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我国纯天然连续玄武岩纤维异军突起发布日期: 2006-08-18 阅读: 2357 字体:大 中 小双击鼠标滚屏“火山岩变丝”、“点石成金”。也许没有比用这两个词更能简要揭示“连续玄武岩纤维”的生产工艺特征和对其应用价值的评价了。综观现阶段全球所有有机、无机及金属类高技术纤维，惟有连续玄武岩纤维是纯天然、非人工合成的。由于它具有原材料的天然性、性能的综合性、成本的廉价性和工艺的简洁性、技术的高难性，以及应用的广泛性等特征，因此，结合我国国家中长期科学和技术发展规划纲要以及我国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要的原则要求，连续玄武岩纤维的深入研发和产业化发展，理应受到我国材料界和国家各有关部门的关注。笔者结合这几年来对连续玄武岩纤维的研发和产业化工作的实际体会，就我国如何大力发展连续玄武岩纤维，谈一点看法。CBF一种新的高技术纤维“连续玄武岩纤维”（Continuous Basalt Fibre 简称CBF）是以纯天然火山岩为原料，在14501500熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。纯天然的CBF 颜色似金色。以CBF为增强体可制成多种复合材料。CBF与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE ）等高技术纤维相比，除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，CBF还具有耐温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料，也是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维。CBF及其复合材料可以较好地满足国防建设、交通运输、建筑、石油化工、环保、电子、航空、航天等领域结构材料的需求，对国防建设、重大工程和产业结构升级具有重要的推动作用。它既是21世纪符合生态环境要求的绿色新材料，又是一个在世界高技术纤维行业中可持续发展的有竞争力的新材料产业。尤其是我国已经拥有自主知识产权的CBF制造技术及工艺，并且以“后来者居上”的后发优势达到了国际领先水平，因此，大力发展CBF 及其复合材料产业无疑具有重要的意义。1.1 CBF 的发展历史及市场现状由于生产CBF的技术含量很高，目前全世界能生产CBF的仅仅有俄罗斯、乌克兰、美国、中国等少数几个国家。2005年全世界CBF的生产总量不超过3500吨，有一定规模的生产企业不超过6家，实质上现阶段还没有真正形成一个高科技的“产业”。近年来，我国发展CBF异军突起，成为拥有世界上最领先的CBF生产技术的几个国家之一。2002年我国将“连续玄武岩纤维及其复合材料”列入国家863计划，承担该课题的横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司（GBF ）经过近两年的开发，采用特殊的生产技术和“一步法”工艺，取得了以纯天然玄武岩（即不添加任何辅料）为原料生产连续纤维的研发成果，实现了工业化生产。“十五”期间，拥有自主知识产权的863计划成果为CBF 项目的产业化奠定了坚实的基础。迄今为止，全世界共有大大小小的CBF 制造工厂10家左右，其中：乌克兰有4家，分别为乌克兰的基辅乌日（TOYOTA）合资企业、乌克兰别列切绝缘材料厂、Tech-nobasalt 公司，还有一家是俄罗斯SUDA-GLASS 和乌克兰K hmelnitsky reg 的合资企业；俄罗斯有4家，分别是俄罗斯SUDA-GLASS 公司、IVOTGLASS 股份有限公司和另一国家级研究院内部设立的工厂；美国有1家，新泽西州的玄武岩纤维公司（产品几乎100%供给美国军方，后被美国军方最大的一个用户收购）。此外，格鲁吉亚有1家；德国有DBW 公司1家（直接生产短切玄武岩纤维）；我国有横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司等3家生产企业。CBF经过10多年萧停缓慢的初创期，近几年由于世界经济的快速发展，全世界又迎来了新的投资CBF的热潮，有力地带动了该复合材料的强劲增长。例如，乌克兰基辅的乌日（TOYOTA）合资企业2005年大约年产CBF800吨，产品全部返销日本。该企业正在计划扩建年产5000吨的连续玄武岩纤维新工厂。此外，在距离乌克兰基辅350公里的地方正在筹划建设1万吨的连续玄武岩纤维新工厂。美国俄亥俄州的S udaglass 玄武岩纤维工厂也将于今年投产。玄武岩纤维工业联盟（Basalt Fibre Association ）BAF已在美国德州Woodlands 成立，该联盟称将全力推广Basalt Fibre （玄武岩纤维）材料的应用。目前，全世界生产CBF 的技术尚处于初级发展阶段。受纯天然玄武岩矿石溶体易析晶、导热性差等特殊生产工艺难度的影响，现阶段，全世界CBF 的稳定生产技术一般均停留在200孔拉丝漏板的初级水平上，CBF 的生产技术亟待不断深入地研发与发展。1.2 CBF具有区别于碳纤维、芳纶等高技术纤维的显著特征我国国家发展和改革委员即将把连续玄武岩纤维（C BF ）与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE ）一起列为我国鼓励发展的4大高技术纤维。CBF 与其他高技术纤维相比，有着显著的差异特征：原材料的天然性。由于生产CBF的原料取自于天然的火山岩，除了它与生俱来就具有很高的化学稳定性和热稳定性外，还不含对人类健康有害的成分。其生产过程中也没有任何有害气体产生，没有废渣产生，一般1.05吨玄武岩矿石可以生产1吨CBF。目前，我国的玄武岩矿石主要用于建造高速公路用地铺路石。显然，CBF的生产是以单组分的纯天然的矿石为原料，这在所有的高技术纤维中是非常独特的鲜明特征。性能的综合性。若从单一的纤维力学性能和化学性能比较，似乎都能找到比CBF更强的高技术纤维，然而，将很多性能综合起来比较，CBF是最佳的“多能”纤维。CBF不仅具有综合素质好的优良品质，譬如既耐酸又耐碱，既耐低温又耐高温，既绝热、电绝缘又隔音，拉伸强度超过大丝束碳纤维，断裂延伸率比小丝束碳纤维还要好；CBF具有表面极性，与树脂复合时界面结合的浸润性极佳，而且CBF具有三维的分子维数与分子维数一维的线性聚合物纤维相比具有较高的抗压缩强度、剪切强度和在耐恶劣环境中使用的适应性、抗老化性等优异的综合性能。有国外专家一言以蔽之：CBF最棒的就是综合性能好、性价比好。韩国材料界专家甚至说：CBF产品寿命期为100年至1000年。成本的低廉性。生产CBF的工厂成本并不高，纯天然玄武岩矿石的原料每吨仅仅是80元100元人民币，较高的生产成本是制造拉丝漏板用的铂铑合金，这需要占用较大的资金。目前，采用我国CBF 项目863计划成果技术生产每吨纤维的成本已经接近于E -玻璃纤维。CBF优良的性价比是其他任何一种高技术纤维难以望其项背的。CBF生产成本的低廉性为其大规模的推广使用创造了基本条件。工艺的简洁性。采用“一步法”生产CBF的基本工艺为：将玄武岩矿石投入熔炉熔化拉丝，生产工艺非常简洁。由于不需要人工配料，其生产工艺环节比一般玻璃纤维的生产还要简洁得多，更不用说与其他高技术纤维复杂的工艺环节比较了。技术的高难性。CBF生产的工艺虽然非常简洁，但是由于纯天然玄武岩熔体导热性差、析晶上限温度较高容易析晶、成纤黏度控制范围很窄，对天然玄武岩矿石矿物相和成分组成有着严格的筛选条件。因此，生产C BF 过程中有着较高的成纤难度、严格的工艺控制条件和很高的技术门槛。这也是全世界CBF发展20多年了仍然停留在200孔拉丝漏板初级技术水平的主要原因。应用的广泛性。CBF是典型的“多能”纤维。综其上述特征不难看出其应用领域的广泛性。譬如，CBF 的火山岩原料本身属于硅酸盐类，因此，在建筑领域可以大显身手。短切的CBF可以用于增强水泥混凝土和沥青混凝土，CBF与树脂复合可以制成复合筋替代钢筋，甚至可以替代碳纤维制成玄武岩纤维片材等，在房屋、桥梁、高速公路、城市高架道路、飞机跑道、海港码头、地铁隧道、沿海防护工程、核电站设施、军事设施等建筑领域起到加固补强、防渗抗裂、延长建筑使用寿命的诸多作用。CBF是天然绿色的新材料，将给人类的建筑业和我国优先发展的交通运输领域带来革命性的变革。CBF有着比美国杜邦公司NOMEX更高的极氧指数，它优良的阻燃隔热性能，将被广泛用作消防服阻燃隔热面料层和防火卷帘、灭火毯的消防材料等。纤维的差异性。CBF 具有与其他高技术纤维不同的特点。玄武岩纤维的软化点为960，使用温度范围为-260700。碳纤维的抗氧化性较差，在400左右就有CO和CO2产生，一般情况下要涂覆抗氧化涂层。超高分子量聚乙烯纤维或芳纶等有机高科技纤维的耐温性大大不如玄武岩纤维，熔点一般在144152，只适合于低温条件下使用。对位芳纶纤维的熔点和分解温度较低，对紫外线较为敏感，光照强度损失较大，燃烧时排出少量的有害气体。间位芳纶最高使用温度只有250，使用温度受到一定的限制。聚苯并双恶唑（PBO）纤维受紫外线照射时会影响到纤维的强度，虽然P BO 纤维具有极高的弹性模量和拉伸强度，但是价格极为昂贵。CBF也有它自身的缺点，例如比重较大（2.62.8），纤维较脆，服用性较差。然而，CBF 的不足与独特的价值相比是微不足道的。美国玄武岩纤维工业联盟指出：“玄武岩纤维是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止惟一的无环境污染的不致癌的绿色健康的玻璃质纤维产品。美国作为世界保护环境的倡导者，将全力发展无污染的绿色工业材料，所以玄武岩纤维在复合材料领域的应用已引起广泛的重视并将快速发展。”欧洲业界人士亲昵地把CBF 称为“金色纤维”。CBF 市场方兴未艾2.1CBF是典型的资源节约型新材料从我国国情出发，就人均能源和矿藏资源拥有量看，我国是一个资源贫乏的国家。综观全世界CBF之外的高技术纤维，我们不难看出，除了它们拥有优异的力学性能和化学性能外，其实在制造过程中都要花费大量的能源和资源，尤其是石油资源和电能。不了解CBF生产特征的人们往往想当然地认为生产CBF需要高温熔化肯定是一个高耗能的项目，这实在是一大误解！横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司“全电熔炉”工业化生产的能耗指标表明：每制造1公斤单丝直径为13微米15微米的CBF 仅需要耗费不足5度电，按每度电0.70元人民币计算，每公斤纤维的电耗成本仅仅为3.5元人民币左右，约占工厂生产成本的15%.如果将CBF及其复合材料替代金属和其他高技术纤维所节约的能源和资源作一个综合经济性评价，则CBF是一种典型的资源节约型绿色材料。CBF生产原料来源广泛且廉价，可促进我国矿产资源的合理开发和高附加值的应用，符合国家的产业政策，是一种低投入、高产出、低能耗、少排放、能循环、可持续发展的资源节约型、环境友好型的新材料。CBF代表了材料制备和使用过程绿色化这一材料技术的主要发展方向。因此，发展CBF是符合我国国情的，应予大力发展。2.2 CBF将为我国现代国防建设提供不受外国控制的新材料高技术纤维是国防军工建设和支撑高科技产业发展的重要基础材料，它直接关系到国防科技工业的建设和国民经济支柱产业的升级。CBF就是继碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维。它是21世纪在国防建设中有着重要应用价值的高技术纤维，是体现国防科技战略布局的一种新材料。CBF 及其复合材料在航空航天、火箭、导弹、战斗机、核潜艇、军舰、坦克等武器装备的国防建设领域有广泛的应用。它可以促进军队武器装备升级换代，增强军队战斗力；可在某些领域替代碳纤维，节约相关武器装备的制造成本；可寓军于民，是一种典型的可广泛应用的军民两用的新材料。由于玄武岩纤维具有区别于碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维的一系列优异性能，而且性价比好，近几年来引起了美国、欧盟等国防军工领域的高度重视。2003年美国军方甚至收购了其国内一个创办不久的连续玄武岩纤维生产工厂，现在这个年产1000吨CBF的工厂设立在美国南部阿拉巴马的军事基地，产品100%用于国防军工，其CBF的具体应用至今对外秘而不宣。显然，这些年来，美国军方在CBF的应用研究中又发现了许多新的应用价值。非常欣喜的是，我国国防科技工业系统也十分重视CBF在国防建设领域的应用，有关应用研究课题已经展开。2.3 CBF将为我国交通运输领域的基础建设发挥升级换代的作用CBF及其复合材料将对重大工程，尤其是交通运输领域的基础建设具有重要的推动作用。CBF将是替代聚脂纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维用于增强沥青、水泥混凝土最有利的竞争产品。可代替钢筋用作混凝土建筑结构的增强材料。CBF将为我国交通运输领域的基础建设发挥升级换代的作用。首先，CBF可以提高我国交通运输基础设施建设的质量，降低全寿命成本，促进交通运输业的升级换代。我国“十一五”期间要优先发展交通运输业，即将建设铁路新线1.7万公里，其中客运专线7000公里；进一步完善国家高速公路网在内的公路网络，公路总里程达到230万公里，其中高速公路6.5万公里。此外还有大量的港口、机场建设的工程。如果我国在该领域推广使用C BF ，将会获得巨大的经济效益和社会效益。其次，CBF是碳纤维的低价替代品，有些性能还高于碳纤维，这可以从一定程度上缓解我国碳纤维、芳纶等高技术纤维短缺带来的一些供求矛盾。尤其是从战略层面上看，面对我国碳纤维落后的现状，大力发展CBF不失为是一种弥补碳纤维不足和“引领未来”的战略选择。再者，CBF 用先进材料的制造技术，特别是绿色制备技术增加了新的基础原材料，达到了节能、降耗和环境友好的目的。C BF也完全符合“十一五”期间我国材料领域的发展目标，即开发综合性能高、资源消耗少、环境负荷低的材料及工艺技术，满足国民经济发展和国防建设的需求，支撑和引领社会经济的协调发展。2.4 CBF 将为我国国民经济其他领域的发展提供重要的基础材料玄武岩纤维复合材料除了上述在国防建设、重大工程、交通运输等领域有重要的推动作用外，对我国国民经济相关产业结构的升级也同样具有重要的推动作用。例如，（1）消防环保领域。玄武岩纤维是无机纤维，其耐温性（-269700）高于所有的有机纤维，而且其超低温使用性能是最好的，具有不燃性、无有毒气体排出、绝热性好、无熔融或滴落、强度高、无热收缩现象等优点。因此，用玄武岩纤维制成的消防服中的阻燃隔热层面料显然具有明显的优势。CBF的价格是所有高性能纤维中最低的。单丝直径较细（例如7微米以下左右）的CBF ，其良好的性价比和优异的抗高温性能，有可能成为替代杜邦K avlar 、Nomex 、Teflon 等防火面料的有力竞争产品（其中杜邦的Nomex 防火面料在370以上的高温下被碳化和分解），也是其他高性能纤维低成本、高性价比的替代品。此外，耐高温（250以上）的过滤材料一直以来是该领域没有解决的难题。而C BF 可以在-260700的范围内长期使用。因此，玄武岩纤维耐温和良好的过滤特性，使其成为用于高温过滤材料（例如除尘袋、汽车消音器滤芯）、避火消防服阻燃隔热面料、防火卷帘、军工领域等优选的新材料。（2）石油化工领域。玄武岩纤维复合材料可引发石油天然气管道业的革命。用玄武岩纤维缠绕环氧树脂的复合管材（直径：5mm 2000mm ，内部承受0400大气压）可用于输送石油、天然气、冷热水、化学腐蚀液体、散料、电缆管道、低压和高压钢瓶等。以石油管道为例，玄武岩纤维管道施工投产后，连续使用期限为80年。（3）电子等领域。玄武岩纤维聚合物基复合材料是优良的绝热和绝缘材料。CBF的体积电阻率比E玻璃纤维高一个数量级，利用玄武岩纤维的这一介电特性和吸湿率低、耐温的特性，可以制成高质量多层印刷电路板的覆铜板。此外，CBF可用作风力发电叶片的增强材料。玄武岩纤维在500温度下的热振稳定性仍然不变，原始重量损失不到2%；900时也仅损失3%.CBF 无捻粗纱具有显著的耐高温性能和极好的机械性能，适用于高温衬垫、大型船只绝热、车辆制动器磨擦衬片。综上所述，CBF及其复合材料是一种对国民经济有重要支撑作用的新材料。我国应大力发展连续玄武岩纤维3.1我国要从发展高技术纤维的战略高度出发重视CBF的发展21世纪世界经济的发展，越来越依托于高新技术的推动，而高新技术的发展又有赖于新材料的支撑，在这些新材料中，技术难度最大和功效最显著的莫过于高技术纤维。碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维（UHMW-PE）等高技术纤维是国防建设和高新技术领域急需的关键材料。但是，与国外相比，我国高技术纤维的发展现状不容乐观，从某种程度上说是我国新材料发展中的“软肋”。最近，国际上有资料分析指出，中国大陆的碳纤维消耗量为4500吨左右。可想而知，这种高技术纤维的封锁是一种何等严峻的局面。从目前我国高技术纤维发展的现状和势头看，中国惟有CBF及其复合材料有可能发挥“后发优势”而称雄于世界。首先，中国也是一个多火山的国家，有广泛的火山和火山岩分布。与俄罗斯、乌克兰和美国等国比较，中国新生代的火山岩绝大部分为玄武岩，特别是碱性玄武岩在全球比较占有优势。其次，我国863计划的CBF研发成果和工业化生产技术已经与俄罗斯、乌克兰和美国处于同一起跑线上，部分技术已经实现了超越。例如：我国能稳定生产出单丝直径7微米乃至更细的高端CBF产品，且可以连续5万米以上不断头，但是，其他国家最细的单丝直径只能生产12微米以上。再者，我国快速发展的经济和高技术领域的发展为CBF的推广应用提供了市场的发展空间。随着CBF低成本、大规模产业化的发展，则有可能改变世界先进材料的格局。目前，全世界只有俄罗斯、乌克兰、美国、中国等几家企业拥有制造玄武岩纤维的工业专利技术，现有的生产能力只能满足不到1%的世界市场需求，伴随着玄武岩纤维应用领域的扩大，玄武岩纤维这一21世纪的新材料方兴未艾，具有更加广阔的市场前景。玄武岩纤维产品的未来增长趋势估计按每年25%30%的速度快速递增。由于市场需求的强劲拉动，预计全世界CBF在今后5年内将得到迅猛的发展。全世界CBF的生产能力有可能从2005年的不到3500吨迅速发展到年产5万吨以上，将超过碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等其他几种高技术纤维。因此，世界主要发达国家都十分重视CBF及其复合材料的发展。我国应加强对CBF的应用研究和引导性的技术创新投入，立足于用510年的时间努力使我国成为制造和应用CBF及其复合材料的大国，真正实现CBF“发源在苏联，发展在中国，推广在世界”的发展愿景。3.2 我国应大力加强对CBF的基础研究和应用研究CBF及其复合材料作为21世纪的新材料具有较高的学术研究价值和应用研究价值。“十五”期间，科技部的有关领导和国家863计划新材料领域专家委员会重视CBF的研发，取得了与世界CBF先进制造技术并行的成果。然而，现阶段，我国材料界对它的基础研究和应用研究还非常薄弱，发表在科学和材料研究杂志上的有关学术文章也屈指可数，在我国出版的包括翻译国外资料所有版本的高技术纤维书籍中，几乎均未提及“连续玄武岩纤维”这一新的高技术纤维。我国CBF材料的学术理论研究和应用研究已经滞后于应用推广的实践。CBF的许多价值还有待于我们材料界进一步去探索发现和推广应用。一些基础理论问题都需要我国材料学界开展系统的微观的基础研究。否则，没有丰富理论和科学指导下的高技术纤维的应用推广是“瘸腿”的，是不利于促进CBF的发展和推广应用的。因此，我国应列CBF专题在广度和深度上大力加强对CBF及其复合材料的基础研究和应用研究。3.3 我国应大力支持和鼓励企业对CBF进行研发投入和产业投资众所周知，新材料产业具有“投资大、周期长、见效慢”的基本特点，尤其是新材料的研发需要花费大量研发投入，即使拥有成熟的工业化生产技术能够批量生产了，新材料产品走向市场真正被推广应用客观上还有一个相当长的过程，在此期间，处于先驱者阶段的新材料企业承担着很大的投资风险。以碳纤维为例，全世界生产碳纤维的企业从研发到规模生产走过了几十年的艰苦历程，直到2004年全球复合材料迅猛增长、造成碳纤维严重短缺才开始有真正的赢利。材料的基础研究和应用研究取得一定的成果后，就应该坚决走一条以企业为主体、市场为导向、产学研结合的技术创新路子。这是我国50多年来自主技术创新经验教训的总结。我国CBF自主创新的研发成果也是一个例证，CBF于2002年列入“十五”期间的国家863计划后，在课题研发的期限内，就很快取得了200孔拉丝漏板生产技术的研发成果并被迅速批量生产，前后仅仅用了2年的时间，其生产技术水平已经赶上俄罗斯、乌克兰和美国，部分技术甚至已经实现了超越，国家和深圳市政府在“十五”期间用在该项目的直接科研投入分别为100万元人民币，而前苏联和美国则分别花费了1亿美元，从研发到成果的应用时间跨度整整30年。从这一实践体会看，863计划成果与民营企业资本对接，是高科技成果迅速转化的一条行之有效的发展路子之一。建议我国在应用类科研经费投入和分配上要纠正对企业投入分配偏少的倾向，真正确立以企业为技术创新主体的地位，应用研究类的科研经费多向企业倾斜支持，对CBF及其复合材料的应用研究和推广继续给予大力的支持。激烈的市场竞争迫使企业要加速科技成果的转化和形成自己独有的核心竞争力，因此，政府要引导企业充分发挥这一内驱力，促进科技成果的迅速转化。此外，对关系高科技产业或者国民经济重要的关键性新材料，国家和地方各级政府一定要给予科研经费、银行贷款和企业股票上市、土地征用等一系列政策方面的支持。最近，国家开发银行上海市分行会同上海市科委属下的科技创业中心给予横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司3000万元人民币、3年期的项目贷款，这将会有力地促进CBF及其复合材料的发展。3.4 大力加强CBF标准的制