析晶還會(huì)影響纖維的力學(xué)性能（如剛度、強(qiáng)度等）。玄武巖析晶上限溫度約1300℃，因此，要求漏板溫度在1350℃左右。如何突破熔融拉絲組合爐和浸潤(rùn)劑關(guān)鍵技術(shù)，一直是業(yè)界追求的目標(biāo)。

三、玄武巖纖維的結(jié)構(gòu)

玄武巖隨原料產(chǎn)地的不同，其成分含量存在差異。玄武巖連續(xù)纖維的密度為2.6～3.05g/cm³，其主要成分見表2-2，各成分主要作用見表2-3。

表2-2 玄武巖纖維的主要成分

表2-3 玄武巖纖維各組分的作用

玄武巖纖維內(nèi)部的主要成分硅、鋁氧化物通過(guò)氧原子連接形成連續(xù)的線型晶格，因此，纖維具有縱向的高強(qiáng)度，由于晶鏈間有其他氧化物存在，纖維具有多孔結(jié)構(gòu)和無(wú)規(guī)則的排列方式，其中的氣孔可分為封閉氣孔和開放氣孔，分別呈圓球形和管狀，所以玄武巖纖維光滑柔軟，可紡性好。用SEM觀察玄武巖纖維表面結(jié)構(gòu)可以看到，纖維的表面非常圓滑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，如圖2-8所示。

圖2-8 玄武巖纖維的縱向及橫向結(jié)構(gòu)照片

四、玄武巖纖維的性能

玄武巖纖維綜合性能好，優(yōu)良的性價(jià)比使其成為碳纖維、芳綸和其他高性能纖維的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)材料。

1.拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率 玄武巖連續(xù)纖維具有較高的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率，和其他纖維的比較見表2-4。

表2-4 玄武巖纖維與其他高性能纖維拉伸強(qiáng)度等性能的比較

續(xù)表

2.熱穩(wěn)定性 玄武巖纖維具有優(yōu)良的熱性能。在一些高性能纖維中，玄武巖纖維的耐熱性非常突出。玄武巖纖維板的熱導(dǎo)率低，在25℃下的熱導(dǎo)率僅為0.04W/（m·K），玄武巖纖維工作溫度非常寬（-269～900℃）長(zhǎng)時(shí)間處于-196℃液氮介質(zhì)中，其強(qiáng)度不發(fā)生變化。而玻璃纖維的使用溫度不超過(guò)400℃。

3.隔音特性 玄武巖超細(xì)纖維材料的隔音特性如表2-5。

表2-5 玄武巖超細(xì)纖維材料的隔音特性

由表2-5可知，隨著頻率增加，其吸音系數(shù)顯著增加。玄武巖纖維隔音和吸音效果好，用玄武巖連續(xù)纖維制作的隔音材料在航空、船舶等領(lǐng)域有著廣闊的前景。

4.介電性能、電絕緣性能和電磁波的透過(guò)性 玄武巖纖維具有良好的介電性能，其體積電阻率比玻璃纖維要高一個(gè)數(shù)量級(jí)；玄武巖中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)不到20%的導(dǎo)電氧化物，可用于制造新型耐熱介電材料。

玄武巖纖維具有比玻璃纖維高的電絕緣性和對(duì)電磁波的高透過(guò)性。由玄武巖纖維制造高壓電絕緣材料、低壓電器裝置、天線整流罩以及雷達(dá)無(wú)線電裝置的前景十分廣闊。

5.化學(xué)穩(wěn)定性 化學(xué)穩(wěn)定性是指纖維抵抗水、酸、堿等介質(zhì)侵蝕的能力，通常以受介質(zhì)侵蝕前后的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失來(lái)度量。表2-6為不同介質(zhì)中纖維質(zhì)量損失率。

表2-6 不同介質(zhì)中纖維質(zhì)量損失率

玄武巖纖維在酸、堿性溶液中具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，具有比玻璃纖維更好的耐酸堿腐蝕性，此外，玄武巖纖維的耐酸性和耐堿性均比鋁硼硅酸鹽纖維好。

6.低的吸濕性 玄武巖纖維的吸濕性極低，吸濕率只有0.2%～0.3%，而且吸濕能力不隨時(shí)間變化，這就保證了它在使用過(guò)程中的熱穩(wěn)定性和環(huán)境協(xié)調(diào)性好并且壽命長(zhǎng)。玄武巖細(xì)纖維的耐水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于玻璃纖維。

7.綠色環(huán)保性 由于玄武巖熔化過(guò)程中沒有硼和其他堿金屬氧化物等有害氣體排出，制造過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)害，而且玄武巖纖維能自動(dòng)降解成為土壤的母質(zhì)，可持續(xù)和循環(huán)利用，因此，玄武巖連續(xù)纖維是一種新型的環(huán)保型纖維。

五、玄武巖連續(xù)纖維的應(yīng)用

玄武巖連續(xù)纖維與碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維等高技術(shù)纖維相比，除了具有高技術(shù)纖維高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)外，還具有耐高溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過(guò)濾性好、抗壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高、適應(yīng)于各種環(huán)境等優(yōu)異性能，且原料天然，生產(chǎn)清潔，可循環(huán)利用，能耗低，具有很高的性價(jià)比，因此，玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于消防、環(huán)保、航空、航天、軍工、汽車船舶制造、工程塑料、建筑等各個(gè)領(lǐng)域，成為第四大高性能纖維。

1.CBF在防火隔熱領(lǐng)域中的應(yīng)用 CBF由于其本身的特殊性能，用于防火服領(lǐng)域有較大的優(yōu)勢(shì)。CBF是無(wú)機(jī)纖維，具有不燃性、耐溫性（-269～650℃）、無(wú)有毒氣體排出、絕熱性好、無(wú)熔融或滴落、強(qiáng)度高、無(wú)熱收縮現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是密度較芳綸大，穿著的舒適感不如芳綸防火服。如果CBF與其他纖維混紡可制成阻燃面料，用于部隊(duì)的相關(guān)裝備顯然是有明顯優(yōu)勢(shì)的。CBF織成的防火布性能大大優(yōu)于芳綸等有機(jī)纖維。CBF的高溫使用性能雖然低于氧化鋁纖維、炭化硅纖維，但是高于所有的有機(jī)纖維，而且其超低溫使用性能是最好的。再?gòu)男詢r(jià)比看，CBF價(jià)格是所有高性能纖維中最低的。國(guó)外一直將杜邦的Kevlar、Nomex、Teflon作為防火面料的首選，雖然具有耐高溫、抗化學(xué)反應(yīng)的性能，但是在370℃以上的高溫下被炭化和分解。

2.CBF在過(guò)濾環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用 CBF是一種新型的綠色環(huán)保材料，可用于環(huán)保領(lǐng)域有害介質(zhì)和氣體的過(guò)濾、吸附和凈化，特別是在高溫過(guò)濾領(lǐng)域，CBF的長(zhǎng)期使用溫度是650℃，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)過(guò)濾材料，是過(guò)濾基布、過(guò)濾材料、耐高溫氈的首選材料。過(guò)濾材料主要有天然纖維、各種合成纖維、各種無(wú)機(jī)纖維和金屬纖維。由于對(duì)耐高溫提出了更高的要求，又引進(jìn)了Nomex、Procon、Torcon、Basfil、P84等。但是，目前所有的過(guò)濾材料都不能解決過(guò)濾高溫介質(zhì)的問(wèn)題，而CBF可以在-269～650℃的范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，它的耐高溫性能是其他材料所無(wú)法比擬的。

3.CBF增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用 CBF具有良好的技術(shù)特性：低容重，低導(dǎo)熱率，低吸濕率，對(duì)腐蝕介質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠降低結(jié)構(gòu)重量，形成新型結(jié)構(gòu)材料。利用這些特性，在軍品和民品領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是制造坦克裝甲車輛的車身材料，可減輕其重量；用于制造火炮材料，尤其是用于炮管熱護(hù)套材料，可以大大提高火炮的命中率和射擊精度。在槍彈、引信、彈匣、大口徑機(jī)槍槍架、坦克裝甲車輛的薄板裝甲、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩、減振裝置等方面有大量的應(yīng)用。在船舶工業(yè)中可大量用于船殼體、機(jī)艙絕熱隔音和上層建筑。用CBF蜂窩板可制成火車車廂板，既減輕了車廂的重量，又是一種良好的阻燃材料。CBF具有良好的增強(qiáng)效應(yīng)，單纖維拔絲試驗(yàn)表明，CBF與環(huán)氧聚合物的黏合能力高于E玻璃纖維，而且在采用硅烷偶聯(lián)劑處理后其黏合能力還會(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來(lái)作為耐高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，橡膠制品等增強(qiáng)材料，也可用于制作制動(dòng)器、離合器等摩擦片的增強(qiáng)材料。另外，CBF還是碳纖維的低價(jià)替代品，具有一系列優(yōu)異性能。尤為重要的是，由于它取自天然礦石而無(wú)任何添加劑，是目前為止唯一的無(wú)環(huán)境污染的、不致癌的綠色健康玻璃質(zhì)纖維產(chǎn)品。所以玄武巖纖維在復(fù)合材料的增強(qiáng)材料領(lǐng)域的應(yīng)用，已引起廣泛的重視并將快速發(fā)展。

4.CBF在電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 CBF具有良好的介電性能，其含有較多的導(dǎo)電氧化物，是不適合做介電材料的，但是采用某種浸潤(rùn)劑處理纖維表面后，其介電損失角正切值比常規(guī)玻璃纖維大大降低，它的體積電阻率比E玻璃纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以CBF非常適合用于耐熱介電材料。CBF是優(yōu)良的絕緣材料，利用這一介電特性和吸濕率低、耐溫好的特性，可以制成高質(zhì)量印刷電路板。此外，CBF還可以用作風(fēng)力發(fā)電葉片的增強(qiáng)材料。

六、玄武巖纖維目前存在的問(wèn)題及發(fā)展前景

我國(guó)有豐富的玄武巖資源，幾乎每個(gè)省區(qū)都能找到玄武巖類巖石，尤其是東北地區(qū)、內(nèi)蒙古、新疆和四川、貴州、云南、西藏玄武巖資源更為豐富，它不僅分布廣，儲(chǔ)量大，而且類型多，這不同類型的玄武巖正好適應(yīng)和滿足了不同類型纖維和巖棉對(duì)不同類型玄武巖的需求。

在沒有開發(fā)玄武巖纖維材料之時(shí)，玄武巖這種石料幾乎白白地堆在荒野中，用得最多的是作鋪路石子，通常1m³石塊可碎3t碎石，每噸價(jià)值幾百元；而要制成纖維材料，1m³石料大體可生產(chǎn)3t巖棉，每噸價(jià)值約6000元；或生產(chǎn)2.5t纖維，每噸價(jià)值30000～50000元（視纖維類型和質(zhì)量而定價(jià)）。玄武巖纖維材料的性能可以與碳纖維媲美，但價(jià)格不及碳纖維的1/10，由此也可看出，玄武巖纖維材料的性價(jià)比非常高。

玄武巖纖維材料其性能和用途均可以與玻璃纖維、芳綸、碳纖維媲美，可代替乃至優(yōu)于這幾種纖維。而生產(chǎn)這幾種纖維的原料是多種礦物、礦產(chǎn)或石油，如果用玄武巖纖維材料部分或者全部代替其他纖維材料，則可以大大地節(jié)省一批礦產(chǎn)資源和能源。

當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的主流和導(dǎo)向就是發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)。而玄武巖是無(wú)機(jī)硅酸鹽，在玄武巖纖維的生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)廢氣、廢物及有毒物質(zhì)釋放，完全是綠色產(chǎn)業(yè)，這與在熔制過(guò)程中產(chǎn)生大量溫室氣體和廢氣的玻璃纖維產(chǎn)業(yè)相比有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢(shì)，隨著時(shí)間地點(diǎn)推移，會(huì)越來(lái)越顯現(xiàn)出這個(gè)產(chǎn)業(yè)的生命力。

玄武巖纖維和巖棉只是玄武巖纖維材料的初級(jí)產(chǎn)品，猶如絲線和棉花，要制成防火、防電、絕緣、耐高溫、耐低溫、耐磨損、抗腐蝕、抗干擾、抗老化等性能的實(shí)用定型產(chǎn)品，還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，需要許多行業(yè)的通力合作。從原料尋找、開采、加工，纖維材料生產(chǎn)，到實(shí)用產(chǎn)品的研究制作，可以形成廣闊的產(chǎn)業(yè)鏈，有利于發(fā)展經(jīng)濟(jì)和擴(kuò)大就業(yè)機(jī)會(huì)。

目前，玄武巖纖維材料在全世界的發(fā)展都處于初級(jí)階段，我國(guó)雖然起步較晚，但發(fā)展態(tài)勢(shì)很好，已為這項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。目前存在的主要技術(shù)問(wèn)題如下：

（1）天然原料地域間分散性大，要生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，需解決原料均質(zhì)化的問(wèn)題。

（2）單元爐容量小，需解決大容量池窯技術(shù)。

（3）拉絲漏板小，噴嘴孔數(shù)目前只有200～400孔，產(chǎn)能低，需發(fā)展800孔、1000孔甚至2400孔的漏板。

（4）表面處理技術(shù)單一，需發(fā)展獨(dú)特的表面處理技術(shù)。

（5）纖維成型技術(shù)亟待加強(qiáng)，需提高自動(dòng)化控制技術(shù)。

總之，需從多方面入手，促進(jìn)玄武巖纖維的產(chǎn)品規(guī)模化、質(zhì)量穩(wěn)定化、性能高端化。

“十三五”期間我國(guó)CBF產(chǎn)業(yè)的基本發(fā)展思路可簡(jiǎn)單歸納為：一條路線（遵循纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律，走差異化的特色路子）、兩輪驅(qū)動(dòng)（技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)開拓）、三大領(lǐng)域（交通基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)能環(huán)保、汽車船舶制造）、四大產(chǎn)品（短切纖維、無(wú)捻粗紗、纖維布、復(fù)合筋和板）。

“十三五”期間我國(guó)CBF產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)是在2015年年末全國(guó)CBF銷售量6000t的基礎(chǔ)上，按不低于年平均增長(zhǎng)率30%的比例增長(zhǎng)，到2020年年末，我國(guó)連續(xù)玄武巖纖維的產(chǎn)量達(dá)到3萬(wàn)噸以上；CBF增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料達(dá)到3萬(wàn)噸以上；CBF增強(qiáng)混凝土基復(fù)合材料達(dá)到250萬(wàn)方以上；池窯技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性突破，電熔爐技術(shù)引領(lǐng)世界CBF產(chǎn)業(yè)，單池窯年產(chǎn)能達(dá)到3000t以上，拉絲漏板孔數(shù)達(dá)到2000孔以上；我國(guó)成為世界CBF產(chǎn)業(yè)的第一大國(guó)。