一、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(duì)比分析如表2所示。
表1 玄武巖纖維主要優(yōu)異物化性質(zhì)
序號(hào) | 物化性質(zhì) | 指標(biāo) |
1 | 密度/(g/cm3) | 2.6~2.8 |
2 | 耐溫性/℃ | -269-700 |
3 | 單絲力學(xué)強(qiáng)度/ MPa | 3 000~4 840 |
4 | 彈性模量/ GPa | 91~110 |
5 | 耐堿纖維強(qiáng)度保留率/% | >80 |
6 | 吸音系數(shù) | 0.90-0.99 |
7 | 體積電阻率/(Ω?m) | 1x1012 |
表2 高性能纖維的物化性能對(duì)比分析
纖維類型 | 密度/(g/cm3) | 抗拉強(qiáng)度/ MPa | 彈性模量/ GPa | 斷裂伸長(zhǎng)率/% | 最高工作溫度/℃ |
玄武巖纖維 | 2.80 | 3000~4840 | 79.3~93.1 | 3.1 | 700 |
無(wú)堿玻璃纖維(E-GF) | 2.54 | 3100~3800 | 72.5~75.5 | 4.7 | 380 |
高強(qiáng)玻璃纖維(S-GF) | 2.54~2.57 | 4020~4650 | 83~86 | 5.3 | 300 |
碳纖維 | 1.78 | 3500~6000 | 230~600 | 1.5~2.0 | 500 |
芳綸纖維 | 1.45 | 2900~3400 | 70~140 | 2.8~3.6 | 250 |
超高分子量 聚乙烯纖維 | 0.97~0.98 | 60~3000 | 3.4~100* | 3.5~3.7a | 100 |
注:*隨拉伸比而不同。
玄武巖纖維具有優(yōu)異的耐溫性、單絲力學(xué)強(qiáng)度、彈性模量、密度、蠕變斷裂應(yīng)力、化學(xué)穩(wěn)定性等物理化學(xué)性質(zhì),耐腐蝕性優(yōu)于普通玻璃纖維,力學(xué)性能指標(biāo)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(wú)捻粗紗、加捻紗,市場(chǎng)應(yīng)用產(chǎn)品包括紡織品(例如縫紉線、方格布)、復(fù)合材料(例如水窖、管道),應(yīng)用領(lǐng)域包括國(guó)防軍工、土建設(shè)施、建筑增強(qiáng)、海洋工程、電力特高壓輸送、軌道交通車(chē)輛、汽車(chē)輕量化、消防、環(huán)保。
二、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(wàn)t,產(chǎn)能主要來(lái)自烏克蘭,俄羅斯、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家也是主要生產(chǎn)國(guó)。其中俄羅斯玄武巖纖維年產(chǎn)量約2000~5000t,主要應(yīng)用于軍工、油氣管道;美國(guó)玄武巖纖維年產(chǎn)量約3000~5000t。
我國(guó)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(guó)家“863”計(jì)劃,之后國(guó)家出臺(tái)系列產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)、指導(dǎo)發(fā)展玄武巖纖維產(chǎn)品,主要相關(guān)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(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄》《新材料產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作三年行動(dòng)計(jì)劃》(2013年)《〈中國(guó)制造2025〉重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2017年版)》。此外,在地方層面,四川省出臺(tái)《玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020)》(2016年)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)和扶持。
2010年以來(lái),我國(guó)玄武巖纖維行業(yè)產(chǎn)能初具規(guī)模,產(chǎn)品應(yīng)用于交通、建筑領(lǐng)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(shí)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(tuán)有限公司、營(yíng)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(zé)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(guò)ISO/TS 16949體系認(rèn)證,在汽車(chē)行業(yè)取得應(yīng)用突破。
據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2017年,我國(guó)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(wàn)t,預(yù)計(jì)2020年我國(guó)玄武巖纖維產(chǎn)量有望超過(guò)3萬(wàn)t。
三、工藝技術(shù)分析
國(guó)內(nèi)外玄武巖纖維生產(chǎn)工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)重要節(jié)點(diǎn)如下:1922年,美國(guó)人申請(qǐng)全球最早的玄武巖連續(xù)纖維制造技術(shù)專利;21世紀(jì)60年代,前蘇聯(lián)率先著手研發(fā)玄武巖纖維,美國(guó)、德國(guó)、日本也相繼展開(kāi)相關(guān)研究;20世紀(jì)70年代,玄武巖纖維在烏克蘭基輔實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)(前蘇聯(lián)國(guó)家級(jí)的軍工項(xiàng)目);2001年6月,玄武巖纖維及其復(fù)合材料應(yīng)用項(xiàng)目列入“中、俄2國(guó)政府間科技合作項(xiàng)目”,相應(yīng)地,俄金玄武巖纖維公司(深圳)應(yīng)運(yùn)而生;2002年8月,玄武巖被列入國(guó)家“863計(jì)劃”,2005年正式通過(guò)國(guó)家“863”項(xiàng)目驗(yàn)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(SiO?)、三氧化二鋁(A12O?)、氧化鈣(CaO)構(gòu)成,其他組分包括三氧化二鐵(Fe2O?)、氧化鐵(FeO)、氧化鈦(TiO?)、氧化鉀(K2O),實(shí)際生產(chǎn)原料要求礦石儲(chǔ)量充足、性能指標(biāo)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(yù)熱至900℃左右,然后進(jìn)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(duì)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(rùn)劑的作用下經(jīng)集束器、纖維張緊器、自動(dòng)繞絲機(jī)繞最終成筒。
3.2 工藝水平
目前,我國(guó)擁有玄武巖纖維制造技術(shù)及工藝的完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),制造工藝達(dá)基本國(guó)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(shù)已能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的長(zhǎng)周期穩(wěn)定性。
量產(chǎn)化:長(zhǎng)壽命大池窯已實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1000t產(chǎn)能規(guī)模。
高端化:纖維產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐堿等優(yōu)異性能。其中,高強(qiáng)度單絲強(qiáng)度>4 000MPa,模量>110GPa;耐溫性可以達(dá)到800℃;耐堿纖維強(qiáng)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(guò)程幾乎無(wú)“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。
3.2 影響因素
整體而言,玄武巖纖維核心工藝技術(shù)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(guān),也與關(guān)鍵設(shè)備如熔爐、池窖、拉絲漏板等有關(guān),也與浸潤(rùn)劑中的成膜劑有關(guān)。
玄武巖礦石的化學(xué)成分決定成纖的性能指標(biāo),過(guò)量的鐵元素可導(dǎo)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(dǎo)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(huì)對(duì)成纖的拉伸強(qiáng)度造成不利影響(例如,斷絲)。
在加熱過(guò)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(gè)月,大漏板約11個(gè)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(shí)間。在澆筑好的漏板表面涂覆表面處理劑已通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證,具有一定的增效降本效果,處理劑類型、濃度尚需進(jìn)一步深入研究。
浸潤(rùn)劑的重要組份是成膜劑,成膜劑制造技術(shù)、纖維表面處理浸潤(rùn)劑配方技術(shù)是玄武巖纖維的核心技術(shù),對(duì)纖維生產(chǎn)質(zhì)量、纖維與樹(shù)脂基體相容浸潤(rùn)性以及復(fù)合材料的物理化學(xué)性能具有重大影響。其中,環(huán)氧樹(shù)脂乳液是我國(guó)玄武巖纖維成膜劑常用品種,相關(guān)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料需開(kāi)發(fā)、使用具有針對(duì)性的浸潤(rùn)劑。
四、玄武巖纖維應(yīng)用前景分析
玄武巖纖維是無(wú)機(jī)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(qiáng)、混凝土增強(qiáng)領(lǐng)域具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
以增強(qiáng)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(yīng)力,增加材質(zhì)韌性,提高構(gòu)件延性,抑制裂紋,是高性價(jià)比的增強(qiáng)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(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提高約9.8%,抗彎強(qiáng)度提高約15.3%,抗彎極限拉伸長(zhǎng)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(qiáng)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(wèn)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(kāi)裂。玄武巖纖維絲布置于路面上層,能較好預(yù)防路表橫向開(kāi)裂;玄武巖纖維絲布置于路面下層,可預(yù)防半剛性基層反射裂縫的形成。
在土木工程材料領(lǐng)域,短切玄武巖纖維、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)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(yīng)用,用量已超過(guò)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(shè)備、防火保溫制品、消聲設(shè)備。
目前,玄武巖纖維制品已在房屋建筑、機(jī)場(chǎng)跑道、橋梁等示范工程項(xiàng)目獲得驗(yàn)證,相關(guān)產(chǎn)品、方法標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。
表3 玄武巖纖維產(chǎn)品、方法標(biāo)準(zhǔn)
標(biāo)準(zhǔn) | 發(fā)起單位 | 管理單位 | 編制單位 |
《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T 23265-2009) | 中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì) | 全國(guó)水泥制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) | 浙江石金玄武巖纖維有限公司 |
蘇州混凝土水泥制品研究院 | |||
《玄武巖纖維無(wú)捻粗紗》(GB/T 25045-2010) | 全國(guó)玻璃纖維標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) | 浙江石金玄武巖纖維有限公司 | |
南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院 | |||
《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用玄武巖纖維復(fù)合材料》(GB/T 26745-2011) | 全國(guó)纖維增強(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) | 浙江石金玄武巖纖維有限公司 | |
東南大學(xué) | |||
中冶建筑研究總院有限公司 | |||
《公路工程玄武巖纖維及其制品》(JT/T 776-2010) | 中國(guó)交通工程設(shè)施(公路)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) | 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 | |
浙江石金玄武巖纖維有限公司 | |||
東南大學(xué) | |||
四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司 | |||
《結(jié)構(gòu)加固用玄武巖纖維片材》(JG/T 365-2012) | 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所 | 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑制品與構(gòu)配件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) | 中冶建筑研究總院有限公司 |
《進(jìn)出口紡織品纖維定性分析陶瓷、玄武巖、聚苯硫醚和聚醚醚酮纖維》(SN/T 4357-2015) | 國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì) | 中華人民共和國(guó)嘉興出入境檢驗(yàn)檢疫局 | |
中華人民共和國(guó)紹興出入境檢驗(yàn)檢疫局 | |||
《建筑用玄武巖纖維增強(qiáng)火山渣空心條板》(DB22/T 2683-2017) | 吉林省工業(yè)和信息化廳 | 吉林建筑大學(xué) | |
吉林玖鑫玄武巖產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 | |||
《玄武巖纖維浸透速率測(cè)試方法》(DB51/T 2320-2017) | 四川省纖維檢驗(yàn)局 | 四川省纖維檢驗(yàn)局 | |
四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司 | |||
《玄武巖纖維單絲拉伸性能測(cè)試方法》(DB51/T 2321-2017) | 四川省纖維檢驗(yàn) | 四川省纖維檢驗(yàn)局 | |
四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司 |
此外,涉及玄武巖纖維的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還包括:《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50608-2010)、《砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50702-2011)、《袋式除塵用針刺非織造過(guò)濾材料》(FZ/T64055-2015)。
玄武巖纖維具有在諸多國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有擴(kuò)大應(yīng)用的可能,具體包括:①建筑增強(qiáng):替代鋼筋、玻璃纖維;②瀝青/水泥混凝土增強(qiáng)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(hù)性較強(qiáng),相關(guān)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(fēng)光互補(bǔ)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(fù)合材料:建筑墻體保溫裝飾復(fù)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(qiáng)度樹(shù)脂復(fù)合材料替代金屬材料)。
五、發(fā)展建議
我國(guó)玄武巖纖維在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段,市場(chǎng)需求進(jìn)一步發(fā)展尚面臨諸多應(yīng)用技術(shù)難題:①進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本高,穩(wěn)定產(chǎn)品性能,完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)性隨玄武巖纖維摻加量的增加而降低,對(duì)混凝土工作性能產(chǎn)生不良影響;④我國(guó)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(dòng)玄武巖纖維市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展,可在道路橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道、高速鐵路、客運(yùn)專線軌道板、大壩等領(lǐng)域選擇典型示范工程,積累實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。具體來(lái)說(shuō):①在玄武巖纖維混凝土增強(qiáng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)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(yīng)用的具體要求,開(kāi)發(fā)復(fù)合纖維材料產(chǎn)品(例如玄武巖纖維、碳纖維)滿足市場(chǎng)消費(fèi)需求。據(jù)相關(guān)報(bào)道,玄武巖纖維/碳纖維混雜技術(shù)已成功架設(shè)跨度54m承載30t的輕量化橋梁(減重40%);③針對(duì)不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用形式,完善玄武巖復(fù)合材料耐久性設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)、低碳化設(shè)計(jì)、損傷可控設(shè)計(jì)、壽命可控設(shè)計(jì)。
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