【纺织百科】玄武岩纤维

玄武岩纤维，也称为玄武丝（CFB），因其卓越的综合性能和较高的性价比，已经在多个领域得到广泛应用，包括军工、建材、消防、环保、电器和航天航空等。它被认为是继碳纤维、芳纶和超高相对分子质量聚乙烯纤维之后的第四大纤维，被誉为21世纪的新材料，是一种无污染的“绿色工业材料”。

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玄武岩纤维的组成与结构

1.1 玄武岩纤维的组成

玄武岩纤维的成分几乎包含了地壳中的所有元素，其中Si、Mg、Fe、Ca、Al、Na、K等元素含量约占99%以上。主要成分包括Si（26.36%）、Ca（18.93%）、Al（7.89%）、Mg（6.90%）、O（31.81%）、K（1.18%）、Na（1.63%）和Ti（1.26%）、Fe（4.04%）。SiO₂是玄武岩连续纤维中最主要的成分，含量占45-60%，保持了纤维的化学稳定性和机械强度； Al2O3的含量占12-19%，提高了纤维的化学稳定性、热稳定性和机械强度； CaO的含量为6-12%，对提高纤维耐水的腐蚀、硬度和机械强度有利； Fe2O3和FeO的含量为5-15%，含铁量高，使纤维呈古铜色。

1.2 玄武岩纤维的结构

玄武岩纤维的外观类似于一根极细的管子，呈光滑的圆柱状，其截面呈完整的圆形。这种结构是由于熔融玄武岩在成型过程中，在表面张力作用下收缩成表面积最小的圆形所致。

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玄武岩纤维的性能

玄武岩纤维具有纯天然性，生产过程无害，产品寿命长，是一种低成本、高性能、洁净程度理想的新型绿色主动环保材料。由于玄武岩在熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出，使玄武丝制造过程中的池炉排放烟尘中无有害物质析出，不向大气排放有害气体，无工业垃圾和有毒物质污染环境。

2.1 玄武岩纤维的拉伸强度

玄武岩纤维的拉伸强度是普通钢材的10-15倍，是E型玻璃纤维的1.4-1.5倍，其连续纤维的强度远远超过天然纤维和合成纤维，是理想的增强材料。玄武岩连续纤维的拉伸强度为3000-4840MPa，高于其他一些常见高技术纤维。

2.2 弹性模量

玄武岩纤维的弹性模量与昂贵的S玻璃纤维相近，强度相当；用于织造面密度为150-210 g/m²的产品时，织造性能良好；可代替S玻璃纤维制造绝热制品和复合材料，制造硬质装甲和各种GFRP产品。

2.3 耐温性能

玄武丝的使用温度范围为-260-650℃（软化点为960℃），而E玻璃纤维为-60到350℃。玄武丝在400℃下工作时，断裂强度能够保持85%的初始强度；在600℃下工作时，其断裂后的强度能够保持80%的原始强度。

2.4 电性能

玄武岩连续纤维的体积电阻率和表面电阻率比E玻纤高一个数量级，玄武岩纤维的介电损耗角正切与E玻璃纤维相近，应用专门浸润剂处理过的玄武岩纤维，其介电损耗角正切比一般玻璃纤维低50%，可用其制造高压（达250kV）电绝缘材料、低压（500V）装置、天线整流罩和雷达无线电装置等。

2.5 隔音性

玄武岩连续纤维有着优良的隔音、吸声性。玄武岩连续纤维的吸湿性极低，吸湿率为0.2-0.3%，而且吸湿能力不随时间变化。玄武岩连续纤维制作的隔音材料在航空、船舶领域有着广阔的前景。

2.6 分散性

玄武岩纤维是同属硅酸盐的火山喷出岩为原料制成的，与混凝土有着基本相同的成分，所以玄武丝与混凝土的相容性和分散性优于其他增强纤维，同时有很好的黏结性能。

2.7 化学性能

化学稳定性是指纤维抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力，通常以介质侵蚀前后的质量损失和强度损失进行度量。玄武岩连续纤维比玻璃纤维具有更稳定的化学性能。该特性为玄武岩连续纤维在桥梁道、堤坝等混凝土结构，以及沥青混凝土路面、飞落跑道等经常受到高湿度、酸、碱类介质作用的结构中的应用开辟了广阔的前景。

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玄武岩纤维的生产工艺

3.1 玄武丝的制备方法

根据熔融原料所使用的容器不同，生产玄武丝的方法包括坩埚法和池窑法。池窑法又称直接法，是目前玄武丝的生产主要采用的方法。与坩埚法相比，池窑法省去了制球工序，因而过程简单；加上池窑法具有节能、污染少、体积小、占地少、成品率高、废丝少等优点。

3.2 玄武丝的生产流程

典型的玄武丝生产工艺流程包括：选用合适的玄武岩矿原料，经破碎、清洗后，玄武岩原料储存在料仓中待用；经喂料器，用提升输送机输送到定量下料器，喂入单元熔窑；玄武岩原料在1500℃左右的高温初级熔化带下熔化，熔化后的玄武岩熔体流入拉丝前炉，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，同时要确保熔体在前炉中较长的停留时间；最后，玄武岩熔体进入两个温控区，将熔体温调至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孔的铂铑合金漏板拉制成纤维，拉制成的玄武丝再施加合适浸润剂后，经集束器及纤维张紧器，最后至自动绕丝机。

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连续玄武岩纤维的应用

4.1 玄武岩纤维声热绝缘复合材料

玄武岩纤维的导热系数随纤维直径的减小而减小，随纤维密度的增大先减小后增大，选用合适细度和密度的玄武岩纤维，可使玄武岩纤维的导热系数很低。此种玄武岩纤维可作为热绝缘复合材料。同时，由于此种玄武岩纤维的使用温度范围和抗震性能优于玻纤，因此可应用于高温和超低温设备，以及高温作业的防护服和低温保温服。

4.2 过滤环保领域的应用

玄武丝是一种新型的绿色环保材料，可用于环保领域有害介质和气体的过滤、吸附和净化，特别在高温过滤领域，玄武丝的长期使用温度是650℃，远优于传统过滤材料，是过滤基布、过滤材料、耐高温毡的首选材料。

4.3 混凝土增强领域的应用

玄武岩纤维可用来代替钢筋增强混凝土。钢筋增强混凝土板是一种在路桥建筑中普遍使用的混凝土制品。钢筋长期在水泥中容易产生锈蚀造成建筑结构的破坏。玄武岩纤维筋的抗碱性能比玻璃纤维筋优异，拉伸强度也更高，可大大提高混凝土制品的使用寿命。

4.4 在建筑修复、加固和更新领域的应用

玄武岩纤维的强度并不逊于碳纤维，且比芳纶高，虽然其弹性模量不如碳纤维，但是与树脂的亲和性，玄武岩纤维大大优于碳纤维和芳纶，有效地提高了补强效果和补强材料的使用寿命。

4.5 在道路施工领域的应用

玄武岩纤维具有较高的强度、弹性模量和耐高低温、耐侵蚀等性能，适用于路面土工格栅中的基础材料—纤维布。

4.6 在医学领域的应用

玄武丝的PH值越高，碱性氧化物越多，抗水性就越差，一般来说，PH<4时最稳定，PH<5时稳定，PH<6时中等稳定。

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面临的问题

5.1 玄武岩成分波动大

玄武丝的生产存在一些困难。不同类型的玄武岩矿石具有不同的特性和化学结构。由于玄武岩是由地球熔岩形成的，因此造成它的先天不足，就是其成分的波动，不仅不同矿床成分波动较大，就是同一矿点化学成分也有一定的波动范围。

5.2 生产过程中的消耗成本

连续玄武丝的主要生产成本集中在所用的天然气燃料，铂铑合金漏板的消耗量及其使用寿命。

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结语

随着玄武岩连续纤维生产技术瓶颈的不断突破和规模化生产带来的成本降低，其应用领域将不断扩大，有望形成一个新兴的高新技术产业，改变全球先进材料的格局。

来源： 纺织大学堂

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