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連續玄武巖纖維(CBF)的發展及應用前景(一)

添加日期:2010-8-19 14:59:44 訪問次數:10312次
  連續玄武巖纖維(CBF)是以天然的火山噴出巖作為原料,將其破碎后加入熔窯中,在1450℃~1500℃熔融后,通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續纖維。以CBF為增強體可制成各種性能優異的復合材料,可廣泛應用于消防、環保、航空航天、軍工、車船制造、工程塑料、建筑等軍工和民用領域,故CBF被譽為21世紀的新材料[1]。隨著國外工藝技術的不斷改進以及新市場的不斷開拓,玄武巖纖維有望成為第四大高強高模纖維。

    1國內外發展研究狀況

    1.1國外發展研究狀況

    以玄武巖為主要原料生產的巖棉自從1840年首先在英國威爾斯試制成功到現在已有160多年的歷史[2]。1922年在美國專利(OS1438428)出現由法國人Paul提出玄武巖纖維制造技術,但沒有實質性生產。

    20世紀50年代初期,德國、捷克和波蘭等東歐國家以玄武巖為原料,采用離心法生產出了纖維平均直徑為25μm~30μm的玄武巖棉。隨后60年代初期,美國、前蘇聯、德國等大力發展垂直立吹法生產工藝,使玄武巖棉產量迅速增長前蘇聯引進了德國立吹法制造礦物棉的生產專利,在消化、吸收的基礎上,成功地將該項技術應用于玄武巖棉的生產,設計生產能力為日產38噸~40噸玄武巖棉。玄武巖纖維的研究工作主要集中在前蘇聯。玄武巖纖維于1953~1954年由蘇聯莫斯科玻璃和塑料研究院開發出[3]。蘇聯早在20世紀60~70年代就致力于連續玄武巖纖維的研究工作,烏克蘭建筑材料工業部設立了專門的別列切絕熱隔音材料科研生產聯合體,主要任務是研制CBF及其制品制備工藝的生產線。聯合體的科研實驗室于1972年開始研制制備CBF,曾經研制出20多種CBF制品的生產工藝[4]。1973年,前蘇聯新聞機構報道了有關玄武巖纖維材料在其國內廣泛應用的情況。1985年在前蘇聯的烏克蘭率先實現工業化生產,產品全部用于前蘇聯國防軍工和航天﹑航空領域。

    1991年前蘇聯解體后,此項目開始公開,并用于民用項目。目前連續玄武巖主要研發及生產基地在俄羅斯及烏克蘭兩個國家。蘇聯的解體,客觀上影響了CBF的推廣應用,但是,由于玄武巖纖維具有有別于碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維的一系列優異性能,而且性價比好,引起了美國、歐盟等國防軍工領域的高度重視。

    1.2國內發展研究現狀

    我國自20世紀70年代起,就斷斷續續地開展對CBF的研究,但未獲得成功。2001年我國哈爾濱工業大學組建了專門的研究隊伍致力于玄武巖纖維制備技術的研發。2004年哈爾濱工業大學深圳研究院與成都航天萬欣科技有限公司組建了成都航天拓鑫科技有限公司,進一步研究改進玄武巖連續纖維制造設備功能,開發出玄武巖纖維終端產品。

    2002年,我國正式將連續玄武巖纖維列入國家863計劃,承擔該課題項目的深圳俄金碳材料科技有限公司(由深圳黃金屋真空科技有限公司與俄羅斯一家軍工材料研究院合資組建的)和大型民營企業橫店集團等3家股東注資2000萬人民幣,于2003年12月成立了橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司。經近兩年來的技術開發,橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司采用創新的生產技術和“一步法”工藝,取得了以純天然玄武巖(不添加任何輔料)為原料生產連續玄武巖纖維的研發成果,并成功實現了工業化生產。該公司不僅掌握了電熔爐、火焰爐、氣電結合的生產技術,而且生產的多軸向織物樹脂基復合材料及玄武巖纖維片材等復合材料等產品得到軍工和民用領域有關用戶的認可。

    目前,發展中的橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司是繼俄羅斯等獨聯體與美國之后的全世界具有一定規模、排名第六位的生產工廠。玄武巖連續纖維的發展規劃有專家學者預測:2010年全國生產玄武巖連續纖維1萬t,2020年為7萬t~10萬t。

    2玄武巖纖維(CBF)的性能

    2.1新型環保性材料

    CBF具有非人工合成的純天然性,加之生產過程無害,且產品壽命長,是一種低成本﹑高性能﹑潔凈程度理想的新型綠色主動環保材料。由于玄武巖熔化過程中沒有硼和其他堿金屬氧化物排出,使CBF制造過程的池爐排放煙塵中無有害物質析出,不向大氣排放有害氣體,無工業垃圾及有毒物質污染環境。玄武巖纖維在很大程度上可代替玻璃纖維,被廣泛用于航天航空、石油化工、汽車、建筑等多領域,因而,CBF被譽為21世紀“火山巖變絲”、“點石成金”的新型環保纖維。

    2.2功能性優良的材料

    CBF是繼碳纖維﹑芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維的第四大高技術纖維支柱,在許多條件下可替代碳纖維﹑芳綸纖維,在某些場合甚至比上述兩種纖維性能還好。玄武巖纖維及其制品的異常優越性能具體表現在以下幾個方面:

    (1)顯著的耐高溫性能和熱震穩定性。CBF的使用溫度范圍為-260℃~880℃,這一溫度遠遠高于芳綸纖維、無堿E玻纖、石棉、巖棉、不銹鋼,接近硅纖維、硅酸鋁纖維和陶瓷纖維;熱震穩定性好,在500℃溫度下保持不變,在900℃時原始重量僅損失3%[5]。

    (2)較低的熱傳導系數。CBF的熱傳導系數為0.031W/m·K~0.038W/m·K,低于芳綸纖維、硅酸鋁纖維、無堿玻纖、巖棉、硅纖維、碳纖維和不銹鋼。

    (3)高的彈性模量和抗拉強度。CBF的彈性模量為:9100kg/mm2~11000kg/mm2,高于無堿玻纖、石棉、芳綸纖維、聚丙稀纖維和硅纖維。CBF的抗拉強度為3800~4800MPa,比大絲束碳纖維、芳綸、PBI纖維、鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都要高,與S玻璃纖維相當。

    (4)化學穩定性好。CBF的耐酸性和耐堿性均比鋁硼硅酸鹽纖維好[6~7]。其耐久性﹑耐候性﹑耐紫外線照射﹑耐水性﹑抗氧化等性能均可與天然玄武巖石頭相比美。

    (5)吸音系數較高。CBF的吸音系數為0.9~0.99,高于無堿玻纖和硅纖維;優良的透波性和一定的吸波性,吸音和隔音性能優異,具有良好的隱身性能,可制做隱身材料。

    (6)良好的電絕緣性和介電性能。CBF的比體積電阻較高為1×1012Ω·m,大大高于無堿玻纖和硅纖維;體積電阻率比電絕緣E玻璃纖維高一個數量級,介電損失角正切高50%。

    (7)較低的吸濕性。CBF的吸濕性低于0.1%,低于芳綸纖維、巖棉和石棉。

    (8)天然的硅酸鹽相溶性。與水泥﹑混凝土的分散性好,結合力強,熱脹冷縮系數一致,耐候性好。

    表1給出了CBF與各種纖維材料的物理性能對比。

性能 CBF E玻纖 碳纖維 芳綸纖維 巖棉
密度/(g/cm3) 2.6~2.8 2.5~2.6 1.7~2.2 1.49 2.5
使用溫度    /oC -260~880 -60~350 ****2000 最高250 最高600oC
熱傳導系數/(w/m·k) 0.031~0.038 0.034~0.040 5~185 0.04~0.13 0.034~0.048
比體積電阻、Ω·m 1×1012 1×1011 2×105 3×1013  
吸音系數% 0.9~0.99 0.8~0.93      
彈性模量、/GPa 79.3~93.1 72.5~75.5 230~600 70~140  
抗拉強度、/MPa 3000~4840 3100~3800 3500~6000 2900~3400  

    3玄武巖纖維(CBF)的應用

    3.1防火隔熱領域的應用

    CBF用于防火服正處于起步階段,由于其本身的特殊性能,用于防火服領域有較大的優勢。CBF是無機纖維,具有不燃性、耐溫性(-269℃~650℃)、無有毒氣體排出、絕熱性好、無熔融或滴落、強度高、無熱收縮現象等優點。缺點是比重較芳綸纖維大,穿著的舒適感不如芳綸纖維防火服。如果CBF與其它纖維混紡可制成阻燃面料,用于部隊的相關裝備顯然是有明顯優勢的。

    CBF織成的防火布耐高溫、隔熱效果好、無熔融滴落、無有毒氣體排出、無熱收縮,是防火服、防火毯、防火簾的優良材料,耐溫可高達650℃,極限氧指數大于68,大大優于芳綸等到有機纖維。CBF的高溫使用性能雖然低于氧化鋁纖維、碳化硅纖維,但是高于所有的有機纖維,而且其超低溫使用性能是****的。再從性價比看,CBF價格是所有高性能纖維中****的。國外一直將杜邦的Kavlar、Nomex、Teflon作為防火面料的****,雖然具有抗高溫、抗化學反應的性能,但是在370℃以上的高溫下被碳化和分解。CBF用于防火服正處于起步階段,由于其起本身的特殊性能,用于防火服領域有較大的優勢。玄武巖纖維是無機纖維,具有不燃性、耐溫性(-269℃~700℃)、無有毒氣體排出、絕熱性好、無熔融或滴落、強度高、無熱收縮現象等優點。缺點是重量較芳綸纖維大,穿著的舒適感不如芳綸纖維防火服。

    3.2在過濾環保領域的應用

    CBF是一種新型的綠色環保材料,可用于環保領域有害介質、氣體的過濾、吸附和凈化,特別是在高溫過濾領域,CBF的長期使用溫度是650℃,遠優于傳統過濾材料,是過濾基布、過濾材料、耐高溫氈的首選材料。

    目前過濾材料主要有天然纖維、各種合成纖維、各種無機纖維和金屬纖維。由于對耐高溫提出了更高的要求,又引進了Nomex、Procon、Torcon、Basfil、P84等。但是,目前所有的過濾材料都不能解決過濾高溫介質的問題,而CBF可以在-269~650℃的范圍內長期使用,它的耐高溫性能是其它材料所無法比擬的。加拿大亞伯力(Albarrie)公司是一家有30多年歷史的環保工業用集塵濾料的專業公司。他們將CBF用作過濾針刺氈的支基布已經有10多年的歷史了。

    3.3CBF增強樹脂基復合材料的應用

    CBF具有良好的技術特性:低容重,低導熱率,低吸濕率和對腐蝕介質的化學穩定性,能夠降低結構重量,形成新型結構材料。利用這些特性,在軍品和民品領域有廣泛的應用。玄武巖纖維增強樹脂基復合材料是制造坦克裝甲車輛的車身材料,可減輕其重量;用于制造火炮材料,尤其是用于炮管熱護套材料可以大大提高火炮的命中率和射擊精度。在槍彈、引信、彈匣、大口徑機槍槍架、坦克裝甲車輛的薄板裝甲、汽車發動機罩、減振裝置等等方面有大量的應用。在船舶工業中可大量用于船殼體、機倉絕熱隔音和上層建筑;用CBF蜂窩板可制成火車車廂板,既減輕了車廂的重量,又是一種良好的阻燃材料。

    CBF具有良好的增強效應.單纖維拔絲試驗表明,CBF與環氧聚合物的粘合能力高于E玻璃纖維,而且在采用硅烷偶聯劑處理后其粘合能力還會進一步提高,因此,玄武巖纖維可以代替即將禁用的石棉來作為耐高溫結構復合材料、橡膠技術制品等增強材料,也可用于制作制動器、離合器等磨擦片的增強材料。表2為各種纖維增強環氧樹脂復合材料的機械性能比較。

    表2各種纖維增強環氧樹脂復合材料的機械性能比較[2]

復合材料 密度/    (kg/m3 抗拉強度/MPa 拉伸模量/GPa 彎曲強度/MPa 彎曲模量/GPa
E-玻纖單向增強 1940 1380 51.7    
S-玻纖單向增強 1940 2070 51.7 1520  
CBF單向增強 1800~1950 1100~1400 88~100 700~800  
E-玻纖層合板 1800~1900 320~520 23~26 519~650 26.1
S-玻纖層合板 1900 600   830 28.8
CBF層合板 1800 430 39 560 43


    另外,CBF還是碳纖維的低價替代品,具有一系列優異性能。尤為重要的是,由于它取自天然礦石而無任何添加劑,是目前為止****的無環境污染的、不致癌的綠色健康玻璃質纖維產品。所以玄武巖纖維在復合材料的增強材料領域的應用,已引起廣泛的重視并將快速發展。

 

 

 


 

 
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