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矿物材料工艺学论文
课题： 连续玄武岩纤维(CBF)的研究及应用
班级:
034111
班号：
01
学号：
20111000007
姓名：
赵
琴
连续玄武岩纤维(CBF)的研究及应用
摘 要: 介绍了连续玄武岩纤维的国内外发展现状、制备方法及应用状况，并对我国连续玄武岩纤维的发展提出了建议。关键词: 连续玄武岩纤维；制备；应用；发展
The development and application of continuous basalt fiber Abstract: The present developing conditions of home and abroad, preparations and applications of continuous basalt fiber are introduced.The suggestions on developing domestic continuous basalt fiber are discued in this paper, too.Key words: continuous basalt fiber;preparation;application;development
一、前言
众所周知，地壳由火成岩、沉积岩和变质岩组成。玄武岩属于火成岩的一种，是一种以SiO2 为主的矿物岩石。连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fiber，以下简称 CBF）就是以天然玄武岩矿石作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1 450～1500 ℃ 熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。
玄武岩纤维一般可分为普通玄武岩棉、超细玄武岩纤维和 CBF。目前 CBF 的研究重点在 CBF 的制备和应用上。与碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维等其它高科技纤维相比，CBF 具有许多独特的优点，如突出的力学性能、耐高温、可在-269～650 ℃ 范围内连续工作，耐酸碱，吸湿性低，此外还有绝缘性好、绝热隔音性能优异、良好的透波性能等优点。以 CBF 为增强体可制成各种性能优异的复合材料，可广泛应用于航空航天、建筑、化工、医学、电子、农业等军工和民用领域，故 CBF 被誉为 21 世纪的新材料。
二、国内外发展研究状况 2.1 国外发展研究状况
以玄武岩为主要原料生产的岩棉自从1840年首先在英国威尔斯试制成功到现在已有160多年的历史[1]。1922年在美国专利(OS1438428)出现由法国人Paul提出玄武岩纤维制造技术，但没有实质性生产。
20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。随后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。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。玄武岩纤维的研究工作主要集中在前苏联。玄武岩纤维于1953—1954 年由苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出[2]。苏联早在20世纪60—70年代就致力于连续玄武岩纤维的研究工作，乌克兰建筑材料工业部设立了专门的别列切绝热隔音材料科研生产联合体，主要任务是研制CBF及其制品制备工艺的生产线。联合体的科研实验室于1972 年开始研制制备CBF，曾经研制出 20 多种CBF制品的生产工艺。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。1985年在前苏联的乌克兰率先实现工业化生产，产品全部用于前苏联国防军工和航天﹑航空领域。
1991年前苏联解体后，此项目开始公开，并用于民用项目。目前连续玄武岩主要研发及生产基地在俄罗斯及乌克兰两个国家。苏联的解体，客观上影响了CBF的推广应用，但是，由于玄武岩纤维具有有别于碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维的一系列优异性能，而且性价比好，引起了美国、欧盟等国防军工领 2
域的高度重视。2.2 国内发展研究现状
我国开展 CBF 的研究较晚，发展迟缓，但近几年，随着对其需求加大，CBF 迎来了自己发展的黄金时代。20 世纪 90 年代中期，南京玻璃纤维研究设计院最早在中国开始 CBF 的研究，专注于适合充当隔热材料的超细玄武岩纤维，主要用于战斗机的发动机外壳等军工用途，但目前仍然停留在实验室阶段。2002 年 11 月我国将“CBF及其复合材料”批准列为国家 863 计划（2002AA334110）；2003 年该 863 计划成果与浙江民营企业对接成立了横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司。该公司经过 1 a 多的研究试验，克服了氧化还原不好等技术难题，现已掌握了 CBF 生产所有工艺技术。2004年开始在上海实现产业化，目前技术己经达到国内领先水平，部分技术达到国际先进水平和领先水平。从而为今后大规模稳定生产 CBF 奠定了基础。目前，国内许多厂家相继立项生产 CBF，其中黑龙江省宁安镜泊湖 CBF 有限公司产能 1 万 t/a 耐碱 CBF 项目已经投产，主要产品为耐碱 CBF 原丝、纺织纱、短切纤维薄毡、无捻粗纱网布、FRP筋等。
CBF 研究的前期集中在其制备工艺上，经过各国科研人员的共同努力，CBF 的制备工艺取得了重大突破。目前工作重点是 CBF 的制造设备和应用，衡量设备先进与否的一个主要指标是拉丝漏板的孔数，国外工业化国家已普遍采用 400～800 孔大漏板的拉丝工艺，而国内多数单位还主要采用 200 孔的拉丝工艺。国外 CBF 主要应用在军工方面，民用方面的应用鲜有报道。目前国内除个别单位掌握了 CBF 的制备工艺，多数单位的技术还很不成熟，对 CBF 的应用也还处于探索阶段。
三、研究目的及意义
CBF属于无机非金属纤维，拥有一系列特殊的优异性能，具有原料廉价性、工艺简洁性、性能综合性、替代广泛性、绿色环保性、发展持续性等特征，是关乎国家国防安全、促进国民经济升级换代、支撑高科技产业发展的重要基础材料。CBF是典型的战略性新兴产业，国家发展和改革委员会（以下简称“发改委”）将其列入了鼓励发展的新型高技术纤维当中。国家工业和信息化部于2012年2月22日发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中也明确地指出：要“大力发展连续玄武岩纤维。”
3.1发展CBF产业具有十分重要的战略意义
“十二五”期间，我国为何要大力发展连续玄武岩纤维？如何发展连续 玄武岩纤维产业？这不仅是连续玄武岩纤维产业自身认识和亟待解决的关 键问题，同时也是涉及我国新材料产业整体战略发展的重要一环。3.1.1我国可以用于拉制CBF的火山岩储量极其丰富
从资源和能耗的角度看，我国人均资源贫乏，又是温室气体排放的制造大国，经济发展面临资源与环境的严峻挑战。因此，开发利用环境友好的新资源无疑是十分必要且迫切的。由于玄武岩熔体导热性差、粘度低、易析晶，因此，生产CBF对火山岩的化学成分和矿物相有苛刻的要求。尽管地球上火山岩储量非常丰富，但是能用来生产CBF的火山岩却并不多。俄罗斯、韩国都需要从乌克兰进口火山岩原料。然而，我国优质的火山岩矿石资源十分丰富，在我国的东、南、西、北、中等地区都能够找到适合生产CBF的火山岩矿。这对于人均资源极为贫乏的我国来说，无疑是一个新资源“宝藏”。与此同时，火山岩原料非常廉价，每吨仅几十元，与其他高性能纤维原料相比，成本几乎可以忽略不计。因此，把握CBF 4 的资源、成本优势，立足全球，从我国发展战略高度对C B F产业作出前瞻性的布局，不仅能够实现矿产资源的有效利用，同时也能够促进该产业的快速发展。3.1.2、CBF顺应我国绿色经济的发展战略
虽然生产CBF的技术含量极高，但其生产工艺路线却极为简短（投料→熔化→拉丝→成纤），在众多高技术纤维生产中，CBF的生产工艺路线是最短的，所以能耗也是最低，平均能耗5kWh/kg（随着CBF池窑生产技术的不断发展，其单位能耗还会不断降低，甚至可以降低50%，即达到平均能耗2.5k W h / k g以下）。与一般生产聚丙烯腈（PAN）基碳纤维相比（不包括生产PAN的能耗），二者能耗要相差10多倍。
CBF是由纯天然火山岩为唯一原料生产而成的新型高技术纤维，由于火山爆发时的温度超过1000℃，在生产CBF过程中，高温熔融火山岩是对原“火山岩岩浆”的再“还原”，因此，高温熔融中没有任何的“多相反应”过程，更不会产生废气。3.1.3、CBF是关乎国家安全战略和促进国民经济相关领域升级换代的重要基础材料
目前，CBF已经应用在量大面广的交通基础设施、建筑等领域，并取得了初步突破。实践和应用研究也证明，CBF可以为我国交通基础设施建设提供具有显著经济效益和社会效益的路用新材料。将短切CBF掺入沥青混合料可以显著提高路面抗车辙能力50%以上，延长高速公路的养护周期，降低综合成本。根据美国有关方面提供的资料，长寿命的路面，可直接减少车道封闭，改善道路的安全性，减少事故的发生，并可降低4%的汽油消耗，各州每年可节省开支50亿美元，仅洲际公路系统本身的延误总成本每年可减少5亿美元。可见，CBF路用纤维材料的推广应用具有显著的经济效益和社会效益。
此外，初步试验结果表明：短切CBF可用于高速铁路无碴轨道板和C A砂浆填充层的增强，该项成果将可能填补国内外空白，引发独特的技术创新。目前，浙江石金生产的CBF现已铺设在武广高速铁路线上，CBF增强的无碴轨道板运行良好并将日益显示出其卓越的稳定性能。
四、玄武岩纤维（CBF）生产工艺
虽然CBF的生产技术看似简单，但实际上颇为复杂，需要很多的技术诀窍。为实现高质量玄武岩纤维的工业生产，需要考虑各方面的技术复杂性和设计专用设备。
图1为目前典型的CBF生产工艺流程：首先要选用合适的玄武岩矿原料，经破碎、清洗后的玄武岩原料储存在料仓1中待用，经喂料器2用提升输送机3输送到定量下料器4喂入单元熔窑，玄武岩原料在1500℃左右的高温初级熔化带5下熔化，目前玄武岩熔制窑炉均是采用顶部的天然气喷嘴6的燃烧加热。熔化后的玄武岩熔体流入拉丝前炉7，为了确保玄武岩熔体充分熔化，其化学成分得到充分的均化以及熔体内部的气泡充分挥发，一般需要适当提高拉丝前炉中的熔制温度，同时还要确保熔体在前炉中的较长停留时间。最后，玄武岩熔体进入两个温控区，将熔体温度调至约1350℃左右的拉丝成型温度，初始温控带用于“粗”调熔体温度，成型区温控带用于“精”调熔体温度。来自成型区的合格玄武岩熔体经200 孔的铂铑合金漏板8拉制成纤维，拉制成的CBF在施加合适浸润剂9后经集束器10及纤维张紧器11，最后至自动绕丝机12[3]。
尽管连续玄武岩纤维在各个方面表现出优异的特性，但是如果想要将这些特性发挥出来，仍有一些技术上的困难要去克服。4.1 拉丝漏板技术瓶颈
目前，我国CBF产业用于成熟稳定生产的最大拉丝漏板是由浙江石金玄武岩纤维有限公司研发成功的800 孔漏板技术。该公司计划将于2013年至2014年完成1 200 孔和1 600 孔漏板技术的研发，并将开展直接无捻粗纱的生产。拉丝漏板技术的研发要重点攻克高温作业下漏板容易变形的问题。4.2 池窑化技术瓶颈
我国目前CBF产业主要有两大类炉型：
⑴ 全电熔炉。以浙江石金玄武岩纤维有限公司（简称GBF）为代表，现在采用的是单模块漏板的电熔炉技术；2013年至2014年将计划完成“1个熔炉带4 块和6 块漏板”的组合炉小池窑技术，该技术为世界首创。
⑵ 火焰炉。以四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司为代表，采用的是“1 个熔炉带2 块漏板”的小组合炉技术；俄罗斯Kameny Vek公司目前已经采用了“1 个熔炉带10 块漏板”的小池窑技术。以上说明我国CBF产业的池窑化技术还相当落
后，远远不适应产业发展的需求。严重影响了GBF质量的提高和单位生产成本的下降。因此，我国CBF产业要实现高性能、低成本的发展，就必须根据玄武岩熔体的特点和难点大力开展池窑化技术的研发。可以预言，池窑化技术研发成功 之日，便是CBF产业振兴之时。否则，CBF产业将难以摆脱“低水平、欠稳定、高成本”生产的窘境和长期在低水平徘徊的局面。2.3 浸润剂技术瓶颈
浸润剂的技术是最能体现CBF生产企业竞争力的核心技术。目前，CBF产业用于纤维表面处理的浸润剂品种比较单调，仅有几十种，大多还是借用了玻璃纤维的浸润剂技术，远远满足不了产业发展的需求，而且，CBF生产企业普遍缺乏独立研发浸润剂的研究机构和人才队伍。现阶段，我国CBF产业要重点开展在交通基础设施和建筑领域应用的增强型浸润剂的研发，以及CBF在耐高温热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料中应用的增强型和纺织增强型浸润剂的研发。
4.4 原料均化技术瓶颈
玄武岩原料的均化技术是CBF产业发展过程中永恒的创新课题。它将贯穿于CBF产业发展过程的始终。目前，在CBF产业界以纯天然玄武岩矿石是否掺杂改性和配料均化为分界线，大致可分为3 大派别：一是“纯天然派”，认为纯天然是CBF最具本质魅力的特征；二是“人工配料派”，认为纯天然玄武岩矿石化学成分波动大，应按照玻璃纤维人工配料的原理和方法，实施人工配料，将每批生产原料的成分应精确控制在3‰以内；三是“掺杂改性派”，认为以纯天然玄武岩矿石原料为主，根据CBF性能的择优取向，进行掺杂改性。
对于“纯天然法”，即适宜以短切玄武岩纤维为产品形态的低端产品，宜用纯 8
天然玄武岩矿石的粒料直接熔融拉丝生产即可，我们可以将其简洁明了的生产方式概括为“纯天然法”。不过，采用“纯天然法”生产关键在于选矿，即要根据产品性能的需要优化筛选相应的玄武岩矿石。对于“掺杂法”，即针对纤维性能需要择优取向的，譬如耐碱CBF、耐高温CBF、高强高模CBF等，需选用相应的单组分矿物料或择优取向的玄武岩矿石对纯玄武岩原料进行适量的掺杂改性。采用“掺杂法”要注意少量掺杂和用粉料均化。对于“配料法”，即借鉴玻璃纤维
人工配料的原理，将不同类CBF的原料成分标准化，按标准值调配，可选用多种择优取向的纯天然玄武岩，依照标准值“少啥加啥”和“以纯对纯”调制；当然也可选用单组分矿物料调配，但是，不倾向用大量的其它矿物料配料，因为这 会让CBF“东效施颦”变得不伦不类，导致其性能与相应的玻璃纤维比较没有多大差异性而毫无市场竞争力。今后将会按B1、B2、B3、B4、B5等代号分类出多品种的CBF。
五、CBF的应用
纤维中的化学成分对纤维的性能有重要影响。表1为国内不同厂家的 CBF 与几种玻璃纤维成分的比较。由表1可以看出 SiO2是CBF的主要成分，被称为网络形成物，它可以保持 CBF的力学强度和化学稳定性，但当其质量分数过高时，玄武岩熔融的温度和粘度较高，给拉丝带来困难。CBF中SiO2的质量分数
MgO 等碱性氧化物少，大大提高了纤维本身的抗水性，为提高复合材料的化学稳定性打下了良好的基础。从成分上也可以看出，CBF 是一种绿色纤维，无公害。
正是不同于其它纤维的成分决定了 CBF 具有独特的性能，进而决定了它在军工和民用领域有广泛的应用。概括起来，CBF 的应用包括以下方面。5.1 在增强树脂基复合材料上的应用[4]
从表 2 中可以看出，用 CBF 制成的单向增强复合材料在强度方面与E玻纤相当，但抗拉模量在各种纤维中具有明显优势。用 CBF 制成的层合板也有类似结果。CBF-环氧复合材料的研究表明，CBF 具有良好的增强效应。CBF 增强材料所具有的这种性能，可以用它制作在高压、化学及热应力环境下长期使用的形状复杂的容器[5]。例如，用 CBF 与树脂复合制造的管道可替代高压无缝钢管用于输送腐蚀性液体，其使用寿命比无缝钢管长 2 倍以上，成本更低，还可以大大减少检修期和避免腐蚀造成管道断裂的危险。5.2 在医学上的应用
纤维的酸度系数MK=(WSiO2+WAl2O3)/(WCao+WMgo)，MK越低，化学耐久性越好，使用温度也越高。CBF 的 pH 值计算公式为 pH =-0.0602WSiO2-0.12WAl2O3 + 0.232WCao + 0.120WMgo + 0.144WFe2O3+ 0.217WNa2O，pH 值越高，碱性氧化物越多，抗水性就越差，一般而言，
对上海俄金 CBF 有限公司的纤维计算，为 5.48，pH 值为 1.7。所以 CBF 具有突出的耐温
性能和良好的化学稳定性。它的使用温度范围为-269～650 ℃，而玻璃纤维为 60～450 ℃。在900 ℃ 高温下 CBF 的质量损失为 12%，所以CBF 用作高温过滤材料，对抗生素生产过程中的空气净化和消毒。5.3 在建筑领域的应用
有实验证实，CBF 的抗拉强度为 3 800～4 800MPa，大于大丝束碳纤维和芳纶，与 S 玻璃纤维相当，加上 CBF 耐酸碱，能在水泥中保持高度的稳定性，而且 CBF 是一种取之于自然、又能回归自然的“绿色纤维”，因而在对力学性能要
求高、常规的钢筋增强体满足不了的大型工程上展现了巨大的应用潜力。表 3 为
CBF 的耐酸碱性数据[6]。5.4 在电子技术方面的应用
CBF 具有良好的介电性能。从表 1 中可以看出 CBF 含有较多的导电氧化物，是不适合做介电材料的，但是采用某种浸润剂处理纤维表面后，其介电损失角正切比常规玻纤大大降低，它的体积电阻率比 E 玻璃纤维高 1 个数量级，所以 CBF非常适合用于耐热介电材料。5.5 在航空航天上的应用
由于 CBF 的吸湿性极低，比玻璃纤维低 6～8 倍。加上 CBF 具有良好的绝热隔音性能，所以CBF 制造的绝热隔音材料在需要低吸湿性的航空航天领域获得了广泛的应用。表 4 为超细玄武岩纤维制品的导热性能[6]。表 5 为超细玄武岩纤维制品的隔音性能[6]。
此外，CBF 还被用于吸波、消防、环保、防辐射、体育用品等领域。相信，随着规模化生产带来生产成本的降低，CBF 的应用领域会越来越宽。
5.6玄武岩连续纤维的应用市
玄武岩连续纤维有捻纱(如图1a)是由多根玄武岩连续纤维原丝经一次加捻而成的纱线, 单丝直径一般≦9µm。纺织纱大体可分为织造用纱和其他工业用纱;13
织造纱是以管纱或奶瓶形筒子纱为主[7]。应用领域为织造耐酸碱、耐高温的布和带针刺毡用基布电绝缘板用基布电绝缘用纱、缝纫线帘子线高档的耐温、耐化学性织物高等级绝缘材料。5.6.1、玄武岩连续纤维无捻粗纱
玄武岩连续纤维无捻粗纱(如图1b)是用多股平行原丝或单股平行原丝在不加捻的状态下并合而成的, 玄武岩连续纤维生产的7µm和13µm无捻粗纱的拉伸强度≧0.6 N/tex、弹性模量≧91 GPa, 断裂延伸≧3.1% [7]。可用于缠绕各种管、罐、气瓶;编织各种方格布、网格布、土工布;建筑的修补、加固;耐高温的SMC、BMC、DMC短切纤维;与塑料复合做增强材料等。
5.6.2、玄武岩连续纤维短切纱
玄武岩纤维短切纱(如图1c)是用玄武岩连续纤维原丝短切而成的产品, 纤维上涂有(硅烷)浸润剂, 所以玄武岩纤维短切纱是增强热塑性树脂的首选材料, 同时还是增强混凝土的最佳材料[8]。应用领域为适用于增强热塑性树脂, 是制造片状模塑料(SMC)、块状模塑料(BMC)、团状模塑料(DMC)的优质材料;适合与树脂复合用作汽车、火车、舰船壳体的增强材料;是增强水泥混凝土、沥青混凝土的首选材料, 用于水电站大坝的防渗抗裂抗压和延长道路面的使用寿命的增强材料;还可用于热电厂的冷凝塔、核电厂的蒸汽水泥管道;用于耐高温针刺毡、汽车吸音片、热轧钢材、铝管等。
5.6.3、玄武岩连续纤维膨体纱
玄武岩纤维原丝通过膨体纱机, 在高速空气进入成形通道中形成紊流, 利用这种紊流作用将玄武岩纤维分散开, 使其形成毛圈状纤维, 从而赋予玄武岩纤维膨松性 , 制成玄武岩连续纤维膨体纱(如图1d)。应用领域为制造耐高温过滤布;防火窗帘布;用膨体纱与连续纤维混织, 在抗撕裂强度, 弹力和耐磨能力方面都比其他织物好, 是被覆沥青, 橡胶和塑料制品的首选材料, 是耐高温过滤布, 高等级针刺毡的优良材料。
六、结论与展望
从全球的发展水平看，全世界玄武岩纤维的技术及规模尚处于初级阶段，这给我们追赶乃至超过国外的先进技术水平提供了很大的发展空间和市场机遇。我们要充分认识到：第一，我国连续玄武岩纤维与发达国家的巨大差距和亟待强化发展的重要意义；第二，加强工艺及设备的工程化配套研究，进一步加强高新技术纤维产业信息化和标准化工作的重要性，由浙江石金玄武岩纤维有限公司牵头 制定的《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》（GB/T23265—2009）国家技术标准在列。这是我国乃至全球第一个有关玄武岩纤维的国家级技术标准，我们也要继续努力进一步加强相关检测标准制定，推动连续玄武岩纤维产业安全和可持续发展。
参考文献
[1]齐风杰，李锦文，李传校，等.连续玄武岩纤维研究综述[J].高科技纤维与应用，2006，31（2）：42-46.[2]石钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及其应用[J].玻璃纤维,2003（4）：27-31.[3]李平，智欧.正确认识玄武岩纤维[J].玻璃纤维，2008（3）：35-41.[4]杨小兵.连续玄武岩纤维复合材料制备技术研究[D].江苏大学,2009.[5]郑劲东,张兴刚,杨勇.连续玄武岩纤维及其复合材料研究[J].玻璃钢/复合材料,2009,01:31-33.[6]吴佳林.连续玄武岩纤维的研究进展及应用[J].化纤与纺织技术,2012,03:38-41+47.[7]吴 刚, 顾冬生, 吴智深, 等.玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土圆形柱抗震性能比较研究[ J].工业建筑, 2007, 37(6): 14-18 [8]胡显奇.我国纯天然玄武岩纤维异军突起[ J].中国建材报, 2006.
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