玄武巖纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

孫哲 余黎明

1 概述

玄武巖纖維，是天然火山巖在高溫熔融流體化后經(jīng)貴金屬（如鉑銠合金）漏板高速連續(xù)拉絲而成，其主要優(yōu)異的物化性質(zhì)如表1所示。高性能纖維物化性能對比分析如表2所示。

玄武巖纖維具有優(yōu)異的耐溫性、單絲力學強度、彈性模量、密度、蠕變斷裂應力、化學穩(wěn)定性等物理化學性質(zhì)，耐腐蝕性優(yōu)于普通玻璃纖維，力學性能指標也優(yōu)于普通玻璃纖維約30%，蠕變率則約為芳綸纖維的1/4，工藝能耗約為碳纖維的1/16。

玄武巖纖維產(chǎn)品形式主要有原絲、無捻粗紗、加捻紗，市場應用產(chǎn)品包括紡織品（例如縫紉線、方格布）、復合材料（例如水窖、管道），應用領域包括國防軍工、土建設施、建筑增強、海洋工程、電力特高壓輸送、軌道交通車輛、汽車輕量化、消防、環(huán)保。

2 發(fā)展現(xiàn)狀分析

2017年，全球玄武巖纖維主要生產(chǎn)企業(yè)約35家，年產(chǎn)量約5萬t，產(chǎn)能主要來自烏克蘭，俄羅斯、美國、德國等國家也是主要生產(chǎn)國。其中俄羅斯玄武巖纖維年產(chǎn)量約2 000～5 000t，主要應用于軍工、油氣管道；美國玄武巖纖維年產(chǎn)量約3 000～5 000t。

我國也非常重視玄武巖纖維的發(fā)展。2002年，玄武巖纖維被列入國家“863”計劃，之后國家出臺系列產(chǎn)業(yè)政策鼓勵、指導發(fā)展玄武巖纖維產(chǎn)品，主要相關政策包括：《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》《新材料產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點產(chǎn)品和服務指導目錄》《新材料產(chǎn)業(yè)標準化工作三年行動計劃》（2013年）《〈中國制造2025〉重點領域技術路線圖》 《“十三五”材料領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2017年版）》。此外，在地方層面，四川省出臺《玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》（2016年）對相關產(chǎn)業(yè)進行指導和扶持。

2010年以來，我國玄武巖纖維行業(yè)產(chǎn)能初具規(guī)模，產(chǎn)品應用于交通、建筑領域，主要生產(chǎn)企業(yè)浙江石金玄武巖纖維有限公司、四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司、四川炬原玄武巖纖維科技有限公司、貴州石鑫玄武巖科技有限公司、浙江石金玄武巖纖維有限公司、牡丹江金石玄武巖纖維有限公司、山西巴塞奧特科技有限公司、遼寧金石科技集團有限公司、營口市洪源玻纖科技有限公司、江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司、河北通輝科技有限責任公司。2014年，吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司的產(chǎn)品通過ISO/TS 16949體系認證，在汽車行業(yè)取得應用突破。

據(jù)統(tǒng)計，截至2017年，我國玄武巖纖維生產(chǎn)企業(yè)25家，玄武巖纖維紗產(chǎn)量>1.0～2.0萬t，預計2020年我國玄武巖纖維產(chǎn)量有望超過3萬t。

3 工藝技術分析

國內(nèi)外玄武巖纖維生產(chǎn)工藝技術開發(fā)重要節(jié)點如下：1922年，美國人申請全球最早的玄武巖連續(xù)纖維制造技術專利；21世紀60年代，前蘇聯(lián)率先著手研發(fā)玄武巖纖維，美國、德國、日本也相繼展開相關研究；20世紀70年代，玄武巖纖維在烏克蘭基輔實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)（前蘇聯(lián)國家級的軍工項目）；2001年6月，玄武巖纖維及其復合材料應用項目列入“中、俄2國政府間科技合作項目”，相應地，俄金玄武巖纖維公司（深圳）應運而生；2002年8月，玄武巖被列入國家“863計劃”，2005年正式通過國家“863”項目驗收。

3.1 生產(chǎn)工段

玄武巖纖維的主要生產(chǎn)工段包括選料、磨料、熔融、拉絲。

選料：玄武巖屬于硅酸鹽，主要由二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（A12O3）、氧化鈣（CaO）構(gòu)成，其他組分包括三氧化二鐵（Fe2O3）、氧化鐵（FeO）、氧化鈦（TiO2）、氧化鉀（K2O），實際生產(chǎn)原料要求礦石儲量充足、性能指標要求。

磨料：磨料工段主要包括原料礦石粉碎、磁選（選料器）、均勻攪拌。

熔融：磨料工段的待用料首先預熱至900℃左右，然后進入電爐升溫至1 300～1 400℃（加熱方式主要是電極輻射和高溫對流）。

拉絲：熔融體經(jīng)鉑銠合金漏板牽引、拉制纖維成纖維，然后在浸潤劑的作用下經(jīng)集束器、纖維張緊器、自動繞絲機繞最終成筒。

3.2 工藝水平

目前，我國擁有玄武巖纖維制造技術及工藝的完全自主知識產(chǎn)權(quán)[1]，制造工藝達基本國際水平同步，具體表現(xiàn)以下4方面：

穩(wěn)定性：多元均配混配技術已能實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的長周期穩(wěn)定性[2]。

量產(chǎn)化：長壽命大池窯已實現(xiàn)年產(chǎn)1000 t產(chǎn)能規(guī)模。

高端化：纖維產(chǎn)品具有高強度、耐高溫、耐堿等優(yōu)異性能。其中，高強度單絲強度>4000 MPa，模量>110 GPa；耐溫性可以達到800℃；耐堿纖維強度保留率>80%。

環(huán)保性：玄武巖纖維熔煉工藝不需添加化工助劑，生產(chǎn)過程幾乎無“三廢”產(chǎn)生，產(chǎn)品廢棄后可在自然降解，環(huán)境友好性較為突出。

3.3 影響因素

整體而言，玄武巖纖維核心工藝技術環(huán)節(jié)是礦石熔融、拉絲，玄武巖纖維的質(zhì)量，與玄武巖礦石原料的成色有關，也與關鍵設備如熔爐、池窖、拉絲漏板等有關，也與浸潤劑中的成膜劑有關。

玄武巖礦石的化學成分決定成纖的性能指標，過量的鐵元素可導致玄武巖熔體的熱透性差，熔化不充分，降低熔制效率。

受自然因素影響，玄武巖礦床成分、內(nèi)部結(jié)晶體具有差異，可導致熔巖體不均勻，未充分熔融的微晶體極易成為晶核。

玄武巖成纖溫度區(qū)間較窄，析晶溫度和拉絲溫度基本一致，析晶會對成纖的拉伸強度造成不利影響（例如，斷絲）。

在加熱過程中，密度較大的鐵氧化物向窯底鉑銠合金漏板富集，造成侵蝕。

小型漏板平均使用壽命約9個月，大漏板約11個月。以800孔漏板為例，從安裝到調(diào)整至正常作業(yè)水平需要一周左右時間。在澆筑好的漏板表面涂覆表面處理劑已通過實際生產(chǎn)驗證，具有一定的增效降本效果，處理劑類型、濃度尚需進一步深入研究。

浸潤劑的重要組份是成膜劑，成膜劑制造技術、纖維表面處理浸潤劑配方技術是玄武巖纖維的核心技術，對纖維生產(chǎn)質(zhì)量、纖維與樹脂基體相容浸潤性以及復合材料的物理化學性能具有重大影響。其中，環(huán)氧樹脂乳液是我國玄武巖纖維成膜劑常用品種，相關纖維增強復合材料需開發(fā)、使用具有針對性的浸潤劑。

4 玄武巖纖維應用前景分析

玄武巖纖維是無機硅酸鹽纖維，與硅酸鹽材料（水泥、混凝土）具有天然的相容性，在瀝青封層、水泥增強、混凝土增強領域具有技術優(yōu)勢。

以增強混凝土結(jié)構(gòu)為例，短切玄武巖纖維摻入水泥基體可形成均勻三維牽拉“微骨架”體系，可承受收縮變形應力，增加材質(zhì)韌性，提高構(gòu)件延性，抑制裂紋，是高性價比的增強材料。玄武巖纖維在提高混凝土的質(zhì)量性能方面，具體表現(xiàn)為以下3方面：

①玄武巖纖維增強混凝土的抗壓強度提高約2.6%，有利于提高混凝土的抗凍性能。

②玄武巖纖維增強混凝土劈裂抗拉強度提高約9.8%，抗彎強度提高約15.3%，抗彎極限拉伸長度提高約19.1%，延緩形成初始裂縫，減少混凝土收縮引起的微裂紋。

③玄武巖纖維增強材料筋可有效替代鋼材，解決金屬材料銹蝕和維修等工程問題，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性。

以道路瀝青封層為例，瀝青路面加入錨結(jié)玄武巖纖維絲，可抑制路面橫向開裂。玄武巖纖維絲布置于路面上層，能較好預防路表橫向開裂；玄武巖纖維絲布置于路面下層，可預防半剛性基層反射裂縫的形成。

在土木工程材料領域，短切玄武巖纖維、連續(xù)纖維增強復合材料制品（筋材/連接件、索材、網(wǎng)格、型材）作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料（地暖板、吸聲板）得到推廣應用，用量已超過碳纖維

此外，玄武巖纖維的吸音系數(shù)、工作溫度高，已用于制備熱處理設備、防火保溫制品、消聲設備。

目前，玄武巖纖維制品已在房屋建筑、機場跑道、橋梁等示范工程項目獲得驗證，相關產(chǎn)品、方法標準如表3所示。

此外，涉及玄武巖纖維的相關標準還包括：《纖維增強復合材料建設工程應用技術規(guī)范》（GB 50608-2010）、《砌體結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》（GB 50702-2011）、《袋式除塵用針刺非織造過濾材料》（FZ/T64055-2015）。

玄武巖纖維具有在諸多國民經(jīng)濟領域具有擴大應用的可能，具體包括：①建筑增強：替代鋼筋、玻璃纖維；②瀝青/水泥混凝土增強添加劑：替代木質(zhì)素纖維、聚酯纖維；③管道：玄武巖纖維制腐蝕性氣體（例如，CO2、H2S）防護性較強，相關輸油管道服役50年的腐蝕程度<5%（20℃使用環(huán)境），以及城市給排水管道，替代鋼材；④電線路桿塔：替代鋼、鋁合金、水泥、木材、玻璃鋼；⑤風光互補系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件：替代鋼材；⑥光伏支架：替代Q235鋼；⑦玄武巖纖維復合材料：建筑墻體保溫裝飾復合板（玄武巖纖維、特種石墨改性聚氨酯硬泡）、水下網(wǎng)箱（玄武巖連續(xù)纖維、高強度樹脂復合材料替代金屬材料）。

5 發(fā)展建議

我國玄武巖纖維在建筑領域的應用尚處于初級階段，市場需求進一步發(fā)展尚面臨諸多應用技術難題：①進一步降低生產(chǎn)成本，穩(wěn)定產(chǎn)品性能，完善行業(yè)標準體系；②玄武巖纖維是脆性材料，纖維密度較大，耐磨性差，織造性能不理想；③在相同水灰比條件下，水泥膠砂流動性隨玄武巖纖維摻加量的增加而降低，對混凝土工作性能產(chǎn)生不良影響；④我國成膜劑研發(fā)水平尚處于全球中低端水平，不能滿足高性能玄武巖纖維的生產(chǎn)要求。

為推動玄武巖纖維市場的進一步發(fā)展，可在道路橋梁、機場跑道、高速鐵路、客運專線軌道板、大壩等領域建立示范工程，積累實際工程經(jīng)驗。具體來說：①在玄武巖纖維混凝土增強結(jié)構(gòu)領域，深入研究玄武巖纖維、高性能混凝土配制；②根據(jù)結(jié)構(gòu)應用的具體要求，開發(fā)復合纖維材料產(chǎn)品（例如玄武巖纖維、碳纖維）滿足市場消費需求。據(jù)相關報道，玄武巖纖維/碳纖維混雜技術已成功架設跨度54m承載30t的輕量化橋梁（減重40%）；③針對不同結(jié)構(gòu)應用形式，完善玄武巖復合材料耐久性設計、輕量化設計、低碳化設計、損傷可控設計、壽命可控設計。

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