摘要：玄武巖纖維作為一種以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)高溫熔融拉絲制成的無機纖維材料，具備高強度、耐高溫、耐腐蝕以及環(huán)保等特性。本文系統(tǒng)剖析其制備工藝、性能優(yōu)勢、應用領域，以及市場發(fā)展趨勢，旨在為相關產(chǎn)業(yè)升級與研究提供參考，推動玄武巖纖維在多領域的高效應用與產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞：玄武巖纖維；制備工藝；性能優(yōu)勢；應用領域；市場前景

一、引言

玄武巖纖維作為一種新型無機環(huán)保綠色高性能纖維材料，具有眾多優(yōu)異性能。其強度高，與高強度 S 型玻璃纖維相媲美，能夠在承受較大外力的情況下保持結構的完整性；電絕緣性能良好，可有效隔離電流，確保電氣設備的安全運行；耐腐蝕性能突出，能在酸、堿等惡劣化學環(huán)境中穩(wěn)定存在，延長材料的使用壽命；耐高溫性能卓越，可在高溫環(huán)境下保持性能穩(wěn)定，適用于高溫領域的應用。在性能上，玄武巖纖維填補了碳纖維和玻璃纖維之間的空白，其拉伸強度與 T300 型碳纖維相當，但成本更低，因此被視為碳纖維的經(jīng)濟型替代品。在一些對成本較為敏感的領域，如建筑、基礎設施建設等，玄武巖纖維具有廣闊的應用前景。其優(yōu)異的耐火性能和對極端溫度的適應能力，使其能在 - 269℃至 700℃的溫度范圍內(nèi)持續(xù)工作，是防火和保溫領域的理想選擇。在建筑外墻保溫、防火門等方面，玄武巖纖維可以發(fā)揮重要作用，提高建筑物的安全性和節(jié)能性。

二、玄武巖纖維的制備工藝

2.1 原料選擇

• 成分要求

在生產(chǎn)玄武巖纖維的過程中，對原料玄武巖礦石的成分有著極為嚴格的要求。通常情況下，SiO?的含量需要大于45%，而Fe?O?與FeO的總含量則應當小于14%。這是因為恰當?shù)某煞直壤谴_保玄武巖纖維性能穩(wěn)定性的關鍵所在。例如，SiO?作為網(wǎng)絡形成物，它對纖維的化學穩(wěn)定性和機械強度起著至關重要的作用；而如果Fe?O?和FeO的含量過高，則可能會對纖維的色澤和耐高溫性能產(chǎn)生不利影響。

• 原料均質(zhì)化處理技術

為了確保原料的質(zhì)量穩(wěn)定，對玄武巖礦石進行均質(zhì)化處理是必不可少的步驟。這一過程能夠有效地減少礦石成分的波動，從而提高熔體的均勻性。常見的均質(zhì)化處理方法包括破碎、研磨、篩分等，通過這些工藝手段，可以使得礦石顆粒的大小均勻，成分一致，為后續(xù)的熔融和拉絲工藝打下堅實的基礎。

2.2 生產(chǎn)工藝

• 坩堝法

坩堝法生產(chǎn)玄武巖纖維的工藝流程相對復雜。首先，需將玄武巖原料制成配合料加入球窯內(nèi)，在高溫環(huán)境下進行熔融、澄清均化，隨后制成球。接著，把球加入坩堝內(nèi)重新熔融，熔融后的玄武巖液體會經(jīng)坩堝底部的漏嘴流出，此時通過拉絲設備將其拉制成纖維。該生產(chǎn)過程中，溫度自動化控制較好，能夠精準地控制各個環(huán)節(jié)的溫度，為纖維的穩(wěn)定生產(chǎn)提供了一定保障。然而，這種方法存在諸多缺點。一方面，纖維質(zhì)量不穩(wěn)定，這是由于在多次熔融和復雜的生產(chǎn)流程中，容易引入雜質(zhì)和不均勻性，影響纖維的性能一致性；另一方面，產(chǎn)量較低，單臺爐窯日產(chǎn)量僅約 2.5 噸左右，難以滿足大規(guī)模的市場需求，這也導致國內(nèi)采用坩堝法生產(chǎn)的玄武巖纖維價格居高不下，每噸高達 2 萬元左右。

• 池窯法

池窯法，也被稱為直接法，是當前玄武巖纖維生產(chǎn)的主流方法。其生產(chǎn)工藝為：把原料制成配合料加入窯內(nèi)，經(jīng)過高溫熔融、澄清均化后，熔體直接流入成型通路，經(jīng)漏嘴流出后被拉制成纖維。與坩堝法相比，池窯法省去了制球工序，過程更為簡單。在能耗方面，池窯法具有節(jié)能的優(yōu)勢，能夠有效降低生產(chǎn)成本；從環(huán)保角度看，其污染少，符合現(xiàn)代工業(yè)對環(huán)保的要求；在設備和場地占用上，池窯法體積小、占地少，減少了企業(yè)的前期投資成本；在產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量上，池窯法產(chǎn)出的纖維品質(zhì)穩(wěn)定，成品率高，廢絲少，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

池窯法生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的設備較為復雜，包括破碎機（磁選機）、混料機、稱料器、加料機、預熱池、熔窯、澄清池、單絲涂油裝置、自動卷繞拉絲機、原絲烘干窯、無捻粗紗機、紡紗機、溫度控制裝置、水控制系統(tǒng)等。制備工藝主要分為 4 個階段：選料階段，需挑選合適的玄武巖礦原料，確保其化學成分和礦物組成符合生產(chǎn)要求；磨料階段，對選好的原料進行破碎、清洗等處理，使其粒徑達到生產(chǎn)標準并儲存在料倉中待用；熔融階段，經(jīng)喂料器、提升輸送機和定量下料器將原料喂入單元熔窯，在 1500℃左右的高溫初級熔化帶下熔化，熔化后的玄武巖熔體流入拉絲前爐，為確保熔體充分熔化、化學成分充分均化以及氣泡充分揮發(fā)，需適當提高拉絲前爐中的熔制溫度，并保證熔體在前爐中有較長的停留時間；拉絲階段，玄武巖熔體進入兩個溫控區(qū)，將熔體溫調(diào)至 1350℃左右的拉絲成型溫度，初始溫控帶用于 “粗” 調(diào)熔體溫度，成型區(qū)溫控帶用于 “精” 調(diào)熔體溫度，來自成型區(qū)的合格玄武巖熔體經(jīng) 200 孔的鉑銠合金漏板拉制成纖維，拉制成的纖維施加合適浸潤劑后，經(jīng)集束器及纖維張緊器，最后至自動繞絲機 。

2.3 技術難點

• 熔體均勻性控制

在熔融過程中，由于玄武巖礦石成分的復雜性和熔融條件的波動，保證熔體的均勻性是一項挑戰(zhàn)。熔體的不均勻性會導致纖維性能的差異，進而影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。為了解決這一問題，需要進一步優(yōu)化熔融工藝，加強對溫度、壓力等關鍵參數(shù)的精確控制，并且可以采用攪拌等手段來提高熔體的均勻性。

• 纖維直徑一致性優(yōu)化

在拉絲過程中，由于漏板孔的磨損、熔體流量的變化等因素，保持纖維直徑的一致性是一個技術難點。纖維直徑的不一致性會影響復合材料性能的穩(wěn)定性。因此，需要研發(fā)高精度的拉絲設備，加強對拉絲過程的監(jiān)測和控制，及時調(diào)整工藝參數(shù)，以確保纖維直徑的一致性，從而提升復合材料的整體性能。

三、性能優(yōu)勢分析

3.1 性能對比

表1 不同材料性能比較

玄武巖纖維作為一種高性能材料，在眾多領域中展現(xiàn)了其卓越的物理、化學及環(huán)保特性。在物理特性方面，玄武巖纖維以其卓越的高強度和高模量而聞名，其拉伸強度和彈性模量分別可達3800-4800MPa和91-110GPa，顯著超越了常見的E玻璃纖維和中模量碳纖維。該材料在航空航天及汽車制造業(yè)中具有關鍵應用價值，能夠有效減輕結構部件的重量，提升飛行器的性能和汽車的燃油效率，同時增強部件的強度和剛性。在耐溫性能方面，玄武巖纖維能在極端溫度條件下穩(wěn)定運行，其工作溫度范圍介于-269℃至700℃之間，軟化點高達960℃。即便在高溫環(huán)境下，玄武巖纖維依然能保持較高的強度，使其適用于高溫工業(yè)及航空航天領域，例如高溫管道和飛行器的熱端部件。在電絕緣性能方面，玄武巖纖維具備高體積電阻率和低介電損耗角正切，使其在電氣設備和電子器件的絕緣材料領域具有廣泛的應用潛力。在高壓輸電線路和電子設備中，采用玄武巖纖維增強的絕緣材料能夠有效預防電流泄漏和電磁干擾，確保設備的穩(wěn)定運行。在化學特性方面，玄武巖纖維展現(xiàn)了卓越的耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性。其含有的K?O、MgO和TiO?等成分，增強了纖維的耐化學腐蝕和防水性能。在酸堿溶液中，玄武巖纖維的強度保持率遠高于E玻璃纖維，使其在化工和海洋工程領域具有顯著的應用價值。此外，玄武巖纖維在潮濕環(huán)境中的吸濕率極低，且不受時間影響，確保了其在不同化學環(huán)境下的穩(wěn)定性。在環(huán)保性能方面，玄武巖纖維在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生有害物質(zhì)，廢棄后可直接降解，不會對環(huán)境造成危害，是一種綠色、環(huán)保材料。隨著全球環(huán)境保護意識的提升，玄武巖纖維在綠色建筑材料和包裝材料領域的應用前景廣闊，有助于推動相關行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，玄武巖纖維憑借其卓越的物理性能、耐溫性能、電絕緣性能、化學性能和環(huán)保性能，在航空航天、汽車制造、高溫工業(yè)、電氣設備、化工、海洋工程、建筑和環(huán)保等多個領域中脫穎而出，成為理想的材料選擇。隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，玄武巖纖維的市場潛力巨大，有望在未來材料科學和工業(yè)應用中發(fā)揮更加重要的作用。其核心優(yōu)勢包括耐腐蝕性和高性價比。與玻璃纖維相比，玄武巖纖維在酸堿等腐蝕環(huán)境下表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，質(zhì)量損失更小，尤其在海洋工程和化工領域具有廣闊的應用前景，能夠有效延長相關設施的使用壽命。此外，玄武巖纖維的成本僅為碳纖維的1/10左右，保證了高性能的同時，具有較高的性價比，使其在對成本較為敏感的領域如建筑、汽車等具有較強的競爭力。

四、市場現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

4.1 市場規(guī)模

據(jù)P&S Intelligence預測，2024 年全球玄武巖纖維市場規(guī)模為 3.317 億美元，預計到 2030 年將達到 6.588 億美元，2025-2030 年的復合年增長率為 12.0%。這一增長趨勢主要得益于玄武巖纖維在多個領域的應用潛力逐漸被挖掘，以及全球?qū)Νh(huán)保材料的需求不斷增加。在聚合物基復合材料中，玻璃纖維可以被玄武巖纖維替代，成為一種潛在的聚合物增強材料。這種替代不僅可以滿足材料的性能要求，還能體現(xiàn)環(huán)保優(yōu)勢，因此在核電、工程、民用建筑和混凝土加固、復合組織、塑料、預浸料和層壓板、電子技術應用以及熱氣過濾過程中，玄武巖纖維都有廣泛的應用。俄羅斯是最大的玄武巖纖維市場，約占37%的市場份額，其次是中國，約占28%的市場份額。

市場規(guī)模的持續(xù)增長，反映了玄武巖纖維在各領域的應用需求不斷增加。玄武巖纖維主要的生產(chǎn)廠商有Kamenny Vek, Zheiang GBf, Technobasalt-invest, Sudaglass fiber, Basaltex, Zaomineral7, Sichuan Aerospace.Liaoning jinshi, Mudaniiang Electric, Mafic SA, Shanxi Basalt fiber, Meltrock, GMVChina, Jiangsu Tianlong, Hebei Tonghui等，排名前三的廠商約占53%的市場份額。（QY Research調(diào)研機構）

根據(jù)海關總署統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2024年11月，我國玄武巖纖維及其制品的進口總量累計為24.241噸，與上一統(tǒng)計周期相比有所變化。與此同時，我國在玄武巖纖維及其制品的出口方面顯示出顯著的增長勢頭，出口總量達到10601.569噸。這一數(shù)據(jù)不僅彰顯了我國在該領域的生產(chǎn)實力和技術水平，也揭示了國際市場對我國玄武巖纖維及其制品的強烈需求和高度評價。四川成為國內(nèi)玄武巖纖維產(chǎn)能的中堅力量。得益于豐富的玄武巖礦產(chǎn)資源和完善的產(chǎn)業(yè)配套，四川地區(qū)吸引了眾多玄武巖纖維生產(chǎn)企業(yè)的集聚，這不僅推動了當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，也形成了一個規(guī)模可觀且具有影響力的產(chǎn)業(yè)集群。

近期，石鑫玄武巖公司與中國汽車工程研究院合作研發(fā)的玄武巖纖維復合材料電池包上蓋，已達到《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031-2020）標準及電池包上蓋以塑代鋼產(chǎn)品開發(fā)的基本要求，具備耐阻、耐熱、耐腐、輕便等諸多優(yōu)勢，可以有效減輕新能源汽車自身重量，增加電池的續(xù)航能力和成本，進一步降低能耗。這為玄武巖的應用領域開辟了新的方向，同時也展示了玄武巖纖維復合材料在新能源汽車行業(yè)的巨大潛力。未來，隨著新能源汽車市場的不斷擴大和技術的持續(xù)進步，玄武巖纖維復合材料有望在更多領域得到應用，為推動我國復合材料行業(yè)的發(fā)展做出更大貢獻。

此外，隨著環(huán)保意識和可持續(xù)發(fā)展趨勢的增強，玄武巖纖維憑借其環(huán)保和可回收的特性，為市場帶來了盈利的機遇。各國政府對環(huán)保材料的扶持，以及玄武巖纖維產(chǎn)品不含任何有害物質(zhì)的特點，進一步促進了其在建筑與基礎設施、汽車與運輸、電氣與電子、海洋與風能等領域的廣泛應用。可持續(xù)性與輕量化結構成為市場的主要趨勢，為環(huán)保和可回收材料創(chuàng)造了巨大的市場機會。中國將玄武巖纖維列入《十四五新材料規(guī)劃》重點發(fā)展項目，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了政策保障。政府通過出臺相關政策，鼓勵企業(yè)加大研發(fā)投入，推動產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新和規(guī)模化發(fā)展。

隨著環(huán)保意識的提升和可持續(xù)發(fā)展的推進，玄武巖纖維因其環(huán)保和可回收的特性，為市場創(chuàng)造了盈利機會。各國政府對環(huán)保材料的支持，以及玄武巖纖維無害物質(zhì)的特點，推動了其在建筑、汽車、電氣、海洋和風能等多個領域的廣泛應用。可持續(xù)性和輕量化結構成為市場的主要趨勢，為環(huán)保和可回收材料開拓了巨大的市場潛力。中國將玄武巖纖維納入《十四五新材料規(guī)劃》的重點發(fā)展項目，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了政策支持。政府通過制定相關政策，激勵企業(yè)增加研發(fā)投入，促進產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新和規(guī)模化發(fā)展。

4.2 技術瓶頸

在航空航天等高端應用領域，對玄武巖纖維的純度和強度要求極高。目前，玄武巖纖維在這些領域的應用仍需突破纖維純度與強度極限，以滿足實際需求。然而，生產(chǎn)玄武巖纖維的部分關鍵設備，如拉絲設備，依賴進口。德國Nischel公司壟斷了拉絲設備市場，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還限制了產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展。因此，為了推動玄武巖纖維在高端應用領域的進一步發(fā)展，必須解決纖維純度與強度的瓶頸問題，并努力實現(xiàn)關鍵設備的國產(chǎn)化，以降低生產(chǎn)成本并提升產(chǎn)業(yè)自主性。

五、應用領域

5.1 建筑工程

 混凝土增強纖維

目前瀝青混合料中主要采用木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和部分礦物棉纖維。其中木質(zhì)素纖維不耐高溫，拉伸強度很低。聚酯纖維與混合料 相容性差，且耐高溫性能差。礦物棉纖維對人體有害，且容易結團。玄武巖纖維瀝青混合料可以克服以上各種纖維的缺點，且增強混合料的各項路用性能。瀝青混凝土用玄武巖纖維短切紗是在玄武巖纖維的基礎上通過 特殊的表面處理和短切，形成與瀝青結合性好的短切纖維。玄武巖纖維在瀝青混凝土拌和過程中，可以很好地均勻分散，纖維不聚團;玄武巖纖維與瀝青有很好的表面親和力，可提高瀝青利用率，改善瀝青混合料的抗氧化性能。玄武巖纖維的強度和彈性模量很高，從復合材料科學加筋加強原理看，它是一種非常優(yōu)異的加強纖維，可大幅提高瀝青混合料的抗拉 強度和韌性，從而大幅度提高瀝青路面的低溫抗裂性及疲勞耐久性，同時也有助于改善高溫抗車轍變形能力。將玄武巖纖維添加到混凝土中，可有效替代石棉，顯著提升混凝土的抗裂性，抗裂性可提升 30% 左右。這不僅增強了建筑物的結構穩(wěn)定性，還延長了其使用壽命。例如，在一些大型建筑項目中，使用玄武巖纖維增強混凝土，能夠有效減少混凝土裂縫的產(chǎn)生，提高建筑物的質(zhì)量。

建筑加固材料

對于既有建筑的加固改造，玄武巖纖維同樣表現(xiàn)出色。它可以制成玄武巖纖維布，通過粘貼在混凝土結構表面，對結構進行加固。玄武巖纖維布具有高強度、高彈性模量的特點，能夠有效提高結構的承載能力和抗震性能。與傳統(tǒng)的加固方法如加大截面法相比，使用玄武巖纖維布加固具有施工簡便、對結構自重增加小、不影響建筑物外觀等優(yōu)點。在一些歷史建筑的加固中，玄武巖纖維布的應用既滿足了結構加固的需求，又保護了建筑的原有風貌。

5.2 交通運輸

玄纖復合車廂

在交通運輸領域，玄武巖纖維的應用也十分廣泛。以貨車車廂為例，采用玄武巖纖維復合材料制造的車廂，具有重量輕、強度高的特點。與傳統(tǒng)的金屬車廂相比，玄武巖纖維復合車廂可以有效減輕車輛自重，從而降低燃油消耗，提高運輸效率。同時，其良好的耐腐蝕性可以減少車廂在運輸過程中的損耗，延長車廂使用壽命。在冷鏈運輸中，玄武巖纖維復合車廂還具有良好的隔熱性能，有助于保持車廂內(nèi)的低溫環(huán)境，確保貨物品質(zhì)。

高鐵防火隔音材料

在高鐵車廂中，玄武巖纖維被用作防火隔音材料，有效提高了車廂的安全性和舒適性。其良好的防火性能能夠在火災發(fā)生時延緩火勢蔓延，為乘客疏散爭取時間；隔音性能則能夠降低列車運行過程中的噪音，提升乘坐體驗。

汽車零部件制造

在汽車領域，玄武巖纖維可用于制造多種零部件。如汽車內(nèi)飾件，采用玄武巖纖維材料不僅具有良好的吸音降噪效果，還能提高內(nèi)飾的防火安全性。在汽車外飾方面，玄武巖纖維復合材料可以用于制造保險杠、引擎蓋等部件，相比傳統(tǒng)材料，這些部件重量更輕、強度更高，能夠提升汽車的整體性能和燃油經(jīng)濟性。此外，玄武巖纖維增強的輪胎簾子線，具有更高的強度和模量，能夠提高輪胎的耐磨性和耐久性，降低爆胎風險。

5.3 環(huán)保與能源

玄纖光伏支架

在環(huán)保與能源領域，玄武巖纖維制成的光伏支架是一種高效能的太陽能支架系統(tǒng)，以其輕巧、耐用和環(huán)保的特點，廣泛應用于各種太陽能發(fā)電項目中。與傳統(tǒng)的金屬光伏支架相比，玄武巖纖維光伏支架重量更輕，便于運輸和安裝，能夠有效降低安裝成本。同時，其耐腐蝕性強，在戶外惡劣環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定使用，減少了維護和更換成本。而且，玄武巖纖維材料本身環(huán)保無污染，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

風電葉片增強材料

風電葉片是風力發(fā)電設備的關鍵部件，對材料的性能要求極高。玄武巖纖維因其高強度、高模量和良好的耐疲勞性能，成為風電葉片增強材料的理想選擇。使用玄武巖纖維增強的風電葉片，在保證葉片強度和剛度的同時，可以減輕葉片重量，提高風能轉換效率。此外，玄武巖纖維的耐腐蝕性能夠有效抵抗海風等惡劣環(huán)境的侵蝕，延長風電葉片的使用壽命，降低風電設備的運營成本。隨著全球風電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，玄武巖纖維在風電葉片領域的應用前景十分廣闊。

六、未來發(fā)展趨勢

等離子體熔融技術作為一種先進的材料處理方法，正被寄予厚望，有望在玄武巖纖維的生產(chǎn)過程中發(fā)揮關鍵作用。通過精心設計和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，這項技術不僅能夠顯著降低能源消耗，同時還能大幅提高生產(chǎn)效率，進而有效降低生產(chǎn)成本。此外，等離子體熔融技術的應用還能夠提升玄武巖纖維的品質(zhì)，增強其在市場上的競爭力。與此同時，科研人員正在探索將玄武巖纖維與石墨烯、碳納米管等先進材料相結合的可能性，以開發(fā)出具有多種功能的復合材料。這種多功能復合材料的開發(fā)，有望進一步提升材料的整體性能，拓展其在多個領域的應用潛力。例如，在電子領域，這種材料可以提高導電性和導熱性，從而具有潛在的應用價值。在烏克蘭，已經(jīng)成功建立了一個廢棄纖維回收再利用的試點生產(chǎn)線，這標志著玄武巖纖維循環(huán)利用技術的初步成功。未來，這項技術有望得到廣泛推廣，實現(xiàn)玄武巖纖維的全面循環(huán)利用，從而減少資源的浪費，降低對環(huán)境的污染，并推動整個產(chǎn)業(yè)朝著更加可持續(xù)發(fā)展的方向前進。

參考文獻

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