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深度研究!玄武岩纤维的应用现状及前景展望

2022-12-09 来源:前沿材料PLUS公众号 浏览数:1

一、概述

玄武岩纤维,是天然火山岩在高温熔融流体化后经贵金属(如铂铑合金)漏板高速连续拉丝而成,其主要优异的物化性质如表1所示。高性能纤维物化性能对比分析如表2所示。

表1 玄武岩纤维主要优异物化性质

序号

物化性质

指标

1

密度/(g/cm3)

2.6~2.8

2

耐温性/℃

-269-700

3

单丝力学强度/ MPa

3 000~4 840

4

弹性模量/ GPa

91~110







5

耐碱纤维强度保留率/%

>80

6

吸音系数

0.90-0.99

7

体积电阻率/(Ω•m)

1x1012


表2 高性能纤维的物化性能对比分析

纤维类型

密度/(g/cm3)

抗拉强度/ MPa

弹性模量/ GPa

断裂伸长率/%

最高工作温度/℃

玄武岩纤维

2.80

3000~4840

79.3~93.1

3.1

700

无碱玻璃纤维(E-GF)

2.54

3100~3800

72.5~75.5

4.7

380

高强玻璃纤维(S-GF)

2.54~2.57

4020~4650

83~86

5.3

300

碳纤维

1.78

3500~6000

230~600

1.5~2.0

500

芳纶纤维

1.45

2900~3400

70~140

2.8~3.6

250

超高分子量

聚乙烯纤维

0.97~0.98

60~3000

3.4~100*

3.5~3.7a

100


注:*随拉伸比而不同。

玄武岩纤维具有优异的耐温性、单丝力学强度、弹性模量、密度、蠕变断裂应力、化学稳定性等物理化学性质,耐腐蚀性优于普通玻璃纤维,力学性能指标也优于普通玻璃纤维约30%,蠕变率则约为芳纶纤维的1/4,工艺能耗约为碳纤维的1/16。

玄武岩纤维产品形式主要有原丝、无捻粗纱、加捻纱,市场应用产品包括纺织品(例如缝纫线、方格布)、复合材料(例如水窖、管道),应用领域包括国防军工、土建设施、建筑增强、海洋工程、电力特高压输送、轨道交通车辆、汽车轻量化、消防、环保。

二、发展现状分析

2017年,全球玄武岩纤维主要生产企业约35家,年产量约5万t,产能主要来自乌克兰,俄罗斯、美国、德国等国家也是主要生产国。其中俄罗斯玄武岩纤维年产量约2000~5000t,主要应用于军工、油气管道;美国玄武岩纤维年产量约3000~5000t。

我国也非常重视玄武岩纤维的发展。2002年,玄武岩纤维被列入国家“863”计划,之后国家出台系列产业政策鼓励、指导发展玄武岩纤维产品,主要相关政策包括:《新材料产业“十二五”发展规划》《新材料产业“十三五”发展规划》《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》《新材料产业标准化工作三年行动计划》(2013年)《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017年版)》。此外,在地方层面,四川省出台《玄武岩纤维产业发展规划(2016-2020)》(2016年)对相关产业进行指导和扶持。

2010年以来,我国玄武岩纤维行业产能初具规模,产品应用于交通、建筑领域,主要生产企业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、四川炬原玄武岩纤维科技有限公司、贵州石鑫玄武岩科技有限公司、浙江石金玄武岩纤维有限公司、牡丹江金石玄武岩纤维有限公司、山西巴塞奥特科技有限公司、辽宁金石科技集团有限公司、营口市洪源玻纤科技有限公司、江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司、河北通辉科技有限责任公司。2014年,吉林通鑫玄武岩科技股份有限公司的产品通过ISO/TS 16949体系认证,在汽车行业取得应用突破。

据统计,截至2017年,我国玄武岩纤维生产企业25家,玄武岩纤维纱产量>1.0~2.0万t,预计2020年我国玄武岩纤维产量有望超过3万t。

三、工艺技术分析

国内外玄武岩纤维生产工艺技术开发重要节点如下:1922年,美国人申请全球最早的玄武岩连续纤维制造技术专利;21世纪60年代,前苏联率先着手研发玄武岩纤维,美国、德国、日本也相继展开相关研究;20世纪70年代,玄武岩纤维在乌克兰基辅实现工业化生产(前苏联国家级的军工项目);2001年6月,玄武岩纤维及其复合材料应用项目列入“中、俄2国政府间科技合作项目”,相应地,俄金玄武岩纤维公司(深圳)应运而生;2002年8月,玄武岩被列入国家“863计划”,2005年正式通过国家“863”项目验收。

3.1 生产工段

玄武岩纤维的主要生产工段包括选料、磨料、熔融、拉丝。

选料:玄武岩属于硅酸盐,主要由二氧化硅(SiO₂)、三氧化二铝(A12O₃)、氧化钙(CaO)构成,其他组分包括三氧化二铁(Fe2O₃)、氧化铁(FeO)、氧化钛(TiO₂)、氧化钾(K2O),实际生产原料要求矿石储量充足、性能指标要求。

磨料:磨料工段主要包括原料矿石粉碎、磁选(选料器)、均匀搅拌。

熔融:磨料工段的待用料首先预热至900℃左右,然后进入电炉升温至1 300~1 400℃(加热方式主要是电极辐射和高温对流)。

拉丝:熔融体经铂铑合金漏板牵引、拉制纤维成纤维,然后在浸润剂的作用下经集束器、纤维张紧器、自动绕丝机绕最终成筒。


3.2 工艺水平

目前,我国拥有玄武岩纤维制造技术及工艺的完全自主知识产权,制造工艺达基本国际水平同步,具体表现以下4方面:

稳定性:多元均配混配技术已能实现生产工艺的长周期稳定性。

量产化:长寿命大池窑已实现年产1000t产能规模。

高端化:纤维产品具有高强度、耐高温、耐碱等优异性能。其中,高强度单丝强度>4 000MPa,模量>110GPa;耐温性可以达到800℃;耐碱纤维强度保留率>80%。

环保性:玄武岩纤维熔炼工艺不需添加化工助剂,生产过程几乎无“三废”产生,产品废弃后可在自然降解,环境友好性较为突出。

3.2 影响因素

整体而言,玄武岩纤维核心工艺技术环节是矿石熔融、拉丝,玄武岩纤维的质量,与玄武岩矿石原料的成色有关,也与关键设备如熔炉、池窖、拉丝漏板等有关,也与浸润剂中的成膜剂有关。

玄武岩矿石的化学成分决定成纤的性能指标,过量的铁元素可导致玄武岩熔体的热透性差,熔化不充分,降低熔制效率。

受自然因素影响,玄武岩矿床成分、内部结晶体具有差异,可导致熔岩体不均匀,未充分熔融的微晶体极易成为晶核。

玄武岩成纤温度区间较窄,析晶温度和拉丝温度基本一致,析晶会对成纤的拉伸强度造成不利影响(例如,断丝)。

在加热过程中,密度较大的铁氧化物向窑底铂铑合金漏板富集,造成侵蚀。

小型漏板平均使用寿命约9个月,大漏板约11个月。以800孔漏板为例,从安装到调整至正常作业水平需要一周左右时间。在浇筑好的漏板表面涂覆表面处理剂已通过实际生产验证,具有一定的增效降本效果,处理剂类型、浓度尚需进一步深入研究。

浸润剂的重要组份是成膜剂,成膜剂制造技术、纤维表面处理浸润剂配方技术是玄武岩纤维的核心技术,对纤维生产质量、纤维与树脂基体相容浸润性以及复合材料的物理化学性能具有重大影响。其中,环氧树脂乳液是我国玄武岩纤维成膜剂常用品种,相关纤维增强复合材料需开发、使用具有针对性的浸润剂。

四、玄武岩纤维应用前景分析

玄武岩纤维是无机硅酸盐纤维,与硅酸盐材料(水泥、混凝土)具有天然的相容性,在沥青封层、水泥增强、混凝土增强领域具有技术优势。

以增强混凝土结构为例,短切玄武岩纤维掺入水泥基体可形成均匀三维牵拉“微骨架”体系,可承受收缩变形应力,增加材质韧性,提高构件延性,抑制裂纹,是高性价比的增强材料。玄武岩纤维在提高混凝土的质量性能方面,具体表现为以下3方面:

①玄武岩纤维增强混凝土的抗压强度提高约2.6%,有利于提高混凝土的抗冻性能。

②玄武岩纤维增强混凝土劈裂抗拉强度提高约9.8%,抗弯强度提高约15.3%,抗弯极限拉伸长度提高约19.1%,延缓形成初始裂缝,减少混凝土收缩引起的微裂纹。

③玄武岩纤维增强材料筋可有效替代钢材,解决金属材料锈蚀和维修等工程问题,提高混凝土结构的耐久性、安全性。

以道路沥青封层为例,沥青路面加入锚结玄武岩纤维丝,可抑制路面横向开裂。玄武岩纤维丝布置于路面上层,能较好预防路表横向开裂;玄武岩纤维丝布置于路面下层,可预防半刚性基层反射裂缝的形成。

在土木工程材料领域,短切玄武岩纤维、连续纤维增强复合材料制品(筋材/连接件、索材、网格、型材)作为结构材料和功能材料(地暖板、吸声板)得到推广应用,用量已超过碳纤维

此外,玄武岩纤维的吸音系数、工作温度高,已用于制备热处理设备、防火保温制品、消声设备。

目前,玄武岩纤维制品已在房屋建筑、机场跑道、桥梁等示范工程项目获得验证,相关产品、方法标准如表3所示。


表3 玄武岩纤维产品、方法标准

标准

发起单位

管理单位

编制单位

《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/T 23265-2009)

中国建筑材料联合会

全国水泥制品标准化技术委员会

浙江石金玄武岩纤维有限公司

苏州混凝土水泥制品研究院

《玄武岩纤维无捻粗纱》(GB/T 25045-2010)

全国玻璃纤维标准化技术委员会

浙江石金玄武岩纤维有限公司

南京玻璃纤维研究设计院

《结构加固修复用玄武岩纤维复合材料》(GB/T 26745-2011)

全国纤维增强塑料标准化技术委员会

浙江石金玄武岩纤维有限公司

东南大学

中冶建筑研究总院有限公司

《公路工程玄武岩纤维及其制品》(JT/T 776-2010)

中国交通工程设施(公路)标准化技术委员会

交通运输部公路科学研究院

浙江石金玄武岩纤维有限公司

东南大学

四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司

《结构加固用玄武岩纤维片材》(JG/T 365-2012)

住房和城乡建设部标准定额研究所

住房和城乡建设部建筑制品与构配件产品标准化技术委员会

中冶建筑研究总院有限公司

《进出口纺织品纤维定性分析陶瓷、玄武岩、聚苯硫醚和聚醚醚酮纤维》(SN/T 4357-2015)

国家认证认可监督管理委员会

中华人民共和国嘉兴出入境检验检疫局

中华人民共和国绍兴出入境检验检疫局

《建筑用玄武岩纤维增强火山渣空心条板》(DB22/T 2683-2017)

吉林省工业和信息化厅

吉林建筑大学

吉林玖鑫玄武岩产业集团有限公司

《玄武岩纤维浸透速率测试方法》(DB51/T 2320-2017)

四川省纤维检验局

四川省纤维检验局

四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司

《玄武岩纤维单丝拉伸性能测试方法》(DB51/T 2321-2017)

四川省纤维检验

四川省纤维检验局

四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司


此外,涉及玄武岩纤维的相关标准还包括:《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608-2010)、《砌体结构加固设计规范》(GB 50702-2011)、《袋式除尘用针刺非织造过滤材料》(FZ/T64055-2015)。

玄武岩纤维具有在诸多国民经济领域具有扩大应用的可能,具体包括:①建筑增强:替代钢筋、玻璃纤维;②沥青/水泥混凝土增强添加剂:替代木质素纤维、聚酯纤维;③管道:玄武岩纤维制腐蚀性气体(例如,CO2、H2S)防护性较强,相关输油管道服役50年的腐蚀程度<5%(20℃使用环境),以及城市给排水管道,替代钢材;④电线路杆塔:替代钢、铝合金、水泥、木材、玻璃钢;⑤风光互补系统结构件:替代钢材;⑥光伏支架:替代Q235钢;⑦玄武岩纤维复合材料:建筑墙体保温装饰复合板(玄武岩纤维、特种石墨改性聚氨酯硬泡)、水下网箱(玄武岩连续纤维、高强度树脂复合材料替代金属材料)。

五、发展建议

我国玄武岩纤维在建筑领域的应用尚处于初级阶段,市场需求进一步发展尚面临诸多应用技术难题:①进一步降低生产成本高,稳定产品性能,完善行业标准体系;②玄武岩纤维是脆性材料,纤维密度较大,耐磨性差,织造性能不理想;③在相同水灰比条件下,水泥胶砂流动性随玄武岩纤维掺加量的增加而降低,对混凝土工作性能产生不良影响;④我国成膜剂研发水平尚处于全球中低端水平,不能满足高性能玄武岩纤维的生产要求。


为推动玄武岩纤维市场的进一步发展,可在道路桥梁、机场跑道、高速铁路、客运专线轨道板、大坝等领域选择典型示范工程,积累实际工程经验。具体来说:①在玄武岩纤维混凝土增强结构领域,深入研究玄武岩纤维、高性能混凝土配制;②根据结构应用的具体要求,开发复合纤维材料产品(例如玄武岩纤维、碳纤维)满足市场消费需求。据相关报道,玄武岩纤维/碳纤维混杂技术已成功架设跨度54m承载30t的轻量化桥梁(减重40%);③针对不同结构应用形式,完善玄武岩复合材料耐久性设计、轻量化设计、低碳化设计、损伤可控设计、寿命可控设计。

 

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