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中国发展玄武岩纤维的战略意义

一、玄武岩纤维技术将获工业化推进
       被誉为点石成金的新材料——玄武岩连续纤维,是在中国科学院地质与地球物理研究院刘嘉麒院士团队指导下研发的新一代无机非金属增强材料。玄武岩连续纤维材料是用火山喷发的玄武岩为原料加工而成的无机纤维材料,无废气,废水,废渣排放,是一种低投入、 高产出、低耗能、少排放的环境友好型新材料,被刘嘉麒成为“21世纪的高新绿色工业材料”。
       玄武岩连续纤维不仅稳定性好,还具有电绝缘性、高弹模、透波性高、耐高温等多种性能,可在纤维增强复合材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到应用,被国家列为“十三五”时期重点发展目录、《中国制造2025》重点领域技术路线图。据悉,目前已制定出台多项多家标准和行业标准,为玄武岩纤维产业的发展拓宽空间、创造条件、玄武岩纤维市场的认知度得到了提升,市场需求也逐年增长。据了解,全球玄武岩连续纤维年需求量预测在30万吨至50万吨,而2015年全球产量不足2万吨,国内产量不足一万吨,远不能满足市场的需求。

二、中国玄武岩石材矿产资源的分布情况介绍


       福建福鼎市白琳大嶂山的玄武岩储存量50000万立方米,矿石裸露地表,呈墨黑色、色调凝重高雅,是全国罕见的高级建筑板材,属全国建筑石材基地之一,被国务院建材总局命名“福鼎黑”。
       河南洛阳市蔡店乡的玄武岩呈大小圆块状,储量大,在地表以下五十公分左右分布广泛,深可达百十余米,矿石呈墨黑色,品质优良,经河南省交通规划勘察设计院、地勘试验中心、河南省公路工程试验检测中心检验各项技术指标要求,其结果表明玄武岩石料具有硬度大、强度高、耐磨性好、抗滑系数大、与沥青粘结力强等,符合高速公路沥青面层用粗集料质量要求,是高等级公路路面,机场跑道,铁路道砟的最佳石料。
       华蓥市位于四川盆地东缘,华蓥山脉中段西麓,渠江以东,东接邻水县,南连重庆北碚区,西接合川市和岳池县,北邻广安区。全市幅员面积430平方千米,总人口35万。城市建成面积5.5平方公里,城区人口5万。市政府驻地双河镇。市树:小叶榕。市花:杜鹃。广渝、广南高速公路开通后,该市距重庆、成都分别为80和300公里,仅1小时和3小时车程。长江二级支流渠江流经该市30多公里,沿江建有两个货运码头,可直航重庆等地。
       华蓥市玄武岩矿产资源丰富,分布于华蓥山及阳和偏岩村,现已探明的远景储量5.8亿吨,探明可开采储量1.0亿吨,在川东地区储量最大,年开采加工量在50多万吨,经东南大学、同济大学科学技术检测为国家一级玄武岩。玄武岩是生产铸石的主要原料。铸石具有较高的耐化学腐蚀性和耐酸性能,具有较大的硬度和机械强度,广泛用于化工、冶金、电力、煤炭、建材、纺织和轻工业等部门。玄武岩是生产玄武岩纸、石灰火山岩无熟料水泥、装饰板材、人造纤维的原料,还是陶瓷工业中的节能原料。内蒙古赤峰市内蒙古赤峰地区属于玄武岩地址构造,所出产大理石天然黑色,俗称“蒙古黑”“蒙古黑大理石”,质地坚硬,耐磨损无渗透,光泽温润。具有高尚典雅、高贵豪华的装饰效果,在建筑领域被广泛应用。试于内外请、地面装修、做吧台、台面、窗台、楼梯上等佳品!
       赤峰玄武岩岩石类型:地貌特征显示,研究区汉诺坝玄武岩通常以大面积的熔岩台地为特征,其喷发具有多旋回特点,属多阶段岩浆喷发产物。宏观上每期喷发大致包括柱状节理玄武岩、致密块状玄武岩和气孔-杏仁状玄武岩。岩相学研究发现,赤峰地区汉诺坝玄武岩以橄榄玄武岩和辉石玄武岩为主,主要分布在赤峰北部,形成时代上归属于中新世。岩石地球化特征:研究区汉诺坝玄武岩主量元素的变化范围相对较窄,SiO2、MgO、Fe2O3的含量分别介于47.35-49.9wt%、6.35-8.55wt%、11.12-13.78wt%之间。据SiO2-ALK和AFM图解判定,研究区既发育碱性玄武岩又发育拉斑玄武岩。原始地幔标准化蛛网图显示,大离子亲石元素和高场强不相容元素相对富集。尤其富集Nb和Ta,放射性生热元素Yb和U相对亏损。在微量元素与MgO构成的HarKer图解中,相容元素Cr、Ni与MgO呈正相关,可能是由橄榄石和单斜辉石的分离结晶所致;不相容元素Zr、Y与MgO的相关性不明显,这暗示角闪石分离结晶作用不明显。汉诺坝玄武岩稀土元素总量变化范围较大,∑REE介于92.5-207.71ppm之间,轻重稀土分馏明显,球粒陨石标准化曲线为右倾型,轻稀土相对富集,重稀土相对亏损,未见明显的Eu异常,表明斜长石分离结晶作用不显著。总体上,内蒙古赤峰地区汉诺坝玄武岩的岩石地球化学特征与洋岛玄武岩相似,可能具有与洋岛玄武岩相似的地幔源区。岩石成因:根据微量元素比值及MgO与主量、微量元素构成的HarKer图解,汉诺坝玄武岩在演化过程中经历了橄榄石和单斜辉石的分离结晶,但受大陆地壳物质的混染不显著,运用玄武岩构造环境判别图解与区域构造演化特征认为,赤峰地区汉诺坝玄武岩属于大陆板内玄武岩,形成于大陆裂谷的拉伸环境。原始地幔标准化蛛网图和球粒陨石标准化稀土分配曲线,反应了碱性玄武岩和拉斑玄武岩具有相同的地幔来源,均来自软流圈顶部富集地幔,是石榴石二辉橄榄岩和尖晶石二辉橄榄岩低程度部分熔融的产物。其中,碱性玄武岩的熔融程度较拉斑玄武岩稍低,地幔柱可能为汉诺坝玄武岩形成的深部动力学机制。对内蒙古赤峰地区汉诺坝玄武岩进行详细的岩石类型及其岩石地球化特征的研究,将为汉诺坝玄武岩进一步研究提供新的地址依据。
三、我国发展玄武岩纤维产业的战略意义

       “连续玄武岩纤维”(ContinuousBasalt Fiber以下简称CBF或“玄武岩纤维”)是以火山喷出岩为原料经高温熔融而拉制成的连续纤维。他是关乎国家安全战略和促进国民经济相关领域升级换代的战略性创新材料及重要的基础材料之一,以玄武岩纤维为增强体可制造各种制品及复合材料。


       玄武岩纤维是我国继碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维之后的又一新型高技术纤维。他是处于产业链上游的新的关键基础材料之一,也是特种无机非金属材料和绿色建筑材料,更是军民共用特种新材料。玄武岩纤维产业也是我国高新技术纤维中最有发展前途、最有可能率先在全球做大、对破解资源与环境制约有代表性的可持续发展的新资源产业和绿色产业,他无疑是建材行业的新型产业。根据《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》和国务院《2025中共制造》的文件精神,在谋划“十三五”建材产业发展规划时,我们有必要来讨论这一新兴产业的发展。
1)全世界CBF产业发展的现状及趋势
1、发展现状
       CBF原创技术的研发始于前苏联,1994年玄武岩纤维技术从军工技术中解密。20多年来,随着资源节约型、环境友好型社会的发展,尤其是全球经济的发展越来越受到能源、资源与环境的制约,发展和使用低碳、绿色和可循环的绿色材料已成为应用领域日益增长的必然需求,全世界玄武岩纤维产业新的投资热潮也应运而生。
       综观全球玄武岩纤维产业的发展现状基本可以概括为:技术创新缓慢、产业发展尚处于初级阶段;生产厂家体量小、产业发展空间很大。
       2014年国外玄武岩纤维生产厂家有10多家,且均采用火焰炉,玄武岩纤维纱销售总量(估算)为4000吨左右。厂家主要集中在俄罗斯、乌克兰、德国、比利时、奥地利等国也有生产。我国玄武岩纤维厂家也有10多家,2014年全国销售玄武岩纤维纱约4500吨左右,玄武岩纤维及制品出口额270万美元。
2、产业对比
       与我国玻璃纤维产业成为世界大国相比,我国CBF产业还很幼小稚嫩。为何玄武岩纤维产业发展缓慢?其症结在哪里?与国内玻纤产业对比作如下粗略分析:
①产业发展历程不同
       我国玻纤产业已走过了58年的历程,而玄武岩纤维产业才走过了10年的历程。
②熔体特点不同
       玻璃纤维是人工配料,生产过程中由于不同矿物料在不同温度下会有多项反应过程,并有粉尘、氮氧化物和二氧化碳等废弃排放。常规玄武岩纤维的生产采用单组份的火山喷出岩为唯一原料,不添加任何辅料,因此,熔融时没有硅酸盐的生存阶段,也没有不同温度下形成多项材料演变的化学反应过程,从熔体到“长丝”是一个物理过程。此外,玄武岩熔体有较高的湿润性和析晶能力,硬化和冷却速度较快,纤维成型温度范围变窄,且极易析晶;由于氧化铁成分的含量较高(通常占7%至15%左右),玄武岩熔体被氧化铁着成深褐色,其冷却速度与一般玻璃的冷却速度不同,因熔体的透热性差火焰枪最多能烧透其170㎜深的液面。此外,CBF成纤温度除比高强玻纤外,通常要比其他玻纤产品高出150℃左右,由此给玄武岩纤维的成纤和抑制铂铑合金拉丝漏板的高温变形带来了更大的难度。
③池窑技术研发路径有所不同
       我国玻纤产业的池窑技术走的是引进、消化吸收再创新的路子。我国的玄武岩纤维产业由于没有国外成熟的池窑技术可引进,注定要走自主创新的路子。2016年,东南大学玄武岩国家技术与联合工程中心在国家科技支撑课题的支持下,完成了1200孔拉丝漏板技术和带有6块漏板的全电熔组合拉丝技术的验收。
④竞争格局不同
       如今我国已成为世界玻璃纤维的生产大国。2016年全国玻璃纤维纱总产量350万吨。然而,玄武岩纤维产业受多种因素制约,玄武岩纤维产品性价比不匹配,尚无法与玻纤产品开展竞争。目前,只是从区别于玻纤的性能优势出发,采取差异化的竞争策略,在交通基础设施的高速公路、市政道路、机场道面,以及节能环保、汽车制造等应用领域稍有所突破。
3、存在问题
一、技术水平低、装备落后。目前,我国玄武岩纤维生产厂家普遍采用单模块式的400孔拉丝漏板技术,无论是火焰炉还是全电熔炉均没有真正攻克池窑技术。
二、产量规模小、生产成本高。每吨玄武岩纤维的单位生产成本达到8000元至1万元。实质上反应出来的是技术和市场问题。
三、品种开发少、产品单一。目前,玄武岩纤维产品类型较少,应用领域单一,尚需要通过掺杂改性的途径开发更耐高温、更耐碱、更高强度和模量的高性能纤维产品。
四、研发投入小、创新不足。由于产业化技术创新明显不足,在较大程度上严重影响了我国玄武岩纤维产业的快速发展。

五、成果转化难、标准缺失。与其他高技术纤维一样,玄武岩纤维及其复合材料的推广应用也同样遇到了应用领域缺乏标准和转化难的问题。我国CBF成果推广难,标准缺失是阻碍其发展的问题之一。


六、思想意识认识不到位
1)认识有误区、引导不力。目前,对玄武岩纤维产业有几个典型的认识误区:一是“原料成分难控”论。其实凡是能够用单一玄武岩原料拉制成CBF的,其各氧化物陶瓷成分总是保持在一定的区间内,矿物相几乎是完全相同的。二是“高能耗”论。这实在是一大误解,其实在全球所有的高新技术纤维中,玄武岩纤维的绝对能耗是最低的,是碳纤维的1/33,因其生产工艺路线很短,投料熔融后即可拉丝。目前生产每公斤玄武岩纤维仅需3.5度电,今后池窑生产可降低到2.5度电。三是“小品种”论。这是一种静止的观点,显然没有看到池窑技术瓶颈打开后玄武岩纤维将会展现出的广阔发展前景。四是“岩棉”论。两者有质的区别,显然是一种误认。五是“不必要”论。这是没有对玄武岩纤维进行过深入研究的谬论,玄武岩纤维最大的特点是“绿色化”且还有很多玻纤乃至碳纤维所不及的优异性能。
2)我国发展玄武岩纤维产业的战略意义
      玄武岩纤维与玻璃纤维相比,具有比强度强、比模量高,绿色环保,更有其耐高温、耐低温、抗蠕变、耐久性好、综合性能优越等诸多优点。
       玄武岩纤维产业具有10个特征:原料来源的充沛性、资源利用的高效性、性能取向的综合性、生产工艺的简洁性、技术含量的高难性、应用替代的广泛性和环境保护的友好性、知识产权的自主性、上游产业的基础性、发展前景的可持续性。因此,在我国经济发展面临资源、 能源、环保与可持续发展约束不断加剧的背景中,我国率先发展这一特种无机非金属矿新材料产业具有特别重要的战略意义。
1、发展绿色产业,变资源优势为市场优势
       所谓新资源产业是指通过高新技术将地球上已有的以前未被发现为有重大利用价值的资源(包括火山岩等矿藏资源、海洋生物资源、陆地植物资源、废旧资源等等)加以深度开发和利用,使之成为具有高附加值的多用途的绿色环保、低碳、可循环利用的新兴产业。中科院院士刘嘉麒曾指出:“中国有丰富的玄武岩资源,大部分省区都能找到适合拉丝的玄武岩,特别是东北和东南沿海地区分布更为广泛,为发展玄武岩材料工业提供了有利的物质基础。”
2、抢占技术高地,拔得发展玄武岩纤维的头筹
        目前,全世界只有俄罗斯、乌克兰、中国拥有生产连续玄武岩纤维的自主知识产权,美国、日本、英国、法国等国在其本土尚无生产。我国的玄武岩纤维产业应把握住这一难得的率先做大的机遇。
3、促进绿色建材发展,提供新兴基础材料
       鉴于玄武岩纤维一系列优异的性能,目前,他在交通基础设施、建筑节能和防火,以及环保等领域已经显示其独特的作用。例如将短切玄武岩纤维掺入沥青混合料可以成倍的提高沥青路面的抗车辙能力和公路使用寿命;将玄武岩纤维防火保温板用于建筑外墙外保温可以解决我国乃至全球一致困惑的“节能”与“防火”的两难问题。
4、发展军民共用新材料,实现自主可控
       玄武岩纤维产业的发展,将为我国先进武器装备的制造和国民经济相关领域产品的升级换代提供有自主知识产权的新材料。
3)加快我国玄武岩纤维产业发展的几点建议
一、做好我国玄武岩纤维产业发展的顶层设计。建议国家有关部委以前瞻性的战略眼光,按照国务院《中国制造2025》对新材料的发展重点,要像重视碳纤维那样,对该产业进行专项调查和规划,并将“连续玄武岩纤维及其复合材料”上升为国家战略性创新材料予以重点发展。
二、将“连续玄武岩纤维及其复合材料”列入“十三五”国家重点科技专项和产业化专项。
三、重点发展我国自主创新的玄武岩熔融拉丝的全电熔池窑技术和以电为主、气为辅的玄武岩纤维池窑拉丝技术。
四、将玄武岩纤维产业列入绿色建材新兴产业予以重点发展。要重点发展既节能又防火的玄武岩纤维新型建筑外墙外保温材料、建筑装饰材料、增强高性能水泥混凝土和耐腐蚀长寿命建筑工程用的玄武岩纤维复合材料。建议中国建筑材料联合会重视这一绿色建材新兴产业的发展,在相关协会下成立玄武岩纤维分会,鼓励和引导行业内有雄厚实力的集团,选择有代表性的玄武岩纤维生产企业进行并购或其他形式的资产重组,以组建旗舰型玄武岩纤维生产企业,对制约CBF产业发展的瓶颈技术进行集中攻关,推动玄武岩纤维产业的超常规发展。
五、鼓励东部玄武岩纤维生产企业向有玄武岩矿石及能源优势的东北及西北地区进行产业转移。
六、实施标准创新战略,加强市场推广应用急需的玄武岩连续纤维及其复合材料国家或行业标准的制定,以促进其更广泛的推广应用。
七、国家新兴产业创业投资引导基金要对“连续玄武岩纤维及其复合材料”产业进行大力投资,促进其技术与市场的融合,创新与产业的对接。
八、建议国家对“玄武岩纤维及其制品”(税号为6815.9940)给予17%的出口退税率的鼓励。












 
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