玄武岩纤维区别于碳纤维、芳纶等高技术纤维的显著特征


    “连续玄武岩纤维”(Continuous Basalt Fibre简称CBF)是以纯天然火山岩为原料,在1450℃~1500℃熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。纯天然的CBF颜色似金色。以CBF为增强体可制成多种复合材料。CBF与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)等高技术纤维相比,除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外,CBF还具有耐温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能,且性价比好,是一种纯天然的无机非金属材料,也是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维。CBF及其复合材料可以较好地满足国防建设、交通运输、建筑、石油化工、环保、电子、航空、航天等领域结构材料的需求,对国防建设、重大工程和产业结构升级具有重要的推动作用。它既是21世纪符合生态环境要求的绿色新材料,又是一个在高技术纤维行业中可持续发展的有竞争力的新材料产业。尤其是我国已经拥有自主知识产权的CBF制造技术及工艺,并且以“后来者居上”的后发优势达到了国际水平,因此,大力发展CBF及其复合材料产业无疑具有重要的意义。      
    我国发展和改革委员即将把连续玄武岩纤维(CBF)与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)一起列为我国鼓励发展的4大高技术纤维。CBF与其他高技术纤维相比,有着显著的差异特征:  
    原材料的天然性。由于生产CBF的原料取自于天然的火山岩,除了它与生俱来就具有很高的化学稳定性和热稳定性外,还不含对人类健康有害的成分。其生产过程中也没有任何有害气体产生,没有废渣产生,一般1.05吨玄武岩矿石可以生产1吨CBF。目前,我国的玄武岩矿石主要用于建造高速公路用地铺路石。显然,CBF的生产是以单组分的纯天然的矿石为原料,这在所有的高技术纤维中是非常独特的鲜明特征。  
    性能的综合性。若从单一的纤维力学性能和化学性能比较,似乎都能找到比CBF更强的高技术纤维,然而,将很多性能综合起来比较,CBF是佳的“多能”纤维。CBF不仅具有综合素质好的优良品质,譬如既耐酸又耐碱,既耐低温又耐高温,既绝热、电绝缘又隔音,拉伸强度超过大丝束碳纤维,断裂延伸率比小丝束碳纤维还要好;CBF具有表面极性,与树脂复合时界面结合的浸润性极佳,而且CBF具有三维的分子维数与分子维数一维的线性聚合物纤维相比具有较高的抗压缩强度、剪切强度和在耐恶劣环境中使用的适应性、抗老化性等优异的综合性能。有国外专家一言以蔽之:CBF棒的就是综合性能好、性价比好。韩国材料界专家甚至说:CBF产品寿命期为100年至1000年。
    成本的低廉性。生产CBF的工厂成本并不高,纯天然玄武岩矿石的原料每吨仅仅是80元~100元币,较高的生产成本是制造拉丝漏板用的铂铑合金,这需要占用较大的资金。目前,采用我国CBF项目863计划成果技术生产每吨纤维的成本已经接近于E-玻璃纤维。CBF优良的性价比是其他任何一种高技术纤维难以望其项背的。CBF生产成本的低廉性为其大规模的推广使用创造了基本条件。
    工艺的简洁性。采用“一步法”
生产CBF的基本工艺为:将玄武岩矿石投入熔炉→熔化→拉丝,生产工艺非常简洁。由于不需要人工配料,其生产工艺环节比一般玻璃纤维的生产还要简洁得多,更不用说与其他高技术纤维复杂的工艺环节比较了。  
    技术的高难性。CBF生产的工艺虽然非常简洁,但是由于纯天然玄武岩熔体导热性差、析晶上限温度较高容易析晶、成纤黏度控制范围很窄,对天然玄武岩矿石矿物相和成分组成有着严格的筛选条件。因此,生产CBF过程中有着较高的成纤难度、严格的工艺控制条件和很高的技术门槛。这也是全CBF发展20多年了仍然停留在200孔拉丝漏板初级技术水平的主要原因。
    应用的广泛性。CBF是典型的“多能”纤维。综其上述特征不难看出其应用领域的广泛性。譬如,CBF的火山岩原料本身属于硅酸盐类,因此,在建筑领域可以大显身手。短切的CBF可以用于增强水泥混凝土和沥青混凝土,CBF与树脂复合可以制成复合筋替代钢筋,甚至可以替代碳纤维制成玄武岩纤维片材等,在房屋、桥梁、高速公路、城市高架道路、飞机跑道、海港码头、地铁隧道、沿海防护工程、核电站设施、军事设施等建筑领域起到加固补强、防渗抗裂、延长建筑使用寿命的诸多作用。CBF是天然绿色的新材料,将给人类的建筑业和我国优先发展的交通运输领域带来革命性的变革。CBF有着比美国杜邦公司NOMEX更高的极氧指数,它优良的阻燃隔热性能,将被广泛用作消防服阻燃隔热面料层和防火卷帘、灭火毯的消防材料等。
    纤维的差异性。CBF具有与其他高技术纤维不同的特点。玄武岩纤维的软化点为960℃,使用温度范围为-260℃~700℃。碳纤维的抗氧化性较差,在400℃左右就有CO和CO2产生,一般情况下要涂覆抗氧化涂层。超高分子量聚乙烯纤维或芳纶等有机高科技纤维的耐温性大大不如玄武岩纤维,熔点一般在144℃~152℃,只适合于低温条件下使用。对位芳纶纤维的熔点和分解温度较低,对紫外线较为敏感,光照强度损失较大,燃烧时排出少量的有害气体。间位芳纶高使用温度只有250℃,使用温度受到一定的限制。聚苯并双恶唑(PBO)纤维受紫外线照射时会影响到纤维的强度,虽然PBO纤维具有极高的弹性模量和拉伸强度,但是价格极为昂贵。CBF也有它自身的缺点,例如比重较大(2.6~2.8),纤维较脆,服用性较差。然而,CBF的不足与独特的价值相比是微不足道的。美国玄武岩纤维工业联盟指出:“玄武岩纤维是碳纤维的低价替代品,具有一系列优异性能,尤为重要的是,由于它取自天然矿石而无任何添加剂,是目前为止惟一的无环境污染的不致癌的绿色健康的玻璃质纤维产品。美国作为保护环境的倡导者,将全力发展无污染的绿色工业材料,所以玄武岩纤维在复合材料领域的应用已引起广泛的重视并将快速发展。”欧洲业界人士亲昵地把CBF称为“金色纤维”。