玄武岩纤维的发展现状及面临问题

马一越

(西安工程大学 协同创新中心,陕西 西安710048)

玄武岩纤维是一种来源于火山岩的纯天然材料,是一种无机纤维材料,因玄武岩矿石原料含有较高的铁元素,所以生产出的纤维颜色会带有一点铜色。玄武岩矿石中含有SiO2、Fe2O3、Al2O3等多种化学成分。将天然形成的玄武岩矿石作为主要的原材料经过碎化后放到1 450～1 500℃的高温熔炉中,并迅速被吸引到连续性的纤维中,在高温熔融状态下经过铂铑合金漏板的拉丝工艺而形成[1]。用这种方法制造出的玄武岩纤维直径比头发还要细很多,于是玄武岩纤维在航空航天、车船制造、电子设备等领域被广泛应用。玄武岩矿石组成的化学成分见表1。

表1 玄武岩矿石化学成分

1 玄武岩纤维的国内外发展及现状

1.1 国外玄武岩纤维研究发展及现状

最早在1840年英国人威尔斯是将玄武岩纤维尝试研发出来的第一人,后来一位名叫Paul Dhe的法国人在1923年申请了一项专利,该技术可以将纤维从玄武岩矿石中通过设备生产出来,1954年玄武岩纤维被苏联从玄武岩矿石中提取出来,苏联和美国在1960年之前就在军事上使用了玄武岩纤维,并以此来进行研究此纤维的用途特性。有许多玄武岩矿石原料存在于美国国土内,华盛顿州立大学便开始对玄武岩和玄武岩纤维的一些性质进行了研究,也都获得了专利。1985年,乌克兰通过200孔的漏板以及组合炉使用拉丝建造了第一台生产炉机器。苏联20世纪80年代到90年代完成了从最初投入到最后实现工业化生产。20世纪50年代苏联国防部将莫斯科和其他地区研究玄武岩纤维的机构收归国家所有,并且在乌克兰附近进行研究和成产制造。苏联研究成果在1991年后被公布出来并且使用在民用的产品中。90年代后俄罗斯在对玄武岩纤维的研究和生产上有了新的进展,研究出了新的工艺和生产设备。近些年,美国、日本等发达国家都开始对玄武岩纤维的研究和生产有了快速的突破,并且也有了许多科研成果,这在很大程度上促进了玄武岩纤维的生产发展,也让玄武岩纤维在应用上有了更广泛的前景。

1.2 国内玄武岩纤维研究发展及现状

由于我国有许多的玄武岩矿石原料,所以我国能保证稳定的原料储藏与供应。初期对玄武岩纤维进行研制的主要是苏联,而国内目前则是通过国外所提供的一些资料对玄武岩纤维进行认识和研究。我国对玄武岩纤维展开的科研工作总体上迟于其他发达国家,20世纪70年代国家建筑材料科学院和南京玻璃纤维研究院对玄武岩纤维在军事领域的应用开始进行了研究[2]。我国于2001年6月和俄罗斯开始了共同研究玄武岩纤维的项目,同年哈尔滨工业大学针对玄武岩纤维研究成功建设了单体炉纺丝装置。2002年,我国在863计划中新增了一项“连续玄武岩纤维及其复合材料”,这更加说明了我国对玄武岩纤维科研发展的重视,并且该纤维已经成为了我国对新材料发展的重要选择。2003年12月19日横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司在上海市南汇工业园区登记注册,该公司主要进行玄武岩纤维的科研制造以及销售的工作,公司承担了国家的863和火炬计划。2004年主要开始对直径11μm以上的玄武岩纤维生产,现在该公司在玄武岩纤维的研究上已经领先国内其他企业,也有一部分研究成果领先世界水平。近些年我国正努力进行对玄武岩纤维的科研工作,并获得了许多科研成果。国内对玄武岩纤维研究的工作主要有山西巴塞奥特科技有限公司、江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司、河北通辉科技有限责任公司、营口洪源玻纤科技有限公司、浙江石金玄武岩纤维有限公司、四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司、牡丹江金石玄武岩纤维有限公司、横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司等[3]。目前我国对玄武岩制造的工艺主要还是以200、400孔拉丝漏板单元炉为主。2019年我国玄武岩纤维产量达1.42万t,需求量约0.75万t,国内市场规模超过1亿元。2020年7月,首条玄武岩纤维2 400孔漏板拉丝智能池窑生产线和6万t玄武岩原料均化生产线投产,表明广安玄武岩纤维新材料产业处于技术前沿,并为将来我国大规模生产提供了条件。

2 玄武岩纤维的生产

现在国内各企业都是通过结合他们自身的特点以及在改良苏联的教学设备而建立起来的,因此国内各个生产商厂所使用的的工艺也不同。生产玄武岩纤维的典型技术,如图1所示。将玄武岩原料碎化,清洗后通过给料器和输送器输送到下料器中,在送到熔炉中经过1 500℃高温熔融,经过拉丝漏板和自动卷曲器将玄武岩纤维成形制造出来。

图1 玄武岩纤维生产工艺流程

3 我国玄武岩纤维产业发展面临的问题

3.1 玄武岩自身问题

玄武岩纤维在制造和生产中有一定的困难,选择用来生产纤维的玄武岩矿石原料不同,它们的结构和特点也不一样。地球熔岩是玄武岩矿石组成的主要成分,由此可见其具有一定的缺陷,再一个由于成分不一样而具有不同的化学性质,即使是相同的矿石原料也会有一些化学成分的差异。因此想要将玄武岩纤维应用在高端领域上则有一定的困难。张明胜等通过对贵州以及四川地区玄武岩的研究,发现玄武岩纤维的生产和玄武岩矿石原料有密切的关系,并不是所有的玄武岩矿石都适合用来成为生产玄武岩纤维的原料[4],有一些玄武岩部要通过助溶剂才能从中生产出玄武岩纤维。樊霆等对玄武岩矿物的组成形态,熔融析晶性能做了大量的研究和试验[5]。

3.2 生产过程中消耗的成本

3.2.1 较高的能源价格

由于中国较高的天然气价格,为了保证玄武岩纤维的生产,需要对熔矿炉结构、燃气-空气系统、燃气燃烧和喷涂进行改造,采用新技术、新能源供应系统和新型耐火保温材料。曹柏青等通过研究了不同地域玄武岩矿料的熔体特性,对窑炉热工仿真计算与窑炉结构设计优化,提出了电助熔技术、窑炉温度控制技术及熔体液位控制技术。

3.2.2 铂铑合金漏板的消耗

一方面在生产中漏板温度升高,另一方面纤维稳定性的降低和漏板寿命的缩短会受到高温蠕变的影响。合金的寿命也会受到熔体中铁氧化物的影响,制造纤维的效率、质量和检修周期以及成本都会被影响。于守富等认为在进行玄武岩纤维生产时对加热和漏板拉丝的技术还需要进行进一步的研究工作[6]。浙江石金玄武岩纤维有限公司研究在2013年完成1 200孔和1 600孔的研发[7]。

3.3 工艺技术水平

最初国内大多数企业在研究玄武岩纤维时,更多的是学习和模仿苏联的技术。通过一段时间的实践,这样做并不能使中国的工艺技术得到突破。现在国内各企业都是通过结合他们自身的特点以及改良苏联的教学设备而建立起来的,因此国内各个生产商厂所使用的的工艺也不同。我国目前通过全电熔炉以及气电结合炉来进行玄武岩纤维的制造生产[8]。若想有稳定的原丝密度,则使用全电炉更好;若想有较低的成本,则使用多套管拉丝技术的气电联合炉。国内近几年通过对玄武岩纤维的大力发展,相信在不久后通过各个企业的研究与发展,玄武岩纤维的生产成本还可以进一步降低。有学者通过研究,提出熔融体调制方法来让玄武岩矿石熔化的更加均匀;也有学者提出为了让玄武岩纤维大规模生产,可以使用一种规模化的池窑来对玄武岩进行均匀的加热;此外还有学者对制造设备进行进一步研究来降低成本。吴智深、刘建勋、董世成、于守富等分别针对玄武岩本身的难熔性、低传热性、易析晶等特点,设计了适合生产连续玄武岩纤维的窑炉,改善并提高了工艺技术[9-12]。

3.4 存在的问题

3.4.1 基础研究薄弱

只有通过对玄武岩纤维本身进行基础的认识与研究,才能对玄武岩纤维原料的挑选、生产工艺的设计及优化、产品的稳定性以及质量的提高等有更好的研发。初期对玄武岩纤维进行研制的是苏联,而国内目前则是通过国外所提供的资料对玄武岩纤维进行认识和研究,所以我国首先要加强的是对玄武岩纤维自身特性的研究。

3.4.2 原纱的生产工艺需要改进

料液漫流或着是断头飞丝的情况依旧会发生在玄武岩纤维的拉丝生产中,虽然通过小卷装拉丝的方法来改善这种情况,但还是不能解决原纱满筒率不高以及稳定性差的问题。生产管理效率较低,按13μm纳米纤维计算,生产200孔漏板,单工位日平均生产量仅为150 kg左右,仅为生产能力的60%,而无碱玻璃纤维的日平均增产量为250 kg,玄武岩纤维由于使用了大量的纤维原料,故不能定量化和稳定生产[13]。因为有条纹、气泡等存在熔化液中,而且玄武岩熔液中存在铁元素,所以有较大的温度变化,所以依旧会有不均匀高温熔液的问题。为了解决这些问题就必须改变现有生产的工艺,将熔液和拉丝工艺的稳定性得到提升。马鹏程等研究出了一种浸润剂来改善纤维的集束性[14];江山等研发了一种浸润剂来处理纤维的拉挤、缠绕。

4 结语

玄武岩纤维有着突出的物理和化学性能,根据国内现在对玄武岩纤维特性的了解和使用情况,主要用在玻璃钢、建筑以及道路建设材料这三个方面以及其他功能性产品中。所以在纤维增强混凝土、纤维增强水泥和道路沥青封层技术中得到了广泛的应用[15]。用玄武岩纤维完全取代天然砂可以提高混凝土强度和耐久性。玄武岩纤维能够防辐射、防水,并且在酸碱条件下也能保持优异的性能,有着优秀的耐高温和超低温性,相比其他材料玄武岩纤维没有石棉或致癌物质,满足绿色环保的观念,如保温、高温过滤等材料这些以发挥物理化学性能为主要目标的功能纺织品和功能复合材料等技术正被受到重视。但是目前生产玄武岩纤维的工艺并不是很成熟,所以还是有很高的生产成本。玄武岩纤维的性价比仍比不上别的高性能纤维,所以要充分利用玄武岩纤维的自身优势开拓市场。