玄武巖纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨問題

馬一越

(西安工程大學(xué) 協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西 西安710048)

玄武巖纖維是一種來源于火山巖的純天然材料,是一種無機(jī)纖維材料,因玄武巖礦石原料含有較高的鐵元素,所以生產(chǎn)出的纖維顏色會(huì)帶有一點(diǎn)銅色。玄武巖礦石中含有SiO2、Fe2O3、Al2O3等多種化學(xué)成分。將天然形成的玄武巖礦石作為主要的原材料經(jīng)過碎化后放到1 450～1 500℃的高溫熔爐中,并迅速被吸引到連續(xù)性的纖維中,在高溫熔融狀態(tài)下經(jīng)過鉑銠合金漏板的拉絲工藝而形成[1]。用這種方法制造出的玄武巖纖維直徑比頭發(fā)還要細(xì)很多,于是玄武巖纖維在航空航天、車船制造、電子設(shè)備等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。玄武巖礦石組成的化學(xué)成分見表1。

表1 玄武巖礦石化學(xué)成分

1 玄武巖纖維的國(guó)內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外玄武巖纖維研究發(fā)展及現(xiàn)狀

最早在1840年英國(guó)人威爾斯是將玄武巖纖維嘗試研發(fā)出來的第一人,后來一位名叫Paul Dhe的法國(guó)人在1923年申請(qǐng)了一項(xiàng)專利,該技術(shù)可以將纖維從玄武巖礦石中通過設(shè)備生產(chǎn)出來,1954年玄武巖纖維被蘇聯(lián)從玄武巖礦石中提取出來,蘇聯(lián)和美國(guó)在1960年之前就在軍事上使用了玄武巖纖維,并以此來進(jìn)行研究此纖維的用途特性。有許多玄武巖礦石原料存在于美國(guó)國(guó)土內(nèi),華盛頓州立大學(xué)便開始對(duì)玄武巖和玄武巖纖維的一些性質(zhì)進(jìn)行了研究,也都獲得了專利。1985年,烏克蘭通過200孔的漏板以及組合爐使用拉絲建造了第一臺(tái)生產(chǎn)爐機(jī)器。蘇聯(lián)20世紀(jì)80年代到90年代完成了從最初投入到最后實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)國(guó)防部將莫斯科和其他地區(qū)研究玄武巖纖維的機(jī)構(gòu)收歸國(guó)家所有,并且在烏克蘭附近進(jìn)行研究和成產(chǎn)制造。蘇聯(lián)研究成果在1991年后被公布出來并且使用在民用的產(chǎn)品中。90年代后俄羅斯在對(duì)玄武巖纖維的研究和生產(chǎn)上有了新的進(jìn)展,研究出了新的工藝和生產(chǎn)設(shè)備。近些年,美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都開始對(duì)玄武巖纖維的研究和生產(chǎn)有了快速的突破,并且也有了許多科研成果,這在很大程度上促進(jìn)了玄武巖纖維的生產(chǎn)發(fā)展,也讓玄武巖纖維在應(yīng)用上有了更廣泛的前景。

1.2 國(guó)內(nèi)玄武巖纖維研究發(fā)展及現(xiàn)狀

由于我國(guó)有許多的玄武巖礦石原料,所以我國(guó)能保證穩(wěn)定的原料儲(chǔ)藏與供應(yīng)。初期對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行研制的主要是蘇聯(lián),而國(guó)內(nèi)目前則是通過國(guó)外所提供的一些資料對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行認(rèn)識(shí)和研究。我國(guó)對(duì)玄武巖纖維展開的科研工作總體上遲于其他發(fā)達(dá)國(guó)家,20世紀(jì)70年代國(guó)家建筑材料科學(xué)院和南京玻璃纖維研究院對(duì)玄武巖纖維在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用開始進(jìn)行了研究[2]。我國(guó)于2001年6月和俄羅斯開始了共同研究玄武巖纖維的項(xiàng)目,同年哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)玄武巖纖維研究成功建設(shè)了單體爐紡絲裝置。2002年,我國(guó)在863計(jì)劃中新增了一項(xiàng)“連續(xù)玄武巖纖維及其復(fù)合材料”,這更加說明了我國(guó)對(duì)玄武巖纖維科研發(fā)展的重視,并且該纖維已經(jīng)成為了我國(guó)對(duì)新材料發(fā)展的重要選擇。2003年12月19日橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司在上海市南匯工業(yè)園區(qū)登記注冊(cè),該公司主要進(jìn)行玄武巖纖維的科研制造以及銷售的工作,公司承擔(dān)了國(guó)家的863和火炬計(jì)劃。2004年主要開始對(duì)直徑11μm以上的玄武巖纖維生產(chǎn),現(xiàn)在該公司在玄武巖纖維的研究上已經(jīng)領(lǐng)先國(guó)內(nèi)其他企業(yè),也有一部分研究成果領(lǐng)先世界水平。近些年我國(guó)正努力進(jìn)行對(duì)玄武巖纖維的科研工作,并獲得了許多科研成果。國(guó)內(nèi)對(duì)玄武巖纖維研究的工作主要有山西巴塞奧特科技有限公司、江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維高新科技有限公司、河北通輝科技有限責(zé)任公司、營(yíng)口洪源玻纖科技有限公司、浙江石金玄武巖纖維有限公司、四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司、牡丹江金石玄武巖纖維有限公司、橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司等[3]。目前我國(guó)對(duì)玄武巖制造的工藝主要還是以200、400孔拉絲漏板單元爐為主。2019年我國(guó)玄武巖纖維產(chǎn)量達(dá)1.42萬t,需求量約0.75萬t,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模超過1億元。2020年7月,首條玄武巖纖維2 400孔漏板拉絲智能池窯生產(chǎn)線和6萬t玄武巖原料均化生產(chǎn)線投產(chǎn),表明廣安玄武巖纖維新材料產(chǎn)業(yè)處于技術(shù)前沿,并為將來我國(guó)大規(guī)模生產(chǎn)提供了條件。

2 玄武巖纖維的生產(chǎn)

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各企業(yè)都是通過結(jié)合他們自身的特點(diǎn)以及在改良蘇聯(lián)的教學(xué)設(shè)備而建立起來的,因此國(guó)內(nèi)各個(gè)生產(chǎn)商廠所使用的的工藝也不同。生產(chǎn)玄武巖纖維的典型技術(shù),如圖1所示。將玄武巖原料碎化,清洗后通過給料器和輸送器輸送到下料器中,在送到熔爐中經(jīng)過1 500℃高溫熔融,經(jīng)過拉絲漏板和自動(dòng)卷曲器將玄武巖纖維成形制造出來。

圖1 玄武巖纖維生產(chǎn)工藝流程

3 我國(guó)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題

3.1 玄武巖自身問題

玄武巖纖維在制造和生產(chǎn)中有一定的困難,選擇用來生產(chǎn)纖維的玄武巖礦石原料不同,它們的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)也不一樣。地球熔巖是玄武巖礦石組成的主要成分,由此可見其具有一定的缺陷,再一個(gè)由于成分不一樣而具有不同的化學(xué)性質(zhì),即使是相同的礦石原料也會(huì)有一些化學(xué)成分的差異。因此想要將玄武巖纖維應(yīng)用在高端領(lǐng)域上則有一定的困難。張明勝等通過對(duì)貴州以及四川地區(qū)玄武巖的研究,發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的生產(chǎn)和玄武巖礦石原料有密切的關(guān)系,并不是所有的玄武巖礦石都適合用來成為生產(chǎn)玄武巖纖維的原料[4],有一些玄武巖部要通過助溶劑才能從中生產(chǎn)出玄武巖纖維。樊霆等對(duì)玄武巖礦物的組成形態(tài),熔融析晶性能做了大量的研究和試驗(yàn)[5]。

3.2 生產(chǎn)過程中消耗的成本

3.2.1 較高的能源價(jià)格

由于中國(guó)較高的天然氣價(jià)格,為了保證玄武巖纖維的生產(chǎn),需要對(duì)熔礦爐結(jié)構(gòu)、燃?xì)?空氣系統(tǒng)、燃?xì)馊紵蛧娡窟M(jìn)行改造,采用新技術(shù)、新能源供應(yīng)系統(tǒng)和新型耐火保溫材料。曹柏青等通過研究了不同地域玄武巖礦料的熔體特性,對(duì)窯爐熱工仿真計(jì)算與窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,提出了電助熔技術(shù)、窯爐溫度控制技術(shù)及熔體液位控制技術(shù)。

3.2.2 鉑銠合金漏板的消耗

一方面在生產(chǎn)中漏板溫度升高,另一方面纖維穩(wěn)定性的降低和漏板壽命的縮短會(huì)受到高溫蠕變的影響。合金的壽命也會(huì)受到熔體中鐵氧化物的影響,制造纖維的效率、質(zhì)量和檢修周期以及成本都會(huì)被影響。于守富等認(rèn)為在進(jìn)行玄武巖纖維生產(chǎn)時(shí)對(duì)加熱和漏板拉絲的技術(shù)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究工作[6]。浙江石金玄武巖纖維有限公司研究在2013年完成1 200孔和1 600孔的研發(fā)[7]。

3.3 工藝技術(shù)水平

最初國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)在研究玄武巖纖維時(shí),更多的是學(xué)習(xí)和模仿蘇聯(lián)的技術(shù)。通過一段時(shí)間的實(shí)踐,這樣做并不能使中國(guó)的工藝技術(shù)得到突破?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)各企業(yè)都是通過結(jié)合他們自身的特點(diǎn)以及改良蘇聯(lián)的教學(xué)設(shè)備而建立起來的,因此國(guó)內(nèi)各個(gè)生產(chǎn)商廠所使用的的工藝也不同。我國(guó)目前通過全電熔爐以及氣電結(jié)合爐來進(jìn)行玄武巖纖維的制造生產(chǎn)[8]。若想有穩(wěn)定的原絲密度,則使用全電爐更好;若想有較低的成本,則使用多套管拉絲技術(shù)的氣電聯(lián)合爐。國(guó)內(nèi)近幾年通過對(duì)玄武巖纖維的大力發(fā)展,相信在不久后通過各個(gè)企業(yè)的研究與發(fā)展,玄武巖纖維的生產(chǎn)成本還可以進(jìn)一步降低。有學(xué)者通過研究,提出熔融體調(diào)制方法來讓玄武巖礦石熔化的更加均勻;也有學(xué)者提出為了讓玄武巖纖維大規(guī)模生產(chǎn),可以使用一種規(guī)?；某馗G來對(duì)玄武巖進(jìn)行均勻的加熱;此外還有學(xué)者對(duì)制造設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步研究來降低成本。吳智深、劉建勛、董世成、于守富等分別針對(duì)玄武巖本身的難熔性、低傳熱性、易析晶等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了適合生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維的窯爐,改善并提高了工藝技術(shù)[9-12]。

3.4 存在的問題

3.4.1 基礎(chǔ)研究薄弱

只有通過對(duì)玄武巖纖維本身進(jìn)行基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)與研究,才能對(duì)玄武巖纖維原料的挑選、生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)及優(yōu)化、產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及質(zhì)量的提高等有更好的研發(fā)。初期對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行研制的是蘇聯(lián),而國(guó)內(nèi)目前則是通過國(guó)外所提供的資料對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行認(rèn)識(shí)和研究,所以我國(guó)首先要加強(qiáng)的是對(duì)玄武巖纖維自身特性的研究。

3.4.2 原紗的生產(chǎn)工藝需要改進(jìn)

料液漫流或著是斷頭飛絲的情況依舊會(huì)發(fā)生在玄武巖纖維的拉絲生產(chǎn)中,雖然通過小卷裝拉絲的方法來改善這種情況,但還是不能解決原紗滿筒率不高以及穩(wěn)定性差的問題。生產(chǎn)管理效率較低,按13μm納米纖維計(jì)算,生產(chǎn)200孔漏板,單工位日平均生產(chǎn)量?jī)H為150 kg左右,僅為生產(chǎn)能力的60%,而無堿玻璃纖維的日平均增產(chǎn)量為250 kg,玄武巖纖維由于使用了大量的纖維原料,故不能定量化和穩(wěn)定生產(chǎn)[13]。因?yàn)橛袟l紋、氣泡等存在熔化液中,而且玄武巖熔液中存在鐵元素,所以有較大的溫度變化,所以依舊會(huì)有不均勻高溫熔液的問題。為了解決這些問題就必須改變現(xiàn)有生產(chǎn)的工藝,將熔液和拉絲工藝的穩(wěn)定性得到提升。馬鵬程等研究出了一種浸潤(rùn)劑來改善纖維的集束性[14];江山等研發(fā)了一種浸潤(rùn)劑來處理纖維的拉擠、纏繞。

4 結(jié)語(yǔ)

玄武巖纖維有著突出的物理和化學(xué)性能,根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)在對(duì)玄武巖纖維特性的了解和使用情況,主要用在玻璃鋼、建筑以及道路建設(shè)材料這三個(gè)方面以及其他功能性產(chǎn)品中。所以在纖維增強(qiáng)混凝土、纖維增強(qiáng)水泥和道路瀝青封層技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用[15]。用玄武巖纖維完全取代天然砂可以提高混凝土強(qiáng)度和耐久性。玄武巖纖維能夠防輻射、防水,并且在酸堿條件下也能保持優(yōu)異的性能,有著優(yōu)秀的耐高溫和超低溫性,相比其他材料玄武巖纖維沒有石棉或致癌物質(zhì),滿足綠色環(huán)保的觀念,如保溫、高溫過濾等材料這些以發(fā)揮物理化學(xué)性能為主要目標(biāo)的功能紡織品和功能復(fù)合材料等技術(shù)正被受到重視。但是目前生產(chǎn)玄武巖纖維的工藝并不是很成熟,所以還是有很高的生產(chǎn)成本。玄武巖纖維的性價(jià)比仍比不上別的高性能纖維,所以要充分利用玄武巖纖維的自身優(yōu)勢(shì)開拓市場(chǎng)。