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玄武岩纤维

2022-11-30 来源:高分子物理学公众号 浏览数:1

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简介

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作为21世纪绿色环保高性能无机纤维材料之一,玄武岩纤维具有优异的力学性能、化学稳定性、耐高温性等特点。玄武岩纤维来自大自然中的天然玄武岩。玄武岩纤维是通过熔融纺丝拉伸工艺,在极高温的条件下将玄武岩高温熔融,通过喷丝板拉伸得到的连续纤维。因此,玄武岩纤维通常也会被一些文献称为玄武岩连续纤维或连续玄武岩纤维。

 

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基本组成

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玄武岩是由岩浆形成的一种基本矿石,大自然剧烈演变的磨砺保证了玄武岩纤维的热稳定性和化学稳定性。玄武岩矿石的化学成分是相对稳定的,尤其是在同一个火山地域范围之内,玄武岩纤维化学成分稳定性会更高。

玄武岩是火山活动的结果。因此,玄武岩是一种硅酸盐无机物,其密度范围是2.6 g/cm3~2.7 g/cm3,主要由二氧化硅和铝、镁、钙的氧化物组成。此外,玄武岩成分中还含有少量其他的金属氧化物(Fe2O3、FeO、TiO2、K2O 和 Na2O 等)。

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玄武岩纤维化学组分会对其性能产生比较大的影响。SiO2是玄武岩纤维中最主要的成分,含量为45%~60%,二氧化硅晶体的网络结构保证了纤维的化学稳定性和力学强度;Al2O3也是玄武岩纤维中的基本成分,含量为12%~19%,Al2O3具有化学稳定性、耐高温性,为提高玄武岩纤维复合材料的化学稳定性、耐高温性和力学性能提供了可能性;CaO的含量为6%~12%,有利于纤维耐水性、力学强度和纤维硬度的提高,纤维会呈古铜色,这是因为 Fe2O3和 FeO的含量也较大,在 5%~15%,一般都是在10%以上,而铁元素往往成红褐色和黑色,它会对玄武岩纤维的颜色有较大的影响。另外,玄武岩纤维中的其他组分也会有利于纤维的耐水性和耐化学腐蚀的提高。

化学成分的改变对玄武岩纤维的生产制造也有较大的影响。玄武岩纤维的生产目前较多采用熔融拉丝的方法,熔融体粘度和熔融温度是纺丝工艺中比较重要的工艺参数,熔体粘度越高,越有利于生产。根据上述分析,SiO2、TiO2、Al2O3在玄武岩纤维比例的增加都能够使玄武岩的熔体粘度提高。在玄武岩纤维的制作过程中,如果增加更多的Fe2O3,则能够提高玄武岩纤维的使用温度。

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国内外发展现状

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国外玄武岩纤维最早在1953~1954年间,由苏联莫斯科玻璃和塑料研究院研究开发。到2002年,前苏联已经能够每年生产500吨左右连续玄武岩纤维的产品,玄武岩纤维在当时主要用于军工行业。国际上,一些科技发达的国家例如美国、日本和德国等都加强了对玄武岩纤维的研究开发,不仅如此,加拿大、韩国、英国等国也加大国防科研的投入,开展了玄武岩纤维在国防军事领域的应用,并都取得了显著的成果。

国内我国最早开始研究玄武岩纤维是在1990年后,在南京玻璃纤维研究院开展,研究方向是玄武岩纤维隔热材料复合材料[9]。随后全国也开始致力于玄武岩纤维的开发,其中连续玄武岩纤维应用广泛,需求量日渐增大,这促进了我国在玄武岩纤维的研究和发展。我国在2002年11月,将“玄武岩纤维及其复合材料”批准列为863国家计划(2002AA334110)

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