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玄武岩纤维

玄武岩纤维

玄武岩纤维（Basalt Fibre）玄武岩纤维是以天然玄武岩石料为原材料，在 1450～1500℃下熔融后通过铂合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。

1840年，英国科学家威尔斯首次尝试从玄武岩中提取纤维，但直到1923年，法国发明家保罗·德才申请了一项专利，该技术可以将纤维从玄武岩矿石中通过设备生产出来。到20世纪60年代，全苏玻璃钢与玻璃纤维科研院乌克兰分院根据苏联国防部的指令，着手研制连续玄武岩纤维，并于1985年实现了连续玄武岩纤维工业化生产。1991年苏联解体后，玄武岩纤维的制备技术得以在乌克兰和俄罗斯延续，并用于民用设备和设施。2001年，中国将玄武岩纤维的研发作为中俄政府间的合作项目，在2002年被列入“863”计划并于2003年成立横店影视上海俄金玄武岩纤维有限公司。2010年，中原地区玄武岩纤维的应用主要在建筑、道路、玻璃钢领域。2014年通过了ISO/TS16949体系认证，使其在汽车领域的应用迅速发展。2017年，中国玄武岩纤维的产量达到10000t。俄罗斯、乌克兰、中国、格鲁吉亚、德国、比利时、奥地利等国家都有连续玄武岩纤维的生产厂家，但产能主要集中在俄罗斯、乌克兰和中国。

玄武岩纤维是继碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯后的第四大高技术纤维，是中国重点发展的四大纤维之一。玄武岩纤维通过压碎玄武岩岩石一步法成型，是优良的绝缘体，具有生物惰性和环境友好性，它的平均密度为2.6~2.7g/em’。玄武岩纤维一般分为普通玄武岩棉、超细玄武纤维和连续玄武岩纤维，连续玄武纤维是以天然玄武岩矿石为原料，将其破碎后在熔窖中以1450~1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝板制成的连续纤维。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，具有热传导系数低、抗拉强度高、力学性能好、耐高低温、防紫外线、耐酸耐碱耐盐、抗老化等优点，以其为原材料制备的各种产品被广泛应用于国防军工、航空航天、消防、环保、车船制造、电力电子、体育、医疗以及土木工程等领域。

历史与发展

世界各国发展

1840年，英国科学家威尔斯（Wills）首次尝试从玄武岩中提取纤维。然而，直到1923年，法国发明家保罗·德（Paul Dhe）申请了一项专利，该技术可以将纤维从玄武岩矿石中通过设备生产出来。 1954年苏联莫斯科玻璃和塑料研究院研究开发出玄武岩连续纤维。1960年苏联开始玄武岩纤维的研制，并将其用于军事和航天领域。20世纪70年代在美国尽管玄武岩纤维的研究受到玻璃纤维的冲击，但研究一直没有中断，在1979年华盛顿州立大学的奥斯汀（Austin）和苏布兰马尼安（Subramanian）获准美国专利，他们的研究主要集中在天然玄武岩中引入铁氧化物提高纤维拉伸强度，并解释了玄武岩化学组成和纤维可纺性之间的关系，证明硅偶联剂和氧化错凝胶分别可以改善纤维强度和耐碱性。1985年苏联科学家和工程技术人员实现了玄武岩纤维的工业化生产，他们的相关研究工作系统介绍了工艺参数对于玄武岩纤维性能的影响。1991年苏联解体后，玄武岩纤维的制备技术得以在乌克兰和俄罗斯延续，并用于民用设备和设施，具有代表性的企业是乌克兰的别尔江斯克工厂（Berdyansk）和俄罗斯的苏多格达工厂（Su dog-da）。2005年全世界CBF的生产总量不超过3500吨，有一定规模的生产企业不超过6家。全世界生产CBF的技术尚处于初级发展阶段，受纯天然玄武岩矿石溶体易析晶、导热性差等特殊生产工艺难度的影响，全世界CBF的稳定生产技术一般均停留在200孔拔丝漏板的初级水平上，苏联使用了400孔拉丝漏板，美国使用了800孔拉丝漏板。

中国发展

中国自20世纪70年代开始，国家建筑材料科学研究院、南京玻璃纤维研究设计院等单位，对连续玄武岩纤维的生产技术进行了研究，但未实现工业化生产。2001年，中国将玄武岩纤维的研发作为中俄政府间的合作项目，在2002年被列入“863”计划并于2003年成立横店影视上海俄金玄武岩纤维有限公司。黑龙江省宁安市镜泊湖耐碱玄武岩纤维有限公司是中国第一家专业化生产玄武岩纤维及其制品的企业，创建于2001年，汇集了一批玄武岩纤维研发、生产及应用一体化的精英，逐步形成厂专业研究、开发、生产、管理的现代化企业特色。2002年中国将“连续玄武岩纤维及其复合材料”列入国家国家高技术研究发展计划，承担该课题的横店影视上海俄金玄武岩纤维有限公司经过近两年的开发，采用特殊的生产技术和“一步法”工艺，取得了以纯天然玄武岩(即不添加任何辅料)为原料生产连续纤维的研发成果，实现了工业化生产。拥有自主知识产权的863计划成果为CBF项目的产业化奠定了坚实的基础。北京航空航天大学、东北大学、黑龙江大学、北京建筑工程学院、西南科技大学等也在进行CBF的生产研究和性能研究，这些生产玻璃钢的企业(如洛玻集团)也在进行CBF的生产工艺研究。

2017年，中国玄武岩纤维的产量达到10000t。俄罗斯、乌克兰、中国、格鲁吉亚、德国、比利时、奥地利等国家都有连续玄武岩纤维的生产厂家，但产能主要集中在俄罗斯、乌克兰和中国。2010年，中国玄武岩纤维的应用主要在建筑、道路、玻璃钢领域；2014年通过了ISO/TS16949体系认证，使其在汽车领域的应用迅速发展；2017年被列入“十三五”规划，中国玄武岩纤维的研发正在迅猛发展，各个研究机构的相关科研成果不断推出，中国成为少数几个掌握玄武岩纤维生产技术的国家之一。

结构组成

组成

玄武岩纤维的成分几乎囊括了地壳中的所有元素，Si、Mg、Fe、Ca、Al、Na、K等元素成分约占99%以上。在PHLIPS XL30 EDS电子探针能谱仪，测度玄武岩纤维的元素含量，发现其主要成分有：Si=26.36%、Ca= 18.93%、AI=7.89%、Mg=6.90%、O= 31.81%、K=1.18%、Na=1.63%、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40%—60%，被称为网络形成物，保持了纤维的化学稳定性和机械强度；Al2 03的含量也较高，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，为提高复合材料的力学性能打下良好的基础；Ca0的含量为6%～12%，对提高纤维耐水的腐蚀、硬度和机械强度都是有利的；Fe2O3和FeO的含量为5%-15%，含铁量高，使纤维呈古铜色。玄武岩纤维中还含有Na2O，K2O，MgO和TiO2等成分，对提高纤维的防水性和耐腐蚀性有重要作用。

结构

玄武岩纤维是一种由熔融玄武岩经过牵伸和冷却形成的材料。在光学显微镜下观察，玄武岩纤维的宏观结构表现为光滑的圆柱状，类似于一根极细的管子。其截面呈完整的圆形，这一特征是由于在纤维成型的过程中，熔融玄武岩在表面张力的作用下收缩，以达到表面积最小化，从而形成圆形截面。

产品特点

高温性能

玄武岩纤维适用的温度很广泛，可以在-200摄氏度—600摄氏度大范围温度内使用，这一持续使用温度远高于无碱玻璃纤维、E-玻璃纤维及芳纶等，同时，玄武岩纤维在900龙下具有较低的质量损失率，并且耐高温性能较稳定。

力学性能

玄武岩纤维因其硅土四面体形成的网状骨架结构使其具有优异的力学性能，抗拉强度可达3500~4800MPa，高于钢纤维、芳纶；玄武岩纤维的弹性模量可达90GPa，高于E-玻璃钢、石棉和硅纤维等。

化学稳定性

玄武岩纤维在恶劣环境中表现出良好的化学稳定性，尤其是在碱环境下，玄武岩纤维质量损失比玻璃纤维质量损失小，而且后期玄武岩纤维侵蚀也较玻璃纤维缓慢。这种优异的耐腐蚀性和化学稳定性使得玄武岩纤维在桥梁、道路、隧道、海洋环境、建筑结构等领域被广泛运用。

电绝缘性能和吸音性能

玄武岩纤维的体积电阻率远高于E-玻璃纤维，具有良好的电绝缘性能，因此，可广泛应用于电路板制造行业；玄武岩纤维的吸音系数为0.9~0.98，可用作吸音和隔音材料。

绿色无毒环保

玄武岩纤维是通过高温熔融玄武岩矿石并拉丝而成，具有类似于天然矿石的硅酸盐组分，废弃后可在环境中生物降解，对环境无害，不污染环境。

质量轻

连续玄武岩纤维的密度一般为2.6~2.8g/em’，略高于玻璃纤维，高于碳纤维和有机纤维，是钢材的1/4。

蠕变性能优良

连续玄武岩纤维的蠕变断裂应力为55%(f为静力拉伸强度)接近碳纤维(71%)，超过芳纶纤维(50%)，远高于玻纤维(29%)。

透波性和吸波性优良

用连续玄武岩纤维增强没药树制成复合板，在8~18GHz下进行了测试，发现该材料具有一定的吸波性能。

常见分类

通用型玄武岩纤维

通用型玄武岩纤维（general basalt fiber）是具有一定的拉伸强度、拉伸弹性模量、耐碱盐侵蚀性和耐高温性的玄武岩纤维。

高强度玄武岩纤维

高强度玄武岩纤维（high strength basalt fiber）是拉伸强度比通用型高20%以上的玄武岩纤维，简称高强型。

高模量玄武岩纤维

高模量玄武岩纤维（high modulus basalt fiber）是拉伸弹性模量比通用型高12%以上的玄武岩纤维，简称高模型。

耐碱盐侵蚀玄武岩纤维

耐碱盐侵蚀玄武岩纤维（resistance to alkali salt of chemical erosion basalt fiber）是经规定的碱、盐混合溶液处理后，纱线的拉伸断裂强度比通用型高75%以上，具有显著的耐碱和耐盐侵蚀能力的玄武岩纤维，简称耐碱盐型。

耐高温玄武岩纤维

耐高温玄武岩纤维（high temperature resistant basalt fiber）是经规定的高温条件处理后，纱线的拉伸断裂强度比通用型高一倍以上，具有显著的耐高温能力的玄武岩纤维，简称耐温型。

连续玄武岩纤维

连续玄武岩纤维是以天然的玄武岩、玄武安山岩、安山岩、辉绿岩等火山石作为原料，经1 500 ℃以上的高温熔融、均化、澄清后，通过精细拉丝成型的连续纤维，属于无机化合物非金属材料。因生产过程中，几乎没有“三废”产生，其又被称为新型绿色材料。

工艺与制备

设备

生产玄武岩连续纤维的设备有破碎机（磁选机）、混料机、称料器、加料机、预热池、熔窑、澄清池、单丝涂油装置、自动卷绕拉丝机、原丝烘干窑、无捻粗纱机、纺纱机、温度控制装置、水控制系统等。

工艺

其制备工艺分为四个阶段：选料阶段、磨料阶段、熔融阶段及拉丝阶段。

首先要选用合适的玄武岩石矿原料，经破碎、清洗后的玄武岩原料储存在料仓中待用。然后，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°C左右的高温初级熔化带下熔化。经天然气喷嘴燃烧加热，熔化后的玄武岩熔体流入拉丝前炉，玄武岩熔体经铂铑合金漏板拉制成纤维，拉制成的玄武岩纤维在施加合适浸润剂后经集束器及纤维张紧器，最后至自动卷丝机收卷。

制备

玄武岩纤维的制备方法玄武岩纤维的制备方法主要有两种：池窑拉丝法和旋喷法（也称Junkers法）池窑拉丝法用于生产连续纤维，旋喷法用于生产短纤维。

池窑拉丝法

连续玄武岩纤维的制备过程与玻璃纤维池窑拔丝法制备过程相近，主要差别在于原料，玄武岩纤维生产原料是玄武岩，玄武岩在入窑前需要进行破碎和水洗，之后进行玻璃熔融和澄清，通过温度精细控制，调整熔融玻璃的黏度，经过钮钵漏丝板成纤，经过空冷、表面上胶，由卷丝机卷制成玄武岩纤维。可以通过调整熔融温度和卷丝速度来控制纤维细度。一般SiO2含量控制在45%-50%之间。

旋喷法

旋喷法生产设备主要由三个水平轴旋转圆筒和上面配置若干喷嘴的圆盘组成，圆盘垂直于圆筒的轴线。制备短纤维时，玄武岩熔体首先被倾倒在被称为加速筒的旋转的上面圆筒上，进而，由于离心力作用，到达被称为成纤筒的下面两个旋转同上，成为融滴状，融滴状液滴在高速压缩空气作用下形成细而长的纤维状，从而形成玄武岩短纤维。通常情况下，形成的短纤维在一端或两头形成圆球状，该形状会对其应用产生影响。

应用

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，选用合适线密度和密度的玄武岩纤维可使玄武岩纤维导热系数很低，此种玄武岩纤维可作为热绝缘复合材料。同时由于玄武岩纤维的使用温度范围和抗震性能优良，可用于高温作业的防护服和低温保温服。由玄武岩纤维织成具有多孔结构和无规则排列的板状或网状结构时，吸声性能好，且随着纤维层厚度的增加和密度的减少而增强，因此，可制成声绝缘复合材料应用于航空、船舶、机械制造、建筑行业中作为隔音材料。用玄武岩纤维还可制造一系列兼备声、热隔绝性能的复合结构材料，用于防火墙、防火门、电缆通孔等特殊工业或高层建筑防火设施中。

高温过滤材料

玄武岩纤维是一种新型的绿色环保材料，可用于有害介质、气体的过滤、吸附和净化，特别是在高温过滤领域，玄武岩纤维的长期使用温度是650T，玄武岩纤维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，还可用于抗生素生产过程中的空气净化和消毒。

混凝土增强、建筑修复、加固材料

玄武岩纤维强度高、分散性好，是混凝土、砂浆的良好增强材料，可提高制品的抗拉强度和建筑工程的防渗抗裂性。玄武岩纤维较高的强度、弹性模量、耐高温和优良的耐化学腐蚀性能，使其在水泥基复合材料中有广阔的应用前景；上述特性还使其可广泛用于梁、柱、板、墙等结构的补强，以及桥梁、隧道、水坝等其他土木工程的加固，特别是抗震加固方面。

道桥土工材料

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一纤维布，起到抗疲劳开裂、耐高温车辙、抗低温缩裂以及加强软土层等作用。

功能服装领域

玄武岩纤维在功能服装领域的应用：玄武岩纤维布具有高强度、永久阻燃性、短期耐温在1000℃以上，可长期在760℃温度环境下使用，是顶替石棉、玻璃纤维布的理想材料。按玄武纤维布的断裂强度高、耐温高、具有永久阻燃性。是Nomex(芳纶1313)、凯夫拉(聚对苯二甲酰对苯二胺)、Zylon(PBO纤维)、碳纤维等高性能纤维和先进纤维的低价替代品。将玄武纤维布经化学印染整理可以染色和印花。经功能性整理，例如有机氟整理可做成防油控水永久阻燃布。玄武纤维布可制造的服装有：消防员灭火防护服，隔热服，避火服，炉前工防护服，电焊工作服，军用装甲车辆乘员阻燃服。

军工领域

由于玄武岩纤维隔热、耐温、防火，玄武岩纤维制备的复合材料可广泛应用于耐温防热材料，应用于导弹、火箭、火炮的防热部件。

汽车领域

由于玄武岩纤维力学性能优异，因此可应用于制备汽车轻量化复合材料。与铝合金产品相比，玄武岩纤维复合材料新能源汽车电池壳体，可实现减重30%~50%，且耐腐蚀、隔热防火。玄武岩纤维复合材料汽车板簧产品在达到相同使用性能的同时，可较传统金属板簧减重50%-70%，疲劳寿命是金属板簧的5倍。

航空航天

将玄武岩纤维和有机高分子化合物基体采用特定的工艺成型后制得的纤维增强复合材料则具有高强度比，可以用来制造坦克、舰船、飞机的外壳。

体育用品

玄武岩纤维还可以用于制备体育休闲用品，如：滑雪板、自行车、羽毛球拍等。

性能参数

发展趋势

发展方向

截至2020年，全世界生产的玄武岩纤维甚至不能满足需求的百分之一。同时，中国玄武岩资源十分丰富，甘肃、黑龙江、新疆、山西、四川等地均有大量的玄武岩矿产资源分布。如果这些大部分被用来铺路的石头得到充分利用，变成纤维材料，将会对新材料产业有很大促进作用。玄武岩纤维因其优异的热学、力学、电磁学等特性，再加之较其他高性能纤维成本低，玄武岩纤维未来的应用领域十分广阔。无论是军工、民工还是基建，无论是作为滤袋、军事设备的结构材料还是过滤材料、隔音隔热材料，玄武岩纤维及其复合材料都有用武之地。目前在产业用纺织品上，玄武岩纤维开始展露，但在日常服饰中，玄武岩纤维使用很少，未来可以利用其电磁学、耐热性等性能，朝着智能纺织品方向应用。

面临挑战

玄武岩纤维技术出现仅30年，世界各国对该技术的应用都处于初级阶段。中国国玄武岩纤维在建筑领域的应用尚处于初级阶段，市场需求进一步发展尚面临诸多应用技术难题:

1.进一步降低生产成本，稳定产品性能完善行业标准体系。

2.玄武岩纤维是脆性材料。

3.纤维密度较大，耐磨性差，织造性能不理想。

4.在相同水灰比条件下，水泥胶砂流动性随玄武岩纤维掺加量的增加而降低，对混凝土工作性能产生不良影响。

5.中国成膜剂研发水平尚处于全球中低端水平，不能满足高性能玄武岩纤维的生产要求。

参考资料

“点石成金”的硬核材料——玄武岩纤维.武汉市科学技术局.2024-01-23

玄武岩纤维.武汉纺织大学纺织科学与工程学院.2024-01-23

中国玄武岩纤维市场发展现状及未来五年发展机会分析报告.观研报告网.2024-06-02

中国科学院新疆理化技术研究所.新华社.2024-06-02

..2024-06-03

腾冲市玄武岩纤维后制品产业园项目.保山市人民政府.2024-01-23

武汉纺织大学研制的嫦娥六号“石头版”五星红旗在月球成功展示.中国日报网.2024-06-05