馬鵬程，國家"千人計劃"創(chuàng)新人才，中國科學院新疆理化技術(shù)研究所研究員

　　玄武巖纖維是一種新型無機環(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)過程中產(chǎn)生的廢棄物少，對環(huán)境污染小，玄武巖纖維被譽為21世紀新型環(huán)保材料，受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，并成為當前科研領(lǐng)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。玄武巖纖維在強度、耐溫范圍、生產(chǎn)成本、抗腐蝕性和生產(chǎn)過程環(huán)保等方面優(yōu)勢突出，且同時兼?zhèn)湓S多傳統(tǒng)纖維沒有的優(yōu)異性能，因而成為了纖維家族的新一代。

　　在我國，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發(fā)展的四大纖維。國內(nèi)對于玄武巖纖維的研究始于2O世紀7O年代，經(jīng)過幾十年的迅猛發(fā)展，我國已經(jīng)掌握了較為先進的玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)。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(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于 玻璃纖維和碳纖維來說，具有較高的性價比?！叭魡螐牧W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，玄武巖纖維大致在每噸1.5萬到3萬元，雖然玄武巖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(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?！弊鳛橐环N新材料，玄武巖纖維被寄希望于帶動一個產(chǎn)業(yè)或者整個行業(yè)的快速發(fā)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 復合材料領(lǐng)域的發(fā)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(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、纖維浸潤劑等）、金屬加工（合金熔化爐）以及玄武巖纖維下游應用（建筑、土木、復合材料等）諸多行業(yè)的發(fā)展。

　　 意外發(fā)現(xiàn)：玄武巖纖維可導電

　　在我國，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。例如東南大學的研究集中在玄武巖纖維在土木工程領(lǐng)域的應用，東華大學則聚焦于玄武巖纖維增強的復合材料。多數(shù)研究都集中在玄武巖纖維應用中的具體問題，較少關(guān)注到玄武巖纖維的拉絲、成絲、浸潤等工藝過程。“主要是因為在實驗室或者高校創(chuàng)建一套玄武巖拉絲裝備并不容易，需要用到價格昂貴的金屬材料——鉑銠合金，一般實驗室難以承受，此外，還要將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(lǐng)的復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 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，采用化學氣相沉積技術(shù)，實現(xiàn)了不同碳納米材料在玄武巖纖維表面的沉積和生長，使得玄武巖纖維由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷w。

　　“含納米涂層的玄武巖纖維實際上是一個意外發(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，再將其用于復合材料的健康檢測，但是效率有點低。后來，課題組博士生郝斌（現(xiàn)已取得博士學位）嘗試以玄武巖為基體材料，發(fā)現(xiàn)在纖維表面長出許多排列規(guī)整的碳納米管。這是非常有意思的發(fā)現(xiàn)”馬鵬程笑著說道。遺憾的是，當研究小組再次進行實驗時，卻重復不出一樣的結(jié)果。經(jīng)過進一步地研究，團隊發(fā)現(xiàn)只有嚴格控制實驗條件，才能在玄武巖纖維表面才能長出致密的納米涂層，并使得玄武巖纖維由絕緣體轉(zhuǎn)變成導體。

　　導電玄武巖纖維的成功研發(fā)，顛覆了傳統(tǒng)認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值，進一步拓展其應用領(lǐng)域，增加產(chǎn)品的附加值。據(jù)馬鵬程介紹，導電玄武巖纖維有望在油水分離、油氣凈化、纖維增強、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，導電玄武巖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

　　 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。玄武巖纖維的應用領(lǐng)域主要集中在纖維增強復合材料、過濾材料、土木工程、建筑等方面。

　　“北方住房建筑外層墻壁都會安裝保溫板，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)的高層住宅就是因為高分子保溫板起火，造成了很多傷亡。而用玄武巖纖維做的保溫板，質(zhì)量輕、保溫效果好、更不會燃燒”馬鵬程舉例說道，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)域有著廣泛的應用，但是生產(chǎn)玄武巖纖維過程中有著較高的成纖難度、嚴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價格和市場競爭力。玄武巖纖維未來的發(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，馬鵬程及其研究團隊正在開展玄武巖纖維大數(shù)據(jù)分析工作，通過調(diào)研全國玄武巖纖維廠家的產(chǎn)能和產(chǎn)品性能，創(chuàng)建基于國內(nèi)地理、地質(zhì)等因素考慮的玄武巖纖維材料大數(shù)據(jù)及相應的數(shù)據(jù)庫，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)品價格差異巨大，每噸從七萬元到一萬塊元不等，這個價格很接近高性能玻璃纖維的價格。因此，馬鵬程認為玄武巖纖維在保持性能的同時，市場價格有望繼續(xù)降低，從而使材料的性價比得到進一步提升。在未來，玄武巖纖維極有可能完全取代玻璃纖維。

　　我國玄武巖礦石儲量豐富且在全國各地都有廣泛分布，目前國內(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。馬鵬程認為這些企業(yè)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(yè)為例，它的原材料來源于當?shù)匦鋷r礦石，就地取材節(jié)省了材料的運輸成本；企業(yè)可以取得廉價工業(yè)用電，意味著最終材料在價格方面具有優(yōu)勢；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，作為增強體，基本滿足了近年來新疆基礎(chǔ)建設(shè)對玄武巖纖維的需求。相對而言，東部地區(qū)的玄武巖纖維企業(yè)則開辟了纖維材料的新型應用，如車用纖維增強復合材料，由于當?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，開拓更大的市場。

　　雖然馬鵬程團隊制備的導電玄武巖纖維拓展了玄武巖纖維的新型應用，使材料的性能更加優(yōu)越，但要實現(xiàn)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，還是有幾大問題丞待解決：

　　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)可高達四千孔，相對而言，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。

　　第二是材料的實際力學性能低于理論值，通過對國內(nèi)十幾個廠家的玄武巖纖維產(chǎn)品測試，馬鵬程發(fā)現(xiàn)，這些材料的力學性能比理論預測的性能低很多。玄武巖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只有一半左右。如何提升產(chǎn)品的力學性能，直接關(guān)系到玄武巖纖維未來的發(fā)展。

　　第三個是開發(fā)玄武巖纖維專用的浸潤劑：在玄武巖連續(xù)纖維的生產(chǎn)過程中，為了提高纖維的品質(zhì)，應盡量避免生產(chǎn)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，因此在生產(chǎn)過程中一般需要對纖維表面進行油劑涂敷，行業(yè)叫浸潤劑。目前我國已掌握纖維制造技術(shù)，對纖維浸潤劑的研究和開發(fā)尚屬空白，各廠家多借用玻纖浸潤劑應用于玄武巖纖維。浸潤劑是纖維制備和應用的“黑匣子”技術(shù)，也是我國當前高性能纖維發(fā)展的瓶頸技術(shù)之一，急需進行該領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)。