王宝琛 王飞凌
一、玄纤
无论国内还是国外，通常意义下，所谓连续玄武岩纤维（以下简称“玄纤”），是指用纯天然原料火山岩（一种或多种）经高温熔融拉丝工艺制备出来的非晶态无机纤维，具有高强、高模、耐高低温、耐候、耐腐蚀、耐疲劳、耐辐射等优良性能，被称为“21世纪绿色纤维”。
火山岩是火山喷发时岩浆冷凝形成的，其中有喷出地面冷凝形成的玄武岩、位于地壳浅层冷凝的辉绿岩以及位于地壳深层冷凝的辉长岩。玄武岩与辉绿岩可以作为玄纤的原料，但辉长岩不能作为玄纤原料。
玄武岩属于喷出岩，常见斑状结构基质矿物颗粒细小，有时呈玻璃质，有些玄武岩全部由火山玻璃组成。
辉绿岩是基性浅成岩，块状构造，也是制备玄武岩纤维的原料之一。化学成分上，辉绿岩与玄武岩无明显差别，都属于拉斑玄武岩系列或碱性玄武岩系列的基性岩，但辉绿岩属于浅成岩，矿物颗粒较玄武岩粗。以辉绿岩制备的纤维，耐高温稳定性和耐酸性略好于玄武岩制备的纤维。
辉长岩，它与玄武岩和辉绿岩有非常相似的化学成分，仅从化学成分考虑，它也可以作为玄纤的原料。但辉长岩是由基性岩浆侵入在地壳深处缓慢冷凝结晶形成的全晶质岩石，矿物结晶度高，通常呈中粗粒结构。以辉长岩为原料制备纤维，熔体组分均匀性差，所需均化时间可能很长，同时受晶体结构记忆特点影响，纤维形成过程中极易发生结晶，严重影响成形工艺和产品质量，这是其不能作为玄纤原料的根本原因。
有关研究表明（1），除少数（Na2O+K2O）含量特别高的岩石外，大部分不含杏仁体的碱性系列和拉斑玄武岩系列的玄武岩和辉绿岩都可作为玄武岩连续纤维的原料。
影响玄纤熔融拉丝工艺以及性能的主要因素是原料的化学组成，其次是原料的矿物组成和组构。原料对玄武岩纤维制备工艺的影响，主要体现在熔化温度、熔体粘度、熔体组成和粘度的均匀性、熔体的抗过冷结晶能力；对纤维性能的影响主要体现在力学性能、耐高低温、耐候、耐蚀、绝热、绝缘等方面。
对各种玄纤组份进行分析显示，玄纤产品使用原料矿石的主要化学组份大致如下：SiO2（质量分数为45-58%）和Al2O3（质量分数为12-18%）以及GaO（质量分数为3-12%）、MgO（质量分数为3-10%）、（FeO+Fe2O3）（质量分数为7-15%）、NaO2和KO2（质量分数均在5%以下）。
用于制备玄纤的玄武岩和辉绿岩，具有形成年代跨度大、分布地域广、形成方式多样、岩石化学成分各异、物相组成和岩石组构复杂等特点，是一个既有共性又各具特性的岩石体系。不同矿石原料制备的玄纤具有不同的性能，就力学性能而言，单丝拉伸强度可在2200-4800Mpa，弹性模量可在75-95Gpa，存在加大差异。因此，调查和遴选矿石是一项基础工作。为了稳定玄纤质量和达到各种性能指标，可以通过不同矿源和矿点的原料配合和均化处理实现玄纤原料标准化和系列化，配制出通用型BF、高强型BS、高模型BM、耐碱性BAS等玄纤原料系列。这是一项细致繁琐、基础性工作，也颇具挑战性。
二、玄纤与玻纤
玄纤与连续玻璃纤维（简称玻纤，以下同）都是无机硅酸盐纤维，都具有不规则的非晶网络结构。因此，二者具有同质同构的特点。从化学成分来看，二者基本相同，唯一的区别在于玄纤的化学组成中含有质量比份较高的铁氧化物（FeO+Fe2O3），通常高达7-15%，而玻纤中氧化铁的含量不到1%。此外，玄纤中不含氧化硼（B2O3）。业界普遍认为，玄纤是富含氧化铁的玻纤，其性能优于玻纤的原因在于较高的氧化铁含量。不仅比普通E玻纤更优异的力学性能，而且还具有耐高低温、耐候、耐腐蚀、耐疲劳、耐辐射等优良性能。
普通E玻纤和S玻纤都是SiO2-Al2O3-CaO三元体系的无碱玻璃纤维，本世纪出现的高强度高模量环保型的高性能玻璃纤维是无碱SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元系统。
连续玄武岩纤维原料以天然火山石为主，成分波动较大，一般情况下，主要元素组成是SiO2-Al2O3-CaO-MgO-（FeO+Fe2O3）五元体系。实验证明，（FeO+Fe2O3）总量和FeO/Fe2O3比值对玄纤制备工艺和性能有明显影响，但其微观机理并不十分清楚。（FeO+Fe2O3）总量和FeO/Fe2O3比值越大，玄纤的比强度就越高；但是，其熔体的导热性就越差、粘度越大以及抗过冷结晶能力越差，增加了熔融时间和能耗以及拉丝的难度。此外，FeO/Fe2O3比值小的玄武岩熔体，在氧化气氛下会形成大量磁铁矿微晶，会影响拉丝工艺和纤维强度。
三、玄玻纤
在玻纤的原料中加入一定质量分数的可纺丝火山岩，调整工艺条件和参数就可以制备出一种新的无机非晶纤维，相较原玻纤在某些性能上将有所改善，重要的意义在于减少了玻纤制备过程中二氧化碳的排放。这种新材料，姑且称之为玄武岩玻璃纤维，简称“玄玻纤”。
《玻璃纤维行业碳减排技术指南》（2）指出，“原料中所含的碳酸盐是玻纤行业的碳排放三大来源之一，因此开发低碳/无碳矿物原料代替目前常规的高碳矿物原料”，采用“煅烧过的碳酸盐原料”存在被清算的碳足迹，采用可纺丝火山岩实属无碳矿物，是不可多得的选项。
实践证明，在玻纤原料中加入可纺火山岩会改变熔融拉丝的工艺条件，增加技术难度；但相较制备纯天然玄纤，其难度要小得多。很明显，加入可纺火山岩质量分数越大，拉丝的技术难度就越大。
实际操作应从小质量分数开始，逐步加大。比如，在E玻纤（E-glass）的原料中加入25%质量分数的玄武岩（Basalt），用这样的原料制备出来的玄玻纤，姑且记为B25EG。玄玻纤B25EG生产过程中减少了25%的原料碳排放。有了这方面的技术积累，就可以开发玄玻纤B50EG、B60EG、B70EG 、B80EG 以及B90EG，其性能逐步接近纯天然的玄纤，生产过程中原料碳排放逐步减少，逼近零。能制备出B90EG，大概率也有生产纯天然玄纤的经验了。
事实上，玄玻纤早就问世了。纯天然玄纤池窑拉丝技术一直是国家发改委和工信部鼓励和支持的高性能纤维产业化技术，但是至今未能取得实际突破，可见其难度。为了降低池窑拉丝难度，在纯火山石的基础上掺入玻纤原料矿石，如白泡石、白云石、硼镁石等，在千吨级、甚至万吨级池窑上都可以顺利地拉出丝来，但这种丝已不是纯天然的玄纤，而是玄玻纤B52G、B62G等，其性能有别于通常意义的玄纤。
四、趋势
通常意义下的玄纤即连续玄武岩纤维，是以纯天然可纺火山石为原料经高温熔融拉丝制备出来的，被誉为“21世纪绿色纤维”。采用全电熔池窑技术和绿电，就可以实现整个生产过程的零碳排放。在碳中和目标实现的过程中，连续玄武岩纤维不愧为“关键战略材料”必将随着产业化技术突破成为支柱性高性能纤维。
尽管目前玄纤产业化还面临诸多技术还有待突破，但毕竟是要突破的，这是碳中和时代的呼唤，大势所趋。玄纤产业化大规模量产之时，就是“关键战略材料”成为支柱产业之日，也是替代玻纤之日。
玄玻纤只是过渡产物，是玄纤替代玻纤过程中的中间产物。
目前玄纤行业小而分散的局面，缺乏集中人力、财力攻克玄纤产业化关键技术的机制和能力，已不适应玄纤产业化发展的需要。玄纤的低碳和零碳优势正在吸引资本进入，另一方面，将会有越来越多的玻纤企业投入玄纤研发和制造，将会加快玄纤产业化步伐。拭目以待。
（1）原料物相和组构对玄武岩纤维制备工艺和性能影响，《中国非金属矿工业导报》，2020年第一期；
（2）玻璃纤维行业碳减排技术指南，《玻纤情报网》，2023-12-07；
（3）其他网络收集信息。