在全球的大部分國(guó)家中都可以找到堅(jiān)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(guò)澆鑄工藝制成瓦及板用于建筑市場(chǎng)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(lái)，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(lái)替代石棉纖維。近十年，玄武巖纖維已成為增強(qiáng)復(fù)合材料的競(jìng)爭(zhēng)性材料。這一姍姍來(lái)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(jià)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(guó)的Paul Dhe是第一個(gè)有從玄武巖擠出纖維的想法的人。他在1923年申請(qǐng)了一項(xiàng)美國(guó)專利。大約在1960年，美國(guó)和前蘇聯(lián)都開(kāi)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(guó)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(duì)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(jìn)行了研究。歐文斯科寧(OC)公司和其他幾家玻璃公司都進(jìn)行了一些獨(dú)立研究項(xiàng)目,并取得了一些美國(guó)專利。大約在1970年前后,美國(guó)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(shí),東歐方面的研究工作仍在繼續(xù),自上世紀(jì)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(dú)立機(jī)構(gòu)被前蘇聯(lián)國(guó)防部收歸國(guó)有,集中于前蘇聯(lián)烏克蘭的基輔附近的研究院和工廠進(jìn)行研制。1991年蘇聯(lián)解體后，蘇聯(lián)的研究成果被解密，開(kāi)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(chǎng)化的努力都是基于那些曾與蘇維埃集團(tuán)結(jié)盟的國(guó)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(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司（簡(jiǎn)稱GBF）和玻璃鋼及纖維研究院（烏克蘭）。
Basaltex公司是比利時(shí)Masureel Holding公司的子公司，它和美國(guó)Sudaglass Fiber Technology公司分別向歐洲和北美市場(chǎng)提供織造和非織造玄武巖纖維增強(qiáng)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(kāi)采出的玄武巖進(jìn)行粉碎處理和洗滌，然后裝入與投料機(jī)相連的料倉(cāng)內(nèi)，由投料機(jī)將原料投入到用天然氣加熱的窯爐的熔化部。實(shí)際上這一過(guò)程比生產(chǎn)玻璃纖維要簡(jiǎn)單，因?yàn)樾鋷r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(jìn)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(guò)程只需要一條單獨(dú)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(duì)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(zhǎng)石、輝石和橄欖石。斜長(zhǎng)石為一些由硅酸鈉和硅酸鈣組成的三晶長(zhǎng)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(shí)的冷卻速率也會(huì)影響到晶體結(jié)構(gòu)。Basaltex公司負(fù)責(zé)研發(fā)的人士指出，盡管能夠從世界各地的礦井或露天進(jìn)行開(kāi)采，實(shí)際上全球只有幾十個(gè)地區(qū)的玄武巖經(jīng)過(guò)分析適合于制造連續(xù)細(xì)纖維。Technobasalt公司負(fù)責(zé)銷售的人士認(rèn)為，烏克蘭地區(qū)的玄武巖成份非常適合于制造連續(xù)細(xì)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(kāi)采源，公司仍然傾向于使用同一來(lái)源開(kāi)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(diǎn)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(duì)整個(gè)玄武巖混料進(jìn)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(shí)，確保均勻的溫度分布。為了對(duì)原料進(jìn)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?xì)饧訜?，這是出于對(duì)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(kāi)的區(qū)段分別安裝了加熱控制系統(tǒng)。他們認(rèn)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(duì)簡(jiǎn)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(shí)涂覆浸潤(rùn)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(jìn)行定期維修，不圓的孔徑會(huì)導(dǎo)致纖維直徑不在正常范圍之內(nèi)，生產(chǎn)出的無(wú)捻粗紗也無(wú)法預(yù)測(cè)它的斷裂荷載。玻璃纖維漏板在使用6個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間后需要進(jìn)行重新加工，而過(guò)去用于拉制玄武巖纖維的漏板的使用期限只有3～5個(gè)月，但Kamenny Vek公司經(jīng)過(guò)工藝控制方面的改進(jìn)已經(jīng)使漏板的壽命延長(zhǎng)到了6個(gè)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(guò)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(wú)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(shí)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(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)。用環(huán)氧樹(shù)脂浸漬E玻纖和玄武巖無(wú)捻粗紗后，纏繞在一芯軸上，然后壓實(shí)層合材料直至其完全固化，分別切下135㎜×15㎜的試樣測(cè)量厚度。然后對(duì)試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（ISO 178）和ILSS試驗(yàn)（ISO14130）來(lái)測(cè)強(qiáng)度和剛性。試驗(yàn)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(qiáng)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(bào)道，玄武巖纖維在安全操作和空氣質(zhì)量方面沒(méi)有問(wèn)題。Technobasalt公司人士稱，由于玄武巖是火山活動(dòng)的產(chǎn)物，其成纖過(guò)程比玻纖對(duì)環(huán)境的影響更小，在成纖過(guò)程中可能釋放的“溫室”氣體在幾百萬(wàn)年前巖漿噴發(fā)時(shí)就已釋放出來(lái)。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(qiáng)材料時(shí)，生產(chǎn)廠商總會(huì)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(jī)織出的玄武巖織物在加工時(shí)脆而易損，強(qiáng)烈彎折時(shí)會(huì)使纖維斷裂，對(duì)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(rùn)劑技術(shù)。這種纖維涂層加熱后不發(fā)毒煙，也不會(huì)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(guò)程中造成了纖維的損壞。今天，采用浸潤(rùn)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(qiáng)度的玄武巖纖維，編織和機(jī)織時(shí)不會(huì)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(jìn)入消費(fèi)者手中，它的價(jià)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(diǎn)，它最常用在防火領(lǐng)域。Basaltex公司進(jìn)行了一些防火試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，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(zhǎng)暴露在火焰中的時(shí)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(huì)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(huì)軟化，不會(huì)因軟化而沉積在剎車系統(tǒng)匹配件（盤式制動(dòng)器或制動(dòng)鼓）上。玄武巖也用于增強(qiáng)其他普通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。因?yàn)樾鋷r容易被浸濕，適合于快速樹(shù)脂浸漬和樹(shù)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(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)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(jī)葉片層合材料的雙軸向玄武巖織物。風(fēng)輪機(jī)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(qiáng)度分別比E玻纖高15%和25%，因而成為風(fēng)輪機(jī)葉片某些部位的理想材料。工程設(shè)計(jì)人員采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算不同材料和施加浸潤(rùn)劑帶來(lái)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)產(chǎn)品原型進(jìn)行一系列試驗(yàn)。由Kamenny Vek公司供應(yīng)的織物制成的風(fēng)力機(jī)葉片有望在今年末通過(guò)德國(guó)勞氏認(rèn)證。
OEMs（貼牌生產(chǎn)廠商們）也正在著手了解用作消費(fèi)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(tái)的法國(guó)Gitzo公司最近推出了它的玄武巖三腳架和獨(dú)腳架。公司提供多種型號(hào)來(lái)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(qiáng)管制造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)制造玄武巖復(fù)合材料制品，因?yàn)樾鋷r增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)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(guó)Lib Fechnologies公司目前銷售兩種不同型號(hào)的滑雪板，在這兩種型號(hào)中加入的是玄武巖纖維而非在其他型號(hào)中通常使用的玻璃纖維。Mervin Manufacturing公司制造玄武巖增強(qiáng)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(huì)Basaltex攤位上。
在汽車工業(yè)方面，美國(guó)Azdel公司（GE和PPG的50/50合資公司）開(kāi)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(zhǎng)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(qiáng)度重量比高、延展性好。在制造汽車頂蓬內(nèi)襯時(shí)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(jìng)爭(zhēng)性材料。美國(guó)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(qiáng)筋。據(jù)報(bào)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(qiáng)筋的加固效果相當(dāng)于用4噸鋼筋的加固作用。 |
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發(fā)表于 2008-11-21 15:08:42
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