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我国非金属矿物材料研发现状及发展思路
发布时间:2010-04-23      作者:中国非矿协会      来源:本网
 

 
[ ] 材料与信息、能源构成现代文明的三大支柱。国家的昌盛、民族的兴旺、社会的进步、人民生活水平的提高,无不与材料密切相关。新材料被视为新技术革命的基础和先导。作为材料科学与工程体系的一个重要组成的部分,非金属矿物材料将在国民经济中发挥愈来愈重要的作用。本文较全面地介绍了非金属矿物材料的用途、市场,以及研发现状,并着重提出了其研发思路及发展战略目标。

[关键词] 非金属矿物材料 现状 应用 市场 发展思路

非金属矿物材料是指从非金属矿物和岩石(包括部分人造非金属矿物和岩石)的物理、化学性质及其效应出发,经过适当的加工处理,使之成为能被工农业生产和日常生活各个领域使用的一类材料和制品的总称。与传统的非金属矿产品(原矿及初加工的矿物原料与岩石)相比,非金属矿物材料具有:产品品种多、技术含量高、应用领域广、附加值大等特点。现代科技革命、经济发展、社会进步、人类生活水平的提高和环保意识的增强,开创了广泛应用非金属矿物材料的新时代。非金属矿物材料的加工与应用水平已成为反映一个国家工业发达程度的重要标志之一,非金属矿物材料产业也被当今世界视为21世纪的"朝阳工业"之一。作为材料科学与工程体系的一个重要组成的部分,非金属矿物材料和非金属矿物材料学将在21世纪发挥愈来愈重要的作用。

一、非金属矿物材料在国民经济中的地位与作用

(一)传统产业发展需要量大的基础材料

非金属矿物材料与建材、化工、轻工、冶金、机械、交通、能源、电子等传统产业发展密切相关。例如:造纸工业的铜版纸、涂布纸和纸板、彩喷纸及其它高档纸和特种纸的发展,以及造纸技术的进步需要大量的高纯、超细的碳酸钙、高岭土、滑石、二氧化硅等高白度非金属矿物填料和涂料;高分子材料(塑料、橡胶、胶粘剂等)的发展需要大量的超细和活性碳酸钙、高岭土、滑石、硅灰石、云母、透闪石、二氧化硅、水镁石以及氢氧化镁、氢氧化铝等功能矿物填料和颜料;汽车面漆、乳胶漆等高档油漆涂料及防腐蚀和辐射、道路发光等特种涂料需要大量的珠光云母、着色云母,超细和高白碳酸钙、二氧化硅、硅灰石、重晶石、高岭土、膨润土等非金属矿物颜料、填料和增粘剂、消光剂;冶金工业的发展和产品结构调整需要高品质的夕线石、红柱石、蓝晶石等以高铝矿物为原料的高铝耐火材料和以镁(菱镁矿)和碳(石墨)为原料的镁碳复合材料;新型建材和防火、节能产品的发展需要大量的石膏板材和饰面板、花岗岩和大理岩板材和异形材,以及超细石英粉、石灰粉等为原料的微孔硅钙板、膨胀珍珠岩、蛭石、硅藻土等保温隔热材料、石棉制品及氢氧化镁、氢氧化铝等低烟无卤阻燃材料等等;石化工业发展需要大量具有特定孔径分布、活性和选择性好的沸石及高岭土催化剂、载体、吸附剂,以及以膨润土、海泡石等为基料的钻井泥浆材料和以重晶石为原料的泥浆加重剂及具有较高球形度的压裂砂;机电工业的发展需要以碎云母为原料制造的云母纸和云母板绝缘材料、高性能柔性石墨密封材料、石墨盘根,以及石棉基和硅灰石基的板材、垫片和摩擦材料等;汽车工业的发展需要大量以石棉、石墨、针状硅灰石等非金属矿物为基料的摩擦材料,及以滑石、云母、硅灰石、透闪石、超细碳酸钙等为无机填料的工程塑料和底漆;化纤工业的发展需要超细二氧化钛、电气石、二氧化硅、氧化铝、云母等功能无机填料,以生产出抗菌、保温、除异味和释放负离子等有利于人类健康的功能纤维;现代酿造业(如啤酒酿造)和食品工业的发展需要大量的硅藻土基助滤剂和粘土矿物基吸附材料;现代高速公路标志涂料中也要使用球形二氧化硅或玻璃微珠等非金属矿物粉体材料。凡此种种,无一不表明非金属矿物材料是传统产业发展和技术进步的基础材料。非金属矿物材料类型及其在传统产业中的应用领域见表1

非金属矿物原料、 非金属矿物材料应用领域

1
填料和颜料
方解石、大理石、白垩、滑石、叶腊石、伊利石、石墨、高岭土、云母、硅灰石、透辉石、硅藻土、膨润土、皂石、海泡石、凹凸棒土、金红石、长石、锆英砂、重晶石、石膏、石英、石棉、 水镁石、沸石、透闪石、蛋白土等
细粉(10~1000mm)超细粉(0.1~10mm 超微细粉或一维、二维纳米粉(0.001~0.1mm
表面改性粉体、高纯度粉体复合粉体、 高长径比针状粉体大径厚比片状粉体多孔隙粉体等
塑料、橡胶、胶粘剂、化纤、油漆、涂料、陶瓷、玻璃、耐火材料、阻燃材料、胶凝材料、造纸、建材等

2
力学功能材料
石棉、石膏、石墨、花岗岩、大理岩、石英岩、锆英砂、高岭土、长石、金刚石、铸石、石榴子石、云母、滑石、硅灰石、透闪石、石灰石、硅藻土、燧石、蛋白石等
石棉水泥制品、硅酸钙板、纤维石膏板、石材、结构陶瓷、无机/聚合物复合材料(上下水管、塑钢门窗等)、金刚石(刀具、钻头、砂轮、研磨膏)、磨料、衬里材料、制动器衬片、闸瓦、刹车带(片)、石墨轴承、垫片、密封环、离合器面片、润滑剂(膏)、汽缸垫片、石棉橡胶板、石棉盘根等
建材、建筑、机械、电力、交通、农业、化工、轻工、航空航天、石油、微电子、地质勘探、冶金、煤炭等

3
热学功能材料
石棉、石墨、石英、长石、金刚石、蛭石、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、水镁石、珍珠岩、云母、滑石、高岭土、硅灰石、沸石、金红石、锆英砂、石灰石、白云石、铝土矿等
石棉布、板、岩棉、玻璃棉、矿棉吸声板、泡沫石棉、泡沫玻璃、蛭石防火隔热板、硅藻土砖、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、微孔硅钙板、玻璃微珠、保温涂料、耐火材料、镁碳砖、碳/石墨复合材料、储热材料、莫来石、堇青石、氧化锆陶瓷等
建材、建筑、冶金、化工、轻工、机械、电力、交通、航空航天、石油、煤炭等

4
电磁功能材料
石墨、石英、水晶、金刚石、蛭石、硅藻土、云母、滑石、高岭土、金红石、电气石、铁石榴子石、沸石等
-石墨电极、电刷、胶体石墨、氟化石墨制品、电极糊、电导体、热敏电阻、电池、非线性电阻、陶瓷半导体、石榴子石型铁氧体、压电材料(压电水晶、自动点火元件等)、云母电容器、云母纸、云母板、电瓷、电子封装材料等
电力、微电子、通讯、计算机、机械、航空、航天、航海等

5
光功能材料
石英、水晶、冰洲石、方解石等
偏光、折光、聚光镜片、光学玻璃、光导纤维、激光光源型透明石英玻璃管、滤光片、偏振材料等
通讯、电子、仪器仪表、机械、航空、航天、轻工等

6
吸波与屏蔽材料
金红石、电气石、石英、高岭土、石墨、重晶石、膨润土、滑石等
氧化钛、纳米二氧化硅、氧化铝、核反应堆屏蔽材料、护肤霜、防护服、保暖衣、塑料薄膜、消光剂等
核工业、军工、化妆(护肤)品、民(军)用服装、涂料、皮革等

7
催化材料
沸石、高岭土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、地开石等
分子筛、催化剂、催化剂载体等
石油、化工、农药、医药等

8
吸附材料
沸石、高岭土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、地开石、膨润土、皂石、珍珠岩、蛋白土、石墨、滑石等
助滤剂、脱色剂、干燥剂、除臭剂、杀(抗)菌剂、水处理剂、空气净化剂、油污染处理剂、核废料处理剂、固沙剂等
啤酒、饮料、食用油、食品、工业油脂、制药、化妆品、环保、家用电器、化工等

9
流变材料
膨润土、皂石、、海泡石、凹凸棒石、水云母等
有机膨润土、触变剂、防沉剂、增稠剂、凝胶剂、流平剂、钻井泥浆等
各种油漆、涂料、粘合剂、清洗剂、采油、地质勘探等

10
粘结材料
膨润土、海泡石、凹凸棒石、水云母、碳酸钙、石英等
团矿粘结剂、硅酸钠、胶粘剂、铸模、粘土基复和粘结剂等
冶金、建筑、铸造、轻工等

11
装饰材料
大理石、花岗岩、云母、叶蜡石、蛋白石、水晶、石榴子石、橄榄石、玛瑙石、玉石、辉石、孔雀石、冰洲石、虎珀石、绿松石、金刚石、月光石等
装饰石材、珠光云母、彩石、各种宝玉石、观赏石等
建筑、建材、涂料、皮革、化妆品、珠宝业、观光业等

12
生物功能材料
沸石、麦饭石、高岭土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、膨润土、皂石、珍珠岩、蛋白土、滑石、电气石、碳酸钙、石膏等
药品及保健品、药物载体、饲料添加剂、杀(抗)菌剂、吸附剂、化妆品添加剂、
制药业、生物化学工业、农业、畜牧业、化妆品等

(二)高新技术发展不可缺少的辅助材料

人类进入21世纪后,随着产业结构的调整,除了以高新技术改造和提升传统产业之外,以微电子、信息、生物、航空航天、海洋开发,以及新材料、新能源为主的高技术和新材料产业将逐渐壮大。这些高技术和新材料产业与非金属矿物材料密切相关。例如:高纯石英等硅基材料是集成电路芯片、塑封料、抛光料及光纤型、激光光源和辐射光源型透明石英玻璃管、耐高温型石英玻璃管及单晶硅生产用坩埚的主要材料。用石墨制成的材料具有优良的隔热、耐高温(3000以上)、减磨润滑和防辐射等性能,广泛用作核反应堆的中子减速剂和防原子辐射的外壳火箭、导弹、航天飞机和宇航设备零件等;胶体石墨广泛用作显像管和真空管的导电涂料,以及示波管、高真空阴极射线管的外部涂覆剂、制造玻璃器皿和高温运转机械的润滑剂等等。石墨、云母、高岭土、膨润土、海泡石、凹凸棒石、硅灰石、硅藻土、滑石、方解石、冰洲石、硅线石、石英、红柱石、蓝晶石、硅线石、电气石、蛭石、石榴子石等都与新材料,特别是功能材料的发展不可缺少的辅助材料。例如:蒙脱石(膨润土)是当今工业上制备纳米塑料或纳米复合材料的重要辅助材料之一;高纯、超细石墨和膨胀石墨是前景看好的新能源材料;石膏、珍珠岩、方解石、硅藻土、硅灰石等是新型绿色建材的主要原料;沸石、麦饭石、硅藻土、凹凸棒石、海泡石、膨润土、白垩土、珍珠岩、高岭土等与生物技术及其产业发展息息相关。例如:用硅藻土、膨润土、沸石等制取的吸附材料可用于生物制药领域过滤、选择性吸附有毒和有害物质,以及微区反应和微量提取等。因此, 21世纪非金属矿物材料是高技术、新材料产业应用和发展不可缺少的重要辅助材料之一。

(三)环保和生态建设的廉价、高效材料

环境保护和生态建设是人类进入21世纪面临的重大挑战之一,它直接关系到人类的生存和经济、社会的可持续发展。随着人类环保意识的增强和全球对环保标准及要求的提高,环保产业将成为21世纪最重要的新兴产业之一。许多非金属矿物,如:硅藻土、沸石、膨润土、凹凸棒石、海泡石、电气石、麦饭石等,经过加工具有选择性吸附有害及各种有机和无机污染物的功能,而且具有原料易得、单位处理成本低、本身不产生二次污染等优点,可以用来制备新型环保材料;膨润土、珍珠岩、蛭石等还可用于固沙、改良土壤、垃圾填埋场(防止垃圾污染渗透)及放射性废料的处理。此外,大多数非金属矿物还是环境友好材料。例如:在塑料薄膜中加入一定量的超细重质碳酸钙可制作成降解塑料;用超细水镁石作高聚物基复合材料的阻燃填料,不仅可以阻燃,而且不会产生可致命的毒烟;用电气石基环保健康材料,能释放有益环境的负离子等等。可见,非金属矿材料是环保产业和生态建设的最理想的廉价、高效材料。

()改变对外贸易中矿产品"低出高进"的关键

在我国丰富的非金属矿产资源中,石墨、滑石、菱镁矿、重晶石、萤石、膨润土、硅藻土、硅灰石、高岭土等许多矿种的储量和产量居世界前列,不仅能满足国内经济发展的需求,而且发展出口的潜力很大,其中,石墨、滑石、菱镁矿、重晶石、萤石、花岗石等非金属矿产品,已成为我国重要的出口创汇商品,出口量居世界第一位,在国际市场上占有举足轻重的地位。2004年,我国非金属矿产品出口创汇额达38.5l亿美元。但是,由于我国目前非金属矿加工技术和非金属矿物材料发展的水平还比较低,在大量出口的非金属矿产品中,廉价的原矿和初加工产品仍占很大比重,而国内急需的某些非金属矿物材料仍需从发达国家高价进口。我国非金属矿产品进出口贸易中 "低出高进"的现象比较严重,例如,2002年我国出口石墨32.18万吨,其产品主要是不同含碳量的鳞片石墨和土状石墨原料,创汇4614.4万美元,平均出口价格为143.40美元/吨;进口石墨材料741吨,用汇401.08万美元,平均进口价格5412.66美元/吨;进口价为出口价的37.75倍;出口高岭土70.8万吨,创汇2236万美元,主要为原矿,出口均价仅31.58美元/吨;进口23.56万吨,用汇5091.4万美元,主要为高档造纸涂料级和油漆填料级产品,进口均价为215.16美元/吨,进口价是出口价的9.13倍。其它诸如滑石、萤石、硅灰石、菱镁矿等矿种也存在类似的问题。因此,充分利用我国丰富的非金属矿产资源,研究开发国际市场急需的非金属矿物材料,不仅是满足国内传统产业和高新技术发展的需求,减少对发达国家的技术依赖问题,同时也是改善出口商品结构,提高出口产品档次、均价,提高经济效益,解决对外贸易中矿产品"低出高进"的关键。
(五)有利于促进国民经济的可持续发展

我国是世界上非金属矿产资源品种较多、储量较为丰富的国家之一。工业发达国家发展的经验表明:"一个国家工业发展的水平,往往以非金属矿在国民经济中的开发利用程度为标志"。在经济和社会发展到一定程度后,非金属矿及非金属矿物材料的消费量和产值必然要大于金属矿及金属材料,其对国民经济的贡献也将越来越大。我国是一个经济和社会正在迅速发展的世界大国,高新技术产业的快速发展、传统产业的技术进步与结构调整、环保国策的全面落实,以及在未来20年全面建设小康社会发展目标的实施,将给我国非金属矿物材料带来前所未有的挑战和发展机遇。紧紧抓住这一难得的历史机遇,加速非金属矿物材料的研发和生产,不仅可以满足我国经济、科技和社会发展对非金属矿物材料日益增长的需求,促进非金属矿产资源的综合利用,全面提升我国非金属矿加工应用的水平,而且还将成为国民经济发展的新增长点,促进我国高新技术产业、传统产业及环保产业的全面发展和进步。同时,考虑到我国中西部非金属矿产资源丰富这一现实,发展非金属矿物材料产业还将促进和带动中西部地区的经济发展和社会进步,以及生态环境保护。因此,发展非金属矿物材料有助于国民经济的可持续发展。

二、非金属矿物材料研发现状

20世纪80年代,矿物材料科学和非金属矿物材料作为矿物学与材料科学的交叉,逐渐形成了独立的边缘分支学科及矿物材料产业,其兴起和发展与非金属矿物与岩石的应用、开发和材料科学与工程的快速发展密切相关。

(一)国外现状

在基础理论和应用研究方面,欧美等发达国家和前苏联的非金属矿物材料研究及利用的兴起时间较早,英国是最早在大学开设"应用矿物学"课程的国家;前苏联是最早提出"工艺矿物学",并重视"应用矿物学"的国家。英国马尔福宁等矿物学家在1987年就倡议重视"矿物材料学"的研究和应用。作为一个产业,欧美国家的发展也是领先的,早在19世纪末,英国非金属矿物的产值就已超过了金属矿的产值;在1934年,美国非金属矿物产值就已超过金属矿产值,到70年代,其非金属矿与金属矿产值之比达到21。在信息交流方面,从1937年出版的《工业矿物与岩石》、1969年创刊的《工业矿物》杂志、《采矿工程》杂志的"工业矿物年评"、自1965年以来每年举办的工业矿物地质讨论,以及由1974年起,每两年举行一次的"工业矿物会议",到由《工业矿物》杂志、联合国工发组织(UNIDO)发起组织的"世界非金属矿物会议"等交流活动,不仅推动了矿物材料工业的发展,同时也成为全球有关非金属矿物材料工业及科学研究的权威资料的重要来源。

国外对矿物材料的研发的特点和动向:

1)重视天然和人工矿物晶体的性能研究及其对矿物材料开发的基础作用。

前苏联和俄罗斯专门成立了矿物原料合成科研所等机构,较早形成了有较大规模的人工合成矿物及其矿物材料的产业;日本在改性、改型矿物材料方面发展较快,如用凝聚技术将普通的板状碳酸镁结晶变成分散性很好的新型多孔性球形碳酸镁填料,并首先进行了蒙脱石/聚合物纳米复合材料基础理论和应用技术研究等;欧美国家开发出以合成金刚石为基础材料的电子元器件等新领域。

2)重视矿物材料的原料及其应用领域拓展和复合矿物材料在高新技术领域的应用开发。

美国领先在航空航天飞行器上使用了矿物涂层和多种功能矿物材料,如空对空导弹燃烧室内具有极好防热、隔热性能的三水铝石白色矿物涂层;高速战斗机降落刹车片使用的多种矿物与金属制成的复合材料等;辐射防护和核安全矿物材料,以及渗透到众多领域的功能矿物材料。此外,在矿物与非天然物质的复合材料方面发展也很快,现已广泛应用并形成重要产业。

3)以矿物材料市场带动单矿物原料在世界范围的资源勘察、采矿、利用的全面推进,研发、生产出单矿物原料的系列矿物材料产品。

例如:日本已开发出十几种在环保、固沙防旱、材料工业、农牧业、食品保鲜、防霉变、卫生、抗菌等领域的沸石矿物材料系列产品。

4)高科技含量的矿物材料产业快速发展。

美国著名的Nanomat公司生产的纳米矿物材料,如纳米滑石、纳米碳酸钙材料等多种产品。

综合国外矿物材料发展的特点和动向,可以看出发达国家已跨越式的由非金属矿物与岩石的应用开发转变到矿物材料的研发和生产。其主要表现为:

由矿业向矿物材料交叉产业快速转变;

由工业矿物与岩石的应用到突破金属、非金属矿物原料;

由无机、有机原材料的界限向矿物复合材料的全方位拓展;

由矿物材料的研究向矿物材料产业及其规模化、市场化迅速延伸。

(二)国内现状

我国对非金属矿物和岩石的利用、开发亦有悠久的历史。我国对非金属矿物材料的基础理论和应用基础研究,始于20世纪50年代后期,对单晶体矿物的应用性能和人工晶体合成(1958年对人工生长水晶的研究)。20世纪70年代,中国科学院地球化学研究所建立了物理测试和矿物物理和矿物材料研究室。矿物材料作为独立的分支学科,始于20世纪80年代。1989年,西南科技大学与中国地质大学共同创建的矿物材料专业开始招生,接着全国地质类高校先后开始了大学本科和研究生层次的矿物材料专门人才的培养,并形成矿物材料学科体系。1990年,伴随"非金属矿物资源与矿物材料学术讨论会" 召开和先后成立的中国硅酸盐学会非金属矿分会矿物材料专业委员会,推进了矿物材料这一新兴交叉学科和矿物材料产业的发展。

迄今为止,我国矿物材料研究机构已具有一定的规模和较大活力。如 我国先后成立了"国家特种矿物材料工程技术中心""中国地质科学院矿物材料研究中心" "吉林大学功能矿物材料研究重点实验室""国家非金属矿深加工工程技术研究中心",以及许多院校的矿物材料研究所和工程技术研究中心等。

我国非金属矿物材料的研发现状和水平:

1、基础及应用基础理论研究

--在人工矿物合成领域,如用晶体和多晶粉体直接用作高新技术的功能材料,用其薄膜、涂层、陶瓷、玻璃体作功能材料;对晶体内发生在电子、原子或分子水平上的物理化学作用所产生的辐射、光调节、偏振、吸收、透波和实现半导体结、磁化、矫顽磁力、计算光子、电子、核粒子、记录离子化辐射,在极端条件下发生的某些作用及其在光、电、磁、热、力、声、吸附、催化等方面产生的特殊功能方面进行了研究;

--在对矿物晶体微细结构的可控改造及其与其它物质间的表面界面特性方面进行了定向改造(包括原子、分子级结构的定位改性改型、调整等应用基础研究);

--对导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等功能材料的研发。

在上述方面,转化为规模生产的不多,且与国外差距十分明显。我国对非金属矿物材料的研制,通常是在国外非金属矿物材料新产品出现之后才启动、借鉴和进行跟踪性研究。另外由于在基础理论与应用基础研究方面进展缓慢,不但造成我国非金属矿物材料在产品开发、应用研究等方面的差距,更谈不上具有自主知识产权的技术和产品。

2、应用技术及新材料领域

我国在矿物复合材料,包括防辐射矿物材料、环境修复矿物材料、医药矿物材料等研发方面已有明显的进展。近年来还开拓了矿物基元材料、矿物生物材料、纳米矿物材料等新研发领域。尤其对粉体矿物材料的研发,包括填料、涂料的功能化胶凝类粉体矿物材料(如强度等力学性质、光泽控制、抗老化、特殊物理、化学性能调节以及材料的工程特性等);纳米级超微粉矿物材料;用作薄膜、涂层、陶瓷、玻璃体或其它制品的粉体功能材料等。但我国目前对矿物材料的研发还未突破非金属和金属矿物、无机和有机复合材料之间的界限,其加工仍局限于超细、高纯和较低层次的改性、改型,还没有上升到多品种、多功能的规模化、系列化产品生产的阶段,大型综合企业渺渺无几。

3、矿物材料生产配套技术

我国矿物材料在建材及节能、环保用矿物材料,化工用矿物材料及矿物填料、涂料,农业用矿物材料,废弃矿物岩石的再生利用等研究开发及应用领域具有相对的优势,但明显存在差距,主要表现在:

1)产品品种少、档次较低,质量不稳定,结构亟待调整

目前国内非金属矿物材料总体状况是:初级产品过剩,中档产品质量不稳定,高档产品缺乏。在产品系列化、标准化、规模化生产等方面还不能完全按用途、规格、产品流向分别形成标准化系列产品,"一流原矿、二流设备、三流产品"现象十分普遍,达不到产品"精细化"

目前我国非金属矿物材料产品结构不合理,行业的总体规模小、水平低、盲目重复建设严重,技术含量低,缺乏竞争力。因此必须把我国非金属矿物材料加工产业的改造、技术升级、结构调整和科技创新提到日程上来,以全面提高非金属矿物材料产品的质量、性能、产品价值和市场竞争力,从而拓展和深化我国非金属矿物材料产品的出口市场。

2)研发条件、工艺技术及成果产业化的实施能力较弱

我国非金属矿物材料的加工技术与产品的创新能力差,科研投入不足,研究力量分散,缺少突破性、创新性,能转化成生产力的科研成果甚少;矿物加工技术装备(包括分析、检测、控制系统)的引进受资金、技术、企业科技开发实力的限制,高新矿物材料建设项目极少;高技术风险投资机制和科技创新激励机制尚不完善,科研开发资金投入不足,企业技术创新能力不强;科研开发与生产脱节,制约和影响了非金属矿物材料开发工作的进展。此外,功能矿物材料在实际应用中,尤其在高科技和军工领域的产业化应用及市场占有率方面与国外差距还较大。

 三、非金属矿物材料市场

(一)传统应用领域

非金属矿物粉体填料,按矿物成份可分为四大类:1、碳酸盐矿物填料(石灰石、方解石、白垩、菱镁矿);2、硅酸盐矿物填料(滑石、高岭土、长石、硅灰石、云母、膨润土、石棉);3、硫酸盐矿物填料(重晶石、石膏);4、氧化矿物填料(石英、粉石英、硅藻土和金红石)。

在传统应用领域,非金属矿物粉体填料占有很大的市场份额。目前,我国需用矿物粉体填料的造纸、橡胶、塑料和涂料四大行业发展较快,因此,对非金属矿物填料的需求量也越来越大。20世纪90年代以来,我国纸和纸板的生产量和消费量都保持着很高的增长速度。1990年,我国纸和纸板的总产量为1372万吨,其总消费量为1443万吨;2001年总产量达到了3200万吨,年均增长12%,总消费量就高达到3800万吨,人均29公斤,消费量平均年增长率达到16%,增长速度十分惊人。

目前,我国纸和纸板的消费量已经超过日本,成为世界上仅次于美国的第二大纸和纸板的消费国。2001年我国造纸行业用填、涂料的消费量为256万吨, 2005年大约需求4000万吨,相应需要的填、涂料用量在320万吨左右(填料比:北美为7.2%、西欧为7.5%、中国为8%);2010年矿物填料需求量将翻一番,预计将达到600万吨以上。

塑料工业:据不完全统计,1987年我国塑料制品产量仅为298万吨(乡镇企业除外),1995年为668万吨,仅次于美国、日本、德国居世界第四位。但近年来,由于我国建材和工程塑料需求的迅速增长,2001年塑料制品产量就已达到2000万吨,其中,无机非金属矿物填料的需求量超过300万吨,与1996年相比,年均增长率为7%,高于塑料制品的年增长率1个百分点, 2005年塑料制品产量将到2500万吨(填料比:国外为10%,我国为15%),相应所需塑料矿物填料375万吨;预计2010年将达到500万吨左右。

橡胶工业: 1990年全国县以上的橡胶企业已发展到8000多家,生胶消耗量已突破100万吨,仅次于美国、日本和俄罗斯,居世界第四位。2001年我国橡胶产量达到150万吨左右(其中,天然橡胶占55%、合成胶占45%),橡胶制品产量为800万吨左右,其填料需求量为120万吨。2005年橡胶产量将达到1200万吨,其填料需求量为180万吨左右;预计2010年将达到300万吨左右。

涂料工业: 1997年我国涂料产量仅为225万吨(其中工业涂料75万吨,建筑涂料110万吨);2001年涂料产量为300万吨(其中建筑涂料150万吨),填料用量为45万吨。预计到2005年涂料产量将达到500万吨,其中,工业涂料占3540%、建筑涂料占4550%、特种涂料占1015%,需要填料75万吨左右;预计2010年将达到150万吨左右。

以上四大行业对矿物填料总需要量为721万吨,若加上其它行业的需要,估计总需求量在771万吨左右。预计到2005年填料需用量将达到1030万吨;2010年将达到1710万吨。这充分说明矿物填料在传统领域需求前景广阔,是一个很有发展前途的产业。详见表2


771 1030 1710
(二)高新技术领域

21世纪,人类已经进入了高新技术迅猛发展的时代。高新技术的发展,一方面导致一大批新兴产业群的诞生,另一方面也给传统产业带来巨大的变化,现代生产技术的提高,新产品开发日趋活跃,以及生产工艺不断创新,促使非金属矿物材料逐步向超细化、功能化、高性能化和复合化方向发展,应用市场将更加广阔。

1 超细化和纳米化矿物材料应用市场

目前,超细化-纳米粉体材料在高技术和新材料领域主要用于以下几个方面:

玻璃行业:纳米矿物粉体加入后,可使玻璃韧性变好,强度提高,不影响透光性,并具有抗紫外线和短波辐射功能,可替代传统的钢化玻璃和某些镀膜玻璃。

陶瓷行业:陶瓷中加入纳米的二氧化硅其脆性大大降低,而柔韧性提高几倍至几十倍,表面光洁度也明显提高。

塑料行业:在塑料加工过程中,加入纳米矿物材料可提高产品的透明度、强度、韧性、防水性、抗老化性、抗菌性、吸波隐身性等。

涂料行业:在各种建筑涂料中加入纳米二氧化硅可使其抗老化性、表面光洁度、机械强度、附着力和耐酸、碱、盐的能力成倍增长,使用寿命增加,还可制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料,同时,还可以制成吸波隐身涂料等。

橡胶行业:纳米三氧化二铝加入到橡胶中去,能提高橡胶的介电性和耐磨性。用纳米二氧化硅粒子控制其颗粒尺寸,可制备对不同波段光敏感程度不同的橡胶,用于国防建设。

其次,在胶粘剂和密封胶中,将纳米矿物材料(二氧化硅)作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中,可使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都大大提高。在催化剂中,具有纳米结构的矿物材料(如沸石)可广泛用作催化剂和催化载体

其他行业:微米-纳米级粉体材料在农业、环保、能源、医药、油墨、印染等领域的生产或提高产品性能方面也同样具有重要意义。同时,随着微米-纳米级粉体材料的应用和开发,还将不断开拓出新的应用领域。

2、功能化与高性能化矿物材料应用市场

矿物材料的性能决定于它本身的矿物组成和结构构造。矿物材料具有良好的使用性能,如光学性能、力学性能、热学性能、化学性能及电磁学性能等,随着矿物材料向功能化和高性能化发展,其应用市场潜力很大。

光学性能:非金属矿物材料有许多特殊的光学性能,特别是在光学仪器和尖端科学技术领域有着广泛的用途。如冰洲石,由于具有双折射性能,使其成为不可缺少的偏光片材料;a型金刚石具有良好的透红外光的能力,目前已应用于空间技术中作窗口材料。此外,部分非金属矿物还具有旋光性、压电性和光电性,如石英晶体等等,可广泛地应用于众多特殊领域。

力学性能:在非金属矿物材料中,利用力学性能的情况是最普遍的。例如,金刚石、刚玉、石榴石等可作为高强度研磨材料;石英粉、白炭黑、钛白粉等可作为填料,制成耐磨塑料和耐磨橡胶;蛇纹石石棉、针状硅灰石、石膏晶须、碳纤维、矿棉、岩棉及玻璃纤维等可作为制品基材的补强材料。

热学性能:热学性能是非金属矿物材料应用的另一个方面。如石墨,这是目前已知的最耐高温的材料之一,其熔点高达3850,4500才气化,尤其是在2500时,石墨的强度反而比室温时提高一倍。因此,石墨是高温极限条件下最好的耐高温材料,在尖端科技中具有重要的作用。同时,可用作耐高温的非金属矿物材料还有刚玉、方镁石、富铝红柱石等,它们在火箭制造和现代冶炼工业上都是不可缺少的;蛭石、珍珠岩等轻质的保温隔热材料,广泛用于高层建筑、图书馆、档案室、冷库等建筑物及供暖、供热等设备的保温、隔热、隔音和防火等。

电学性能:非金属矿物材料的电学性能,在现代电子、电器工业中起着非常重要的作用。如具有良好介电性能的白云母是非常优异的绝缘材料。通常,生产一台10万千瓦的发电机需要1吨云母绝缘(带)材料(其中含片云母约450公斤)。随着我国电力、电子和电器工业的发展,云母绝缘材料的用量将快速增长。除此之外,石墨的导电性、水晶的压电性、石墨间层化合物的超导性、金刚石的光电转换性等等都在现代科学技术中发挥了巨大的作用。

非金属矿物材料还有许多其它的优异性能,在国民经济领域中起着非常重要的作用,其应用市场潜力很大。

3、复合矿物材料

复合矿物材料是将天然矿物材料、人工矿物材料、改性矿物材料与少量有机材料任二者经物理加工后制成的、具有一定性能和用途的矿物材料。这种复合矿物材料由于其综合优异的理化性能,在实际生产生活中有很大的应用空间。

层间化合物:近几年来,国内外都十分重视粘土层间化合物或称柱撑粘土矿物材料的研发和应用。这种分子级复合功能材料,是利用某些层状粘土矿物的离子或分子可交换性,用所需的原子、分子或多核笼状离子基团作插层剂(或称柱化剂),插入层间域形成新的化合物及复合材料。采用不同的基体粘土矿物与插层剂的组合,或用不同的制造方法可制成不同理化性能的复合矿物材料,可满足不同应用领域的要求。如层柱粘土催化剂(新型分子筛催化材料);用于液体的分离、离子交换、络合物交换等用途的新型吸附材料;择形分子筛;纳米工程塑料(如用蒙脱石矿物的柱撑纳米微粒作分散相与有机聚合物基体复合的纳米尼龙-6)等功能性材料等。

功能性复合矿物材料:在功能性复合矿物材料方面,用蓝晶石族矿物微粉与碳化硅烧结成的复合材料是耐高温的窑炉材料、陶瓷器件和磨具的理想材料;用海泡石或坡缕石与聚乙烯烃制成的复合材料也具有优良力学性能和耐热性;已研制成的无机非金属基(陶瓷基)的金属-陶瓷材料是一类具有优良电、磁、声、光功能,抗辐射、耐冲击、抗腐蚀、耐高温,机械强度大,广泛用于电子、电气、化工、原子能、军工的吸波多功能金属-无机非金属复合材料等。

环保型复合矿物材料:在环保型复合矿物材料方面,有以沸石、磷酸钙、硅藻土等矿物或陶瓷材料为基体,植入或被覆银、铜、锌等具有抗菌性能的金属离子制成的铜型抗菌材料(其中铜离子含量高达5.5%);用钾长石、滑石、方解石、绿泥石、白云石、阳起石等各具摩擦、打光、润滑、吸附净化等功能的天然非金属矿物粉体制成的复合去污粉是无毒、无味、无腐蚀性的绿色环保型产品;用铝矾土、高铝粘土、膨润土、高岭土、明矾石、霞石、长石、硅藻土和煤矸石等铝硅酸盐矿物均可制成聚合氯化铝,这是一种新型高效复合净水剂,其对造纸厂废水中BOD的去除率高达95.8%,对COD去除率达97.7%

不难看出,由非金属矿物制成的矿物材料在国民经济各领域中已得到了广泛的应用,其范围涉及化工、轻工、石油、冶金、铸造、机械、建材、农业、日用、国防、航空航天等几乎所有的工业或国民经济部门,它不仅在高新技术领域有着不可替代的作用,同时也给传统产业带来新的生机和活力,广阔的应用市场必将为非金属矿物新材料的发展带来新的历史性机遇。

四、非金属矿物材料发展的有利条件

(一)资源优势

我国有得天独厚的非金属矿产资源,矿石质量一般良好,分布广泛,储量相对集中。目前,这些非金属矿产储量相对集中的地区,已初步形成一定的开发利用规模,有些地区已发展成为我国的生产和出口基地,为我国发展非金属矿物材料工业提供了物质基础。

(二)具有一定的研发基础

近二十年来,我国非金属矿物材料的研发有较快的发展,在专业研究机构的建立、科研队伍的培养,以及企业的研发能力等方面都有长足的进展,为非金属矿物材料的研发奠定了一定的基础。

1、专业研究机构已具有一定的规模

上个世纪八十年代以来,在国家的支持下,我国矿物材料专业研究机构:如国家特种矿物材料工程技术中心、中国地质科学院矿物材料研究中心、吉林大学功能矿物材料研究重点实验室、国家非金属矿深加工工程技术研究中心等。此外,在清华大学、中国矿业大学、中国地质大学、武汉理工大学、西南科技大学、中南大学等一些知名大学都设立了与矿物材料相关的研究所(室)。我国矿物材料专业研究机构已具有一定的规模。这些研究机构大都配置有现代实验条件和较先进的测试仪器及设备,以及具有较高素质的专业技术人员。这支活跃在我国矿物材料研究开发战线上的生力军,对今后我国矿物材料的研发将起到积极的推动作用。

2、矿物材料专业队伍正在形成

矿物材料科学作为矿物学和材料科学交叉而形成的独立的边缘分支学科,在二十世纪九十年代以前,我国从事矿物材料研发的专业人员主要来自于矿物学专业、矿物加工工程专业及材料工程专业等方面。迄今,这批人员多数已晋升为教授或高级工程师,在本专业领域具备有较高的学术水平,是我国矿物材料研究、发展的中坚力量。上世纪九十年代以后,为适应矿物材料学科的发展,西南科技大学等一些高校相继设立矿物材料专业,原有的矿物加工工程专业的培养方向开始向矿物材料侧重,同时,许多高校还设立了矿物材料的硕士、博士点,一大批矿物材料专业的本科、硕士、博士先后毕业走上工作岗位,形成我国矿物材料战线上的第二、第三梯队。尽管很难统计我国从事矿物材料研究、开发的专业人员的具体数量,但一支素质较高的专业人员队伍正在形成,这将是今后我国矿物材料学科和产业发展的宝贵人力资源。

3、已取得一定的研发成果

"八五"期间,"非金属矿资源深加工"被列为国家科技攻关项目,其中涉及非金属矿物超细、提纯、改性;柔性石墨复合技术及应用研究;宝石加工技术;粉石英深加工及应用技术研究等四个课题十九个专题的研究开发。现已有部分科研成果被转化为生产力,正在实践中不断地得到完善和提高,并以此缩短与世界先进水平的差距。为满足造纸、涂料、橡胶、塑料、胶粘剂、微电子等应用领域的需求,我国已自主开发研制了比较成熟的高纯石墨、石英、硅藻土、高岭土、膨润土、金红石、重质碳酸钙等矿物材料的生产技术;能生产各类超细粉碎与精细分级技术装备,而且一些设备在性能及配套工艺技术方面逐渐接近或达到国外同类设备水平;非金属矿物材料的表面改性、改型及复合产品已在多个工业部门中得到应用,并取得良好的经济效益和社会效益。在功能性矿物材料的加工制备技术方面,我国已能生产汽车、机电、环保等部门所需的石墨密封材料、石墨导电涂料、石墨润滑材料,石棉摩擦材料、保温隔热材料,催化、吸附与过滤材料,分子筛,防辐射、高硬、耐磨材料等,为我国非金属矿物材料的发展奠定了一定的基础。

4、一批重点企业正在成为矿物材料研发的主体

随着我国非金属矿物材料产业的发展,一批生产企业正在逐步成长壮大,特别是民营企业正在成长为非金属矿物材料产业的主力军。这些企业普遍具有较先进的生产工艺和装备、完善的检测手段、较好的试验条件和素质较高的专业技术人员。许多企业为满足市场对矿物材料日益增长的需求,与有关科研院所合作不断研究开发非金属矿物材料的新产品,并投入市场。这些企业正逐步发展成为我国矿物材料研究开发的主体。例如,青岛石墨股份有限公司研究开发的彩电显像管石墨乳、模锻石墨乳等胶体石墨材料;洛阳冠奇工贸公司研究开发的锂离子电池用的高纯超细球形石墨材料;中国高岭土公司研究开发的石油工业用催化剂载体材料;浙江华特集团研究开发的有机膨润土、纳米膨润土涂料;中国凯盛国际工程公司在高纯球形硅微粉材料方面的研究等都取得了重大的进展,许多产品已投入应用市场。尽管具有科技创新能力的企业,目前在整个产业界还是少数。但是,这些企业代表着我国矿物材料发展的方向和希望。生产企业,尤其是民营企业成为科技创新的主体必将推动我国矿物材料产业的快速发展。

五、非金属矿物材料的发展思路和总体目标

(一)发展思路

以高新技术产业所需新材料为导向,充分利用我国资源优势和特点,以基础研究为支撑,应用技术研究为重点,以高起点、高技术、高投入、高产出,形成具有自主创新能力的非金属矿物材料产业链。采用高新技术改造传统矿物材料,大力研发有益于环保和生态建设、人民生活提高、保障发展高新技术产业以及增强国防实力需要的新型矿物材料,使之尽快形成产业化,形成非金属矿工业新的经济增长点。

(二)发展总体目标

2020年,实现非金属矿工业、矿物材料、材料科学与工程的科技整合和产业结构的优化;力争在基础研究、应用研究、重大科技问题和关键技术方面取得重大突破;建设若干个区域性优势非金属矿产资源的开发利用产业化示范基地,使之尽快形成新的经济增长点;在矿物材料新产品开发,应用领域和质量、市场占有率方面总体接近发达国家水平,争取把我国非金属矿物材料产业,真正办成一个新兴的既满足国内需要,又要打造出世界一流名牌产品的新的矿物材料工业体系。

六、研发重点和重大关键技术研究

(一)研发重点

研发重点应是与高新技术产业发展相关或配套的非金属矿物材料,分为基础研究和技术开发二个层次。

1、非金属矿物材料重要基础研究

非金属矿物材料的基础研究是开发高性能或功能性非金属矿物材料和复合非金属矿物材料的重要理论和技术基础。根据未来1520年高技术和新材料发展的趋势和我国高新技术产业发展规划,本着有所为和有所不为的原则,确定以下重要基础研究。

A.纳米粒径或纳米晶非金属矿物材料的表面或界面性质、结构和原子构型、光性、磁性、电性、热性、吸附和反应或催化特性及其变化规律。制备工艺对其物化特性的影响。

B.纳米/纳米、纳米/微米复合非金属矿物材料的界观结构和原子构型,复合组分的键合类型,表面吸附、反应或催化特性及其变化规律,材料的光、电、磁、热及吸波(声)等特性及其变化规律,复合工艺、复合层结构、类型等对其物化特性的影响,计算机辅助"核-壳" 复合非金属矿物材料的成分、结构、性能计算。

C.非金属矿物填料的晶体结构、晶型、化学成分、粒度大小和粒度分布、紧堆密度、颗粒形状、表面性质等与其填充性能和功能之间的关系,填料/高聚物界观作用模型与界面特性及其与材料性能的关系。依据填料特性的高性能复合材料的计算机设计和预测模型。

D.架状、层状非金属矿物材料,如沸石、海泡石、凹凸棒石、膨润土、高岭土、蛭石、石墨、膨胀珍珠岩等的孔道结构特征、孔径大小与分布、层间结构特征,孔道与层间域的物理、化学特性、阳离子交换特性,界面电性,在溶液中的分散性和触变性,吸附、化学反应与催化特性、储能及保湿(水)特性及其与环保功能的关系,高性能和高选择性环保吸附非金属矿物材料的计算机设计和预测模型。

E.硅质矿物原料的产状、晶体结构、晶型、化学成分、气液包裹体分布特征对光电子材料性能的影响。

F.不同类型硅藻土的孔道结构特征、孔径大小与分布、孔隙率,孔道与重金属离子、烷烃类有机物、氨氮类化合物、酚类和醛类有机物的吸附、反应和催化特性;孔道结构再造方法及其影响因素。

2、非金属矿物功能材料的技术开发研究

1)复合超微及纳米填料和颜料

主要研究内容:增强、增韧高聚物基复合材料,并能满足特殊高聚物基复合材料阻燃、耐磨、抗菌、绝缘或导电、红外辐射和紫外吸收等功能的粒径1mm以下非金属矿物超细、活性和特殊粒形填料及纳米填料,不同成分、结构、晶形的纳米/纳米及纳米/微米复合非金属矿物填料;高遮盖率、具有耐腐蚀、耐磨和湿擦洗、耐侯、耐磨、耐高温和低温、阻燃、防污(抗菌)、辐射屏蔽、吸波、发光或消光等功能的粒径1mm以下超细非金属矿物颜料及不同成分、结构、晶形的纳米/纳米及纳米/微米复合无机非金属颜料。

2)非金属矿物环境与健康功能材料

主要研究内容:(一)针对我国废水和废气和放射性废料处理的需要,通过对天然矿物物理化学性能(矿物成份、晶体结构、化学组成、粒度大小与粒度分布、比表面积、孔隙结构与孔径大小、胶质价、阳离子交换容量、表面电性与动电电位等)与有害成份去除效果之间的关系及去除机理的基础研究和提纯、表(界)面改性等加工技术研究,从非金属矿物中优选出适用于处理不同类型废水、废气及放射性废料的新型环保材料,在此基础上开展工业废水、废气和放射性废料处理实用技术和设备的开发研究以及非金属矿物环保材料吸附性能和环保性能的评价研究。(二)通过超细粉碎、包膜、掺杂、激活剂选择等多种加工技术,研究强化电气石负离子释放功能和远红外辐射功能的工艺;开发超细电气石在涂料、化纤、织物、环保等领域中的应用技术。(三)用于荒漠治理和环境修复的非金属矿物材料的加工与应用技术。

3)非金属矿物生物化工功能材料

主要研究内容:具有良好选择性、稳定性、无毒、无害的高性能催化剂载体、农药载体,医药载体、抗菌剂载体、过滤净化助剂等的加工与应用。

4)高纯结晶硅微粉和熔融球形硅微粉

主要研究内容:纯度(SiO2,%)大于99.99%,杂质总含量小于30ppm的高纯结晶硅微粉的加工技术;纯度(SiO2,%)大于99.95%,粒度分布为110mm,球形度高的熔融(非晶质)硅微粉的成型技术。

5)纤维矿物材料

主要研究内容:平均长径比15以上、平均纤维直径小于2mm、与木质纤维及其他有机纤维的配伍性和相容性好、能提高或不降低纸品性能的纤维矿物材料或复合纤维矿物材料的制备、表面处理及应用技术。

6)石墨基功能材料

主要研究内容:高纯超细(C³99.99d97£1mm)石墨粉的加工及应用,石墨层间化合物、石墨密封材料、高温润滑材料、导电涂料和新能源材料等的加工与应用。

7)粘土基矿物材料

主要研究内容:有机/粘土复合材料和粘土层间化合物,特别是有机/膨润土和有机/皂土复合材料和膨润土、高岭土等层间化合物的性能、加工及应用。

(二)重大关键技术

基于以上技术开发研究重点,需要解决的重大关键技术是:

1、粒径1mm以下非金属矿物填料或颜料及纳米填料的工业化制备工艺和装备、表面处理工艺和装备、应用技术及装备;不同成分、结构、晶形的纳米/纳米及纳米/微米复合填料或颜料的工业化制备工艺和装备、应用技术及装备。

2、具有较高的比表面积和选择性吸附重金属离子、有机物、硫化物、碳化物、氮化物以及脱色、除臭等功能的非金属矿物环境净化材料的工业化制备工艺与装备及应用技术;能产生负离子和远红外辐射以及抗菌、保暖的非金属矿物健康功能材料的工业化制备工艺与装备及应用技术;具有沙漠治理与环境修复等功能的非金属矿物材料的工业化制备工艺与装备及应用技术。

3、天然微孔非金属矿物材料(海泡石、凹凸棒土、沸石、硅藻土等)的工业化精选提纯工艺与装备、纳米孔道疏通工艺与设备、界面活化改性和复合工艺与设备、造粒成型工艺与装备及在生物化工领域的应用技术。

4、纯度(SiO2,%)大于99.99%,杂质总含量小于30ppm的高纯结晶硅微粉的工业化制备工艺与装备;纯度(SiO2,%)大于99.95%,粒度分布为110mm,球形度高的熔融(非晶质)硅微粉的工业化成型工艺与装备。

5、平均长径比15以上、平均纤维直径小于2mm、与木质纤维及其他有机纤维的配伍性和相容性好、能提高或不降低纸品性能的纤维矿物材料或复合纤维矿物材料的工业化制备工艺与装备、表面处理工艺与装备以及应用技术。

6、高纯超细(C³99.99d97£1mm)石墨粉的工业化制备工艺与装备,石墨层间化合物、石墨密封材料、高温润滑材料、导电涂料和储能材料等的制备工艺与装备。

7、有机/粘土复合材料和粘土层间化合物的工业化插层工艺与装备、有机/无机复合工艺与装备及应用技术。

 

 


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