連續玄武岩纖維工藝學（簡體書）

本書全面介紹了連續玄武巖纖維生產工藝各流程的基本原理、方法及關鍵技術，以“多元均配混配技術及理論體系”的原料均質化、熔體均質化控制為主線，按玄武巖纖維生產工藝流程分章節詳細介紹了連續玄武巖纖維的礦石原料均配與多元混配、無硅酸鹽生成階段礦石熔制、纖維成形、性能設計及高性能化、表面處理、制品製造等理論、方法、工藝，以及玄武巖纖維產品應用等內容。

本書可供大專院校、科研院所從事玄武巖纖維制備技術研究的科研人員以及連續玄武巖纖維生產企業從事生產實踐的技術人員閱讀。也可作為纖維增強樹脂基復合材料領域研發人員的參考資料。

作者團隊經過多年的研發，凝練了“多元均配混配技術及理論體系”，以“礦石原料均配混配、控制礦物成分和化學成分、混配技術—熔制技術—纖維成形技術”等三個維度進行解讀，其核心理念是將礦石原料進行系統的混合和均配，使不同礦石混配後發揮取長補短效應和雙乘效應，可有效優化及控制玄武巖礦石原料的波動性，並根據不同要求進行相關原料的混配均配生產高端化、特色纖維產品；外延理念是通過原料、熔制、纖維成形等多項技術提高熔體的均質性、提高纖維產質量量的穩定性。多元均配混配理念實現玄武巖纖維穩定化、高端化、特色化的核心理論。

連續玄武巖纖維是高技術纖維之一，是先進的工業及工程用基礎材料，也是典型的軍民兩用新材料。連續玄武巖纖維具有優異的力學性能及物理化學性能，用途廣泛，可為土建交通、汽車船舶、能源環境、石油化工、海洋工程、國防軍工等國民經濟和軍工領域的產品升級換代提供新材料的支撐和保障，是實現戰略新興產業創新驅動發展的重要物質基礎。

連續玄武巖纖維是以天然玄武巖作為原料，高溫（1500℃以上）熔融後，通過鉑銠漏板成形為纖維並由拉絲機高速拉制而成的連續纖維。生產連續玄武巖纖維的礦石原料，是廣義的玄武巖，是包括玄武巖、玄武安山巖、安山巖、輝綠巖等能夠生產連續玄武巖纖維的火山巖的通稱。

由火山巖形成的纖維，初源於火山噴發之後形成的絲縷狀質地柔軟的岩石纖維。19世紀中期英國初次研發生產了巖棉，纖維呈不連續狀，力學性能及理化性能低。連續玄武巖纖維的概念於1922年提出，之後久未引起學界和產業界重視，直到20世紀50～60年代，美國和蘇聯基於軍事工業發展的需要，開始研發連續玄武巖纖維制備工藝。蘇聯在20世紀80年代，開發了年產百噸級的200～400孔漏板火焰坩堝爐生產技術，但由於長期受玄武巖纖維產品性能穩定問題的困擾，未形成規模化生產。蘇聯解體後，玄武巖纖維生產技術經過解密由軍用轉向民用領域，俄羅斯、烏克蘭 、德國、比利時、奧地利、日本等國著力開展穩定量產化技術開發，並逐漸開發成功了年產千噸級池窯生產工藝，形成了Kamenny Vek等多家企業。進入21年世紀後，包括美國、加拿大等在內不少國家也開始加大對連續玄武巖纖維生產和應用的研發力度。

我國連續玄武巖纖維的發展經歷了3個階段：早期是在20世紀70年代至20世紀末，採用單孔或多孔以及100孔漏板坩堝拉絲進行探索性研發，由於當時對玄武巖礦石原料均質化及熔體均質化等認識不足，未形成有效的生產工藝；中期是21世紀初的十多年間，通過“引進—吸收”和“自主創新”兩條路徑實現了小型坩堝爐工業化生產；近期是2015年後，攻克了池窯化生產工藝上的技術難題，開發了各具特色的高性能玄武巖纖維，同時產品在土建、交通領域應用技術上積累了大量的經驗，形成了世界範圍連續玄武巖纖維的生產及應用技術率先在我國形成迅猛發展的局面。

為實現連續玄武巖纖維產品的穩定化、量產化、規模化，鑒於玄武巖礦石原料是天然火山巖的特點，筆者團隊經過多年的研發，凝練了“多元均配混配技術及理論體系”，在“礦石原料均配混配、控制礦物成分和化學成分、混配技術—熔制技術—纖維成形技術”等三個維度實現了天然玄武巖礦石原料均質化。其核心理念是將礦石原料進行系統的混合和均配，使不同礦石混配後發揮取長補短作用並在性能提升方面產生雙乘效應，可有效控制玄武巖礦石原料的波動性，並根據不同要求進行相關原料的混配均配，生產高端化、特色化纖維產品。在此基礎上，通過原料、熔制、纖維成形等多項原理和技術創新，進一步提高熔體的均質度，從而進一步保障玄武巖纖維產質量量和性能。

本書是關於連續玄武巖纖維生產工藝的專業書籍，詳細介紹了連續玄武巖纖維的礦石原料、熔制工藝、纖維成形工藝、性能設計及高性能化工藝、表面處理工藝，以及連續玄武巖纖維的制品製造工藝及產品主要應用等相關內容，以期對推動我國連續玄武巖纖維產業發展發揮積極作用。

本書在編著過程中得到了作者研究團隊汪昕、蔣鳴、崔瀛、王連波、常忠臣、馬鉑程、郭鳳宇、蘇暢等人的大力協助，在此一並表示感謝。

本書編著歷經數載，對章節架構和具體內容幾易其稿，多次推敲，逐步更新補充，力求完善，但仍限於作者團隊現有知識水平，書中尚有不足之處，歡迎讀者批評指正。



編著者

2020年冬

1 連續玄武巖纖維概述 001

1.1　連續玄武巖纖維發展歷程 003

1.2　連續玄武巖纖維生產工藝特點 007

1.3　連續玄武巖纖維性能及應用 012

1.3.1　連續玄武巖纖維的性能 012

1.3.2　連續玄武巖纖維的創新應用 013

1.4　連續玄武巖纖維的發展趨勢 017

參考文獻 019



2 連續玄武巖纖維原料 020

2.1　火成巖 021

2.1.1　火成巖的結構與構造 022

2.1.2　火成巖的成分及分類 023

2.2　連續玄武巖纖維礦石原料中的礦物成分 027

2.2.1　連續玄武巖纖維原料中的火山巖 027

2.2.2　火山巖中常見的礦物成分 029

2.2.3　礦物的物理性質 033

2.2.4　礦物的結構 035

2.2.5　礦物的鑒定方法 038

2.3　連續玄武巖纖維礦石原料的化學成分 044

2.3.1　化學成分 044

2.3.2　化學成分在玄武巖玻璃網絡中的作用 045

2.3.3　化學成分在連續玄武巖纖維中的作用 045

2.3.4　礦石的化學成分檢測方法 048

2.4　連續玄武巖纖維用玄武巖礦石原料的選料方法 050

2.4.1　玄武巖礦石原料的礦物成分與化學成分的相互關係 051

2.4.2　玄武巖礦石原料的初選方法 052

2.4.3　玄武巖礦石原料的精選方法 052

2.5　連續玄武巖纖維礦石原料的多元均配混配技術及理論體系 053

2.5.1　連續玄武巖纖維礦石原料的多元均配混配基本理念 053

2.5.2　連續玄武巖纖維礦石原料的多元均配混配機制和基本原理 054

2.5.3　連續玄武巖纖維礦石原料的多元均配混配技術路線及方法 058

2.5.4　連續玄武巖纖維礦石原料數據庫及其計算軟件的建立 062

參考文獻 063



3 玄武巖礦石熔制工藝及裝備 064

3.1　玄武巖礦石熔制工藝原理 065

3.1.1　玄武巖礦石各組分的反應和變化 065

3.1.2　玄武巖玻璃的結構 068

3.1.3　玄武巖玻璃的熔制機理 072

3.1.4　玄武巖玻璃的熔制過程 073

3.1.5　玄武巖玻璃熔體性能參數及測試方法 074

3.2　玄武巖礦石熔制裝備 079

3.2.1　窯爐窯體結構設計 080

3.2.2　加熱方式 081

3.2.3　坩堝爐 083

3.2.4　池窯 086

3.2.5　異形窯爐 091

3.3　附屬設備 097

3.3.1　投料機 097

3.3.2　液面高度自動化控制儀 098

3.3.3　電極 100

3.3.4　燃燒器 104

3.4　連續玄武巖纖維窯爐用耐火材料 107

3.4.1 連續玄武巖纖維窯爐常用耐火材料 107

3.4.2 玄武巖熔體對耐火材料的侵蝕 108

3.5　玄武巖熔體的質量控制 112

參考文獻 114



4 連續玄武巖纖維成形工藝 116

4.1　連續玄武巖纖維成形原理 118

4.2　連續玄武巖纖維拉絲漏板 119

4.2.1　漏板設計及要求 120

4.2.2　漏嘴設計及要求 122

4.2.3　漏板成形方法 123

4.2.4　連續玄武巖纖維拉絲用抗高溫蠕變漏板 123

4.3　拉絲裝置中附屬部件 128

4.3.1 冷卻器 128

4.3.2 噴霧器 129

4.3.3 塗油器 130

4.3.4 分束器 130

4.3.5 集束器 131

4.4　連續玄武巖纖維拉絲工藝 131

4.4.1 拉絲機 131

4.4.2 拉絲工藝位置線 132

4.5　智能製造 134

4.5.1　“智能製造”的概念 134

4.5.2 玻璃纖維工業生產製造現狀 135

4.5.3 連續玄武巖纖維工廠生產過程自動化設計 135

4.5.4　連續玄武巖纖維企業實施智能化關注事項 136

4.6　連續玄武巖纖維質量評價 137

4.6.1　外觀 137

4.6.2　纖維直徑 137

4.6.3　線密度 138

4.6.4　含水率 138

4.6.5　含油率 138

4.6.6　紗線斷裂強力 139

4.6.7　耐堿性 140

4.6.8　耐溫性 140

4.6.9　浸膠紗強度及彈性模量 140

參考文獻 141



5 連續玄武巖纖維的性能設計 142

5.1　化學成分對連續玄武巖纖維物化性能的影響 143

5.1.1　拉伸強度 143

5.1.2　彈性模量 146

5.1.3　熱學性能 147

5.1.4　化學穩定性 149

5.1.5　密度 150

5.1.6　電學性能 151

5.1.7　隔聲性能 153

5.2　礦物成分對連續玄武巖纖維物化性能的影響 154

5.2.1　礦物成分及性質 154

5.2.2　礦物成分對連續玄武巖纖維的物理化學性能的影響 155

5.3　化學成分對連續玄武巖纖維成形工藝性能的影響 156

5.3.1　黏度 156

5.3.2　析晶性能 160

5.3.3 硬化速率 161

5.3.4　表面張力 161

5.4　礦物成分對連續玄武巖纖維成形工藝性能的影響 162

5.4.1　礦物成分對黏度的影響 162

5.4.2　礦物成分對析晶性能的影響 163

5.5　高性能連續玄武巖纖維的穩定化生產技術 164

5.5.1　礦石原料的質量管理 164

5.5.2　玄武巖玻璃液的均質化 165

5.6　連續玄武巖纖維的高性能化 166

5.6.1　高強度連續玄武巖纖維 166

5.6.2　高模量連續玄武巖纖維 168

5.6.3　耐高溫連續玄武巖纖維 170

5.6.4　耐堿連續玄武巖纖維 171

參考文獻 174



6 連續玄武巖纖維浸潤劑 176

6.1　纖維的表面處理概述 177

6.1.1　浸潤劑概述 178

6.1.2　浸潤劑的黏結機理 179

6.1.3　玻璃纖維浸潤劑 180

6.1.4　碳纖維上漿劑 182

6.2　連續玄武巖纖維浸潤劑 185

6.2.1　連續玄武巖纖維的表面特性 185

6.2.2　連續玄武巖纖維浸潤劑的分類 186

6.2.3　連續玄武巖纖維浸潤劑的主要組分 187

6.2.4　連續玄武巖纖維浸潤劑的制備工藝 192

6.3　連續玄武巖纖維浸潤劑現狀和發展方向 195

6.3.1　連續玄武巖纖維浸潤劑現狀 195

6.3.2　連續玄武巖纖維浸潤劑的發展方向 198

參考文獻 199



7 連續玄武巖纖維制品 201

7.1　連續玄武巖纖維紗線 202

7.1.1　連續玄武巖纖維無捻粗紗 202

7.1.2　連續玄武巖纖維有捻紗 205

7.1.3　連續玄武巖纖維短切紗 207

7.1.4　連續玄武巖纖維膨體紗 210

7.2　連續玄武巖纖維織物 211

7.2.1　連續玄武巖纖維無捻粗紗織物 211

7.2.2 連續玄武巖纖維有捻紗織物 213

7.2.3　連續玄武巖纖維立體織物 217

7.3　連續玄武巖纖維無紡織物 218

7.3.1　連續玄武巖纖維短切原絲氈 219

7.3.2　連續玄武巖纖維連續原絲氈 219

7.3.3　連續玄武巖纖維針刺氈 220

7.4　連續玄武巖纖維復合材料 221

7.4.1　連續玄武巖纖維復合筋材 221

7.4.2　連續玄武巖纖維復合網格 226

7.4.3　連續玄武巖纖維土工格柵 227

7.4.4　連續玄武巖纖維復合板材 228

7.4.5　連續玄武巖纖維復合型材 229

7.4.6　連續玄武巖纖維預浸料 231

7.4.7　連續玄武巖纖維增強熱塑性塑料（PE/PP）粒子 231

7.5　連續玄武巖纖維制品的應用 232

7.5.1　土建交通領域 232

7.5.2　汽車船舶領域 233

7.5.3　化工領域 234

7.5.4　風力發電領域 234

7.5.5　電力設施領域 235

7.5.6　環保領域 236

7.5.7　航天航空、國防軍工領域 237

7.5.8　海洋領域 237

7.5.9　橡膠領域 237

參考文獻 238