听说碳纳米材料竟和玄武岩纤维材料来电了?简直是颠覆认知!

2017-11-08 09:15
文:《千人》杂志记者 王雅云

原标题:《颠覆认知的发现——导电玄武岩纤维材料》

注:本文原载于《千人》杂志2017年总第61期,转载请注明来源,未注明来源转载将视为侵权。


马鹏程,国家“千人计划”创新人才,中国科学院新疆理化技术研究所研究员

玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料,它是玄武岩石料在1450℃~1500℃熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。由于生产过程中产生的废弃物少,对环境污染小,玄武岩纤维被誉为21世纪新型环保材料,受到了业内人士的广泛关注,并成为当前科研领域的研究热点之一。近日,《千人》杂志对话国家“千人计划”专家、中科院新疆理化所研究员马鹏程博士,透视我国玄武岩纤维材料研究和产业化发展现状。

纤维家族的新一代——玄武岩纤维

玄武岩系火山喷发后在地表形成的岩石,其结构致密,并含有玻璃质,产地不同,成分略有不同。玄武岩纤维在强度、耐温范围、生产成本、抗腐蚀性和生产过程环保等方面优势突出,且同时兼备许多传统纤维没有的优异性能,因而成为了纤维家族的新一代。

在我国,玄武岩纤维、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维被列为重点发展的四大纤维。国内对于玄武岩纤维的研究始于2O世纪7O年代,经过几十年的迅猛发展,我国已经掌握了较为先进的玄武岩纤维生产技术。马鹏程认为,这主要是两个方面的因素促成的:一是国家对新材料的重视,通过对新材料进行供给侧改革,让材料的性质在科研领域有所提升,从而提高产品的附加值;二是玄武岩纤维本身相对于玻璃纤维和碳纤维来说,具有较高的性价比。“若单从力学性能来讲,碳纤维在这几类纤维中性能最佳,但是它的市场价格非常高,每吨可达15到20万元不等,普通玻璃纤维每吨0.5到1万元,玄武岩纤维大致在每吨1.5万到3万元,虽然玄武岩纤维价格略高于玻璃纤维,但这种纤维的性能要比普通玻璃纤维好很多。”

“如果说玻璃纤维的发展已经是人到中年,那么玄武岩纤维就是刚上幼儿园的儿童。”作为一种新材料,玄武岩纤维被寄希望于带动一个产业或者整个行业的快速发展,就像它的前辈一样:玻璃纤维在上个世纪四、五十年代带动了整个纤维增强复合材料领域的发展,而碳纤维则带动了纤维成丝、碳化及高端应用(国防、航天等领域)行业的发展。同样,马鹏程期待玄武岩纤维能够带动玄武岩矿石选矿及加工、纤维材料制备(包括高温下融化拉丝工艺的优化、纤维浸润剂等)、金属加工(合金熔化炉)以及玄武岩纤维下游应用(建筑、土木、复合材料等)诸多行业的发展。

意外发现:玄武岩纤维可导电

在我国,玄武岩纤维的研究单位并不多,他们的研究更多的是与企业诉求相结合。例如东南大学的研究集中在玄武岩纤维在土木工程领域的应用,东华大学则聚焦于玄武岩纤维增强的复合材料。多数研究都集中在玄武岩纤维应用中的具体问题,较少关注到玄武岩纤维的拉丝、成丝、浸润等工艺过程。“主要是因为在实验室或者高校建立一套玄武岩拉丝装备并不容易,需要用到价格昂贵的金属材料——铂铑合金,一般实验室难以承受,此外,还要将矿石熔融温度长期维持在1000度以上,耗能较大,维护和运行成本较高。”

虽然实验室有些条件并不具备,但研究团队依然坚定前行。2017年9月,马鹏程带领的复合材料团队与德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所教授Edith M?der合作,尝试以玄武岩纤维为基底,利用其本身含有的金属元素,采用化学气相沉积技术,实现了不同碳纳米材料在玄武岩纤维表面的沉积和生长,使得玄武岩纤维由绝缘体转变为导体。

“含纳米涂层的玄武岩纤维实际上是一个意外发现。前期,我们使用物理沉积技术在玻璃纤维表面涂覆碳纳米管、石墨烯,再将其用于复合材料的健康检测,但是效率有点低。后来,课题组博士生郝斌(现已取得博士学位)尝试以玄武岩为基体材料,发现在纤维表面长出许多排列规整的碳纳米管。这是非常有意思的发现”马鹏程笑着说道。遗憾的是,当研究小组再次进行实验时,却重复不出一样的结果。经过进一步地研究,团队发现只有严格控制实验条件,才能在玄武岩纤维表面长出致密的纳米涂层,并使得玄武岩纤维由绝缘体转变成导体。

导电玄武岩纤维的成功研发,颠覆了传统认知中玄武岩纤维是绝缘材料的概念,有望增加玄武岩纤维的功能价值,进一步拓展其应用领域,增加产品的附加值。据马鹏程介绍,导电玄武岩纤维有望在油水分离、油气净化、纤维增强、抗静电材料等领域“施展拳脚”。此外,在隐身和电磁波屏蔽领域,导电玄武岩纤维材料也有一定的应用潜力,马鹏程博士所在的课题组正在开展这方面的研究。

大数据透视玄武岩纤维产业现状

玄武岩纤维的用途很广泛,基本上玻璃纤维用到的地方,玄武岩纤维都能取而代之。此外,它的力学性能、耐热性能更佳,还有比较好的过滤效果、抗噪音、耐腐蚀等性能。玄武岩纤维的应用领域主要集中在纤维增强复合材料、过滤材料、土木工程、建筑等方面。

“北方房屋建筑外层墙壁都会安装保温板,以前很多保温材料都是选用石棉、高分子泡沫板材,虽然保温效果好,但是石棉是一种强烈的致癌物,高分子泡沫的阻燃效果欠佳。2010年11月发生在上海静安区的高层住宅就是因为高分子保温板起火,造成了很多伤亡。而用玄武岩纤维做的保温板,质量轻、保温效果好、更不会燃烧”马鹏程举例说道,现在很多高档住宅区建筑物外墙保温层就是用玄武岩岩棉材料做成的。

虽然玄武岩纤维在很多领域有着广泛的应用,但是生产玄武岩纤维过程中有着较高的成纤难度、严格的工艺控制条件和较高的技术门槛,这些都影响到了玄武岩纤维的市场价格和市场竞争力。玄武岩纤维未来的发展前景到底如何?在中科玄武岩纤维创新孵化研究院的支持下,马鹏程及其研究团队正在开展玄武岩纤维大数据分析工作,通过调研全国玄武岩纤维厂家的产能和产品性能,建立基于国内地理、地质等因素考虑的玄武岩纤维材料大数据及相应的数据库,从而为玄武岩纤维材料的选矿、厂址建设及行业空间布局和发展提供参数和技术支持。初步的研究结果表明,不同区域的玄武岩纤维产品价格差异巨大,每吨从七万元到一万元不等,这个价格很接近高性能玻璃纤维的价格。因此,马鹏程认为玄武岩纤维在保持性能的同时,市场价格有望继续降低,从而使材料的性价比得到进一步提升。在未来,玄武岩纤维极有可能完全取代玻璃纤维。

我国玄武岩矿石储量丰富且在全国各地都有广泛分布,目前国内生产玄武岩纤维的企业主要分布在东北(吉林、辽宁)、华北(山西)、华东(江苏、浙江)、西部(贵州、四川、新疆)等地。马鹏程认为这些企业能够生存下来,主要是解决了原材料、能耗以及最终市场用户等方面的问题。以新疆的企业为例,它的原材料来源于当地玄武岩矿石,就地取材节省了材料的运输成本;企业可以取得廉价工业用电,意味着最终材料在价格方面具有优势;产品主要用于道路等工程领域——用玄武岩做成的隔栅可以铺在高速公路下面,作为增强体,基本满足了近年来新疆基础建设对玄武岩纤维的需求。相对而言,东部地区的玄武岩纤维企业则开辟了纤维材料的新型应用,如车用纤维增强复合材料,由于当地的工业基础配套设施比较完备,这些企业能够辐射全国,开拓更大的市场。

虽然马鹏程团队制备的导电玄武岩纤维拓展了玄武岩纤维的新型应用,使材料的性能更加优越,但要实现玄武岩纤维产业的快速发展,还是有几大问题丞待解决:

第一是生产效率低下,现在玄武岩纤维的拉丝楼板一般是两百孔,而玻璃纤维拉丝漏板的孔数可高达四千孔,相对而言,玄武岩纤维的生产效率要低很多,这也是造成材料成本高的原因之一。如何开发新的生产工艺,提高生产效率,迫在眉睫。据马鹏程了解,国外玄武岩纤维拉丝漏板的孔数已经突破800孔。

第二是材料的实际力学性能低于理论值,通过对国内十几个厂家的玄武岩纤维产品测试,马鹏程发现,这些材料的力学性能比理论预测的性能低很多。玄武岩纤维单丝的理论强度可达到四千五百兆帕,但是实验测出来的值只有一半左右。如何提升产品的力学性能,直接关系到玄武岩纤维未来的发展。

第三是开发玄武岩纤维专用的浸润剂:在玄武岩连续纤维的生产过程中,为了提高纤维的品质,应尽量避免生产过程中对纤维的磨损,同时对于不同的应用要求需要纤维具有不同的表面性能,因此在生产过程中一般需要对纤维表面进行油剂涂敷,行业叫浸润剂。目前我国已掌握纤维制造技术,对纤维浸润剂的研究和开发尚属空白,各厂家多借用玻纤浸润剂应用于玄武岩纤维。浸润剂是纤维制备和应用的“黑匣子”技术,也是我国当前高性能纤维发展的瓶颈技术之一,急需进行该领域的技术攻关。

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