馬鵬程，國(guó)家"千人計(jì)劃"創(chuàng)新人才，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員

　　玄武巖纖維是一種新型無(wú)機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料，它是玄武巖石料在1450℃~1500℃熔融后，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。由于生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物少，對(duì)環(huán)境污染小，玄武巖纖維被譽(yù)為21世紀(jì)新型環(huán)保材料，受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，并成為當(dāng)前科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。近日，《千人》雜志對(duì)話國(guó)家“千人計(jì)劃”專家、中科院新疆理化所研究員馬鵬程博士，透視我國(guó)玄武巖纖維材料研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀。

　　 纖維家族的新一代——玄武巖纖維

　　玄武巖系火山噴發(fā)后在地表形成的巖石，其結(jié)構(gòu)致密，并含有玻璃質(zhì)，產(chǎn)地不同，成分略有不同。玄武巖纖維在強(qiáng)度、耐溫范圍、生產(chǎn)成本、抗腐蝕性和生產(chǎn)過(guò)程環(huán)保等方面優(yōu)勢(shì)突出，且同時(shí)兼?zhèn)湓S多傳統(tǒng)纖維沒(méi)有的優(yōu)異性能，因而成為了纖維家族的新一代。

　　在我國(guó)，玄武巖纖維、 碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維被列為重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維。國(guó)內(nèi)對(duì)于玄武巖纖維的研究始于2O世紀(jì)7O年代，經(jīng)過(guò)幾十年的迅猛發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)掌握了較為先進(jìn)的玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)。馬鵬程認(rèn)為，這主要是兩個(gè)方面的因素促成的：一是國(guó)家對(duì)新材料的重視，通過(guò)對(duì)新材料進(jìn)行供給側(cè)改革，讓材料的性質(zhì)在科研領(lǐng)域有所提升，從而提高產(chǎn)品的附加值；二是玄武巖纖維本身相對(duì)于 玻璃纖維和碳纖維來(lái)說(shuō)，具有較高的性價(jià)比。“若單從力學(xué)性能來(lái)講，碳纖維在這幾類纖維中性能最佳，但是它的市場(chǎng)價(jià)格非常高，每噸可達(dá)15到20萬(wàn)元不等，普通玻璃纖維每噸0.5到1萬(wàn)元，玄武巖纖維大致在每噸1.5萬(wàn)到3萬(wàn)元，雖然玄武巖纖維價(jià)格略高于玻璃纖維，但這種纖維的性能要比普通玻璃纖維好很多。”

　　“如果說(shuō)玻璃纖維的發(fā)展已經(jīng)是人到中年，那么玄武巖纖維就是剛上幼兒園的兒童。”作為一種新材料，玄武巖纖維被寄希望于帶動(dòng)一個(gè)產(chǎn)業(yè)或者整個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展，就像它的前輩一樣：玻璃纖維在上個(gè)世紀(jì)四、五十年代帶動(dòng)了整個(gè)纖維增強(qiáng) 復(fù)合材料領(lǐng)域的發(fā)展，而碳纖維則帶動(dòng)了纖維成絲、碳化及高端應(yīng)用（國(guó)防、航天等領(lǐng)域）行業(yè)的發(fā)展。同樣，馬鵬程期待玄武巖纖維能夠帶動(dòng)玄武巖礦石選礦及加工、纖維材料制備（包括高溫下融化拉絲工藝的優(yōu)化、纖維浸潤(rùn)劑等）、金屬加工（合金熔化爐）以及玄武巖纖維下游應(yīng)用（建筑、土木、復(fù)合材料等）諸多行業(yè)的發(fā)展。

　　 意外發(fā)現(xiàn)：玄武巖纖維可導(dǎo)電

　　在我國(guó)，玄武巖纖維的研究單位并不多，他們的研究更多的是與企業(yè)訴求相結(jié)合。例如東南大學(xué)的研究集中在玄武巖纖維在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，東華大學(xué)則聚焦于玄武巖纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。多數(shù)研究都集中在玄武巖纖維應(yīng)用中的具體問(wèn)題，較少關(guān)注到玄武巖纖維的拉絲、成絲、浸潤(rùn)等工藝過(guò)程。“主要是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室或者高校創(chuàng)建一套玄武巖拉絲裝備并不容易，需要用到價(jià)格昂貴的金屬材料——鉑銠合金，一般實(shí)驗(yàn)室難以承受，此外，還要將礦石熔融溫度長(zhǎng)期維持在1000度以上，耗能較大，維護(hù)和運(yùn)行成本較高。”

　　雖然實(shí)驗(yàn)室有些條件并不具備，但研究團(tuán)隊(duì)依然堅(jiān)定前行。2017年9月，馬鵬程帶領(lǐng)的復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)與德國(guó)德累斯頓萊布尼茨高分子研究所教授Edith M?der合作，嘗試以玄武巖纖維為基底，利用其本身含有的金屬元素，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同碳納米材料在玄武巖纖維表面的沉積和生長(zhǎng)，使得玄武巖纖維由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。

　　“含納米涂層的玄武巖纖維實(shí)際上是一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)。前期，我們使用物理沉積技術(shù)在玻璃纖維表面涂覆碳納米管、石墨烯，再將其用于復(fù)合材料的健康檢測(cè)，但是效率有點(diǎn)低。后來(lái)，課題組博士生郝斌（現(xiàn)已取得博士學(xué)位）嘗試以玄武巖為基體材料，發(fā)現(xiàn)在纖維表面長(zhǎng)出許多排列規(guī)整的碳納米管。這是非常有意思的發(fā)現(xiàn)”馬鵬程笑著說(shuō)道。遺憾的是，當(dāng)研究小組再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，卻重復(fù)不出一樣的結(jié)果。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步地研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)只有嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，才能在玄武巖纖維表面才能長(zhǎng)出致密的納米涂層，并使得玄武巖纖維由絕緣體轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體。

　　導(dǎo)電玄武巖纖維的成功研發(fā)，顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知中玄武巖纖維是絕緣材料的概念，有望增加玄武巖纖維的功能價(jià)值，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，增加產(chǎn)品的附加值。據(jù)馬鵬程介紹，導(dǎo)電玄武巖纖維有望在油水分離、油氣凈化、纖維增強(qiáng)、抗靜電材料等領(lǐng)域“施展拳腳”。此外，在隱身和電磁波屏蔽領(lǐng)域，導(dǎo)電玄武巖纖維材料也有一定的應(yīng)用潛力，馬鵬程博士所在的課題組正在開(kāi)展這方面的研

　　 大數(shù)據(jù)透視玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

　　玄武巖纖維的用途很廣泛，基本上玻璃纖維用到的地方，玄武巖纖維都能取而代之。此外，它的力學(xué)性能、耐熱性能更佳，還有比較好的過(guò)濾效果、抗噪音、耐腐蝕等性能。玄武巖纖維的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、過(guò)濾材料、土木工程、建筑等方面。

　　“北方住房建筑外層墻壁都會(huì)安裝保溫板，以前很多保溫材料都是選用石棉、高分子泡沫板材，雖然保溫效果好，但是石棉是一種強(qiáng)烈的致癌物，高分子泡沫的阻燃效果欠佳。2010年11月發(fā)生在上海靜安區(qū)的高層住宅就是因?yàn)楦叻肿颖匕迤鸹穑斐闪撕芏鄠觥６眯鋷r纖維做的保溫板，質(zhì)量輕、保溫效果好、更不會(huì)燃燒”馬鵬程舉例說(shuō)道，現(xiàn)在很多高檔住宅區(qū)建筑物外墻保溫層就是用玄武巖巖棉材料做成的。

　　雖然玄武巖纖維在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是生產(chǎn)玄武巖纖維過(guò)程中有著較高的成纖難度、嚴(yán)格的工藝控制條件和較高的技術(shù)門檻，這些都影響到了玄武巖纖維的市場(chǎng)價(jià)格和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。玄武巖纖維未來(lái)的發(fā)展前景到底如何？在中科玄武巖纖維創(chuàng)新孵化研究院的支持下，馬鵬程及其研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展玄武巖纖維大數(shù)據(jù)分析工作，通過(guò)調(diào)研全國(guó)玄武巖纖維廠家的產(chǎn)能和產(chǎn)品性能，創(chuàng)建基于國(guó)內(nèi)地理、地質(zhì)等因素考慮的玄武巖纖維材料大數(shù)據(jù)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而為玄武巖纖維材料的選礦、廠址建設(shè)及行業(yè)空間布局和發(fā)展提供參數(shù)和技術(shù)支持。初步的研究結(jié)果表明，不同區(qū)域的玄武巖纖維產(chǎn)品價(jià)格差異巨大，每噸從七萬(wàn)元到一萬(wàn)塊元不等，這個(gè)價(jià)格很接近高性能玻璃纖維的價(jià)格。因此，馬鵬程認(rèn)為玄武巖纖維在保持性能的同時(shí)，市場(chǎng)價(jià)格有望繼續(xù)降低，從而使材料的性價(jià)比得到進(jìn)一步提升。在未來(lái)，玄武巖纖維極有可能完全取代玻璃纖維。

　　我國(guó)玄武巖礦石儲(chǔ)量豐富且在全國(guó)各地都有廣泛分布，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)玄武巖纖維的企業(yè)主要分布在東北（吉林、遼寧）、華北（山西）、華東（江蘇、浙江）、西部（貴州、四川、新疆）等地。馬鵬程認(rèn)為這些企業(yè)能夠生存下來(lái)，主要是解決了原材料、能耗以及最終市場(chǎng)用戶等方面的問(wèn)題。以新疆的企業(yè)為例，它的原材料來(lái)源于當(dāng)?shù)匦鋷r礦石，就地取材節(jié)省了材料的運(yùn)輸成本；企業(yè)可以取得廉價(jià)工業(yè)用電，意味著最終材料在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)；產(chǎn)品主要用于道路等工程領(lǐng)域——用玄武巖做成的隔柵可以鋪在高速公路下面，作為增強(qiáng)體，基本滿足了近年來(lái)新疆基礎(chǔ)建設(shè)對(duì)玄武巖纖維的需求。相對(duì)而言，東部地區(qū)的玄武巖纖維企業(yè)則開(kāi)辟了纖維材料的新型應(yīng)用，如車用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由于當(dāng)?shù)氐墓I(yè)基礎(chǔ)配套設(shè)施比較完備，這些企業(yè)能夠輻射全國(guó)，開(kāi)拓更大的市場(chǎng)。

　　雖然馬鵬程團(tuán)隊(duì)制備的導(dǎo)電玄武巖纖維拓展了玄武巖纖維的新型應(yīng)用，使材料的性能更加優(yōu)越，但要實(shí)現(xiàn)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，還是有幾大問(wèn)題丞待解決：

　　第一是生產(chǎn)效率低下，現(xiàn)在玄武巖纖維的拉絲樓板一般是兩百孔，而玻璃纖維拉絲漏板的孔數(shù)可高達(dá)四千孔，相對(duì)而言，玄武巖纖維的生產(chǎn)效率要低很多，這也是造成材料成本高的原因之一。如何開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，迫在眉睫。據(jù)馬鵬程了解，國(guó)外玄武巖纖維拉絲漏板的孔數(shù)已經(jīng)突破800孔。

　　第二是材料的實(shí)際力學(xué)性能低于理論值，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)十幾個(gè)廠家的玄武巖纖維產(chǎn)品測(cè)試，馬鵬程發(fā)現(xiàn)，這些材料的力學(xué)性能比理論預(yù)測(cè)的性能低很多。玄武巖纖維單絲的理論強(qiáng)度可達(dá)到四千五百兆帕，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)出來(lái)的值只有一半左右。如何提升產(chǎn)品的力學(xué)性能，直接關(guān)系到玄武巖纖維未來(lái)的發(fā)展。

　　第三個(gè)是開(kāi)發(fā)玄武巖纖維專用的浸潤(rùn)劑：在玄武巖連續(xù)纖維的生產(chǎn)過(guò)程中，為了提高纖維的品質(zhì)，應(yīng)盡量避免生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)纖維的磨損，同時(shí)對(duì)于不同的應(yīng)用要求需要纖維具有不同的表面性能，因此在生產(chǎn)過(guò)程中一般需要對(duì)纖維表面進(jìn)行油劑涂敷，行業(yè)叫浸潤(rùn)劑。目前我國(guó)已掌握纖維制造技術(shù)，對(duì)纖維浸潤(rùn)劑的研究和開(kāi)發(fā)尚屬空白，各廠家多借用玻纖浸潤(rùn)劑應(yīng)用于玄武巖纖維。浸潤(rùn)劑是纖維制備和應(yīng)用的“黑匣子”技術(shù)，也是我國(guó)當(dāng)前高性能纖維發(fā)展的瓶頸技術(shù)之一，急需進(jìn)行該領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)。