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聽說碳納米材料竟和玄武岩纖維材料來電了?簡直是颠覆認知!

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聽說碳納米材料竟和玄武岩纖維材料來電了?簡直是颠覆認知!

發布日期:2017-11-13 03:18 來源:http://www.appeic.com 點擊:

馬鵬程,國家“千人計劃”創新人才,中國科學院新疆理化技術研究所研究員


玄武岩纖維是一種新型無機環保綠色高性能纖維材料,它是玄武岩石料在1450℃~1500℃熔融後,通過鉑铑合金拉絲漏闆高速拉制而成的連續纖維。由于生産過程中産生的廢棄物少,對環境污染小,玄武岩纖維被譽為21世紀新型環保材料,受到了業内人士的廣泛關注,并成為當前科研領域的研究熱點之一。近日,《千人》雜志對話國家“千人計劃”專家、中科院新疆理化所研究員馬鵬程博士,透視我國玄武岩纖維材料研究和産業化發展現狀。


纖維家族的新一代——玄武岩纖維


玄武岩系火山噴發後在地表形成的岩石,其結構緻密,并含有玻璃質,産地不同,成分略有不同。玄武岩纖維在強度、耐溫範圍、生産成本、抗腐蝕性和生産過程環保等方面優勢突出,且同時兼備許多傳統纖維沒有的優異性能,因而成為了纖維家族的新一代。


在我國,玄武岩纖維、碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維被列為重點發展的四大纖維。國内對于玄武岩纖維的研究始于2O世紀7O年代,經過幾十年的迅猛發展,我國已經掌握了較為先進的玄武岩纖維生産技術。馬鵬程認為,這主要是兩個方面的因素促成的:一是國家對新材料的重視,通過對新材料進行供給側改革,讓材料的性質在科研領域有所提升,從而提高産品的附加值;二是玄武岩纖維本身相對于玻璃纖維和碳纖維來說,具有較高的性價比。“若單從力學性能來講,碳纖維在這幾類纖維中性能最佳,但是它的市場價格非常高,每噸可達15到20萬元不等,普通玻璃纖維每噸0.5到1萬元,玄武岩纖維大緻在每噸1.5萬到3萬元,雖然玄武岩纖維價格略高于玻璃纖維,但這種纖維的性能要比普通玻璃纖維好很多。”




“如果說玻璃纖維的發展已經是人到中年,那麼玄武岩纖維就是剛上幼兒園的兒童。”作為一種新材料,玄武岩纖維被寄希望于帶動一個産業或者整個行業的快速發展,就像它的前輩一樣:玻璃纖維在上個世紀四、五十年代帶動了整個纖維增強複合材料領域的發展,而碳纖維則帶動了纖維成絲、碳化及高端應用(國防、航天等領域)行業的發展。同樣,馬鵬程期待玄武岩纖維能夠帶動玄武岩礦石選礦及加工、纖維材料制備(包括高溫下融化拉絲工藝的優化、纖維浸潤劑等)、金屬加工(合金熔化爐)以及玄武岩纖維下遊應用(建築、土木、複合材料等)諸多行業的發展。


意外發現:玄武岩纖維可導電


在我國,玄武岩纖維的研究單位并不多,他們的研究更多的是與企業訴求相結合。例如東南大學的研究集中在玄武岩纖維在土木工程領域的應用,東華大學則聚焦于玄武岩纖維增強的複合材料。多數研究都集中在玄武岩纖維應用中的具體問題,較少關注到玄武岩纖維的拉絲、成絲、浸潤等工藝過程。“主要是因為在實驗室或者高校建立一套玄武岩拉絲裝備并不容易,需要用到價格昂貴的金屬材料——鉑铑合金,一般實驗室難以承受,此外,還要将礦石熔融溫度長期維持在1000度以上,耗能較大,維護和運行成本較高。”



雖然實驗室有些條件并不具備,但研究團隊依然堅定前行。2017年9月,馬鵬程帶領的複合材料團隊與德國德累斯頓萊布尼茨高分子研究所教授Edith Mäder合作,嘗試以玄武岩纖維為基底,利用其本身含有的金屬元素,采用化學氣相沉積技術,實現了不同碳納米材料在玄武岩纖維表面的沉積和生長,使得玄武岩纖維由絕緣體轉變為導體。


“含納米塗層的玄武岩纖維實際上是一個意外發現。前期,我們使用物理沉積技術在玻璃纖維表面塗覆碳納米管、石墨烯,再将其用于複合材料的健康檢測,但是效率有點低。後來,課題組博士生郝斌(現已取得博士學位)嘗試以玄武岩為基體材料,發現在纖維表面長出許多排列規整的碳納米管。這是非常有意思的發現”馬鵬程笑着說道。遺憾的是,當研究小組再次進行實驗時,卻重複不出一樣的結果。經過進一步地研究,團隊發現隻有嚴格控制實驗條件,才能在玄武岩纖維表面長出緻密的納米塗層,并使得玄武岩纖維由絕緣體轉變成導體。


導電玄武岩纖維的成功研發,颠覆了傳統認知中玄武岩纖維是絕緣材料的概念,有望增加玄武岩纖維的功能價值,進一步拓展其應用領域,增加産品的附加值。據馬鵬程介紹,導電玄武岩纖維有望在油水分離、油氣淨化、纖維增強、抗靜電材料等領域“施展拳腳”。此外,在隐身和電磁波屏蔽領域,導電玄武岩纖維材料也有一定的應用潛力,馬鵬程博士所在的課題組正在開展這方面的研究。


大數據透視玄武岩纖維産業現狀


玄武岩纖維的用途很廣泛,基本上玻璃纖維用到的地方,玄武岩纖維都能取而代之。此外,它的力學性能、耐熱性能更佳,還有比較好的過濾效果、抗噪音、耐腐蝕等性能。玄武岩纖維的應用領域主要集中在纖維增強複合材料、過濾材料、土木工程、建築等方面。


“北方房屋建築外層牆壁都會安裝保溫闆,以前很多保溫材料都是選用石棉、高分子泡沫闆材,雖然保溫效果好,但是石棉是一種強烈的緻癌物,高分子泡沫的阻燃效果欠佳。2010年11月發生在上海靜安區的高層住宅就是因為高分子保溫闆起火,造成了很多傷亡。而用玄武岩纖維做的保溫闆,質量輕、保溫效果好、更不會燃燒”馬鵬程舉例說道,現在很多高檔住宅區建築物外牆保溫層就是用玄武岩岩棉材料做成的。


雖然玄武岩纖維在很多領域有着廣泛的應用,但是生産玄武岩纖維過程中有着較高的成纖難度、嚴格的工藝控制條件和較高的技術門檻,這些都影響到了玄武岩纖維的市場價格和市場競争力。玄武岩纖維未來的發展前景到底如何?在中科玄武岩纖維創新孵化研究院的支持下,馬鵬程及其研究團隊正在開展玄武岩纖維大數據分析工作,通過調研全國玄武岩纖維廠家的産能和産品性能,建立基于國内地理、地質等因素考慮的玄武岩纖維材料大數據及相應的數據庫,從而為玄武岩纖維材料的選礦、廠址建設及行業空間布局和發展提供參數和技術支持。初步的研究結果表明,不同區域的玄武岩纖維産品價格差異巨大,每噸從七萬元到一萬元不等,這個價格很接近高性能玻璃纖維的價格。因此,馬鵬程認為玄武岩纖維在保持性能的同時,市場價格有望繼續降低,從而使材料的性價比得到進一步提升。在未來,玄武岩纖維極有可能完全取代玻璃纖維。


我國玄武岩礦石儲量豐富且在全國各地都有廣泛分布,目前國内生産玄武岩纖維的企業主要分布在東北(吉林、遼甯)、華北(山西)、華東(江蘇、浙江)、西部(貴州、四川、新疆)等地。馬鵬程認為這些企業能夠生存下來,主要是解決了原材料、能耗以及最終市場用戶等方面的問題。以新疆的企業為例,它的原材料來源于當地玄武岩礦石,就地取材節省了材料的運輸成本;企業可以取得廉價工業用電,意味着最終材料在價格方面具有優勢;産品主要用于道路等工程領域——用玄武岩做成的隔栅可以鋪在高速公路下面,作為增強體,基本滿足了近年來新疆基礎建設對玄武岩纖維的需求。相對而言,東部地區的玄武岩纖維企業則開辟了纖維材料的新型應用,如車用纖維增強複合材料,由于當地的工業基礎配套設施比較完備,這些企業能夠輻射全國,開拓更大的市場。


雖然馬鵬程團隊制備的導電玄武岩纖維拓展了玄武岩纖維的新型應用,使材料的性能更加優越,但要實現玄武岩纖維産業的快速發展,還是有幾大問題丞待解決:


第一是生産效率低下,現在玄武岩纖維的拉絲樓闆一般是兩百孔,而玻璃纖維拉絲漏闆的孔數可高達四千孔,相對而言,玄武岩纖維的生産效率要低很多,這也是造成材料成本高的原因之一。如何開發新的生産工藝,提高生産效率,迫在眉睫。據馬鵬程了解,國外玄武岩纖維拉絲漏闆的孔數已經突破800孔。


第二是材料的實際力學性能低于理論值,通過對國内十幾個廠家的玄武岩纖維産品測試,馬鵬程發現,這些材料的力學性能比理論預測的性能低很多。玄武岩纖維單絲的理論強度可達到四千五百兆帕,但是實驗測出來的值隻有一半左右。如何提升産品的力學性能,直接關系到玄武岩纖維未來的發展。


第三是開發玄武岩纖維專用的浸潤劑:在玄武岩連續纖維的生産過程中,為了提高纖維的品質,應盡量避免生産過程中對纖維的磨損,同時對于不同的應用要求需要纖維具有不同的表面性能,因此在生産過程中一般需要對纖維表面進行油劑塗敷,行業叫浸潤劑。目前我國已掌握纖維制造技術,對纖維浸潤劑的研究和開發尚屬空白,各廠家多借用玻纖浸潤劑應用于玄武岩纖維。浸潤劑是纖維制備和應用的“黑匣子”技術,也是我國當前高性能纖維發展的瓶頸技術之一,急需進行該領域的技術攻關。


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