CN103951268A

CN103951268A - 一种耐高温玄武岩纤维组合物

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Publication number: CN103951268A
Application number: CN201410139342.1A
Authority: CN
Inventors: 吴智深; 刘建勋; 蒋鸣; 汪洋; 雷亮
Original assignee: JIANGSU GREEN MATERIAL VALLY NEW MATERIAL T&D Co Ltd; Southeast University
Current assignee: JIANGSU GREEN MATERIAL VALLY NEW MATERIAL T&D Co Ltd; Southeast University
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-08
Also published as: CN103951268B

Abstract

本发明公开了一种耐高温玄武岩纤维组合物，该玄武岩纤维组合物按照重量百分比，由以下成分组成：SiO₂：55~66%，Al₂O₃：10~20%，MgO：8~15%，CaO：4~12%，Fe₂O₃：4~8%，FeO：3~5%，K₂O：0.2~1%，Na₂O：0.2~1%，TiO₂：0.3~1%。采用上述组合物制备的耐高温玄武岩纤维，拉伸强度超过2600MPa，软化点温度超过900℃，具有更好的耐热性能。

Description

一种耐高温玄武岩纤维组合物

技术领域

本发明属于高技术纤维材料领域，具体来说，涉及一种耐高温玄武岩纤维组合物。

背景技术

人造无机纤维广泛应用在耐热领域中，它们可用于高温隔热的保温防护材料、密封材料和防火材料，如焊接隔帘，防火卷帘，灭火毯、防火服、隔热卷帘、高温滤袋等。近年来，人们开始利用无机人造纤维制作密封填料。

目前应用在耐热领域的无机纤维主要有玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、陶瓷纤维等。玻璃纤维中无碱E玻璃的产量最大，应用最广，且成本低廉，但其在500℃条件下，拉伸强度迅速退化，耐热性能不好；高硅氧玻璃纤维耐热性很好，专利CN102992634A公开了一种耐高温的高硅氧玻璃，其耐温性能大于等于1100℃。尽管这种玻璃的耐热性能高，但是熔化温度较高，并且是必须经过复杂的后处理，才能达到良好的耐热性能，工业化生产难度较大。高强度S系列玻璃的耐热性和强度俱佳，但成本很高。碳纤维、陶瓷纤维与高强玻璃一样，由于价格昂贵，使它们的使用受到了限制。日本专利公报（公开）No.2001-206733A公开了一种耐热玻璃纤维，这种耐热玻璃纤维通过使玻璃纤维表面经受无机酸处理得到了耐热800℃左右的耐热玻璃纤维。

玄武岩纤维具有非人工合成的纯天然性，加之生产过程无害，且产品寿命长，是一种低成本、高性能、洁净程度理想的新型绿色环保材料，同时又具有较好的力学性能、化学稳定性、耐高温性能、耐久性等综合性能。其主要成分是SiO₂、A1₂O₃、MgO、CaO、FeO、Fe₂O₃，和传统玻璃纤维成分类似，由于玄武岩原矿遍布各地，原料成本相比玻璃纤维低廉很多。玄武岩纤维具有良好的热绝缘性、抗声性、抗腐蚀性、无毒性、不燃性以及良好的力学性能，因此用来制作工业上广泛使用的热绝缘材料、声绝缘材料和抗震材料等复合材料。目前，玄武岩纤维保温材料主要包括玄武岩纤维保温毡、玄武岩纤维绳、玄武岩纤维保温管和玄武岩纤维保温板。

虽然玄武岩纤维具有较好的耐热性能，但随玄武岩纤维在保温、耐热应用领域的不断拓展，对玄武岩纤维耐热性能提出了更高的要求。近年来，如何提高玄武岩纤维的耐热性能，以满足更高耐热应用领域的实际要求，成为玄武岩纤维研究的一个热点。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种耐高温玄武岩纤维组合物，使玄武岩纤维具有更好的耐热性能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种耐高温玄武岩纤维组合物，该玄武岩纤维组合物按照重量百分比，由以下成分组成：

进一步，该玄武岩纤维组合物按照重量百分比，由以下成分组成：

进一步，所述的SiO₂和Al₂O₃的重量百分比之和大于或等于70%。

进一步，所述的Fe₂O₃的重量百分比和FeO的重量百分比的比值大于1。

进一步，所述的K₂O和Na₂O的重量百分比之和为0.4～2%。

有益效果：与现有技术相比，本发明的玄武岩纤维组合物具有耐高温的优良特性。与普通玄武岩纤维相比，本发明的玄武岩纤维组合物的组分变化不大，但其软化温度从700℃提高到900℃左右，从而显著提高了玄武岩纤维的耐热性能。发明的耐热玄武岩纤维可作为防火、保温、绝缘等材料，用途极为广泛。采用同步热分析仪测量纤维的软化点温度，采用纤维强伸度仪测量纤维的拉伸强度和模量。测量结果显示，相对于现有玻璃纤维、玄武岩纤维，本发明的玄武岩纤维的软化点温度、拉伸强度和模量均有明显提高。因此，相比普通玻璃纤维，本发明的玄武岩纤维的耐热性能得到大幅提升，还有更好的拉伸强度和模量。另外，使用本发明的组合物来制备玄武岩纤维，可采用普通玄武岩纤维生产工艺和装置及相似的工艺条件进行生产，具有较低廉的生产成本，适用于工业化生产。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行详细的说明。

作为一种优选方案，上述玄武岩纤维组合物，按照重量百分比，由以下成分组成：

该优选方案的玄武岩纤维组合物的软化点温度较高，为895℃以上，同时也具有较好的纤维化温度，均为1300℃以上。该优选方案的玄武岩纤维组合物具有明显的耐高温性能。

作为另一种优选方案，上述玄武岩纤维组合物，按照重量百分比，由以下成分组成：

该优选方案的玄武岩纤维组合物在高温环境下，仍然保持较高的强度。在300℃保温温度下，纤维的强度保留率在84%以上；在500℃保温温度下，纤维的强度保留率在67%以上。该优选方案的玄武岩纤维组合物在具有耐高温性能的同时，具有良好的强度性能。

在上述组分的玄武岩纤维组合物中，所述的SiO₂和Al₂O₃的重量百分比之和大于或等于60%。SiO₂为玄武岩玻璃中最主要的成分，为骨架的主体是网络形成体，以硅氧四面体[SiO₄]的结构组成无规则的连续网络结构。Al₂O₃可与硅氧四面体组成统一的网络，A1³⁺可以夺取非桥氧形成铝氧四面体把断网重新连接起来，形成网络。因此，保持较高的SiO₂和Al₂O₃含量，可使结构趋向紧密、牢固，增加热稳定性。

进一步，所述的Fe₂O₃的重量百分比和FeO的重量百分比之比大于1:2。Fe₂O₃和FeO可使拉丝温度显著提高，导致成本增加。但在其含量较大时，尤其是Fe₂O₃和FeO的重量比比值较大时，Fe₂O₃为四面体结构，会以玻璃网络形成体的形式修复网络，从而提高纤维的耐热性和强度。因此，对Fe₂O₃和FeO的含量应进行适量的调整，增加Fe₂O₃和FeO的重量比比值。

所述的K₂O和Na₂O的重量百分比之和为0.4～1%。碱金属Na₂O、K₂O可促使硅氧四面体间连接断裂，出现非桥氧，使其结构疏松、减弱，导致热稳定性变坏。因此，要在保证适当的高温电导率的情况下，尽量降低其含量。

上述组分的玄武岩纤维组合物，通过调整不同氧化物的含量，改进玄武岩纤维的耐高温性能。具体来说：耐热性的改进是由于增加了SiO₂、MgO的含量，同时适当的降低了其他碱金属的含量，并调整了Fe₂O₃和FeO的含量和比例。SiO₂为玄武岩玻璃中最主要的成分，为骨架的主体是网络形成体，以硅氧四面体[SiO₄]的结构组成无规则的连续网络结构。Al₂O₃可与硅氧四面体组成统一的网络，A1³⁺可以夺取非桥氧形成铝氧四面体把断网重新连接起来，形成网络。因此，保持较高的SiO₂和Al₂O₃含量，可使结构趋向紧密、牢固，增加热稳定性。而碱金属Na₂O、K₂O可促使硅氧四面体间连接断裂，出现非桥氧，使其结构疏松、减弱，导致热稳定性变坏。因此要在保证适当的高温电导率的情况下，尽量降低其含量。Fe₂O₃和FeO可使拉丝温度显著提高，导致成本增加。但在其含量较大时，尤其是Fe₂O₃和FeO的重量比比值较大时，Fe₂O₃为四面体结构，会以玻璃网络形成体的形式修复网络，从而提高纤维的耐热性和强度，因此对Fe₂O₃和FeO的含量应进行适量的调整，增加Fe₂O₃和FeO的重量比比值。

玄武岩纤维按以下步骤实现：

（1）选择玄武岩岩石粉末，在研钵中将其磨碎，成为玄武岩粉末。

（2）按照以上所述各氧化物的重量百分比，进行配料计算，根据计算结果称取一定质量的SiO₂、Al₂O₃、MgO、CaO、Fe₂O₃、FeO、K₂O、Na₂O和TiO₂，将其与玄武岩粉末混合，组成玄武岩混合物。

（3）将玄武岩混合物用球磨机混合研磨8-15小时。

（4）将玄武岩混合物在1450℃-1550℃下熔化8-15小时，得到玄武岩熔体。

（5）用玄武岩纤维拉丝炉进行拉丝，制得耐高温玄武岩纤维。

为了说明本发明的玄武岩纤维组合物所具有的优良性能，下面通过六个实施例来说明，同时为对比本发明组合物的优良性能，再提供两个对比例。实施例和对比例的玄武岩纤维组合物的各组分及其重量百分比见表1所示。

表1

制作各玄武岩纤维组合物，在各实施例和对比例中，按表1成分进行配料计算，将在研钵磨碎的玄武岩矿石和各种类型的氧化物用球磨机混合12小时，将混合物在铂金坩埚中，在1450℃加热12小时，然后迅速水冷，由此制备玻璃化样品。随后在1450℃-1550℃下熔化，用单孔铂金拉丝炉拉丝。对比例1为无碱玻璃纤维（E-glass），对比例2为一种玄武岩纤维（BF），采用同步热分析仪测量纤维的软化点温度(软化点温度是指玻璃开始变软时的温度)，采用纤维强伸度仪测量纤维的拉伸强度(拉伸强度是指在拉伸试验中，试样直至断裂为止所受的最大拉伸应力)和模量(模量是指材料在受力状态下应力与应变之比)，采用高温粘度仪测量纤维的纤维化温度（纤维化温度是指玻璃粘度为1000泊时所对应的温度）。测量结果见表2所示。

表2

根据表2中的测量数据，可以看出：六个实施例样品的液相线温度比对比例高。两个对比例的液相线温度为1050℃和1170℃，六个实施例样品的液相线温度均超过1180℃，其中，实施例6达到了1240℃。

六个实施例样品的软化点温度相比两个对比例均有明显提高。六个实施例样品的软化点温度在900℃左右，两个对比例的软化点温度在700℃左右。其中，实施例6的软化点温度为908℃，对比例2的软化点温度为689℃，实施例6相对于对比例2提高了219℃。

六个实施例样品的拉伸强度比对比例有明显提高。两个对比例的拉伸强度为1800MPa和2000MPa。六个实施例样品的拉伸强度均超过2450MPa。其中，实施例5达到了2710MPa，比对比例1提高了近1000MPa。

六个实施例样品的模量比对比例有所提高。两个对比例的模量为70GPa和84GPa，六个实施例样品的模量除了实施例1为82GPa，其余均超过85GPa，实施例5达到了91GPa。

六个实施例样品的纤维化温度比对比例有所提高。两个对比例的纤维化温度1150℃和1253℃，六个实施例样品的纤维化温度除了实施例1为1250℃，其余均超过1270℃，实施例5达到了1325℃。

因此，相比普通玻璃纤维，本发明的耐高温玄武岩纤维不仅能耐更高的使用温度，还有更好的拉伸强度和模量。

将各纤维样品在100～500℃下分别保温2h后，采用单丝强伸度仪对热处理前后的样品进行强度测量。测量结果如表3所示。

表3热处理后纤维的强度保留率

从表3中可知，本发明的玄武岩纤维经过一定的保温温度后，强度保留率比普通玄武岩纤维的更高。结果表明，本发明的玄武岩纤维的耐高温及强度性能，比普通的玄武岩纤维要好。例如在500℃的保温温度下，对比例2的强度保留率为49%，而六个实施例的强度保留率均超过65%。在高温条件下，本发明的玄武岩纤维组合物具有较好的强度保留率，即本发明的玄武岩纤维组合物具有耐高温的优点。

本发明的玄武岩组成可在1450℃-1550℃熔化，在1450℃-1550℃拉丝，液相温度在1250℃以下，在整个拉丝温度范围内不发生析晶。可采用普通玄武岩纤维的工艺设备进行拉丝。结合表2与表3，本发明与普通玄武岩纤维相比，虽然其组分变化不大，但耐高温性有了显著的提高。本发明的玄武岩纤维组合物的软化点温度提高到了900℃左右，500℃保温后的强度损失率提高了20%，显示了本发明的玄武岩纤维所具有的显著技术效果。

Claims

1.一种耐高温玄武岩纤维组合物，其特征在于，该玄武岩纤维组合物按照重量百分比，由以下成分组成：

2.按照权利要求1所述的耐高温玄武岩纤维组合物，其特征在于，该玄武岩纤维组合物按照重量百分比，更优选的由以下成分组成：

3.按照权利要求1所述的耐高温玄武岩纤维组合物，其特征在于，所述的SiO₂和Al₂O₃的重量百分比之和大于或等于70%。

4.按照权利要求1所述的耐高温玄武岩纤维组合物，其特征在于，所述的Fe₂O₃的重量百分比和FeO的重量百分比的比值大于1。

5.按照权利要求1所述的耐高温玄武岩纤维组合物，其特征在于，所述的K₂O和Na₂O的重量百分比之和为0.4～2%。