在全球的大部分國家中都可以找到堅硬而致密的火山巖。玄武巖作為一種火成巖，它是從熔融狀態(tài)下演變而成。玄武巖通過澆鑄工藝制成瓦及板用于建筑市場已有多年歷史。此外，在工業(yè)用途方面澆鑄的玄武巖鋼管內(nèi)襯也有很高的耐磨性。玄武巖在粉碎狀態(tài)下還可以用作混凝土的集料。
后來，采用天然耐火玄武巖擠出的連續(xù)纖維，在幾乎所有的用途方面都可以用來替代石棉纖維。近十年，玄武巖纖維已成為增強復(fù)合材料的競爭性材料。這一姍姍來遲的產(chǎn)品的支持者聲稱他們產(chǎn)品的性能與S-2玻璃相似，其價格則介于S-2玻璃和E玻璃之間，甚至有可能成為碳纖維的較為便宜的替代品。
法國的Paul Dhe是第一個有從玄武巖擠出纖維的想法的人。他在1923年申請了一項美國專利。大約在1960年，美國和前蘇聯(lián)都開始研究玄武巖的用途，尤其是在軍事硬件如火箭上的用途。
在美國西北部，集中了大量的玄武巖層。華盛頓州立大學(xué)的R.V.Subramanian對玄武巖的代學(xué)成份、擠出條件和玄武巖纖維的理化特性進行了研究。歐文斯科寧(OC)公司和其他幾家玻璃公司都進行了一些獨立研究項目,并取得了一些美國專利。大約在1970年前后,美國玻璃公司放棄了玄武巖纖維的研究,將戰(zhàn)略重心定于其核心產(chǎn)品,研發(fā)出了包括OC公司的S-2玻纖在內(nèi)的許多更好的玻璃纖維。與此同時,東歐方面的研究工作仍在繼續(xù),自上世紀50年代在莫斯科、布拉格和其他地區(qū)從事這方面研究工作的獨立機構(gòu)被前蘇聯(lián)國防部收歸國有,集中于前蘇聯(lián)烏克蘭的基輔附近的研究院和工廠進行研制。1991年蘇聯(lián)解體后，蘇聯(lián)的研究成果被解密，開始用于民用產(chǎn)品。
今天，玄武巖纖維的研究、生產(chǎn)和大部分市場化的努力都是基于那些曾與蘇維埃集團結(jié)盟的國家的研究成果。目前生產(chǎn)和銷售玄武巖的公司有：Kamenny Vek公司（俄羅斯）、Technobasalt公司（烏克蘭）、橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司（簡稱GBF）和玻璃鋼及纖維研究院（烏克蘭）。
Basaltex公司是比利時Masureel Holding公司的子公司，它和美國Sudaglass Fiber Technology公司分別向歐洲和北美市場提供織造和非織造玄武巖纖維增強材料。
玄武巖纖維是采用在許多方面類似于玻纖拉絲的連續(xù)方法制造而成。首先需要將開采出的玄武巖進行粉碎處理和洗滌，然后裝入與投料機相連的料倉內(nèi)，由投料機將原料投入到用天然氣加熱的窯爐的熔化部。實際上這一過程比生產(chǎn)玻璃纖維要簡單，因為玄武巖的成份更不復(fù)雜。一般玻璃成份中除50% SiO2外，其他成份還包括氧化硼、氧化鋁和/或其他幾種材料。這些材料在進入窯爐之前必須分別投入稱量系統(tǒng)。不同于玻璃，玄武巖纖維不含第二種原料。生產(chǎn)過程只需要一條單獨的投料線將粉碎的玄武巖送入熔窯。換言之，玄武巖纖維制造商對玄武巖原料的純度和穩(wěn)定性的直接控制工作更少。雖然玄武巖和玻璃都是硅酸鹽，但熔融玻璃冷卻后形成非晶狀固體，而玄武巖具有晶體結(jié)構(gòu)。玄武巖含有三種硅酸鹽礦物質(zhì)：斜長石、輝石和橄欖石。斜長石為一些由硅酸鈉和硅酸鈣組成的三晶長石。輝石為含有鎂、鐵、鈣三種金屬氧化物中任意兩種氧化物的晶體硅酸鹽。橄欖石是含有硅酸鎂和硅酸鐵的硅酸鹽。這種成份變異意味著構(gòu)成玄武巖的礦物水平和化學(xué)組成可以因地域關(guān)系存在很大差別。甚至于巖漿在接近地表時的冷卻速率也會影響到晶體結(jié)構(gòu)。Basaltex公司負責研發(fā)的人士指出，盡管能夠從世界各地的礦井或露天進行開采，實際上全球只有幾十個地區(qū)的玄武巖經(jīng)過分析適合于制造連續(xù)細纖維。Technobasalt公司負責銷售的人士認為，烏克蘭地區(qū)的玄武巖成份非常適合于制造連續(xù)細纖維。Kamenny Vek公司所用的玄武巖原料都取自烏克蘭西部。該公司在俄羅斯有一座備用礦，其玄武巖化學(xué)成份雖然接近主要原料開采源，公司仍然傾向于使用同一來源開采的原料。
將粉碎后的玄武巖送入窯爐后，在1500℃的溫度下形成液態(tài)（玻璃熔點為1400～1600℃）。與透明的玻璃不同，不透明的玄武巖不傳輸紅外能量只是吸收能量。因此很難利用普通玻璃窯上部的氣體燃燒器對整個玄武巖混料進行均勻加熱。在上部氣體燃燒器的作用下，熔化的玄武巖必須置于池內(nèi)若干小時，確保均勻的溫度分布。為了對原料進行均勻加熱，生產(chǎn)廠商采用了多種方法，包括在池內(nèi)放置電極。比起使用電加熱，Technobasalt公司更傾向使用燃氣加熱，這是出于對質(zhì)量的考慮，盡管這樣做增加了制造成本。該公司采用了兩步加熱法，在分開的區(qū)段分別安裝了加熱控制系統(tǒng)。他們認為只有在窯爐出料區(qū)靠近拉絲漏板的位置需要安裝很精確的溫度控制系統(tǒng)，在初始加熱區(qū)可以使用相對簡單的控制系統(tǒng)。
和玻璃纖維一樣，玄武巖纖維也是用鉑銠合金漏板拉制而成。在纖維冷卻時涂覆浸潤劑，纖維送入拉絲設(shè)備和卷繞設(shè)備，然后繞在紗筒上。
由于玄武巖纖維比玻璃纖維更有磨損性，昂貴的漏板需要經(jīng)常整修。隨著漏板的磨損，漏板上的圓孔變得不均勻，影響了工藝控制。如不進行定期維修，不圓的孔徑會導(dǎo)致纖維直徑不在正常范圍之內(nèi)，生產(chǎn)出的無捻粗紗也無法預(yù)測它的斷裂荷載。玻璃纖維漏板在使用6個月或更長時間后需要進行重新加工，而過去用于拉制玄武巖纖維的漏板的使用期限只有3～5個月，但Kamenny Vek公司經(jīng)過工藝控制方面的改進已經(jīng)使漏板的壽命延長到了6個月。
總之，由于在加工和維修方面存在上述差異使玄武巖纖維的生產(chǎn)成本超過了E玻璃纖維，但是玄武巖纖維的支持者稱它在復(fù)合材料用途中明顯優(yōu)于E玻璃纖維。玄武巖短切氈、無捻粗紗和單向織物比同類型的E玻纖產(chǎn)品有著更高的斷裂載荷和更高的楊氏模量（材料的剛性參數(shù)）。比利時Leuven大學(xué)復(fù)合材料系專門從事玄武巖纖維和E玻纖研究的Ignaas Verpost教授進行了一項試驗。用環(huán)氧樹脂浸漬E玻纖和玄武巖無捻粗紗后，纏繞在一芯軸上，然后壓實層合材料直至其完全固化，分別切下135㎜×15㎜的試樣測量厚度。然后對試樣進行三點彎曲試驗（ISO 178）和ILSS試驗（ISO14130）來測強度和剛性。試驗結(jié)果顯示，雖然每塊試樣中的纖維含量均為40%，但玄武巖環(huán)氧試樣的強度比E玻纖環(huán)氧試樣高13.7%，剛性高17.5%，而玄武巖試樣比E玻纖試樣重3.6%。
此外，玄武巖纖維天然耐受紫外線和高能量電磁輻射，在低溫下仍能保持真性能，具有更好的耐酸性。據(jù)報道，玄武巖纖維在安全操作和空氣質(zhì)量方面沒有問題。Technobasalt公司人士稱，由于玄武巖是火山活動的產(chǎn)物，其成纖過程比玻纖對環(huán)境的影響更小，在成纖過程中可能釋放的“溫室”氣體在幾百萬年前巖漿噴發(fā)時就已釋放出來。玄武巖屬于百分之百的惰性物質(zhì)，與空氣與水不發(fā)生毒性反應(yīng)，為不燃和防爆物質(zhì)。
在將玄武巖纖維轉(zhuǎn)換成有用的增強材料時，生產(chǎn)廠商總會面臨新的挑戰(zhàn)。例如，Basaltex公司以前就曾發(fā)現(xiàn)直接從織布機織出的玄武巖織物在加工時脆而易損，強烈彎折時會使纖維斷裂，對皮膚還有刺激作用。
為了使產(chǎn)品更穩(wěn)定，Basaltex公司研發(fā)了一種有利于產(chǎn)品后道加工的專有硅烷浸潤劑技術(shù)。這種纖維涂層加熱后不發(fā)毒煙，也不會降低纖維的阻燃性能。該公司稱，在初始階段造成織物性能低劣的明顯原因是在成纖過程中造成了纖維的損壞。今天，采用浸潤劑技術(shù)和精良的生產(chǎn)工藝已經(jīng)使纖維損壞降低到最低程度，制造出很有強度的玄武巖纖維，編織和機織時不會影響性能。
雖然目前玄武巖纖維尚未得到廣泛使用，它已逐漸進入消費者手中，它的價位處于S玻璃（5～7美元/磅）和E玻璃（0.75～1.25美元/磅）之間,但卻有著與S玻璃相似的性能。由于它的高熔點，它最常用在防火領(lǐng)域。Basaltex公司進行了一些防火試驗。試驗時，將玄武巖織物置于Bunsen燃燒器的前端，使黃色的火焰直接接觸到織物，黃色火焰的溫度為1100℃～1200℃，使織物像金屬織物那樣變得紅熱。即使延長暴露在火焰中的時間，玄武巖纖維仍能保留其完整性，但是如果把同樣密度的E玻纖織物放在火焰前端，只需幾秒鐘就會燒穿。
由于玄武巖的阻燃性，使其成為摩擦材料中石棉的替代品，如制造復(fù)合材料剎車墊。由于它在高溫下不會軟化，不會因軟化而沉積在剎車系統(tǒng)匹配件（盤式制動器或制動鼓）上。玄武巖也用于增強其他普通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。因為玄武巖容易被浸濕，適合于快速樹脂浸漬和樹脂傳遞模塑。Technobasalt公司稱，所有用玻璃纖維制造的產(chǎn)品都可以用玄武巖纖維制造。
Kamenny Vek公司現(xiàn)有幾家使用它的標準增強材料產(chǎn)品的用戶，其中之一是芬蘭玻纖制造商奧斯龍公司，該公司現(xiàn)正在提供用于風(fēng)力渦輪機葉片層合材料的雙軸向玄武巖織物。風(fēng)輪機葉片業(yè)務(wù)受材料剛性左右，玄武巖纖維的模量和拉伸強度分別比E玻纖高15%和25%，因而成為風(fēng)輪機葉片某些部位的理想材料。工程設(shè)計人員采用計算機系統(tǒng)計算不同材料和施加浸潤劑帶來的優(yōu)缺點，并對產(chǎn)品原型進行一系列試驗。由Kamenny Vek公司供應(yīng)的織物制成的風(fēng)力機葉片有望在今年末通過德國勞氏認證。
OEMs（貼牌生產(chǎn)廠商們）也正在著手了解用作消費品的玄武巖纖維產(chǎn)品的情況。專門銷售攝影三腳架和云臺的法國Gitzo公司最近推出了它的玄武巖三腳架和獨腳架。公司提供多種型號來滿足所有攝影者的需求。該公司先是用碳纖維生產(chǎn)復(fù)合材料制件，現(xiàn)在則利用公司現(xiàn)有的纖維增強管制造技術(shù)經(jīng)驗來制造玄武巖復(fù)合材料制品，因為玄武巖增強復(fù)合材料強度高，成本卻比碳纖維低。玄武巖三腳架腿比鋁制三腳架腿大約輕20%，而且具有更好的減震效果。
美國Lib Fechnologies公司目前銷售兩種不同型號的滑雪板，在這兩種型號中加入的是玄武巖纖維而非在其他型號中通常使用的玻璃纖維。Mervin Manufacturing公司制造玄武巖增強滑雪板，在其擁有專利權(quán)的滑雪板木芯的每一側(cè)都有玄武巖襯里，使滑雪板剛性更好，重量更輕。該公司還在其生產(chǎn)的Quik Sliver牌滑雪板中使用了Basaltex公司的玄武巖產(chǎn)品。該款滑雪板曾出現(xiàn)在2005年JEC展覽會Basaltex攤位上。
在汽車工業(yè)方面，美國Azdel公司（GE和PPG的50/50合資公司）開發(fā)了一種商名為Volcalite的熱成型熱塑性復(fù)合材料，該熱塑性復(fù)合材料含有聚丙烯和長的短切玄武巖纖維。該公司稱玄武巖聚丙烯系統(tǒng)吸聲性好、熱膨脹系數(shù)低、強度重量比高、延展性好。在制造汽車頂蓬內(nèi)襯時能夠比使用普通材料薄出50%。
在英美都設(shè)有公司的Tehnical Fiber Products公司使用短切玄武巖纖維制造薄氈。該公司正在用這種薄氈試生產(chǎn)層合的和熱成型的汽車部件。佳斯邁威歐洲公司也在生產(chǎn)濕法玄武巖薄氈。
在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域玄武巖纖維也日益成為競爭性材料。美國Sudaglass公司雖然自己不再生產(chǎn)纖維，但是卻在生產(chǎn)幾種含玄武巖纖維的制品，如混凝土加強筋。據(jù)報道，用單向玄武巖纖維拉擠而成的筋材比鋼筋輕89%，具有與混凝土相同的熱膨脹系數(shù)，在堿性環(huán)境中更不容易老化。該公司稱，用1噸玄武巖加強筋的加固效果相當于用4噸鋼筋的加固作用。 |
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發(fā)表于 2008-3-14 17:04:10
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