摘 要： 玄武岩是火山喷发形成的火山岩中的一类岩石,在地球上广泛分布。传统的玄武岩开发利用多用于建筑材料和石料等,并没有很好地发挥玄武岩的特点和优势。随着玄武岩连续纤维的出现,玄武岩的开发、生产、应用有了质的飞跃。本文首先介绍了玄武岩连续纤维的基本情况,阐述了玄武岩连续纤维的性能,重点分析了玄武岩连续纤维产业的发展现状、存在问题,最后提出了建议。
关键词： 玄武岩; 玄武岩连续纤维; 纤维材料; 产业发展;
Abstract： Basalt is a kind of rock in volcanic rocks formed by volcanic eruption and widely distributed on the earth.Traditional development and utilization of basalt are mostly used in building materials and stone materials,but these applications do not give full play to the advantages of basalt.With the emergence of continuous basalt fibers,the development,production and application of basalt have made a qualitative leap.In this paper,the authors introduce the basic situation of continuous basalt fibers and properties of continuous basalt fibers at first,emphatically analyze the development status and existing problems of continuous basalt fiber industry,at last provide the several suggestions.
Keyword： basalt; continuous basalt fiber; fiber materials; industry development;
1、 基本概况
1.1、 玄武岩及玄武岩连续纤维
玄武岩是火山喷发形成的火山岩中的一类岩石,在地球上广泛分布。通常呈黑色或深灰色,也有紫红色;细粒至隐晶质结构、辉绿结构或斑状结构;致密坚硬,块状或气孔状构造,柱状节理发育;比重在2.6～3.0kg/m3之间;主要由基性斜长石和辉石(单斜辉石和斜方辉石)组成,也常常含有橄榄石、角闪石、石榴子石以及含铁、钛的副矿物。根据岩石的化学成分和矿物组合,可分为碱性玄武岩、钙碱性玄武岩、拉斑玄武岩和高铝玄武岩四个系列,其SiO2含量一般在45%～53%之间,碱性越强,SiO2含量相对越低,往往含有橄榄石等基性矿物,而拉斑玄武岩的SiO2含量相对高,不含橄榄石等基性矿物,却可能出现石英[1]。传统的玄武岩主要用作建筑材料中的铺路石子或者各类工程中的建设石料,一部分也用于生产铸石、岩棉等。总体来看,传统方式玄武岩的开发利用并没有实现对玄武岩生产应用价值的较大提升。随着玄武岩连续纤维的出现,玄武岩的开发、生产、应用有了质的飞跃。
玄武岩连续纤维是一种纯天然、非人工合成的高技术纤维,是以纯天然火山岩玄武岩为原料,在1 450～1 500℃熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维,除具有高强度、高模量等特点外,还具有耐高温及低温性能佳、耐酸碱、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、防火阻燃、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适于各种环境下使用等优异性能[2]。因此,玄武岩连续纤维可广泛用于消防、环保、航空航天、军工、汽车船舶制造、工程塑料及建筑等领域。玄武岩连续纤维是我国四大高性能纤维(碳纤维、芳纶、超高分子聚乙烯纤维、玄武岩纤维)之一,被誉为21世纪“火山岩变丝”“点石成金”的新型环保纤维[3]。
1.2、 国内玄武岩连续纤维基本情况
玄武岩纤维生产技术的研究开发工作始于苏联时期,在1960年代初期生产了一批边疆玄武岩纤维样品,随之进行了多年的玄武岩纤维及其制品特性的研发工作。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。1990年代末,我国开始对玄武岩连续纤维进行研究,2000年后国家开始重视,并于2002年将“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家863计划,先后已有30多家企业加入到玄武岩连续纤维的生产和应用开发中。在纤维生产工艺的研制开发方面取得了较多的成果,并拥有自主知识产权的玄武岩纤维制造技术及工艺,达到了国际领先水平[4]。国内对玄武岩纤维的研究虽然起步晚,但是后来居上,现已有单池窑年产量吨级一拖十大池窑。
2、 玄武岩连续纤维及性能
2.1、 玄武岩连续纤维
玄武岩连续纤维熔融拉丝概念由法国人PAULDHE于1922年首先提出,是一种以纯天然玄武岩矿石为原料,在高温熔融后通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的玻璃质纤维。由于玄武岩是无机硅酸盐,它经过两次(火山喷发时一次,熔炉熔化时一次)高温(1 450～1 500℃)煅烧,在生产过程中无废气、废物及有毒物质释放,属于无公害绿色产业,这与在熔制过程中产生大量温室气体和废气的其他纤维产业相比有着本质区别。每生产1kg玄武岩连续纤维的耗电量为3～4kW·h,在所有高性能纤维的生产过程中,连续玄武岩纤维的能耗(电或气)相对较低。玄武岩纤维生产无污染、低能耗、可回收的特点与当今社会经济转型的主流和导向发展绿色经济相一致,成为各个地方传统产业转型的选择。因其具有高强度、高模量、耐高温及低温性能佳、耐酸碱、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、防火阻燃、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适于各种环境下使用等优异性能。目前已广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、汽车船舶制造、医学、农业、工程及建筑等领域(图1)[5,6,7]。
图1 玄武岩纤维原丝和高倍显微镜下的玄武岩纤维
Fig.1 Basalt fibers precursor and basalt fibers under high power microscopy
2.2、 玄武岩连续纤维的性能
1)抗拉强度高,力学性能好。玄武岩连续纤维的密度为2.65～3.00g/cm3,莫氏硬度5～6度,抗拉强度为3 000～4 800 MPa,具有优异的耐磨抗拉增强性能,在70℃水作用下,其强度可保持1 200h,而一般玻璃纤维不到200h便失去强度;在100～250℃温度下的拉伸强度可提高30%,而一般玻璃纤维却下降23%,在水泥等碱性介质中能保持高度稳定性,可用作混凝土建筑结构的增强材料,不仅抗拉强度高、弹模高、开裂变形小,而且能提高弯拉强度,在桥梁建筑等方面显示出很大的优势,在抗震救灾和体育用材等方面也有潜在应用[8,9,10,11,12]。
2)耐腐蚀性强,化学稳定性好。玄武岩连续纤维的原料是玄武岩矿石经高温熔融成纤,而天然的玄武岩是一类化学性质稳定的硅酸盐,所以玄武岩纤维的化学稳定性较好。玄武岩纤维经过NaOH溶液处理,强度保留率在60%以上;经过Ca(OH)2溶液处理,强度保留率在87%以上。而经过HCl溶液处理,强度保留率在90%以上。由此可以看出,酸碱溶液对玄武岩连续纤维的力学性能影响不大。
3)介电系数高,绝缘性能好。玄武岩纤维的电阻率为1×1012Ω·m,具有很好的绝缘性能,可用来制造仪器仪表、电动机及各种电器中的配件。应用专门浸润剂处理过的玄武岩纤维,其介电损耗角正切比一般玻璃纤维还低50%,可用于制造新型耐热介电材料[13,14]。
4)热传导系数低,阻燃性能好。玄武岩纤维为非晶态无机硅酸盐物质,热传导系数低,绝热性能好,无热收缩现象。其使用温度范围一般为-269～700℃,软化点为960℃,高于玻璃纤维和碳纤维的最高使用温度。它在500℃下的抗热振稳定性仍不变,原始质量分数损失不到0.02,在600℃工作时,其断后强度仍能保持原始强度的80%。可用于制造防火毯、防火帘等阻燃材料和高温过滤领域的过滤基布、过滤材料、耐高温毡等。另一方面,玄武岩纤维也耐低温,它长期处于低温(-196℃)液氮介质环境中,强度也不改变,是有效的低温绝热材料,用其制作的各种器材在太空、高寒和南北极地区具有广泛用途。
5)与水泥相容性好,握裹力强。玄武岩纤维与硅酸盐水泥是同类化学物质,纤维与基体材料的匹配性能优良,有天然相容性,在水泥混凝土结构抗裂及补强中具有无可替代的优势,能大大改善抗裂性能和动载疲劳性能,是目前用于水泥混凝土中性能最匹配、性价比最佳的纤维材料。在超载运行条件下,有助于加强公路的抗龟裂老化能力,延长沥青路面的使用寿命。同时,玄武岩纤维的吸湿性低于0.1%,具有较强的防渗抗裂功效,可广泛用于高速公路、飞机跑道、海港码头、水电工程建筑等基础设施领域[5,6,13,15,16]。
6)弹性模量高。玄武岩纤维的弹性模量与昂贵的S玻璃纤维相近,强度相当;用于织造织物重量在150～210g/m2的产品时,织造性能良好;可用以代替S玻璃纤维制造绝热制品和复合材料,制造硬质装甲和各种GFRP产品。例如,利用E玻璃纤维生产玻璃钢管,只能耐25个大气压,管径最大为2m;而用玄武岩纤维做玻璃钢管,则可耐60个大气压,管径可达3m。在某些场合,玄武岩纤维甚至可以部分代替每吨售价在20万元左右的碳纤维或芳纶纤维[5,6,13,15,16]。
7)吸音系数高,抗电磁辐射功能强。玄武岩纤维的吸音系数为0.9～0.99,具有优良的吸波性和透波性,吸音、隔音性能非常好,是理想的隐身材料。把它与混凝土混合用于建筑物,可以发挥很好的吸波作用,从而减轻甚至屏蔽电磁辐射造成的危害和对机场、码头、航标、电视塔等通讯设施的干扰,改善通讯环境和通讯质量,对于军事安全、国家安全至关重要(表1)和(图2)[5,6,13,15,16]。
表1 玄武岩纤维与其他纤维主要性能对比
图2 玄武岩纤维材料与碳纤维材料、玻璃纤维材料性价比对比
Fig.2 Cost-effective ratio of basalt fiber materials to carbon fibers materials and glass fibers materials
3、 国内玄武岩连续纤维产业现状
3.1、 国内玄武岩连续纤维的发展历程
我国自1970年代开始,中国建筑材料科学研究总院、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。2000年后国内在改进外国生产技术的基础上实现了玄武岩连续纤维的产业化生产,并逐步实现自主知识产权研发。经过这些年的发展,国内玄武岩连续纤维产业已经从一开始的“一枝独秀”到现在的“遍地开花”,参与生产和下游产品研发的工厂已经有30余家。这些工厂不断的创新进取,推动着我国玄武岩连续纤维产业的发展。
3.2、 玄武岩连续纤维市场分析
目前国内玄武岩连续纤维的生产总量不超过3万t,有一定规模的生产企业不超过20家,还没有行业的龙头领军企业。但随着连续玄武岩纤维及其制品的国家标准《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/T 23265—2009)、《纤维增强复合材料工程应用技术规程》(GB 50608—2010)、《玄武岩纤维无捻粗纱》(GB/T 25045—2010),交通运输部的《公路工程玄武岩纤维及其制品》(第一至四部分)(JT/T 776—2010)和住房和城乡建设部部标准《纤维增强复合材料格栅》(JG/T 364—2012)和《结构加固用修复玄武岩纤维片材》(JG/T 365—2012)颁布和实施,将会推动越来越多的企业和资本进入玄武岩连续纤维及其制品的生产、开发、制造之中。
从产业发展角度来看,国内玄武岩纤维产业正处于高速发展的阶段,在“十三五”规划中,国家大力发展玄武岩纤维,产量要达到10万t规模,产品市场前景广阔。2018年12月24日,美通社的透明度市场研究发布了《面向成型材料、交通运输、电子、建筑施工及其他应用的连续玄武岩纤维市场:2013～2019年全球产业分析、规模、份额、增长、发展趋势和预测》,其中玄武岩纤维产值在2019年将达1.047亿美元,复合年均增长率达10.9%[17]。
3.3、 国内主要玄武岩纤维生产企业
从国内第一个玄武岩连续纤维拉丝炉诞生,到产业发展的今天,国内玄武岩连续纤维产业走过了最艰难的20年,完成了从无到有、从有到强的艰辛历程。经过时间的考验,现有的20余家玄武岩连续纤维生产企业,支撑起中国的“玄武岩纤维复兴之路”。这些企业里,国企背景的有郑州登电玄武石纤有限公司、四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司、山西晋投玄武岩开发有限公司等,更多的是私企,如江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司、山西巴塞奥特科技有限公司等靠企业家做起来的玄武岩纤维企业。
3.4 、国内玄武岩纤维产业现存问题
1)原料的不均匀性和不稳定性。玄武岩连续纤维由天然玄武岩矿石融化拉丝而成,但不是所有的玄武岩都可以用作生产玄武岩连续纤维的原料,要根据生产什么类型的材料来决定选择什么类型的原料。即使同一个地区,同一个矿山,不同部位的玄武岩也会有差别。玄武岩矿石成矿年代和岩浆囊的不同,造成矿石成分和结构的不同。原矿的不均一性和不稳定性,导致玄武岩纤维变异系数偏大,纤维产品不稳定。产品稳定性的制约因素是原矿的稳定性及工艺的稳定性,故而要从源头开始追溯。矿源的确定及矿石均质化,成为解决纤维稳定性的重要手段。
2)没有定型产业化生产的大池窑。现在工厂的生产工艺普遍是小规模的坩埚炉生产,生产工艺的不稳定导致纤维产品的不稳定,同时坩埚法生产耗能较大、成本较高等因素直接制约产品的市场开发。因此,大池窑定型研制迫在眉睫。
3)对于漏板、耐火砖等基础材料,国内没有很好的配套研究。与坩埚炉或池窑配套的耐火砖、漏板、拉丝牵引系统等辅助材料和系统并未没有配套研发。特别是国内,耐火砖的材料和漏板的设计成为制约生产工艺的主要问题。随着产业的发展,对于耐火砖等基础材料的依赖性逐渐加强,需要联合各产业链,共同研发设计出与玄武岩纤维池窑配套的基础材料。
4)缺乏专用的、不可替代的定型产品。玄武岩纤维作为新材料的一种,诞生和发展不足百年时间,但已经进入高速发展时期。随着生产工艺的不断提升,产量不断增加,从一开始的“小众产品”,变成最终的基础材料并走向市场。玄武岩纤维作为基础材料,要想不断发展,需要有不可替代的定型产品开辟市场。要不断投入研发,开拓新产品和专有市场领域,解决现有的产品开发问题,占领市场高地还可以不断反向刺激提高生产,促进玄武岩产业良性发展。
5)尚未建立统一的产品标准和市场标准。玄武岩纤维作为基础材料,可以应用到各行各业各个领域。但标准体系的不完善让玄武岩纤维在使用上极其受限。特别是在特殊领域的应用,更需要完善的标准体系才能打入应用市场。标准体系的缺失,制约着玄武岩纤维产品的发展和应用,这也要求研究人员不断积累数据,完善完成玄武岩纤维产品标准及市场标准体系。
6)没有形成权威性的产业联盟。国内玄武岩连续纤维整体发展形势看好,产业发展方兴未艾。现有产业内企业各有专长,但合作不多,缺少龙头企业。不能形成很好的互补合作和产业联盟,很难发挥“1+1>2”的模式,同时也制约着国内整个产业的发展,所以形成具有权威性的产业联盟是当务之急。
4、 结语
玄武岩连续纤维作为21世纪的新型材料,具有无限的发展潜力和市场空间。发展不均衡、质量体系不完善等一系列问题都会在发展初期减慢玄武岩纤维的发展速度,但并不会阻止玄武岩纤维产业的发展。国内拥有丰富的玄武岩矿石资源,同时具有良好的产业基础和广阔的市场空间,促进了国内玄武岩纤维产业的发展。国内现有生产原丝企业30余家,分布在全国各地,总产能在5万t以上,已经处在世界前列,但并未形成大的产业联盟。中国玄武岩纤维产业要发展,一定要在大的产业链基础上形成大的产业联盟,共同攻克玄武岩产业现有难题和突破瓶颈。
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