CFB：新世紀(jì)的新材料

阮曉東

連續(xù)玄武巖纖維（Continuous Basalt Fibre 簡(jiǎn)稱CBF）是以天然的火山噴出巖作為原料，通過(guò)拉絲制成的連續(xù)纖維。連續(xù)玄武巖纖維具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如絕緣性能好、高溫過(guò)濾性佳、抗輻射、良好的透波性能等，以連續(xù)玄武巖纖維為增強(qiáng)體可制成各種性能優(yōu)異的復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于消防、環(huán)保、航空航天、軍工、汽車船舶制造、工程塑料、建筑等軍工、民用領(lǐng)域，故連續(xù)玄武巖纖維被譽(yù)為21世紀(jì)的新材料。從目前中國(guó)的新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，連續(xù)玄武巖纖維將成為國(guó)家“十二五”時(shí)期的重點(diǎn)突破產(chǎn)業(yè)，并會(huì)給中國(guó)的相關(guān)行業(yè)帶來(lái)難得的產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)機(jī)。

“點(diǎn)石成金”的新型環(huán)保纖維

石頭也可以制成纖維嗎？答案是肯定的。大家可能已經(jīng)注意到，早在玄武巖纖維被制作成之前，由葉臘石、石英砂、石灰石、硼鈣石、硼鎂石、螢石等原料制成的玻璃纖維就廣泛應(yīng)用于建筑物內(nèi)外墻體保溫、防水、抗裂等。但在玻璃纖維制作過(guò)程中人們發(fā)現(xiàn)，由于這些原料中含有硼和其他堿金屬氧化物，所以在融化排放煙塵中有較多的有害氣體。而玄武巖由于主要成份是二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂等，所以其在經(jīng)過(guò)高溫熔融、澄清均化后的原料拉制成纖維的過(guò)程比較清潔，既不向大氣排放有害氣體，也沒有工業(yè)垃圾及有毒物質(zhì)污染環(huán)境，所以它在很大程度上可代替玻璃纖維。因而，連續(xù)玄武巖纖維被譽(yù)為21世紀(jì)“火山巖變絲”、“點(diǎn)石成金”的新型環(huán)保纖維。

不過(guò)，要將堅(jiān)硬的天然玄武巖作為原料生產(chǎn)連續(xù)纖維絕非易事，需要較高的技術(shù)支持。據(jù)了解，從上世紀(jì)60年代開始，國(guó)外便展開了玄武巖纖維及其復(fù)合材料的相關(guān)研究，并且已在許多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，比如前蘇聯(lián)玻璃鋼與玻璃纖維科學(xué)研究院烏克蘭分院早在上世紀(jì)60年代～70年代就致力于這方面的研究工作。1985年，第一座連續(xù)玄武巖纖維工業(yè)化生產(chǎn)線在烏克蘭纖維實(shí)驗(yàn)室（TZI）建成投產(chǎn)，之后，俄羅斯、烏克蘭等國(guó)家已用400孔池窯拉絲工藝生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維及其制品，年產(chǎn)量700噸左右。美國(guó)則采用800孔池窯拉絲工藝，年產(chǎn)量為1000噸～1500噸，這些國(guó)家的工作也分別形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的壁壘。

而連續(xù)玄武巖纖維獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)更讓世人贊嘆，比如其力學(xué)性能佳，耐高溫性能好，可在-269～700℃范圍內(nèi)連續(xù)工作，耐酸耐堿，抗紫外線性能強(qiáng)，吸濕性低，有更好的耐環(huán)境性能。此外，其還有良好的絕緣性能、高溫過(guò)濾性和透波性能等?；＜医?jīng)過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，使用連續(xù)玄武巖纖維制作的短切氈、無(wú)捻粗紗和單向織物比同類型的無(wú)堿玻纖產(chǎn)品有著更高的斷裂載荷和更高的楊氏模量（材料的剛性參數(shù)），特別適合應(yīng)用于近年飛速發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片產(chǎn)業(yè)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，玄武巖纖維的模量和拉伸強(qiáng)度分別比無(wú)堿玻纖高15%和25%，因而將成為1.5兆瓦或2兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片承力部位的理想材料。

更讓業(yè)界動(dòng)心的是，玄武巖在自然界中分布非常廣泛，我國(guó)秦嶺南麓、甘肅祁連山、黑龍江五大連池、吉林長(zhǎng)白山、新疆準(zhǔn)噶爾盆地、西藏喜馬拉雅山、青海昆侖山、山西大同以及華南沿海一帶都有大量的玄武巖礦藏分布。而目前，玄武巖主要用作一些低附加值的建筑及道路用的填料石子，還有一些也可用作較高附加值的礦物棉原料，而如果將玄武巖加工成連續(xù)玄武巖纖維，則可以大大提高這種礦物的價(jià)值。

進(jìn)入“十二五”發(fā)展規(guī)劃

我國(guó)的玄武巖纖維開發(fā)在上世紀(jì)七十年代也做過(guò)一些基礎(chǔ)研發(fā)工作，但由于種種原因，只持續(xù)幾年就不了了之。上世紀(jì)八十年代末，我國(guó)開發(fā)了專利化高強(qiáng)玻璃纖維，基本滿足了軍工項(xiàng)目對(duì)高強(qiáng)玻璃纖維的需求。到了上世紀(jì)九十年代中后期，為了滿足某軍工翻版項(xiàng)目的需要，國(guó)家又專撥經(jīng)費(fèi)重新啟動(dòng)了玄武巖纖維項(xiàng)目，而本次啟動(dòng)的玄武巖纖維項(xiàng)目主要是開發(fā)生產(chǎn)玄武巖纖維棉，用作隔熱應(yīng)用。在大約2年后，建成一條小型玄武巖超細(xì)纖維棉生產(chǎn)線。其間，也邀請(qǐng)了一些烏克蘭的技術(shù)專家作了有關(guān)玄武巖纖維生產(chǎn)的技術(shù)咨詢。由于超細(xì)玄武巖棉與傳統(tǒng)隔熱材料相比在隔熱性能上并無(wú)明顯的優(yōu)勢(shì)，而生產(chǎn)成本又高，因此目前的超細(xì)玄武巖棉僅在某些軍工項(xiàng)目上得到極少量的應(yīng)用。

近幾年來(lái)，我國(guó)科技部也對(duì)連續(xù)玄武巖纖維的研究給予了極大的關(guān)注和重視。2001年7月我國(guó)原駐俄羅斯大使館公使銜科技參贊黃壽增曾向國(guó)內(nèi)發(fā)回了《21世紀(jì)新材料---玄武巖纖維》的專題報(bào)告；在2002年9月和2004年5月、11月國(guó)家科技部分別將“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”項(xiàng)目列入國(guó)家863計(jì)劃和國(guó)家級(jí)火炬計(jì)劃、國(guó)家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金。

由此算起，連續(xù)玄武巖纖維在全世界的開發(fā)成功和批量生產(chǎn)的歷史大概有20年左右。在此期間，我國(guó)的中國(guó)建筑科學(xué)研究院和南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院也先后斷斷續(xù)續(xù)地開展了連續(xù)玄武巖纖維的研發(fā)，但是都沒有開發(fā)成功。真正具備烏克蘭、俄羅斯“一段法”采用純天然火山巖、不加任何輔料的連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)應(yīng)該是我國(guó)列入國(guó)家863計(jì)劃以后，由深圳俄金碳材料科技有限公司承擔(dān)了該863計(jì)劃課題，之后其技術(shù)成果作價(jià)入股成立的“橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司”將其成果轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

玄武巖纖維直徑是頭發(fā)絲的1/10，重量是同直徑鋼筋的1/3，抗拉強(qiáng)度是鋼筋的4倍，用在道路領(lǐng)域能降低20%的成本。玄武巖不含磷硫，是無(wú)機(jī)非金屬材料，廣泛用于消防、環(huán)保、化工、汽車、建筑、航空航天領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力開展，對(duì)玄武巖原料的需求更加旺盛，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色環(huán)保新材料”，是繼碳纖維、芳綸、玻璃纖維之后的又一種高技術(shù)纖維。目前，我國(guó)已把玄武巖纖維明確列入鼓勵(lì)類產(chǎn)業(yè)目錄，屬于國(guó)家支持發(fā)展的戰(zhàn)略性新興材料。

由于玄武巖纖維的優(yōu)異性能，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、建筑、航空航天、汽車制造、電子、冶金等領(lǐng)域。比如在石油開采、石油煉制、天然氣化工、石油化工及化學(xué)工業(yè)中可作為不同用途的管材；用玄武巖連續(xù)纖維制造的管材可以大大減少檢修期和避免斷裂的危險(xiǎn)，尤其是用于腐蝕性液體和氣體的輸送管道中。在我國(guó)西部開發(fā)中大有用武之地，僅“西氣東輸”主管線一項(xiàng)就有8000多公里，還不包括支線工程。在航空工業(yè)中，可用于制造如機(jī)體的部件、裝飾件、動(dòng)力部分和結(jié)構(gòu)、滑翔機(jī)等制造材料； 發(fā)動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)設(shè)備廢氣系統(tǒng)的絕熱、隔音材料。此外玄武巖連續(xù)纖維還可用于核電站的熱力裝置用來(lái)隔熱和消音，甚至可以用在宇宙飛船和航天飛機(jī)上。目前，連續(xù)纖維材料正在逐步取代鋼筋，廣泛應(yīng)用于道路橋梁、工程建設(shè)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“點(diǎn)石成金”。 由上可見，玄武巖連續(xù)纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域很廣。這種新材料經(jīng)濟(jì)壽命至少在30～50年以上，目前在國(guó)際上正處于方興未艾的發(fā)展期，在國(guó)內(nèi)尚處于空白，因此，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。

根據(jù)《化纖工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》玄武巖纖維 （CBF） ：加強(qiáng)多孔化拉絲漏板高溫變形的控制技術(shù)攻關(guān)，突破玄武巖熔體的析晶控制技術(shù)，提升產(chǎn)品質(zhì)量性能，加強(qiáng)下游制品應(yīng)用研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，形成年產(chǎn)6000～10000噸的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

《紡織工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的新型紡織纖維發(fā)展重點(diǎn)中也提到，要加快提升高性能纖維產(chǎn)業(yè)化水平，推進(jìn)碳纖維（PAN基）、芳綸纖維、聚苯硫醚纖維、玄武巖纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維、高強(qiáng)高模聚乙烯醇纖維等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，強(qiáng)化下游應(yīng)用的開發(fā)能力。

多家企業(yè)介入制造

連續(xù)玄武巖纖維是唯一不添加任何其他原料的純天然的新型高技術(shù)纖維，是重要的國(guó)家級(jí)安全戰(zhàn)略物質(zhì)，是支撐高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新材料，也是促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品升級(jí)換代的基礎(chǔ)材料，代表著世界綠色材料的發(fā)展方向?！斑B續(xù)玄武巖纖維及玄武巖纖維復(fù)合材料”被列為國(guó)家863計(jì)劃，連續(xù)玄武巖纖維項(xiàng)目被列為科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金、國(guó)家級(jí)火炬計(jì)劃、國(guó)防科工委“十一五”重點(diǎn)基礎(chǔ)科研課題、2008年—2009年國(guó)家級(jí)重點(diǎn)新產(chǎn)品。

經(jīng)過(guò)十幾年的研發(fā)，目前技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，已有幾家企業(yè)上馬生產(chǎn)。

山西省大同市境內(nèi)及桑干河流域，火山群遺址一帶擁有龐大的玄武巖礦石儲(chǔ)量，露頭玄武巖礦綿延50多平方公里，資源分布廣，基本儲(chǔ)量測(cè)算達(dá)180億噸。位于山西大同市的玄武巖產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃用地1800畝，“十二五”期間擬投資25億元，形成年產(chǎn)5萬(wàn)噸玄武巖連續(xù)纖維及后制品加工能力，實(shí)現(xiàn)銷售收入30億元，稅后利潤(rùn)8億元。項(xiàng)目分三期建設(shè)，建設(shè)規(guī)模分別為：一期年產(chǎn)1萬(wàn)噸，二期年產(chǎn)2萬(wàn)噸，三期年產(chǎn)5萬(wàn)噸。一期工程用地300畝，投資6.68億元，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)年銷售收入4.7億元，利潤(rùn)1.74億元，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯。

山西晉投玄武巖公司生產(chǎn)規(guī)模目前是世界第一，生產(chǎn)設(shè)備世界領(lǐng)先，項(xiàng)目所采用的氣電結(jié)合方式代表玄武巖產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展方向，生產(chǎn)工藝從原料開發(fā)，到熔爐熔制，再到產(chǎn)品成型，均為國(guó)家專利，世界惟一。目前生產(chǎn) 6μm、9μm、13μm、15μm、18μm等各種規(guī)格的原絲，產(chǎn)品性能經(jīng)權(quán)威部門檢測(cè)，拉伸強(qiáng)度已達(dá)到 0.7N/tex 以上，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)50%以上。產(chǎn)品得到了山西省各級(jí)部門的認(rèn)可，山西省交通廳專門召開會(huì)議，對(duì)接交通廳重點(diǎn)辦、交通科研院、建材設(shè)計(jì)院、大同市住建委、大同市規(guī)劃局、山西省路橋集團(tuán)公司等相關(guān)部門，建議在建設(shè)中推廣使用玄武巖纖維產(chǎn)品。

河北通輝科技有限公司一期投資8700萬(wàn)元、年產(chǎn)3000噸的玄武巖連續(xù)纖維生產(chǎn)線投入試生產(chǎn)。根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度安排，該公司將在今年年底前實(shí)現(xiàn)全面投產(chǎn)，屆時(shí)，將成為北方產(chǎn)能最大的玄武巖連續(xù)纖維生產(chǎn)線之一。預(yù)計(jì)2～3年內(nèi)，該項(xiàng)目將完成總投資2.8億元，建成年產(chǎn)2萬(wàn)噸的北方最大的玄武巖纖維產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售基地，并實(shí)現(xiàn)銷售收入10億元，利稅2億元，安排1600余人就業(yè)。

位于江蘇省儀征市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的天龍玄武巖連續(xù)纖維高新科技有限公司，是集連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)、研發(fā)、生產(chǎn)線設(shè)備制造及銷售于一體的企業(yè)。企業(yè)于2007年4月18日動(dòng)工建設(shè)。該項(xiàng)目占地面積約13.33萬(wàn)平方米，規(guī)劃建筑面積約5萬(wàn)平方米，項(xiàng)目總投資約38000萬(wàn)元，全部投產(chǎn)后，玄武巖連續(xù)纖維的年生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)5000噸。屆時(shí)，可為用戶提供多種規(guī)格的玄武巖連續(xù)纖維無(wú)捻粗紗、短切紗及各類玄武巖連續(xù)纖維制產(chǎn)品。

綠色環(huán)保性引領(lǐng)格局

由于玄武巖熔化過(guò)程中沒有硼和其它堿金屬氧化物等有害氣體排出，使玄武巖連續(xù)纖維的制造過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)害，克服了傳統(tǒng)材料在生產(chǎn)、使用和廢棄過(guò)程中需消耗大量的能源和造成環(huán)境污染等缺點(diǎn)，而且玄武巖纖維能自動(dòng)降解成為土壤的母質(zhì)，可持續(xù)和循環(huán)利用，玄武巖連續(xù)纖維是21世紀(jì)又一種新型的環(huán)保型纖維。玄武巖連續(xù)纖維的吸濕性極低，吸濕能力只有0.2%～0.3%，而且吸濕能力不隨時(shí)間變化，這就保證了它在使用過(guò)程中的熱穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命和環(huán)境協(xié)調(diào)性。

另外，玄武巖纖維還是碳纖維的低價(jià)替代品，具有一系列優(yōu)異性能。尤為重要的是，由于它取自天然礦石而無(wú)任何添加劑，是目前為止唯一的無(wú)環(huán)境污染的、不致癌的綠色健康玻璃質(zhì)纖維產(chǎn)品。所以玄武巖纖維在復(fù)合材料的增強(qiáng)材料領(lǐng)域的應(yīng)用，已引起廣泛的重視并將快速發(fā)展。

高技術(shù)纖維是國(guó)防軍工建設(shè)和支撐高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，它直接關(guān)系到國(guó)防科技工業(yè)的建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。玄武巖纖維就是繼碳纖維、芳綸、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維之后的第四大高技術(shù)纖維。它是21世紀(jì)在國(guó)防軍工領(lǐng)域有著非常重要應(yīng)用的一種高技術(shù)纖維，是體現(xiàn)國(guó)防科技戰(zhàn)略布局的一種新材料。

從全球的發(fā)展水平看，全世界玄武巖纖維的技術(shù)及規(guī)模尚處于初級(jí)階段，這給我們追趕乃至超過(guò)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)水平提供了很大的發(fā)展空間和市場(chǎng)機(jī)遇。在碳纖維短缺的時(shí)期，要積極開發(fā)新產(chǎn)品，以變應(yīng)變，把碳纖維的短缺當(dāng)作一個(gè)契機(jī)或轉(zhuǎn)機(jī)，開發(fā)以玄武巖纖維為原料的新產(chǎn)品。新產(chǎn)品開發(fā)要源于市場(chǎng)，更要高于市場(chǎng)，應(yīng)主動(dòng)去引導(dǎo)市場(chǎng)，例如利用玄武巖纖維優(yōu)異的綜合性能和良好的性價(jià)比，去開發(fā)更多的新產(chǎn)品。與其他高科技纖維的發(fā)展相比，我國(guó)玄武巖纖維的發(fā)展有希望“后來(lái)者居上”，并最終成為全世界最大的生產(chǎn)及應(yīng)用大國(guó)。

2013年5月，國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心發(fā)布了《鼓勵(lì)和支持石粉連續(xù)纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展》的調(diào)查研究報(bào)告，報(bào)告顯示，廢棄石粉拉制成的纖維，可以制造出各種性能優(yōu)異的復(fù)合材料、板材、管材等，是高科技、高附加值的新興材料。石粉連續(xù)纖維生產(chǎn)使用的高溫熔爐專利技術(shù)，是以乳膠方式直接熔融，抑制了一氧化碳的燃燒以及鹽酸和氮氧化物的生成，達(dá)到了零排放零污染。報(bào)告也提出了要把石粉連續(xù)纖維納入到國(guó)家科技發(fā)展規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中，支持石粉連續(xù)纖維研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)制定財(cái)政稅收扶持政策和建立健全投融資保障機(jī)制，培育優(yōu)勢(shì)核心企業(yè)。讓原本廢棄的碎石粉變“黃金”。

我國(guó)發(fā)展玄武巖連續(xù)纖維的各方面條件已經(jīng)成熟，在經(jīng)濟(jì)全球化的新形勢(shì)下，應(yīng)抓住機(jī)遇，通過(guò)消化吸收獨(dú)聯(lián)體的成熟技術(shù)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，充分發(fā)揮自身的科技優(yōu)勢(shì)，促使我國(guó)走出一條玄武巖連續(xù)纖維產(chǎn)業(yè)化的新路。