CFB:新世纪的新材料

连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fibre 简称CBF）是以天然的火山喷出岩作为原料,通过拉丝制成的连续纤维.连续玄武岩纤维具有很多独特的优点,如绝缘性能好、高温过滤性佳、抗辐射、良好的透波性能等,以连续玄武岩纤维为增强体可制成各种性能优异的复合材料,可广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、汽车船舶制造、工程塑料、建筑等军工、民用领域,故连续玄武岩纤维被誉为21世纪的新材料.从目前中国的新材料产业发展现状来看,连续玄武岩纤维将成为国家“十二五”时期的重点突破产业,并会给中国的相关行业带来难得的产业发展时机.

“点石成金”的新型环保纤维

石头也可以制成纤维吗?答案是肯定的.大家可能已经注意到,早在玄武岩纤维被制作成之前,由叶腊石、石英砂、石灰石、硼钙石、硼镁石、萤石等原料制成的玻璃纤维就广泛应用于建筑物内外墙体保温、防水、抗裂等.但在玻璃纤维制作过程中人们发现,由于这些原料中含有硼和其他碱金属氧化物,所以在融化排放烟尘中有较多的有害气体.而玄武岩由于主要成份是二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等,所以其在经过高温熔融、澄清均化后的原料拉制成纤维的过程比较清洁,既不向大气排放有害气体,也没有工业垃圾及有毒物质污染环境,所以它在很大程度上可代替玻璃纤维.因而,连续玄武岩纤维被誉为21世纪“火山岩变丝”、“点石成金”的新型环保纤维.

不过,要将坚硬的天然玄武岩作为原料生产连续纤维绝非易事,需要较高的技术支持.据了解,从上世纪60年始,国外便展开了玄武岩纤维及其复合材料的相关研究,并且已在许多领域获得了应用,比如前苏联玻璃钢与玻璃纤维科学研究院乌克兰分院早在上世纪60年代～70年代就致力于这方面的研究工作.1985年,第一座连续玄武岩纤维工业化生产线在乌克兰纤维实验室（TZI）建成投产,之后,俄罗斯、乌克兰等国家已用400孔池窑拉丝工艺生产连续玄武岩纤维及其制品,年产量700吨左右.美国则采用800孔池窑拉丝工艺,年产量为1000吨～1500吨,这些国家的工作也分别形成了自主知识产权的壁垒.

而连续玄武岩纤维独特的优点更让世人赞叹,比如其力学性能佳,耐高温性能好,可在-269～700℃范围内连续工作,耐酸耐碱,抗紫外线性能强,吸湿性低,有更好的耐环境性能.此外,其还有良好的绝缘性能、高温过滤性和透波性能等.化工专家经过测试后发现,使用连续玄武岩纤维制作的短切毡、无捻粗纱和单向织物比同类型的无碱玻纤产品有着更高的断裂载荷和更高的杨氏模量（材料的刚性参数）,特别适合应用于近年飞速发展的风力发电机叶片产业.相关数据显示,玄武岩纤维的模量和拉伸强度分别比无碱玻纤高15%和25%,因而将成为1.5兆瓦或2兆瓦风力发电机叶片承力部位的理想材料.

更让业界动心的是,玄武岩在自然界中分布非常广泛,我国秦岭南麓、甘肃祁连山、黑龙江五大连池、吉林长白山、新疆准噶尔盆地、西藏喜马拉雅山、青海昆仑山、山西大同以及华南沿海一带都有大量的玄武岩矿藏分布.而目前,玄武岩主要用作一些低附加值的建筑及道路用的填料石子,还有一些也可用作较高附加值的矿物棉原料,而如果将玄武岩加工成连续玄武岩纤维,则可以大大提高这种矿物的价值.

进入“十二五”发展规划

我国的玄武岩纤维开发在上世纪七十年代也做过一些基础研发工作,但由于种种原因,只持续几年就不了了之.上世纪八十年代末,我国开发了专利化高强玻璃纤维,基本满足了军工项目对高强玻璃纤维的需求.到了上世纪九十年代中后期,为了满足某军工翻版项目的需要,国家又专拨经费重新启动了玄武岩纤维项目,而本次启动的玄武岩纤维项目主要是开发生产玄武岩纤维棉,用作隔热应用.在大约2年后,建成一条小型玄武岩超细纤维棉生产线.其间,也邀请了一些乌克兰的技术专家作了有关玄武岩纤维生产的技术咨询.由于超细玄武岩棉与传统隔热材料相比在隔热性能上并无明显的优势,而生产成本又高,因此目前的超细玄武岩棉仅在某些军工项目上得到极少量的应用.

近几年来,我国科技部也对连续玄武岩纤维的研究给予了极大的关注和重视.2001年7月我国原驻俄罗斯大使馆公使衔科技参赞黄寿增曾向国内发回了《21世纪新材料---玄武岩纤维》的专题报告；在2002年9月和2004年5月、11月国家科技部分别将“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家863计划和国家级火炬计划、国家科技型中小企业创新基金.

由此算起,连续玄武岩纤维在全世界的开发成功和批量生产的历史大概有20年左右.在此期间,我国的中国建筑科学研究院和南京玻璃纤维研究设计院也先后断断续续地开展了连续玄武岩纤维的研发,但是都没有开发成功.真正具备乌克兰、俄罗斯“一段法”采用纯天然火山岩、不加任何辅料的连续玄武岩纤维生产应该是我国列入国家863计划以后,由深圳俄金碳材料科技有限公司承担了该863计划课题,之后其技术成果作价入股成立的“横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司”将其成果转化,实现了批量生产.

玄武岩纤维直径是头发丝的1/10,重量是同直径钢筋的1/3,抗拉强度是钢筋的4倍,用在道路领域能降低20%的成本.玄武岩不含磷硫,是无机非金属材料,广泛用于消防、环保、化工、汽车、建筑、航空航天领域.近年来,随着城市化进程和基础设施建设的大力开展,对玄武岩原料的需求更加旺盛,被誉为“21世纪绿色环保新材料”,是继碳纤维、芳纶、玻璃纤维之后的又一种高技术纤维.目前,我国已把玄武岩纤维明确列入鼓励类产业目录,属于国家支持发展的战略性新兴材料.

由于玄武岩纤维的优异性能,可广泛应用于石油、化工、建筑、航空航天、汽车制造、电子、冶金等领域.比如在石油开采、石油炼制、天然气化工、石油化工及化学工业中可作为不同用途的管材；用玄武岩连续纤维制造的管材可以大大减少检修期和避免断裂的危险,尤其是用于腐蚀性液体和气体的输送管道中.在我国西部开发中大有用武之地,仅“西气东输”主管线一项就有8000多公里,还不包括支线工程.在航空工业中,可用于制造如机体的部件、装饰件、动力部分和结构、滑翔机等制造材料； 发动机、气动设备废气系统的绝热、隔音材料.此外玄武岩连续纤维还可用于核电站的热力装置用来隔热和消音,甚至可以用在宇宙飞船和航天飞机上.目前,连续纤维材料正在逐步取代钢筋,广泛应用于道路桥梁、工程建设等领域,实现了真正意义上的“点石成金”. 由上可见,玄武岩连续纤维及其增强复合材料应用领域很广.这种新材料经济寿命至少在30～50年以上,目前在国际上正处于方兴未艾的发展期,在国内尚处于空白,因此,具有广阔的市场发展前景. 根据《化纤工业“十二五”发展规划》玄武岩纤维 （CBF） ：加强多孔化拉丝漏板高温变形的控制技术攻关,突破玄武岩熔体的析晶控制技术,提升产品质量性能,加强下游制品应用研发和产业化生产,形成年产6000～10000吨的产业化规模.

《纺织工业“十二五”发展规划》的新型纺织纤维发展重点中也提到,要加快提升高性能纤维产业化水平,推进碳纤维（PAN基）、芳纶纤维、聚苯硫醚纤维、玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、高强高模聚乙烯醇纤维等关键技术的开发和产业化,强化下游应用的开发能力.

多家企业介入制造

连续玄武岩纤维是唯一不添加任何其他原料的纯天然的新型高技术纤维,是重要的国家级安全战略物质,是支撑高科技产业发展的新材料,也是促进国民经济相关领域产品升级换代的基础材料,代表着世界绿色材料的发展方向.“连续玄武岩纤维及玄武岩纤维复合材料”被列为国家863计划,连续玄武岩纤维项目被列为科技型中小企业创新基金、国家级火炬计划、国防科工委“十一五”重点基础科研课题、2008年—2009年国家级重点新产品.

经过十几年的研发,目前技术已经相对成熟,已有几家企业上马生产.

山西省大同市境内及桑干河流域,火山群遗址一带拥有庞大的玄武岩矿石储量,露头玄武岩矿绵延50多平方公里,资源分布广,基本储量测算达180亿吨.位于山西大同市的玄武岩产业园区规划用地1800亩,“十二五”期间拟投资25亿元,形成年产5万吨玄武岩连续纤维及后制品加工能力,实现销售收入30亿元,税后利润8亿元.项目分三期建设,建设规模分别为：一期年产1万吨,二期年产2万吨,三期年产5万吨.一期工程用地300亩,投资6.68亿元,预计可实现年销售收入4.7亿元,利润1.74亿元,经济社会效益明显.

山西晋投玄武岩公司生产规模目前是世界第一,生产设备世界领先,项目所采用的气电结合方式代表玄武岩产业未来发展方向,生产工艺从原料开发,到熔炉熔制,再到产品成型,均为国家专利,世界惟一.目前生产 6μm、9μm、13μm、15μm、18μm等各种规格的原丝,产品性能经权威部门检测,拉伸强度已达到 0.7N/tex 以上,超过国家标准50%以上.产品得到了山西省各级部门的认可,山西省交通厅专门召开会议,对接交通厅重点办、交通科研院、建材设计院、大同市住建委、大同市规划局、山西省路桥集团公司等相关部门,建议在建设中推广使用玄武岩纤维产品.

河北通辉科技有限公司一期投资8700万元、年产3000吨的玄武岩连续纤维生产线投入试生产.根据项目进度安排,该公司将在今年年底前实现全面投产,届时,将成为北方产能最大的玄武岩连续纤维生产线之一.预计2～3年内,该项目将完成总投资2.8亿元,建成年产2万吨的北方最大的玄武岩纤维产品研发、生产、销售基地,并实现销售收入10亿元,利税2亿元,安排1600余人就业.

位于江苏省仪征市经济开发区的天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司,是集连续玄武岩纤维生产、研发、生产线设备制造及销售于一体的企业.企业于2007年4月18日动工建设.该项目占地面积约13.33万平方米,规划建筑面积约5万平方米,项目总投资约38000万元,全部投产后,玄武岩连续纤维的年生产规模将达5000吨.届时,可为用户提供多种规格的玄武岩连续纤维无捻粗纱、短切纱及各类玄武岩连续纤维制产品.

绿色环保性引领格局

由于玄武岩熔化过程中没有硼和其它碱金属氧化物等有害气体排出,使玄武岩连续纤维的制造过程对环境无害,克服了传统材料在生产、使用和废弃过程中需消耗大量的能源和造成环境污染等缺点,而且玄武岩纤维能自动降解成为土壤的母质,可持续和循环利用,玄武岩连续纤维是21世纪又一种新型的环保型纤维.玄武岩连续纤维的吸湿性极低,吸湿能力只有0.2%～0.3%,而且吸湿能力不随时间变化,这就保证了它在使用过程中的热稳定性、长寿命和环境协调性.

另外,玄武岩纤维还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,是目前为止唯一的无环境污染的、不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品.所以玄武岩纤维在复合材料的增强材料领域的应用,已引起广泛的重视并将快速发展.

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.玄武岩纤维就是继碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维.它是21世纪在国防军工领域有着非常重要应用的一种高技术纤维,是体现国防科技战略布局的一种新材料.

从全球的发展水平看,全世界玄武岩纤维的技术及规模尚处于初级阶段,这给我们追赶乃至超过国外的先进技术水平提供了很大的发展空间和市场机遇.在碳纤维短缺的时期,要积极开发新产品,以变应变,把碳纤维的短缺当作一个契机或转机,开发以玄武岩纤维为原料的新产品.新产品开发要源于市场,更要高于市场,应主动去引导市场,例如利用玄武岩纤维优异的综合性能和良好的性价比,去开发更多的新产品.与其他高科技纤维的发展相比,我国玄武岩纤维的发展有希望“后来者居上”,并最终成为全世界最大的生产及应用大国.

2013年5月,国务院发展研究中心发布了《鼓励和支持石粉连续纤维产业发展》的调查研究报告,报告显示,废弃石粉拉制成的纤维,可以制造出各种性能优异的复合材料、板材、管材等,是高科技、高附加值的新兴材料.石粉连续纤维生产使用的高温熔炉专利技术,是以乳胶方式直接熔融,抑制了一氧化碳的燃烧以及盐酸和氮氧化物的生成,达到了零排放零污染.报告也提出了要把石粉连续纤维纳入到国家科技发展规划和产业化项目中,支持石粉连续纤维研究开发和产业化.同时制定财政税收扶持政策和建立健全投融资保障机制,培育优势核心企业.让原本废弃的碎石粉变“黄金”.

我国发展玄武岩连续纤维的各方面条件已经成熟,在经济全球化的新形势下,应抓住机遇,通过消化吸收独联体的成熟技术,结合我国实际情况,充分发挥自身的科技优势,促使我国走出一条玄武岩连续纤维产业化的新路.