玄武岩纤维基本特征及应用前景分析

2022-11-11宋平高欢汪灵郑智仁乘舟越洋王哲皓

矿产保护与利用 2022年4期

宋平,高欢,汪灵,,郑智仁 ,乘舟越洋,王哲皓

1. 成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059；2. 成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都 610059

引言

连续玄武岩纤维(Continuous basalt fiber)，简称玄武岩纤维(CBF)，通常指以玄武岩矿石为唯一原料，经高温熔融(±1 500 ℃)、铂铑合金漏板快速拉丝(1 320～1 450 ℃)制备的一种非晶态无机非金属连续纤维[1]。玄武岩纤维被誉为是21世纪的新材料，与碳纤维、芳纶纤维、高分子量聚乙烯纤维一道被国家列为重点发展的四大高技术纤维。玄武岩纤维主要由硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧角顶的方式连接形成连续的线性结构。玄武岩纤维长度可达数十千米，是一种非晶态、近程有序、远程无序的无机纤维材料。如图1所示，玄武岩纤维的外表具有金属光泽，它的表面形态与其他人造化学纤维相似，整体呈光滑的圆柱形，缺陷较少[2]。玄武岩纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量、耐酸碱性好、服役寿命长、无污染、工作温度范围宽和吸湿性低等特点[3]，是一种十分重要的力学增强功能矿物材料，在轻质高强复合材料领域中有着越来越广泛的应用[1]。相比于碳纤维、高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等，玄武岩纤维是唯一使用天然的单一矿石原料，在无需任何添加剂的条件下，生产制备的绿色环保结构材料[1]。玄武岩纤维生产原料来源丰富，生产成本低[4-6]，综合性能优异，用途广泛，大力开发玄武岩纤维及其制品具有较好的经济和社会效益。

图1 连续玄武岩纤维数码照片

1 玄武岩纤维原料

玄武岩是由基性岩浆在地表快速冷凝形成的致密块状或气孔状的基性喷出岩(图2)，是组成地球洋壳和陆壳的重要岩石。玄武岩的原料特征对纤维拉丝工艺和物化性能起决定性作用。玄武岩的主要化学组分为SiO2(45%～52%)、TiO2(1%～3%)、Al2O3(12%～18%)、Fe2O3+FeO(9%～15%)、CaO(6%～10%)、MgO(5%～10%)、K2O+Na2O(3%～10%)；玄武岩的主要矿物为辉石和基性斜长石，次要矿物为橄榄石、角闪石、石榴子石、绿泥石等，副矿物为磁铁矿、钛铁矿等，此外还可含一定量的玻璃质；玄武岩的结构主要是斑状结构和无斑隐晶质结构，基质具间粒结构、间隐结构、拉斑玄武结构、玻璃质结构等；其主要构造为块状构造、气孔状构造、杏仁状构造(杏仁体中的填充物质主要为绿泥石和石英等)和柱状解理构造等[7]。

玄武岩的种类较多，分布十分广泛，根据化学成分可分为碱性玄武岩、钙碱性玄武岩、拉斑玄武岩和高铝玄武岩；根据矿物组成可分为橄榄玄武岩、辉石玄武岩等；按结构构造可分为粗玄岩、玄武岩、玻璃玄武岩、气孔玄武岩、杏仁玄武岩等。玄武岩在世界各地均有分布，俄罗斯玄武岩储量非常丰富，主要分布在乌拉尔、堪察加半岛、库页岛、科拉半岛、西伯利亚西北部和外高加索等地；菲律宾、美国西部、印度等地也有广泛分布的玄武岩；乌克兰的玄武岩分布比较广，且特别适合纤维加工[8]。中国的玄武岩资源分布十分广泛，主要在四川、云南、贵州、河北、甘肃、黑龙江、青海、河南、安徽、海南、山东等地[9-12]。尽管玄武岩资源在全球分布广泛，然而研究表明，并非所有种类的玄武岩都能用于生产玄武岩纤维，只有组成和结构符合特定要求的某种类型才能用于拉丝[13]。

图2 玄武岩数码照片(a: 致密块状, 产自黑龙江鸡西; b: 气孔状, 产自内蒙古多伦县滦源镇)

2 玄武岩纤维加工制备及拉丝工艺性能

玄武岩纤维的生产方式主要为池窑，其总体生产流程如图3所示，大致可以分为以下4个步骤[1,10]：(1)投料：将粉碎后玄武岩原料放入储藏器里，然后按照一定的程序定时、定量、均匀地投到熔样炉里；(2)熔样：在熔样炉中通过电或气或电气结合的方式，将原料熔化为成分均匀、温度和黏度稳定的熔体，熔融温度约1 500 ℃；(3)转移熔体：将熔体转移到拉丝系统中，漏板上方需保持恒温和均匀；(4)拉丝：熔体通过漏板，在自重的作用下牵拉成丝，集合成束，在快速缠绕作用下，不断拉伸变细，拉丝温度一般为1 320～1 450 ℃。

1—碎石筒仓; 2—料斗; 3—运输系统; 4—分批加料装置; 5—初始熔融区; 6—二次加热区, 温度控制精确; 7—漏板及拉丝; 8—施胶器; 9—形成缕丝; 10—纤维张紧装置; 11—自动缠绕装置

其中，熔制工艺和纤维成型工艺是玄武岩纤维拉丝生产的重要环节，其主要取决于原料的成分均匀性、熔化温度、黏度、析晶温度和拉丝温度等工艺性能，并对玄武岩熔体的均质性和纤维成型稳定性具有十分重要的影响[14]。Dzhigiris等[15]研究了乌克兰和格鲁吉亚的三种玄武岩的黏度、熔化温度和工作温度，结果表明原料熔化温度范围在1 175～1 350 ℃区间适用于生产玄武岩纤维，工作温度的黏度为10～30 Pa·s，工作温度下，玄武岩熔体与铂铑合金的接触角为14°～17°，低于铝硅酸盐玻璃。Makhova等[16-17]研究发现适合生产超细玄武岩纤维的原料应具有中等黏度，即玄武岩熔体在1 450 ℃时黏度为30～55 dPa·s，在1 300 ℃时黏度为180～310 dPa·s，黏滞活化能不超过290 kJ/mol，析晶上限温度要小于1 290 ℃；隐晶质玄武岩在1 100～1 450 ℃这个区间熔化，形成的玻璃熔体是无微晶的，有利于玄武岩超细纤维的生产。刘嘉麒[10]提出熔体的黏度基本上与温度成反比，温度升高，黏度相对降低；碱性组分增多，黏度降低；反之，酸性组分增多，黏度增大，不利于拉丝。梁磊等人[18]研究了辽宁建平、黑山和黑龙江鸡西的玄武岩熔制工艺性能，发现玄武岩玻璃的析晶温度范围为1 100～1 310 ℃；根据以往的经验，拉丝温度要高于析晶上限温度40～50 ℃，确定拉丝最高温度为1 350 ℃。

玄武岩纤维的拉丝工艺方面目前还存在一些问题，各玄武岩纤维企业在纤维制造方面，生产技术水平存在一定差异：(1)熔制效率低、能源成本高。在窑炉技术方面，我国玄武岩纤维企业主要使用全电熔炉和气电结合炉两种，目前主要存在的在问题，如熔制效率低、产量低、熔化不充分等，目前一般采用的拉丝漏板数为400或600孔，少数企业可达到800～1 200孔甚至更大，与普通玻璃纤维采用的4 000 ～8 000孔的漏板相比，生产效率十分低下。(2)浸润剂技术复杂。浸润剂是玄武岩纤维制备的关键性助剂，对增强纤维的润滑性、抗静电性、黏连性等具有十分重要的作用；目前，浸润剂存在品种单一、配方设计复杂、使用工艺难度大等问题。(3)漏板易遭腐蚀、更换成本高。目前玄武岩纤维生产厂家主要采用铂铑合金漏板，电熔加热方式会使铁氧化物向窑底富集，并加速对铂铑合金的侵蚀，缩短漏板的使用寿命，使生产成本增加[20]。

3 玄武岩纤维主要物化性质

玄武岩纤维具有优良的物理和化学性能。表1为几种常见纤维的主要性能对比。玄武岩纤维直径为微米级(±10 μm)，表面平整光滑，密度2.65～3.00 g/cm3，最高工作温度650 ℃，莫氏硬度5～6，低热导率(0.035 W·m-1·K-1)，高吸音系数(0.95)，电绝缘性能好，良好的吸波功能和透波功能，抗紫外线、防辐射、防电磁，燃烧烟密度低、无熔滴、无毒性、无污染；机械力学性能优良，抗拉强度3 000～4 840 MPa，弹性模量79.3～110 GPa，并具有优异的耐磨抗拉增强性能，比大丝束碳纤维和芳纶都要高，与S-玻璃纤维相当；低吸湿性(<0.1%)，耐湿性和耐腐蚀性能优良，海水环境稳定性强，如表2所示，玄武岩纤维在水、酸和碱的溶液中质量损失率均低于S-玻璃纤维和E-玻璃纤维[1]。表3为几种常见纤维的主要热性能比较，可见玄武岩纤维具有优良的热性能，玄武岩纤维可承受的温度和最高使用温度范围优于碳纤维、S-玻璃纤维和E-玻璃纤维。

表1 玄武岩纤维与其他纤维主要性能比较

表2 玄武岩纤维与其他纤维耐化学腐蚀性能比较

表3 玄武岩纤维与其他纤维热性能比较

4 玄武岩纤维应用前景分析

据统计，2021年我国玻璃纤维产量达到624万t[25]。玄武岩纤维与玻璃纤维同属于硅酸盐纤维材料，其生产过程绿色环保，理论成本较低，物化性能优越，性价比优势明显。据统计，2021年国内玄武岩纤维产量仅为1.2万t[26]，若玄武岩纤维的用量达到玻璃纤维的20%～30%，则每年可产生124.8～187.2万t的用量需求，其市场前景十分广阔。

对于玄武岩纤维的推广应用，应根据其物化性质特点在可替代性和不可替代性方面下功夫。“可替代”是指根据玄武岩纤维优良的物化性质，在碳纤维、芳纶纤维等高性能、高价格纤维已有的应用领域中，哪些可被玄武岩纤维替代。“不可替代”是指根据玄武岩纤维独特的物化性质，在哪些应用领域中，可进一步开发出具有不可被替代性的新材料产品。基于玄武岩纤维的可替代性和不可替代性特点，可在交通运输、建筑建材、碳中和及新能源、石油化工、海洋工程、水利电力与地质灾害防治等应用领域，开展玄武岩纤维轻质高强材料及复合材料新产品新工艺研究。

(1)交通运输领域。可开展玄武岩纤维轻质高强材料及复合材料新产品新工艺开发研究，例如：汽车和轨道车辆用复合材料，道路、桥梁、隧道、地铁等基础设施建设用材料、受电/绝缘系统结构件等，运载工具(高速列车、磁悬浮列车、汽车、舰船、无人机、飞机等)轻量化应用复合材料新产品。

(2)碳中和及新能源领域。可以开展玄武岩纤维轻质高强材料及复合材料新产品新工艺开发研究，例如：新型储能材料、锂离子电池器件增强材料，城市管网、风-光电用复合材料(海上风电叶片、风光互补支架)、电力输送复合材料杆塔和桥架、复合电缆芯和超高压绝缘用复合材料、节能建筑复合材料等。

(3)水利电力与地质灾害防治领域。可以开展玄武岩纤维轻质高强材料及复合材料新产品新工艺开发研究，拓展玄武岩纤维在国家水利电力与地质灾害防治重点工程中的应用。

(4)建筑建材与土木工程领域。玄武岩纤维耐碱和高低温性能优良，可以在建筑建材与土木工程领域，尤其是高寒地区开展玄武岩纤维轻质高强材料及复合材料新产品新工艺开发研究，例如：玄武岩纤维材料在川藏铁路(公路)建设中的应用关键技术，玄武岩纤维(岩棉)建筑保温材料制品，玄武岩纤维材料在水泥混凝土设计方面的应用开发，玄武岩纤维在桥梁、隧道、装配式建筑以及建筑轻量化等土木工程领域应用开发。

(5)环境工程领域。玄武岩纤维耐水、化学、生物质腐蚀性能优良，可以在环境工程领域，开展玄武岩纤维轻质高强材料及复合材料新产品新工艺开发研究，以及水、土、气环境保护与治理工程应用开发研究，如高温滤料等。

(6)石油与天然气工程领域。玄武岩纤维有机气体的耐受性能优良，可以在石油与天然气工程领域，开展玄武岩纤维轻质高强材料及复合材料新产品新工艺开发研究，例如：油气、冷热液、散料等管道输送用玄武岩纤维复合材料及其制备技术，长距离高压输送氢气管道用玄武岩纤维复合材料及其制备技术，玄武岩纤维在石油和天然气工程管道、储罐和装备等。

(7)化学化工领域。玄武岩纤维耐化学腐蚀性能优良，可以在化学化工领域，尤其是重化工领域，开展玄武岩纤维轻质高强材料及复合材料新产品新工艺开发研究，例如：在盐湖提锂、矿石提锂等重化工生产中的管道、储罐和装备材料等。

(8)海洋工程领域。玄武岩是构成大洋壳的重要部分，由其所制成的玄武岩纤维耐海水腐蚀性能优良，因此可以在海洋工程领域，开展玄武岩纤维轻质高强材料及复合材料新产品新工艺的开发研究，拓展连续玄武岩纤维在海洋工程和海岛建设工程中的应用，例如：海场风-光发电材料、海沙混凝土材料、耐腐蚀复材制品(复合筋及各种型材)、油气田开采制品等。