中國玄武巖纖維材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢

丁寶明，張 蕾，劉嘉麒

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

1 基本概況

1.1 玄武巖及玄武巖連續(xù)纖維

玄武巖是火山噴發(fā)形成的火山巖中的一類巖石，在地球上廣泛分布。通常呈黑色或深灰色，也有紫紅色；細(xì)粒至隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、輝綠結(jié)構(gòu)或斑狀結(jié)構(gòu)；致密堅硬，塊狀或氣孔狀構(gòu)造，柱狀節(jié)理發(fā)育；比重在2.6～3.0 kg/m3之間；主要由基性斜長石和輝石(單斜輝石和斜方輝石)組成，也常常含有橄欖石、角閃石、石榴子石以及含鐵、鈦的副礦物。根據(jù)巖石的化學(xué)成分和礦物組合，可分為堿性玄武巖、鈣堿性玄武巖、拉斑玄武巖和高鋁玄武巖四個系列，其SiO2含量一般在45%～53%之間，堿性越強，SiO2含量相對越低，往往含有橄欖石等基性礦物，而拉斑玄武巖的SiO2含量相對高，不含橄欖石等基性礦物，卻可能出現(xiàn)石英[1]。傳統(tǒng)的玄武巖主要用作建筑材料中的鋪路石子或者各類工程中的建設(shè)石料，一部分也用于生產(chǎn)鑄石、巖棉等?？傮w來看，傳統(tǒng)方式玄武巖的開發(fā)利用并沒有實現(xiàn)對玄武巖生產(chǎn)應(yīng)用價值的較大提升。隨著玄武巖連續(xù)纖維的出現(xiàn)，玄武巖的開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用有了質(zhì)的飛躍。

玄武巖連續(xù)纖維是一種純天然、非人工合成的高技術(shù)纖維，是以純天然火山巖玄武巖為原料，在1 450～1 500 ℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維，除具有高強度、高模量等特點外，還具有耐高溫及低溫性能佳、耐酸堿、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、防火阻燃、過濾性好、抗壓縮強度和剪切強度高、適于各種環(huán)境下使用等優(yōu)異性能[2]。因此，玄武巖連續(xù)纖維可廣泛用于消防、環(huán)保、航空航天、軍工、汽車船舶制造、工程塑料及建筑等領(lǐng)域。玄武巖連續(xù)纖維是我國四大高性能纖維(碳纖維、芳綸、超高分子聚乙烯纖維、玄武巖纖維)之一，被譽為21世紀(jì)“火山巖變絲”“點石成金”的新型環(huán)保纖維[3]。

1.2 國內(nèi)玄武巖連續(xù)纖維基本情況

玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)的研究開發(fā)工作始于蘇聯(lián)時期，在1960年代初期生產(chǎn)了一批邊疆玄武巖纖維樣品，隨之進(jìn)行了多年的玄武巖纖維及其制品特性的研發(fā)工作。第一臺工業(yè)化生產(chǎn)爐于1985年在烏克蘭纖維實驗室(TZI)建成投產(chǎn)，采用200孔漏板、組合爐拉絲工藝。1990年代末，我國開始對玄武巖連續(xù)纖維進(jìn)行研究，2000年后國家開始重視，并于2002年將“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”項目列入國家863計劃，先后已有30多家企業(yè)加入到玄武巖連續(xù)纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用開發(fā)中。在纖維生產(chǎn)工藝的研制開發(fā)方面取得了較多的成果，并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的玄武巖纖維制造技術(shù)及工藝，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平[4]。國內(nèi)對玄武巖纖維的研究雖然起步晚，但是后來居上，現(xiàn)已有單池窯年產(chǎn)量噸級一拖十大池窯。

2 玄武巖連續(xù)纖維及性能

2.1 玄武巖連續(xù)纖維

玄武巖連續(xù)纖維熔融拉絲概念由法國人PAULDHE于1922年首先提出，是一種以純天然玄武巖礦石為原料，在高溫熔融后通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的玻璃質(zhì)纖維。由于玄武巖是無機硅酸鹽，它經(jīng)過兩次(火山噴發(fā)時一次，熔爐熔化時一次)高溫(1 450～1 500 ℃)煅燒，在生產(chǎn)過程中無廢氣、廢物及有毒物質(zhì)釋放，屬于無公害綠色產(chǎn)業(yè)，這與在熔制過程中產(chǎn)生大量溫室氣體和廢氣的其他纖維產(chǎn)業(yè)相比有著本質(zhì)區(qū)別。每生產(chǎn)1 kg玄武巖連續(xù)纖維的耗電量為3～4 kW·h，在所有高性能纖維的生產(chǎn)過程中，連續(xù)玄武巖纖維的能耗(電或氣)相對較低。玄武巖纖維生產(chǎn)無污染、低能耗、可回收的特點與當(dāng)今社會經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的主流和導(dǎo)向發(fā)展綠色經(jīng)濟相一致，成為各個地方傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的選擇。因其具有高強度、高模量、耐高溫及低溫性能佳、耐酸堿、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、防火阻燃、過濾性好、抗壓縮強度和剪切強度高、適于各種環(huán)境下使用等優(yōu)異性能。目前已廣泛應(yīng)用于消防、環(huán)保、航空航天、軍工、汽車船舶制造、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工程及建筑等領(lǐng)域(圖1)[5-7]。

圖1 玄武巖纖維原絲和高倍顯微鏡下的玄武巖纖維Fig.1 Basalt fibers precursor and basalt fibers under high power microscopy

2.2 玄武巖連續(xù)纖維的性能

1) 抗拉強度高，力學(xué)性能好。玄武巖連續(xù)纖維的密度為2.65～3.00 g/cm3，莫氏硬度5～6度，抗拉強度為3 000～4 800 MPa，具有優(yōu)異的耐磨抗拉增強性能，在70 ℃水作用下，其強度可保持1 200 h，而一般玻璃纖維不到200 h便失去強度；在100～250 ℃溫度下的拉伸強度可提高30%，而一般玻璃纖維卻下降23%，在水泥等堿性介質(zhì)中能保持高度穩(wěn)定性，可用作混凝土建筑結(jié)構(gòu)的增強材料，不僅抗拉強度高、彈模高、開裂變形小，而且能提高彎拉強度，在橋梁建筑等方面顯示出很大的優(yōu)勢，在抗震救災(zāi)和體育用材等方面也有潛在應(yīng)用[8-12]。

2) 耐腐蝕性強，化學(xué)穩(wěn)定性好。玄武巖連續(xù)纖維的原料是玄武巖礦石經(jīng)高溫熔融成纖，而天然的玄武巖是一類化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的硅酸鹽，所以玄武巖纖維的化學(xué)穩(wěn)定性較好。玄武巖纖維經(jīng)過NaOH溶液處理，強度保留率在60%以上；經(jīng)過Ca(OH)2溶液處理，強度保留率在87%以上。而經(jīng)過HCl溶液處理，強度保留率在90%以上。由此可以看出，酸堿溶液對玄武巖連續(xù)纖維的力學(xué)性能影響不大。

3) 介電系數(shù)高，絕緣性能好。玄武巖纖維的電阻率為1×1012Ω·m，具有很好的絕緣性能，可用來制造儀器儀表、電動機及各種電器中的配件。應(yīng)用專門浸潤劑處理過的玄武巖纖維，其介電損耗角正切比一般玻璃纖維還低50%，可用于制造新型耐熱介電材料[13-14]。

4) 熱傳導(dǎo)系數(shù)低，阻燃性能好。玄武巖纖維為非晶態(tài)無機硅酸鹽物質(zhì)，熱傳導(dǎo)系數(shù)低，絕熱性能好，無熱收縮現(xiàn)象。其使用溫度范圍一般為-269～700 ℃，軟化點為960 ℃，高于玻璃纖維和碳纖維的最高使用溫度。它在500 ℃下的抗熱振穩(wěn)定性仍不變，原始質(zhì)量分?jǐn)?shù)損失不到0.02，在600 ℃工作時，其斷后強度仍能保持原始強度的80%?？捎糜谥圃旆阑鹛骸⒎阑鸷煹茸枞疾牧虾透邷剡^濾領(lǐng)域的過濾基布、過濾材料、耐高溫氈等。另一方面，玄武巖纖維也耐低溫，它長期處于低溫(-196 ℃)液氮介質(zhì)環(huán)境中，強度也不改變，是有效的低溫絕熱材料，用其制作的各種器材在太空、高寒和南北極地區(qū)具有廣泛用途。

5) 與水泥相容性好，握裹力強。玄武巖纖維與硅酸鹽水泥是同類化學(xué)物質(zhì)，纖維與基體材料的匹配性能優(yōu)良，有天然相容性，在水泥混凝土結(jié)構(gòu)抗裂及補強中具有無可替代的優(yōu)勢，能大大改善抗裂性能和動載疲勞性能，是目前用于水泥混凝土中性能最匹配、性價比最佳的纖維材料。在超載運行條件下，有助于加強公路的抗龜裂老化能力，延長瀝青路面的使用壽命。同時，玄武巖纖維的吸濕性低于0.1%，具有較強的防滲抗裂功效，可廣泛用于高速公路、飛機跑道、海港碼頭、水電工程建筑等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域[5-6,13,15-16]。

6) 彈性模量高。玄武巖纖維的彈性模量與昂貴的S玻璃纖維相近，強度相當(dāng)；用于織造織物重量在150～210 g/m2的產(chǎn)品時，織造性能良好；可用以代替S玻璃纖維制造絕熱制品和復(fù)合材料，制造硬質(zhì)裝甲和各種GFRP產(chǎn)品。例如，利用E玻璃纖維生產(chǎn)玻璃鋼管，只能耐25個大氣壓，管徑最大為2 m；而用玄武巖纖維做玻璃鋼管，則可耐60個大氣壓，管徑可達(dá)3 m。在某些場合，玄武巖纖維甚至可以部分代替每噸售價在20萬元左右的碳纖維或芳綸纖維[5-6,13,15-16]。

7) 吸音系數(shù)高，抗電磁輻射功能強。玄武巖纖維的吸音系數(shù)為0.9～0.99，具有優(yōu)良的吸波性和透波性，吸音、隔音性能非常好，是理想的隱身材料。把它與混凝土混合用于建筑物，可以發(fā)揮很好的吸波作用，從而減輕甚至屏蔽電磁輻射造成的危害和對機場、碼頭、航標(biāo)、電視塔等通訊設(shè)施的干擾，改善通訊環(huán)境和通訊質(zhì)量，對于軍事安全、國家安全至關(guān)重要(表1)和(圖2)[5-6,13,15-16]。

表1 玄武巖纖維與其他纖維主要性能對比Table 1 Comparison of main properties of basalt fibers with other fibers

圖2 玄武巖纖維材料與碳纖維材料、玻璃纖維材料性價比對比Fig.2 Cost-effective ratio of basalt fiber materials to carbon fibers materials and glass fibers materials

3 國內(nèi)玄武巖連續(xù)纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)玄武巖連續(xù)纖維的發(fā)展歷程

我國自1970年代開始，中國建筑材料科學(xué)研究總院、南京玻璃纖維研究設(shè)計院等單位對連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了研究，但未實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。2000年后國內(nèi)在改進(jìn)外國生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了玄武巖連續(xù)纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并逐步實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)研發(fā)。經(jīng)過這些年的發(fā)展，國內(nèi)玄武巖連續(xù)纖維產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從一開始的“一枝獨秀”到現(xiàn)在的“遍地開花”，參與生產(chǎn)和下游產(chǎn)品研發(fā)的工廠已經(jīng)有30余家。這些工廠不斷的創(chuàng)新進(jìn)取，推動著我國玄武巖連續(xù)纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.2 玄武巖連續(xù)纖維市場分析

目前國內(nèi)玄武巖連續(xù)纖維的生產(chǎn)總量不超過3萬t，有一定規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)不超過20家，還沒有行業(yè)的龍頭領(lǐng)軍企業(yè)。但隨著連續(xù)玄武巖纖維及其制品的國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T 23265—2009)、《纖維增強復(fù)合材料工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(GB 50608—2010)、《玄武巖纖維無捻粗紗》(GB/T 25045—2010)，交通運輸部的《公路工程玄武巖纖維及其制品》(第一至四部分)(JT/T 776—2010)和住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部部標(biāo)準(zhǔn)《纖維增強復(fù)合材料格柵》(JG/T 364—2012)和《結(jié)構(gòu)加固用修復(fù)玄武巖纖維片材》(JG/T 365—2012)頒布和實施，將會推動越來越多的企業(yè)和資本進(jìn)入玄武巖連續(xù)纖維及其制品的生產(chǎn)、開發(fā)、制造之中。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，國內(nèi)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展的階段，在“十三五”規(guī)劃中，國家大力發(fā)展玄武巖纖維，產(chǎn)量要達(dá)到10萬t規(guī)模，產(chǎn)品市場前景廣闊。2018年12月24日，美通社的透明度市場研究發(fā)布了《面向成型材料、交通運輸、電子、建筑施工及其他應(yīng)用的連續(xù)玄武巖纖維市場：2013～2019年全球產(chǎn)業(yè)分析、規(guī)模、份額、增長、發(fā)展趨勢和預(yù)測》，其中玄武巖纖維產(chǎn)值在2019年將達(dá)1.047億美元，復(fù)合年均增長率達(dá)10.9%[17]。

3.3 國內(nèi)主要玄武巖纖維生產(chǎn)企業(yè)

從國內(nèi)第一個玄武巖連續(xù)纖維拉絲爐誕生，到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的今天，國內(nèi)玄武巖連續(xù)纖維產(chǎn)業(yè)走過了最艱難的20年，完成了從無到有、從有到強的艱辛歷程。經(jīng)過時間的考驗，現(xiàn)有的20余家玄武巖連續(xù)纖維生產(chǎn)企業(yè)，支撐起中國的“玄武巖纖維復(fù)興之路”。這些企業(yè)里，國企背景的有鄭州登電玄武石纖有限公司、四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司、山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司等，更多的是私企，如江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司、山西巴塞奧特科技有限公司等靠企業(yè)家做起來的玄武巖纖維企業(yè)。

3.4 國內(nèi)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)存問題

1) 原料的不均勻性和不穩(wěn)定性。玄武巖連續(xù)纖維由天然玄武巖礦石融化拉絲而成，但不是所有的玄武巖都可以用作生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的原料，要根據(jù)生產(chǎn)什么類型的材料來決定選擇什么類型的原料。即使同一個地區(qū)，同一個礦山，不同部位的玄武巖也會有差別。玄武巖礦石成礦年代和巖漿囊的不同，造成礦石成分和結(jié)構(gòu)的不同。原礦的不均一性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致玄武巖纖維變異系數(shù)偏大，纖維產(chǎn)品不穩(wěn)定。產(chǎn)品穩(wěn)定性的制約因素是原礦的穩(wěn)定性及工藝的穩(wěn)定性，故而要從源頭開始追溯。礦源的確定及礦石均質(zhì)化，成為解決纖維穩(wěn)定性的重要手段。

2) 沒有定型產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的大池窯?，F(xiàn)在工廠的生產(chǎn)工藝普遍是小規(guī)模的坩堝爐生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝的不穩(wěn)定導(dǎo)致纖維產(chǎn)品的不穩(wěn)定，同時坩堝法生產(chǎn)耗能較大、成本較高等因素直接制約產(chǎn)品的市場開發(fā)。因此，大池窯定型研制迫在眉睫。

3) 對于漏板、耐火磚等基礎(chǔ)材料，國內(nèi)沒有很好的配套研究。與坩堝爐或池窯配套的耐火磚、漏板、拉絲牽引系統(tǒng)等輔助材料和系統(tǒng)并未沒有配套研發(fā)。特別是國內(nèi)，耐火磚的材料和漏板的設(shè)計成為制約生產(chǎn)工藝的主要問題。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于耐火磚等基礎(chǔ)材料的依賴性逐漸加強，需要聯(lián)合各產(chǎn)業(yè)鏈，共同研發(fā)設(shè)計出與玄武巖纖維池窯配套的基礎(chǔ)材料。

4) 缺乏專用的、不可替代的定型產(chǎn)品。玄武巖纖維作為新材料的一種，誕生和發(fā)展不足百年時間，但已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時期。隨著生產(chǎn)工藝的不斷提升，產(chǎn)量不斷增加，從一開始的“小眾產(chǎn)品”，變成最終的基礎(chǔ)材料并走向市場。玄武巖纖維作為基礎(chǔ)材料，要想不斷發(fā)展，需要有不可替代的定型產(chǎn)品開辟市場。要不斷投入研發(fā)，開拓新產(chǎn)品和專有市場領(lǐng)域，解決現(xiàn)有的產(chǎn)品開發(fā)問題，占領(lǐng)市場高地還可以不斷反向刺激提高生產(chǎn)，促進(jìn)玄武巖產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

5) 尚未建立統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和市場標(biāo)準(zhǔn)。玄武巖纖維作為基礎(chǔ)材料，可以應(yīng)用到各行各業(yè)各個領(lǐng)域。但標(biāo)準(zhǔn)體系的不完善讓玄武巖纖維在使用上極其受限。特別是在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，更需要完善的標(biāo)準(zhǔn)體系才能打入應(yīng)用市場。標(biāo)準(zhǔn)體系的缺失，制約著玄武巖纖維產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用，這也要求研究人員不斷積累數(shù)據(jù)，完善完成玄武巖纖維產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及市場標(biāo)準(zhǔn)體系。

6) 沒有形成權(quán)威性的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。國內(nèi)玄武巖連續(xù)纖維整體發(fā)展形勢看好，產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾?，F(xiàn)有產(chǎn)業(yè)內(nèi)企業(yè)各有專長，但合作不多，缺少龍頭企業(yè)。不能形成很好的互補合作和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，很難發(fā)揮“1+1>2”的模式，同時也制約著國內(nèi)整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，所以形成具有權(quán)威性的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是當(dāng)務(wù)之急。

4 結(jié) 語

玄武巖連續(xù)纖維作為21世紀(jì)的新型材料，具有無限的發(fā)展?jié)摿褪袌隹臻g。發(fā)展不均衡、質(zhì)量體系不完善等一系列問題都會在發(fā)展初期減慢玄武巖纖維的發(fā)展速度，但并不會阻止玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)擁有豐富的玄武巖礦石資源，同時具有良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和廣闊的市場空間，促進(jìn)了國內(nèi)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)原絲企業(yè)30余家，分布在全國各地，總產(chǎn)能在5萬t以上，已經(jīng)處在世界前列，但并未形成大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。中國玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)要發(fā)展，一定要在大的產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上形成大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，共同攻克玄武巖產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有難題和突破瓶頸。