CN109336401A - 一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，它是以玄武岩、煤矸石、石英石和辉绿岩为主要原料，再加入添加剂，对各组分含量进行合理配比，然后通过球磨机球磨，使各组分均匀混合，再将混合物料在合适的高温下进行熔融反应，最后经铂铑合金漏板进行拉丝得到连续玄武岩纤维。本发明制得的玄武岩纤维的软化温度和拉伸强度较高，软化温度达920℃以上，拉伸强度达3500MPa以上。可作为防火、保温、绝缘等材料，拓展了玄武岩纤维的应用领域，有效实现了对工业固体废弃物煤矸石的高效利用。

Description

一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机纤维制备领域，具体涉及一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法。
背景技术
玄武岩纤维是由天然玄武岩矿石在1400-1500℃高温熔融后，通过铂铑合金漏板快速拉制而成，生产工艺不产生废气、废水、废渣，即使是产品废弃了也可直接转入生态环境中，在断裂强度、抗腐蚀性、化学稳定性、隔热阻燃、耐高低温等方面玄武岩长丝有着优异的性能，是一种名副其实的优质环境材料。玄武岩纤维具有广泛应用前景，在航天航空、汽车船舶、土建交通、能源环境、化工消防、国防军工等领域具有用途广泛，与碳纤维，芳纶纤维，玻璃纤维一起，被誉为国家重点发展的四大高性能材料之一。
玄武岩是一种地下岩浆从火山喷出或从地表裂缝中溢出凝结形成的火成岩，分布于地球的每一个区域，因而原则上玄武岩纤维的生产不会受到地域或原料的限制，但是真正适合拉丝的天然玄武岩矿石并不丰富。玄武岩石料的成分十分复杂，不同地域的玄武岩石料的成分是不同的。以天然玄武岩制备玄武岩纤维和几种常用纤维的部分物理性能见表1。
表1几种常用纤维的部分性能对比表
从表1中数据可以看出，玄武岩长丝的拉伸强度比其它纤维都低；玄武岩长丝的断裂伸长率比碳纤维大，与S玻璃纤维相当；玄武岩长丝的杨氏模量高于玻璃纤维，但比碳纤维等普通高性能纤维低；相比其他纤维长丝，玄武岩长丝的工作温度范围是最大的，最低应用温度为-260℃，最高工作温度在700℃以上，由此说明玄武岩长丝的耐热性能十分优异。然而，由于玄武岩纤维的拉伸强度较低，限制了玄武岩纤维在应用领域的进一步推广。因此，如何进一步提高玄武岩纤维的物理性能成为了当前的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，制备工艺简单、稳定性高的高强度玄武岩纤维。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，其特征在于，由以下原料按重量百分比组成：
玄武岩：35～50％
煤矸石：30～40％
石英石：5～15％
辉绿岩：10～20％
添加剂：3.1～5.0％
所述的玄武岩含有以下重量百分比的成分：SiO2 45～52％，TiO2 4.0～5.5％，Al2O3 11～15％，Fe2O3 3.1～9.3％，FeO 5～8％，MnO 0.10～0.35％，MgO 4.3～6.0％，CaO5.8～8.3％，Na2O2.0～2.6％，K2O 0.7～1.5％。
所述的煤矸石含有以下重量百分比的成分：SiO2 52～67％，Fe2O3 1.3～6.8％，Al2O3 19～35％，MgO 0.5～2.3％，TiO2 0～1.4％，CaO 0.4～2.5％，K2O 0.5～1.4％，Na2O0.8～2.9％，
BaO 0.2～1.4％。
所述的辉绿岩含有以下重量百分比的成分：SiO2 48～55％，Fe2O3 8.5～11.7％，Al2O3 13～18％，MgO 3.9～6.8％，TiO2 2.8～4.2％，CaO 5.7～8.3％，K2O 0.8～1.2％，Na2O 1.1～1.9％。
所述的石英石中二氧化硅重量百分比含量大于90％。
所述的添加剂含有以下重量百分比的成分：Y2O3 2.3～5.6，Sm2O3 2.7～5.9，WO34.5～8.3，ZrO2 11.6～16.1，CeO2 11.7～17.4，Li2O 2.9～5.8，Dy2O3 2.5～4.3，B2O3 6.7～9.4，ZnO 8.8～11.4，Rb2O 3.6～5.1，In2O3 10.3～13.7，SnO2 9.4～13.7，NiO 4.9～7.6，Nd2O3 3.2～6.8。
所述的一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)预处理：将玄武岩、煤矸石、石英石、辉绿岩和添加剂进行混合并用球磨机进行球磨，并使球磨料完全通过120目筛子，得到混合物料；
(2)均匀熔融：将步骤(1)得到的混合物料倒入熔炉里进行熔化，使混合物料形成均匀的熔体；其中，熔化温度为1550～1700℃，熔化时间为3～5h；
(3)纤维制备：当步骤(2)的熔化时间达到预定时间后，将熔化温度降至1350～1550℃，再采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，拉丝速度为3.0～3.5m/min，即得连续玄武岩纤维。
本发明的有益效果：(1)本发明玄武岩纤维，是以玄武岩、煤矸石、石英石和辉绿岩为主要原料，再加入添加剂，对各成分含量进行合理配比优化，达到了各成分协同作用的目的，有效实现了对工业固体废弃物煤矸石的高效利用。(2)本发明玄武岩纤维的软化温度较高，达920℃以上，可作为防火、保温、绝缘等材料，拓展了玄武岩纤维的应用领域。(3)本发明玄武岩纤维的拉伸强度较高，达3500MPa以上。
具体实施方式
以下结合具体实施例来对本发明做进一步说明，下述实施例仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
玄武岩取自贵州省大方县，其含有以下重量百分比的成分：SiO2 45～51％，TiO24.2～5.3％，Al2O3 11～15％，Fe2O3 3.1～9.3％，FeO 5～8％，MnO 0.10～0.35％，MgO 4.3～6.0％，CaO 5.8～8.3％，Na2O 2.0～2.6％，K2O 0.7～1.5％。
煤矸石取自贵州省六盘水市，其含有以下重量百分比的成分：SiO2 55～67％，Fe2O3 1.6～3.8％，Al2O3 25～33％，MgO 0.8～2.2％，TiO2 0.8～1.2％，CaO0.7～2.1％，K2O和Na2O1.5～3.0％。
辉绿岩取自贵州省罗甸县，其含有以下重量百分比的成分：SiO2 48～55％，Fe2O38.5～11.7％，Al2O3 13～18％，MgO 3.9～6.8％，TiO2 2.8～4.2％，CaO 5.7～8.3％，K2O0.8～1.2％，Na2O 1.1～1.9％。
实施例1：一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法
1、原料组成见表2
表2原料组成
表中，添加剂含有以下重量百分比的成分：Y2O3 3.8，Sm2O3 4.1，WO3 5.9，ZrO213.8，CeO213.4，Li2O 4.1，Dy2O3 2.6，B2O3 7.7，ZnO 9.8，Rb2O 3.6，In2O3 11.3，SnO2 10.5，NiO 4.9，Nd2O3 4.5。
2、连续玄武岩纤维的制备
(1)预处理：将玄武岩、煤矸石、石英石、辉绿岩和添加剂进行混合并用球磨机进行球磨，并使球磨料完全通过120目筛子，得到混合物料；
(2)均匀熔融：将步骤(1)得到的混合物料倒入熔炉里进行熔化，使混合物料形成均匀的熔体；其中，熔化温度为1700℃，熔化时间为3h；
(3)纤维制备：当步骤(2)的熔化时间达到预定要求后，将熔化温度降至1350℃，再采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，拉丝速度为3.0m/min，即得连续玄武岩纤维。
实施例2
1、原料组成见表3
表3原料组成
成分 重量/kg
玄武岩 35
煤矸石 40
石英石 10
辉绿岩 15
添加剂 3.8
表中，添加剂含有以下重量百分比的成分：Y2O3 2.9，Sm2O3 2.8，WO3 4.6，ZrO211.8，CeO217.6，Li2O 3.4，Dy2O3 2.8，B2O3 7.3，ZnO 10.8，Rb2O 3.9，In2O3 12.2，SnO2 9.8，NiO 6.3，Nd2O3 3.9。
2、连续玄武岩纤维的制备
(1)预处理：将玄武岩、煤矸石、石英石、辉绿岩和添加剂进行混合并用球磨机进行球磨，并使球磨料完全通过120目筛子，得到混合物料；
(2)均匀熔融：将步骤(1)得到的混合物料倒入熔炉里进行熔化，使混合物料形成均匀的熔体；其中，熔化温度为1650℃，熔化时间为4h；
(3)制备纤维：当步骤(2)的熔化时间达到预定要求后，将熔化温度降至1450℃，再采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，拉丝速度为3.5m/min，即得连续玄武岩纤维。
实施例3
1、原料组成见表4
表4原料组成
成分 重量/kg
玄武岩 38
煤矸石 35
石英石 5
辉绿岩 18
添加剂 4.3
表中，添加剂含有以下重量百分比的成分：Y2O3 5.6，Sm2O3 2.9，WO3 4.5，ZrO212.6，CeO2 15.8，Li2O 3.7，Dy2O3 3.7，B2O3 7.3，ZnO 8.8，Rb2O 3.6，In2O3 10.7，SnO210.5，NiO 5.2，Nd2O3 5.1。
2、连续玄武岩纤维的制备
(1)预处理：将玄武岩、煤矸石、石英石、辉绿岩和添加剂进行混合并用球磨机进行球磨，并使球磨料完全通过120目筛子，得到混合物料；
(2)均匀熔融：将步骤(1)得到的混合物料倒入熔炉里进行熔化，使混合物料形成均匀的熔体；其中，熔化温度为1600℃，熔化时间为3.5h；
(3)制备纤维：当步骤(2)的熔化时间达到预定要求后，将熔化温度降至1550℃，再采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，拉丝速度为3.3m/min，即得连续玄武岩纤维。
将上述实施例1-3和所制备得到的连续玄武岩纤维进行性能测试实验，测试实验结果如表5所示。
表5连续玄武岩纤维性能
编号 软化温度/℃ 拉伸强度/Mpa
实施例1 938 3601
实施例2 956 3596
实施例3 949 3618
对上述实验数据分析可知，实施例1～3制备得到的连续玄武岩纤维单丝拉伸强度较高，均达3500MPa以上，其软化温度达930℃以上。

Claims (7)

1.一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，其特征在于，由以下原料按重量百分比组成：
玄武岩：35～50％
煤矸石：30～40％
石英石：5～15％
辉绿岩：10～20％
添加剂：3.1～5.0％。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，其特征在于，所述的玄武岩含有以下重量百分比的成分：SiO2 45～52％，TiO2 4.0～5.5％，Al2O3 11～15％，Fe2O3 3.1～9.3％，FeO 5～8％，MnO 0.10～0.35％，MgO 4.3～6.0％，CaO 5.8～8.3％，Na2O 2.0～2.6％，K2O 0.7～1.5％。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，其特征在于，所述的煤矸石含有以下重量百分比的成分：SiO2 52～67％，Fe2O3 1.3～6.8％，Al2O3 19～35％，MgO 0.5～2.3％，TiO2 0～1.4％，CaO 0.4～2.5％，K2O 0.5～1.4％，Na2O 0.8～2.9％，BaO 0.2～1.4％。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，其特征在于，所述的辉绿岩含有以下重量百分比的成分：SiO2 48～55％，Fe2O3 8.5～11.7％，Al2O3 13～18％，MgO 3.9～6.8％，TiO2 2.8～4.2％，CaO 5.7～8.3％，K2O 0.8～1.2％，Na2O 1.1～1.9％。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，其特征在于，所述的石英石中二氧化硅重量百分比含量大于90％。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，其特征在于，所述的添加剂含有以下重量百分比的成分：Y2O3 2.3～5.6，Sm2O3 2.7～5.9，WO3 4.5～8.3，ZrO2 11.6～16.1，CeO2 11.7～17.4，Li2O 2.9～5.8，Dy2O3 2.5～4.3，B2O3 6.7～9.4，ZnO8.8～11.4，Rb2O 3.6～5.1，In2O3 10.3～13.7，SnO2 9.4～13.7，NiO 4.9～7.6，Nd2O3 3.2～6.8。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种耐高温高强度玄武岩纤维及其制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)预处理：将玄武岩、煤矸石、石英石、辉绿岩和添加剂进行混合并用球磨机进行球磨，并使球磨料完全通过120目筛子，得到混合物料；
(2)均匀熔融：将步骤(1)得到的混合物料倒入熔炉里进行熔化，使混合物料形成均匀的熔体；其中，熔化温度为1550～1700℃，熔化时间为3～5h；
(3)制备纤维：当步骤(2)的熔化时间达到预定时间后，将熔化温度降至1350～1550℃，再采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，拉丝速度为3.0～3.5m/min，即得连续玄武岩纤维。
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