CN105837024B - 一种连续玄武岩纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续玄武岩纤维的制备方法，本发明方法是在玄武岩中添加改性剂，能快速的传导热量，从而使玄武岩纤维内部的热量容易传导到纤维表面，纤维内外冷却固化的速度一致，并且提高纤维的韧性和强度，玄武岩纤维在拉伸过程中受力均匀，不易断裂，从而制备得到连续玄武岩纤维，本发明方法工艺简单、效果显著，适合大规模工业化生产，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种连续玄武岩纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及玄武岩纤维材料领域，具体涉及一种连续玄武岩纤维的制备方法。

背景技术

玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，是未来我国重点发展的四大高性能纤维之一，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过纺丝工艺制备而成的。玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能，而且，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。

玄武岩属于非晶材料，具有刚性大、内应力大、熔点高的特点，尤其是玄武岩导热性差，导致在玄武岩拉丝过程中纤维内外冷却固化速度不一致，而且玄武岩中还含有铁元素，在纤维表面容易结晶析出，从而使拉伸应力集中在纤维表面，造成纤维在拉伸过程中易断裂，难以一次性拉伸获得连续的超细玄武岩纤维。现有技术为了获得连续的超细玄武岩纤维，对玄武岩纤维进行二次加热拉伸，不仅浪费了大量能源，增加了生产成本，而且工艺复杂，条件控制困难，得到的连续玄武岩纤维质量不稳定，影响玄武岩纤维的应用和发展。

中国专利公开号CN102786220A公开了一种超细玄武岩连续纤维的生产方法，该方法是采用无机酸将玄武岩矿石中的铁除去，虽然有效降低了玄武岩中铁的含量，降低了铁在纤维表面结晶析出造成拉伸时断裂的概率，但玄武岩导热性差造成纤维内外冷却固化速度不一致的缺陷并没有改善，依然存在拉伸时易断裂的缺陷，而且无机酸在除去铁的同时，也会除去部分铝，从而造成玄武岩中铝含量降低，玄武岩纤维的韧性降低，脆性更大，不利于玄武岩纤维的应用。

中国专利公开号CN1884164B公开了一种用于制造玄武岩纤维的方法，该方法采用在玄武岩矿石中加入氧化铝、氧化钙、氧化镁等氧化物的方法，来增加玄武岩纤维的韧性，从而降低玄武岩纤维在拉伸过程中断裂的概率，该方法虽然增加了玄武岩纤维的韧性，但玄武岩导热性差造成纤维内外冷却固化速度不一致的缺陷同样没有改善，拉伸时易断裂的缺陷还是存在，而且，各种氧化物的加入增加了玄武岩纤维的韧性，却降低了玄武岩纤维的拉伸强度，不利于玄武岩纤维的应用。

综上所述，目前还没有一种能够有效改善玄武岩纤维在拉伸过程中易断裂的方法，从而得到连续玄武岩纤维材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的玄武岩纤维在拉伸过程中易断裂的缺陷，提供一种连续玄武岩纤维的制备方法。该方法显著的降低了玄武岩纤维在拉伸过程断裂的概率，并增加了玄武岩纤维的韧性和拉伸强度，能够通过一次拉伸得到连续的超细玄武岩纤维材料，有利于玄武岩纤维的应用和发展。

为了实现上述发明目的，本发明提出了一种连续玄武岩纤维的制备方法，该方法是在玄武岩中添加改性剂，以能快速的传导热量，从而使玄武岩纤维内部的热量容易传导到纤维表面，纤维内外冷却固化的速度一致，并且提高纤维的韧性和强度，玄武岩纤维在拉伸过程中受力均匀，不易断裂。

本发明一种连续玄武岩纤维的制备方法，其具体制备步骤如下：

1）将玄武岩矿石浸入水池中，进行冲洗，除去表面可能附着的杂质，然后取出晾干，将晾干的玄武岩矿石用粉碎机进行粉碎处理，细度为0.1-4.0mm，得到玄武岩矿石粉体；

2）将步骤1)得到玄武岩矿石粉体与改性剂进行球磨混合1-2h，混合均匀后出料，得到混合粉体；

3）将步骤2)得到混合粉体加入到窑炉内，升温至1300-1500℃，同时进行搅拌，使玄武岩粉体完全熔融，而改性剂均匀分散悬浮在玄武岩熔液中形成纺丝熔液；

4）将步骤3)得到的纺丝熔液用带孔的铂铑合金拉丝漏板进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；

5）将步骤4）得到的原丝进行退解并捻，形成完整的连续玄武岩纤维。

上述一种连续玄武岩纤维的制备方法中，其中步骤2）所述的改性剂是石墨烯或氧化石墨烯中的一种，石墨烯和氧化石墨烯具有优异的导热性，能快速的将纤维内部的热量传导到纤维表面，使纤维内外的冷却固化速度一致，并且能增加玄武岩纤维的韧性，从而显著降低了玄武岩纤维在拉伸过程中的断裂概率。

上述一种连续玄武岩纤维的制备方法中，其中步骤2）所述的改性剂的添加量为玄武岩矿粉体总质量的0.001-0.1%，改性剂导热性优异，添加量过多，纤维冷却固化速度太快，不利于纤维的拉伸，且成本较高；添加量过少，起不到导热效果，效果不显著。

优选的，所述的改性剂的添加量为玄武岩矿粉总质量的0.01-0.05%。

上述一种连续玄武岩纤维的制备方法中，其中步骤2）中将改性剂与玄武岩矿石粉体球磨混合均匀后一起加入窑炉内，由于改性剂为纳米级颗粒，所以需要通过球磨过程才能使改性剂均匀的分散开，并进一步细化玄武岩矿石，能加快玄武岩矿石粉体的熔融，节约能源。

上述一种连续玄武岩纤维的制备方法中，其中步骤3）中融化玄武岩矿石粉体时，窑炉内充满氮气，在氮气的气氛下进行加热熔融，能防止石墨烯在高温下与氧气反应生成二氧化碳。

上述一种连续玄武岩纤维的制备方法中，其中步骤4）中所述的铂铑合金拉丝漏板孔数为200孔、400孔或800孔中的一种，孔洞直径过小，玄武岩纤维丝过细，冷却固化速度快，不利于拉伸，且容易断裂；孔洞直径过大，玄武岩纤维丝过粗，纤维内外冷却固化速度差异太大，且由于需要拉伸量较大，也容易断裂。

上述一种连续玄武岩纤维的制备方法中，其中步骤4）中所述的铂铑合金拉丝漏板温度保持在1200-1300℃，保持最佳的拉丝温度，使玄武岩熔液的粘度适中，有利于玄武岩纤维的拉丝。

上述一种连续玄武岩纤维的制备方法中，其中步骤4）中所述的拉丝的速度为1500-3000m/min，拉丝速度过快，拉伸张力过大，会造成纤维断裂；拉丝速度过慢，得到的玄武岩纤维直径较大，不利于玄武岩纤维的应用。

本发明为了解决生产玄武岩纤维的拉丝过程中易断裂的缺陷，采用添加改性剂的方法，改善玄武岩纤维的导热性，将玄武岩纤维内部的热量通过改性剂传导出来，使纤维内外的冷却固化速度一致，从而使纤维表面的应力均匀分散开，显著降低了玄武岩纤维断裂的概率；并且，改性剂为纳米级材料，具有优异的增韧作用，增加了玄武岩纤维的韧性和抗拉强度，进一步降低了玄武岩纤维断裂的概率；因此，本发明通过添加改性剂改善了玄武岩纤维的导热性和增加了玄武岩纤维的韧性，显著降低了玄武岩纤维在拉伸过程中断裂的概率，从而通过快速拉丝能得到连续的超细玄武岩纤维，有利于玄武岩纤维的应用和发展。本发明方法工艺简单、效果显著，适合大规模工业化生产，具有广阔的市场应用前景。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明解决了玄武岩纤维在拉伸过程中易断裂的缺陷，通过拉丝直接能够得到连续的超细玄武岩纤维。

2、本发明提高了玄武岩纤维的韧性和抗拉强度，有利于玄武岩纤维的应用和发展。

3、本发明减少了玄武岩纤维加热熔融的时间，降低了能源消耗。

4、本发明方法工艺简单、效果显著，适合大规模工业化生产。

附图说明：

图1为本发明连续玄武岩纤维制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

1）将100kg的玄武岩矿石浸入水池中，进行冲洗，除去表面可能附着的杂质，然后取出晾干，将晾干的玄武岩矿石用粉碎机进行粉碎处理，细度为2mm，得到玄武岩矿石粉体；

2）将步骤1)得到玄武岩矿石粉体与0.001kg石墨烯进行球磨混合1h，混合均匀后出料，得到混合粉体；

3）将步骤2)得到混合粉体加入到窑炉内，并在窑炉中通入氮气，升温至1300℃，同时进行搅拌，使玄武岩粉体完全熔融，而改性剂均匀分散悬浮在玄武岩熔液中形成纺丝熔液；

4）将步骤3)得到的纺丝熔液用带200孔的温度为1200℃的铂铑合金拉丝漏板在1500m/min的速度下进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；

5）将步骤4）得到的原丝进行退解并捻，形成完整的连续玄武岩纤维。

经检测，上述制备方法得到连续玄武岩纤维性能如下：

实施例2

1）将100kg的玄武岩矿石浸入水池中，进行冲洗，除去表面可能附着的杂质，然后取出晾干，将晾干的玄武岩矿石用粉碎机进行粉碎处理，细度为1mm，得到玄武岩矿石粉体；

2）将步骤1)得到玄武岩矿石粉体与0.1kg氧化石墨烯进行球磨混合2h，混合均匀后出料，得到混合粉体；

3）将步骤2)得到混合粉体加入到窑炉内，升温至1500℃，同时进行搅拌，使玄武岩粉体完全熔融，而改性剂均匀分散悬浮在玄武岩熔液中形成纺丝熔液；

4）将步骤3)得到的纺丝熔液用带800孔的温度为1300℃的铂铑合金拉丝漏板在3000m/min的速度下进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；

5）将步骤4）得到的原丝进行退解并捻，形成完整的连续玄武岩纤维。

经检测，上述制备方法得到连续玄武岩纤维性能如下：

实施例3

1）将100kg的玄武岩矿石浸入水池中，进行冲洗，除去表面可能附着的杂质，然后取出晾干，将晾干的玄武岩矿石用粉碎机进行粉碎处理，细度为0.5mm，得到玄武岩矿石粉体；

2）将步骤1)得到玄武岩矿石粉体与0.01kg石墨烯进行球磨混合1h，混合均匀后出料，得到混合粉体；

3）将步骤2)得到混合粉体加入到窑炉内，并在窑炉中通入氮气，升温至1400℃，同时进行搅拌，使玄武岩粉体完全熔融，而改性剂均匀分散悬浮在玄武岩熔液中形成纺丝熔液；

4）将步骤3)得到的纺丝熔液用带400孔的温度为1250℃的铂铑合金拉丝漏板在2500m/min的速度下进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；

5）将步骤4）得到的原丝进行退解并捻，形成完整的连续玄武岩纤维。

经检测，上述制备方法得到连续玄武岩纤维性能如下：

性能	直径（μm）	拉伸强度（MPa）	断裂伸长率	导热系数（25℃）
					结果	6	4200	8.3%	0.67W/(m·K

对比例1

1）将100kg的玄武岩矿石浸入水池中，进行冲洗，除去表面可能附着的杂质，然后取出晾干，将晾干的玄武岩矿石用粉碎机进行粉碎处理，细度为2mm，得到玄武岩矿石粉体；

2）将步骤1)得到玄武岩矿石粉体进行球磨1h，然后后出料；

3）将步骤2)得到玄武岩矿石粉体加入到窑炉内，并在窑炉中通入氮气，升温至1300℃，同时进行搅拌，使玄武岩粉体完全熔融，形成纺丝熔液；

4）将步骤3)得到的纺丝熔液用带200孔的温度为1200℃的铂铑合金拉丝漏板在1500m/min的速度下进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；

5）将步骤4）得到的原丝进行退解并捻，形成玄武岩纤维。

采用上述方法，由于玄武岩导热性差，导致在玄武岩拉丝过程中纤维内外冷却固化速度不一致，应力集中在纤维表面，造成断裂，不能得到连续的玄武岩纤维，只能得到玄武岩短纤维。

经检测，上述制备方法得到玄武岩短纤维性能如下：

由以上对比例1可知，不添加改性剂对玄武岩熔液进行拉丝，得不到连续的玄武岩纤维，且得到的玄武岩短纤维的直径大，拉伸强度低，断裂伸长率低，导热性差。

由以上实施例和对比例1可知，在玄武岩矿石粉中加入石墨烯或氧化石墨烯能显著增加玄武岩纤维的拉伸强度、断裂伸长率和导热系数，使玄武岩纤维在拉丝过程中不易断裂，得到连续的玄武岩纤维。

Claims (10)

1.一种连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

1）将玄武岩矿石进行粉碎处理，得到玄武岩矿石粉体；

2）将步骤1)得到玄武岩矿石粉体与改性剂混合得到混合粉体；

3）将步骤2)得到混合粉体在氮气的气氛下进行加热，熔融，形成纺丝熔液；

4）将步骤3)得到的纺丝熔液进行拉丝，得到玄武岩纤维原丝；

5）将步骤4）得到的原丝进行退解并捻，形成完整的连续玄武岩纤维；

其中所述的改性剂为石墨烯或氧化石墨烯中的一种。

2.根据权利要求1所述的连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述的玄武岩矿石粉碎细度为0.1-4mm。

3.根据权利要求1所述的连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述的改性剂的添加量为玄武岩矿粉总质量的0.001-0.1%。

4.根据权利要求3所述的连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述的改性剂的添加量为玄武岩矿粉总质量的0.01-0.05%。

5.根据权利要求1所述的连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述的混合方法为球磨混合。

6.根据权利要求1所述的连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述的加热温度为1300-1500℃。

7.根据权利要求1所述的连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述的拉丝采用铂铑合金拉丝漏板进行拉丝。

8.根据权利要求7所述的连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述的铂铑合金拉丝漏板孔数为200孔、400孔或800孔中的一种。

9.根据权利要求7所述的连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述的铂铑合金拉丝漏板温度为在1200-1300℃。

10.根据权利要求1所述的连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所述的拉丝的速度为1500-3000m/min。