２ 专题论述 山西纺织服装２０１６．４ 玄武岩纤维的应用现状 王鹏 刘淑强 吴改红郭红霞 邵芬娟 卢建军 （太原理工大学轻纺工程学院） 摘要：玄武岩纤维作为一种新型高性能纤维材料，具有诸多优异性能，特别是在生产、应 用及回收方面都所具有的环保性能使得玄武岩纤维与其他的一些传统材料相比具有显著优 势，近年来玄武岩纤维的生产与应用也备受关注。本文阐述了几种玄武岩纤维的生产方法，介 绍了玄武岩的力学性能、耐腐蚀性能等性能特点，并对玄武岩纤维的应用领域作简单归纳，最 后对玄武岩纤维的发展前景进行展望。 关键词：玄武岩纤维生产制备性能特点应用领域发展前景 ０前言 １ 玄武岩纤维研究历史 玄武岩纤维是以地壳中广泛存在的一种 １８４０年，英国的威尔斯试制成功了以玄 火成岩一玄武岩为原料，经破碎后加入窑炉 武岩为主体的岩棉，距今已有１７０多年的历 熔融之后由漏板制成的一种纤维。玄武岩纤 史 。现代意义上的玄武岩纤维最早由前苏 维一般可分为普通玄武岩纤维、超细玄武岩 联的莫斯科塑料研究所于１９５３年研制成功， 纤维及连续玄武岩纤维三类。玄武岩纤维具 并于１９８５年在乌克兰建成可进行工业化生 有很多突出的特点，比如高强度、耐高温、耐 产的窑炉，采用２００孔漏板和组合炉拉丝工 酸碱、低吸湿性及优异的绝缘性等。目前玄 艺 】。由于产品主要应用于军工领域，故该项 目直到苏联解体后才公之于众。由于玄武岩 武岩纤维及其复合材料已经被应用于建筑、 纤维突出的性能和性价比的优势很快就引起 交通、军工等诸多领域。 了各国的关注，并相继展开相关研究。 本文从玄武岩纤维的研究历史起笔，对 目前，玄武岩纤维的生产主要集中在俄 玄武岩的各种性能、制备方法、应用领域进行 罗斯、乌克兰、加拿大和中国等为数不多的国 概述性介绍，最后展望了玄武岩纤维纤维的 家之中。我国的玄武岩纤维研究起源于上个 发展前景，对玄武岩纤维进行了多方位、多角 世纪７０年代，但研究一直未能取得显著突 度的描述。 破，直到本世纪初才有所突破，２００５年我国通 山西纺织服装２０１６．４ 专题论述 ３ 过自主创新成功研发了全电熔的玄武岩纤维 连续生产技术，此技术既降低了生产过程中 的环境污染又扩展了窑池生产技术。“玄武岩 纤维及其复合材料”已被列入国家８６３计划 受到国家重视 。 ２玄武岩纤维的性能特点 ２．１ 纤维形态及组成成分 图２玄武岩纤维微观结构 玄武岩纤维表面光滑，截面一般呈圆形， 其表面颜色跟所含铁元素的多少有关，所含 铁元素越多则表面颜色越深，一般玄武岩颜 色表面呈深棕色。 玄武岩纤维的组成元素主要包括ｓｉ、Ａｌ、 Ｆｅ、Ｃａ等元素，主要组成成分包括ＳｉＯ：、 Ａ１ Ｏ，、Ｆｅ Ｏ 、ＦｅＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ及少量杂质。玄 武岩纤维的某些特定功能与这些元素或成分 的含量有密切关系。一般玄武岩纤维中ＳｉＯ２ 的含量可达４４％一一５２％，Ａ１２０３的含量可达 １２％一１８％，ＭｇＯ的含量约为７－３１％，ＣａＯ的 含量约为６．６８％ 。 ２．２力学性能 玄武岩纤维具有高抗拉强度、高弹性模量 的特点。玄武岩纤维的强度在一般情况下要 优于芳纶且和高强度玻璃纤维相当，可被用作 增强材料 。玄武岩纤维的断裂伸长性能要 优于碳纤维，这使得玄武岩纤维具有相比于碳 纤维更优异的韧性及耐冲击性。具体玄武岩 纤维力学性能与其他纤维对比见表ｌｐ 。 表１ 玄武岩纤维与其他高性能纤维力学性能对比 纤维类别 密度／拉伸强 弹性模 断裂伸 ｇ・ｃｍ 度／ｇＰａ 量／ＧＰａ 出率／％ 玄武岩纤维 （国产） ２．７５ ３ ２５７ ９３ ２．９ 玄武岩纤维 （加拿大） ２．８０ ４ ８４０ ８９ ３．１ 玄武岩纤维 ２（乌克兰） ．６５—３．０５ ３ ００Ｏ一３ ５ｏｏ ７９．３—９３．１ ３．２ 碳纤维 １．７—２．２ ３ ５００～６ ０００ ２３０ ６００ １．５ ２．Ｏ 芳纶 １．４９ ２ ９ｏｏ一３ ４００ ７０—１４０ ２．８—３．６ Ｅ玻璃纤维 ２．５５～２．６２ ３ １０ｏ一３ ８００ ７２．５—７５．５ ４．７ Ｓ玻璃纤维 ２．５０—２．６０ ４ ０２０—４ ６５０ ８３～８６ ５．３ ２－３绝热耐热性 玄武岩纤维的使用温度范围可达． ２６０％～６５０％，在４００％的实验条件下，玄武 岩纤维可以保持８５％左右的强度，而在６ｏ０℃ 的实验条件测试下，玄武岩纤维仍然可以将 强度保持在８０％左右，而玻璃纤维在相同条 件下的使用温度不超过４００％ 。在低温测试 方面，当长时间处于低温液氮介质（．１９６％） 作用之后，玄武岩纤维的强度不会发生明显 的改变，这说明玄武岩纤维同时也是一种有 效的低温绝热材料。除了优良的耐热耐低温 性能之外，玄武岩纤维还具有较好的隔热性 能，其导热系数仅为０．０３１～０．０４８。 ２．４电绝缘性 玄武岩纤维的介电损耗角的正切值与Ｅ 玻璃纤维相接近，如果用特定浸润剂对玄武 岩纤维进行处理，那么玄武岩纤维的介电损 耗角的正切值将减小至一般玻璃纤维的一半 左右 。故玄武岩纤维可被用于制造天线的 雷达天线、整流罩和各种高压绝缘材料等 。 作为一种新型绝缘材料，玄武岩纤维的市场 ４ 专题论述 山西纺饵服装２０１６．４ 和应用前景非常可观。具体玄武岩纤维与其 他纤维的电学性能对比见表２。 表２玄武岩纤维与Ｅ玻璃细丝和硅土细丝的电学性能对比 纤维类别 体积比 损耗角正切 相对介电 电阻／（ａ・ｍ） 频率／ＭＨｚ 常数／ＭＨｚ 玄武岩纤维细丝 １×ｌ０ Ｏ．ｏｏ５ Ｏ ２２ Ｅ玻璃细丝 １ｘ１０ ‘ ０．００４ ７ ２３ 硅土细丝 １ｘｌ０“ ０．００４ ９ ２３ ２．５化学稳定性 玄武岩纤维具有优良的防水及耐腐蚀性 能，玄武岩纤维的吸水率很低仅为０．１２％一 ０．３％，而在沸水中煮３ｈ之后，玄武岩纤维的 质量损失也仅为０．４％，强度仍可保持在原来 的９９．８％左右 】。在耐化学腐蚀方面，虽然不 同公司的产品可能略有差异，但一般来说玄 武岩纤维的耐酸性要优于其耐碱性，在２ｍｏｌ／ Ｌ的ＮａＯＨ溶液中煮沸４ｈ，玄武岩纤维的质量 损失约为５．８％，而在２ｍｏｌ／Ｌ的ＨＣＩ溶液中煮 沸４ｈ，玄武岩纤维的质量损失仅为３．０４％Ｅ３１，这 表明了相比之下玄武岩的耐酸性更为突出。 ２．６环保性 玄武岩纤维的另一项区别于其他高性能 纤维的优势是它的环保性。玄武岩纤维的环 保性首先体现在它的生产过程中，在玄武岩 熔融的过程中，不会产生诸如硼化物或其他 金属氧化物等有毒有害物质，极大的保护了 工人的身体健康；另一方面，与传统的玻璃纤 维的生产工艺相比，玄武岩是一种惰性物质， 不会发生燃烧、爆炸等危险，与水接触也不会 产生有毒物质嘲；最后，当玄武岩纤维产品被 废弃后，能够被自然环境降解吸收，不会对环 境产生危害。 ３玄武岩纤维的生产方法 目前玄武岩纤维的生产方法主要有以下 ３种，即热蒸汽或压缩空气垂直喷吹法、离心 喷吹法和火焰喷吹法。 ３．１ 蒸汽或压缩空气垂直喷吹法 蒸汽或压缩空气垂直喷吹法是指在喷丝 板喷出熔融玄武岩时，喷嘴喷出高速气流对 熔体进行垂直方向的冲击，使熔体分散开并 被拉伸，最终熔体流股被分为许多的细长纤 维。用蒸汽或压缩空气垂直喷吹法制备的玄 武岩纤维直径约为７～１４ｔｘｍ，长径比约为１： １０００—１：３０００，通常用这种方法生产普通玄 武岩纤维 】。 ３．２ 离心喷吹法 离心喷吹法是指被加热的熔融态玄武岩 滴落至离心机的分离器上，在离心力的作用 下熔滴被甩到离心机的内表面上，而离心机 的内表面筒壁上分布着直径为０．８—１．２１－￣ｍ 的小孔，熔滴经小孑Ｌ甩出并在高温高湿气流 的冲击下被拉伸成为纤维。通过离心喷吹法 生产的主要是纤维直径在１—１４ｐ￣ｍ之间的 短纤维或普通玄武岩纤维ｐ 。离心喷吹法的 主要不足在于漏板，首先，漏板笨重，达 ２．５ｋｇ；其次漏板每隔３个月左右就需要进行 更换或维修，缺乏必要的稳定性。 ３－３火焰喷吹法 火焰喷吹法主要被用来生产超细玄武岩 纤维。生产时，首先将破碎好的玄武岩加人 窑炉中进行融化，之后熔体从漏嘴处流下形 成一次纤维，一次纤维会在胶辊和导丝的作 用下被传输至燃烧器处并被其所喷出的高温 高速气流的融化拉伸为超细纤维。需要注意 山西纺织服装２０１６．４ 专题论述 ５ 的是，因为玄武岩熔融态易结晶并且在拉丝 区具有较高的粘度，所以需要特殊的拉丝装 置和熔池。 ４应用领域 玄武岩纤维作为一种新型高性能纤维， 目前已经可以被制为无捻纱、膨体纱、无纬 布、平纹布、斜纹布、多轴向织物等多种形式 ”岫，它们被广泛的应用于各种工程领域，下面 对玄武岩纤维的应用领域进行介绍。 ４．１建筑领域 因为玄武岩纤维具有耐热、隔热、吸音的 特点，所以是建筑物外墙防火、保温的理想材 料，目前我国已有玄武岩纤维防火保温板产 品登陆市场。 玄武岩纤维在建筑领域的另一项重要应 用体现在水泥的结合上，可以被用作水泥基 材料的增强材料。其原理是：水泥在使用过 程中会在其表面和内部产生大量空隙对材料 的使用性能产生影响，而玄武岩纤维由于含 有能与水泥表面的碱性物质发生反应的 ＳｉＯ 、Ａ１：Ｏ，，它们之间反应生成的硅酸钙、水 化铝酸钙等物质可以对水泥中的空隙进行一 定的填补，从而改善水泥性能 。据有关资料 介绍，美国已经用玄武岩纤维增强水泥材料 建成了一座跨度约为４０ｍ的桥梁口］。 ４．２交通领域 在交通领域，玄武岩纤维一方面可以用 于路面状况的改善，另一方面可以引用于汽 车工程领域。在用于改善路况方面，可以将 玄武岩纤维与沥青相以土工隔栅的方式相结 合，这种材料可以提高路面的耐高温性能防 止路面在高温情况下开裂并提高路面稳定性 以增加路面的寿命。而在汽车制造领域，包 含玄武岩纤维的复合材料可被用于制造汽车 壳体；玄武岩纤维所具有的稳定的高温摩擦 系数及低摩擦噪音的性能使其可以被用来制 造汽车刹车材料 ；在轮胎生产方面，玄武岩 纤维可凭借优良的力学性能和耐热性能来作 为轮胎帘子线的材料ｕ”。 ４＿３军工领域 玄武岩纤维的研制最早是由前苏联国防 部所发起的，所以玄武岩纤维的早期产品大 多是应用在了军工领域。以连续玄武岩纤维 为增强材料与其他材料结合制成的复合材料 在制造坦克、战车、军舰、潜艇以及航空航天 方面均有广泛应用。例如，前苏联的联盟．１９ 宇宙飞船的结构材料中就有玄武岩纤维的应 用ｕ 。由于玄武岩纤维是无机纤维，玄武岩 纤维不燃烧、在高温下不排放有毒气体、无热 收缩现象及隔热性能，故可以被用来制作部 队的防火服或与其他纤维混纺制成阻燃材料 ［１２１。此外，由于玄武岩纤维在高压２５０ＫＶ低 压５００Ｖ的范围内具有的绝缘性和可透过电 磁波的性能用来制造里的诸如各种通讯 天线、雷达整流罩等通讯侦查器材。 ４．４其他应用 除了以上领域之外，玄武岩纤维在电子 技术、航空航天以及体育用品等方面均有应 用。例如在电子技术方面，玄武岩纤维的表 面在经过某种浸润剂的处理之后，可被作为 耐热介电材料；在航空航天领域，玄武岩纤维 ６ 专题论述 山西纺织服装２０１６．４ 凭借低吸湿性及绝热隔音性能，在航空航天 领域也有着广泛的应用；在体育用品方面，玄 武岩纤维所具有的优良的力学性能指标可被 用作制作球拍、自行车车架等体育用品。 ５玄武岩纤维的发展前景 目前环境问题在全世界范围内愈发突 出，在这样一个大背景下，绿色环保材料无疑 成为了世界各国发展的重点。而玄武岩纤维 所具有的高性价比以及绿色环保的特点正符 合了材料发展的趋势。 从原材料上来说，对于制备高性能的连续 玄武岩纤维来说，并不是说所有的火山岩都能 作为原料，我国的玄武岩储量非常丰富，而且 可被用于拉丝的玄武岩在我国东北地区及东 南沿海地区均有大规模的分布，这位我国发展 玄武岩纤维提供了根本的物质保障ｕ 。 玄武岩纤维从技术储备上来说，我国是 与俄罗斯、乌克兰等少数几个具有连续玄武 岩纤维完全自主知识产权的国家之一ｕ 。在 经过１０年左右的自主研发生产之后，我国玄 武岩纤维生产技术愈发成熟，产量跃居世界 首位。 从国家上来看，根据发布的 文件《中国制造２０２５｝，国家将对连续玄武岩 纤维产业进行进一步的调研和规划，把连续 玄武岩纤维及其复合材料作为战略性创新材 料予以高度重视。玄武岩纤维可被应用于基 础实施建设领域，结合目前我国实行的“一带 一路”，不论是丝绸之路经济带沿线国家 海上丝绸之路沿岸国家，大部分都是基础设 施建设严重匮乏的发展中国家，这为我国玄 武岩纤维产业提供了广阔未来的市场。 ６结语 目前，玄武岩纤维在我国和碳纤维、芳纶 及高分子量聚乙烯并称为了我国的四大高技 术纤维【Ｉ５ 。凭借着优异的各种性能和不错性 价比，玄武岩纤维正在吸引着越来越多的关 注目光，具有不错的市场前景和发展空间，同 时需要指出的是，由于目前玄武岩纤维生产 工艺比玻璃纤维生产工艺更为复杂，技术工 艺水平还有待于提高，并且在全世界范围内 的玄武岩纤维的产量还非常有限，因此有关 玄武岩纤维的研究还有许多工作要做，相信 在的支持与科研工作者的努力之 下，我国的玄武岩纤维产业会继续发展并对 社会产生积极的推动作用。 参考文献： 【１］齐风杰，李锦文，李传校，等．连续玄武岩纤维综述 ［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００６，３１（２）：４２． ［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）２９． ［３］杨莉，吴宜城，沈城伟．玄武岩纤维的性能及应用 ［Ｊ】．成都纺织高等专科学校学报，２０１６，３３（１）：１３３－ １３５． ［４］于力超，玄武岩纤维表面处理对其复合材料力学 性能的影响［Ｄ】．硕士学位论文，２０１５，０５． 【５】雷静，党新安，李建军．玄武岩纤维的性能应用 及最新进展［Ｊ］．化工新型材料，２００７，３５（３）：９． ［６】谢尔盖，李中郢．玄武岩纤维材料的应用前景［Ｊ］＿ 纤维复合材料，２００３，３（３）：１８． 【７】杨勇新，岳清瑞．玄武岩纤维及其应用中的几个问 题［Ｊ１．工业建筑，２００７，３７（６）． ［８】郭欢，麻岩，陈姝娜．连续玄武岩纤维的发展及应 用前景［Ｊ］．中国纤检，２０１０，３（上）：７７．７９． （下转第３Ｏ页） ３０ 要闻 山西纺织服装２０１６．４ 认证制度，逐步扩大实施能效标识和绿色标 识制度的消费品范围。 出相关建议。充分发挥消费者协会作 用，营造放心便利的消费环境。 （十三）加强引导。支持主流媒体开 （十一）加大支持。利用工业转型升 级资金、国家科技计划（专项、基金等）、专项 建设基金等现有资金渠道，支持企业在创意 设计、提高科技含量和性能等方面下大功夫， 促进大众消费品创新、增加有效供给。有条 件的地方要加强对改善消费品供给能力的财 展系列报道，设立专题网站、微博微信等平 台，多渠道宣传消费品工业“三品”战略。通 过市场手段加大国内优质品牌宣传力度，提 高消费者对自主品牌的认知度和忠诚度，提 升群众购买国货的自豪感。地方各级和 行业协会要表彰和宣传品牌建设成就突出的 企业和企业家，激发加强品牌建设的积极性。 政支持。合理调整部分高档消费品的消费税 ，引导境外消费回流。鼓励地方各级政 府与社会资本合作建立产业基金支持消费品 促进消费品工业升级，发挥消费对经济 发展和产业转型的关键作用，是推进结构性 改革尤其是供给侧结构性改革、扩大内需的 重要举措。各地区、各有关部门要结合实际 制定具体方案，着力完善，充分发挥市场 机制作用，围绕消费者多样化需求，推动消费 品工业增品种、提品质、创品牌，营造良好市 工业创新发展。出口信贷和出口信用保险要 加大支持消费品出口的力度。建立消费品供 给改善信息与金融监管部门及金融机构的共 享联动机制，加强对消费品工业的融资支持。 （十二）发挥协会作用。充分发挥行业协 会熟悉行业、贴近企业的优势，在研究、 标准制修订、人才培训、宣传推广、新产品展 览展示、国际交流合作等方面发挥积极作用， 场环境。工业和信息化部要会同有关部门对 本意见的落实情况进行跟踪分析和监督检 共同实施好消费品工业“三品”战略。行业协 会要选择具有独特功能或使用价值的升级和 创新消费品，编制升级和创新消费品指南，积 极引导消费；要加强自律和服务，组织开展质 查，认真总结和推广经验，重大事项及时向国 务院报告。 ２０１６年５月２６日 量信誉承诺等活动，维护良好的行业信誉，及 时反映企业诉求，反馈落实情况，研究提 （来源：法律法规网） （上接第６页） ［９】霍冀川，雷永林，王海滨，刘树信．玄武岩纤维的 制备及其复合材料的研究进展［Ｊ］．材料导报，２００６， ２０（ＶＩ）：３８２．３８５． 的应用［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００５，３０（６），８．１３． ［１３］胡显奇．玄武岩纤维另辟蹊径［Ｊ］．ＴＥＣＨＮＯＬＯ ＧＹ 科技．２０１６，３－３２．３５． 【１０］孙建磊，李龙，张胜靖．玄武岩纤维的进展、性能 及其产品应用［Ｊ］．中国纤检，２０１０，１１（上）：７６．７９． 『１４］李全明，肖旋，张梅，邱发贵，张万喜．连续玄武岩 纤维及其复合材料研究进展［Ｊ］．高科技纤维与应 用，２００９，３９（５）：３３．３７． ［１１］李新娥．玄武岩纤维和织物的研究进展［Ｊ］．纺织 学报，２０１０，３１（１）：１４５．１５２． 【１２】胡显奇，申屠年．玄武岩纤维在军用及民用领域 『１５］郭昌盛，杨建中，赵永旗．连续玄武岩纤维及应用 ［Ｊ］＿高科技纤维与应用，２０１４，３９（６）：２５—２８．
