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发表于 2005-2-13 12:09:08
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< >玄武岩纤维及其复合材料是以天然玄武岩矿石为原料，将矿石破碎后加入熔窑中，在1450-1500℃熔融后，通过喷丝板拉伸成连续纤维，并以玄武岩纤维为增强体制成的新型复合材料。玄武岩纤维的特点：1、耐高温（使用温度范围为-269—900℃）、隔音、隔热、抗振动、耐酸碱，使用寿命长；2、对生态无害，阻燃性和防爆性好；3、具有较强的化学惰性，无论在空气中还是在化学介质中都十分稳定；4、玄武岩纤维与玻璃纤维和碳纤维相比投资成本更低廉，且产品附加值高，原材料利用率高（可达90%以上）。5、玄武岩材料可广泛用于国民经济各个领域目前只有俄罗斯、乌克兰等少数几个国家掌握了玄武岩连续纤维的生产技术，其每年生产的数量尚不能满足1％的市场需求。而我国玄武岩矿床储量丰富，具有生产成本较低等竞争优势。因此，玄武岩连续纤维开发应用的市场发展前景诱人。</P><>“玄武岩连续纤维及其复合材料”属于中国和俄罗斯政府间科技合作项目，聚集了一批来自莫斯科、上海和深圳的专家以玄武岩以熔融、拉丝自动化控制技术为创新点，以低成本、大规模生产为产业化特征，用3-5年的时间，在生产总量和技术先进程度等方面则可达到国际领先水平。连续玄武岩纤维（以个简称生武岩纤维）与玻璃纤维和其他无机非金属纤维一样，是做复合材料的一种新型优质增强材料。玄武岩纤维是用单一的玄武岩矿石为原料制造出来的。表1是玄武岩纤维与几种玻璃纤维成分的比较。玄武岩纤维的熔化和拉丝过程与玻璃纤维相比，省立了多种原料配料过程，熔化池窑与玻纤池窑类似，但由于玄武岩含FeO和Fe2O3达10％以上，黑度系数接近0.9，透热性差，又属于块状堆积熔化工艺，所以池炉比较浅，熔池面积比破纤的小。同时玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物析出，池墙受侵蚀较小，在池炉排放的烟尘中基本无有害物质，所以整个生产过程中环保状况更好。 <p></p></P> 玄武岩纤维于1953-1954年在莫斯科玻璃和牵料研究院开发出来。第一台工业化生产炉于1985年在乌克兰纤维实验室（TZI）建成投产，采用200孔漏板、组合炉拉丝工艺。发展情况是：第一代是池窑拉丝工艺。在2002年以前，前苏联每年大约有500吨连续玄武岩纤维产品，主要用于军拉丝炉及机器设备。他们年产260吨的生产工艺和技术在乌克兰已有近20年的生产历史，但从末介绍给中国参观者。玄武岩纤维池炉生产技术有非常关键的不同之处和特殊的熔制工艺。由于玄武岩中含有高达10%以上的FeO和Fe2O3，所以玄武岩矿源选择十分严格，在熔制过程中黑色和熔体和窑炉的氧化还原气氛都必须严格控制。前炉通路短，熔液快速流过，采用铂金管分流器，加热式管状流液洞，同时采用了中心取液法，配合较小的漏板，很短的漏咀和热风式丝根冷却器等一系列专有技术和技术决窃，使拉丝作业稳定。矿石原料与纤维的成品率之比高达1.1:1。除此之外，拉丝机、单丝涂油器、浸润剂技术、污水处理与回收利用，原丝的干燥、加工技术与设备基本上与玻璃纤维相同。现今前苏联诸国家的玄武岩纤维池窑已发展到年产700吨规模，使用400孔。美国玄武岩纤维池窑现已发展到1000-1500吨规模，使用800孔漏板拉丝技术。 <p></p></P>表1 玄武岩纤维与C玻璃纤维、E玻璃纤维、S玻璃纤维成分比较 <p></p></P>化学成分 玄武岩纤维（wt%） 玄武岩纤维（乌克兰）（wt%） C玻璃纤维（wt%） E玻璃纤维（wt%） S玻璃纤维（wt%）
SiO2 51.6 52.43 65.7-67.7 52.0-53.4 65.0
Al2O3 14.6-18.3 18.33 13.5-14.5 25.0
B2O3 5.4-6.4 8.0-9.0
CaO 5.9-9.4 7.68 3.5-4.5 18.5-19.5
MgO 3.0-5.3 4.04 3.6-4.4 3.6-4.4 10.0
Na2O+K2O 3.6-5.2 3.95 13-14 0-1
TiO2 0.8-2.25 1.19 0-0.5
Fe2O3+FeO 9.0-14.0 10.53 0-0.6 痕量
F2 0-0.5
其他 0.09-0.13 <p></p></P> <p></p></P>玄武岩纤维产品的性能与应用状况
1、玄武岩纤维的化学性能
众所周知，地壳山为成岩，沉积岩和变质岩组成。玄武岩属于火成岩中的一种。火成岩是地下岩浆喷出地表冷凝后形成的岩石。火成岩中含SiO2大于65%的为酸性岩，如花岗石；含SiO2小于52%的称为基性岩，如玄武岩。在两者之间的为中性岩，如安山岩。玄武岩成分中SiO2含量在44-52%之间者居多，Al2O3含量在12-18%之间，FeO和Fe2O3含量在9-14%之间。从表1中看出玄武岩属于难熔矿物原料，熔化温度在1500°C之上。含铁量高，使纤维呈古铜色，其中含有的K2O、MgO和TiO2等成份，对提高纤维防水，耐腐蚀性能起了重要的作用。玄武岩是火成岩中的细粒岩，密度大。从表2看出火山衍生物结构的玄武岩比沉积岩中的页岩、砂岩和变质岩中的石英的杨氏模量都要高，这使玄武岩纤维具有耐温、抗拉强度好、弹性模量高等性能。2、玄武岩纤维的物理性能
玄武岩纤维及其制品具有优良的物理性能（表6），由表可见，玄武岩纤维的拉伸强度与无碱玻纤相当，在弹性模量上高于无碱玻纤1.5倍，和S玻纤相当。在使用温度上高于无碱玻纤、S玻纤和碳纤维。玄武岩纤维属于一级水解，在耐酸与抗蒸汽稳定方面优于矿物纤维与玻璃纤维。 <p></p></P>3、玄武岩纤维的主要产品
乌克兰：BC9-0-50-A76（注：9μm 50tex 176耦联剂）
BC9-0-150-A76（注：9μm 150tex 176耦联剂）
BC9-0-3000-A79（ 注：9μm 300tex 176耦联剂）
BC9-0-2640-A79（ 注：9μm 2640tex 176耦联剂）
俄罗斯：RU-2640tex 抚捻粗纱 直径12-15μm
布： RU-180g/m2 宽1000±2mm 厚0.19±0.025mm
带：RU-7g/m2 宽20±1mm 厚0.35±0.02mm
美国：BCF-2400无捻粗纱
BCF短切纤维：直径：12-17μm
长度：1\";1/2\";3/4\";7/8\";3mm;2mm <p></p></P>4、玄武岩纤维产品用于高压缠绕管道
表7 是俄罗斯用玄武纤维缠绕压力管的各项指标。据俄罗斯介绍，玄武岩纤维用在压力管上可以使产品的物理及机械性能达到最佳化，而且这种管材可制成凸缘状、螺纹状或元锥状，使管子的连接既可*，又可拆卸。
表6 玄武岩连续纤维与其他纤维物理性能的比较 <p></p></P>
性能 E-玻纤 Advantex S-玻纤 玄武岩纤维（乌克兰） 玄武岩纤维（加拿大） Kevlar49 碳纤维HS
密度（g/cm3） 2.55-2.62 2.62 2.46-2.49 2.65-3.05 2.8 1.44 1.78
拉伸强度（MPa） 3100-3800 3100-3800 4590-4830 3000-3500 4840 2758-3034 2500-3500
弹性模量（Gpa） 76-78 80-81 88-91 79.3-93.1 89 124-131 230-240
断裂伸长率（%） 4.7 4.6 5.6 3.2 3.1 2.3
线膨胀率（20-300ºC/ºC×10-6） 5.4 6 2.9 6.5 8.0
软化点（η=107.6dPaS)/ºC 850 916 1056 960
成纤温度（ºC） 1200 1340
最高使用温度（ºC） 350 300 650 650 250 500 <p></p></P>表7 玄武岩纤维压力管最大设计压力参数（俄罗斯） <p></p></P>
管子直径（mm） 管壁厚度（mm） 质量Kg/延长米 最大压力（MPa）
25 4 1,475 56,5
50 4 2,95 28,2
75 4 4,325 18,8
100 4 5,9 14,1
150 4 8,85 9,5
200 4 11,8 7,0
250 4 14,75 5,6
300 4 26,7 12,6
400 6 35,7 9,5
500 6 84,2 7,6
600 6 53,5 6,3
700 8 83,0 9,1
800 8 94,5 8,0
900 8 106,0 7,0
1000 10 147,5 9,0
1200 10 177,0 7,5
1400 12 248,0 8,4
1600 12 289,0 7,3
1800 14 371,0 8,0
2000 14 413,0 7,2 <p></p></P> |
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