CN111333339B - 玄武岩纤维制备方法以及玄武岩纤维 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以将玄武岩岩石拉制得到连续的玄武岩纤维的玄武岩纤维制备方法以及玄武岩纤维。本发明提供的玄武岩纤维制备方法，包括：对玄武岩岩石进行成分分析，判断所述玄武岩岩石中的SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MnO、MgO、CaO、Na₂O、K₂O、P₂O₅和烧失量的质量百分数的加和是否大于99％；当判定质量百分数的加和大于99％时，根据成分的所述质量百分数分别计算所述玄武岩岩石的解聚参数以及在预定温度下所述玄武岩岩石熔融得到的熔体的粘度；当0.10≤解聚参数≤0.45，0.30Pa·s≤粘度≤1.70Pa·s时，在1400℃～1500℃对所述玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续的玄武岩纤维。

Description

玄武岩纤维制备方法以及玄武岩纤维

技术领域

本发明涉及一种玄武岩纤维材料领域，具体涉及一种玄武岩纤维制备方法以及玄武岩纤维。

背景技术

玄武岩纤维是以玄武岩(或辉绿岩)岩石为主要原料，通过熔融-拉丝工艺制成的连续纤维，在力学、介电、耐热等方具有优异性能，且生产过程不产生废物，被誉为21世纪绿色矿物材料。通常，只有特定成分的岩石可通过拉丝工艺制成连续纤维，且不同成分的原料会影响所制备纤维的性能。因此，玄武岩的原料成分对于玄武岩纤维生产至关重要。目前采用玄武岩制备玄武岩纤维的方法，需要对其中某些氧化物组成或矿物组成限定范围，或者是对氧化物之间的比例进行限定，这样虽然能从矿石化学组成上进一步优选所需原料，但并未深度考虑各矿物在高温下转变为均一的硅酸盐熔体后，各阳离子组分在硅氧四面体基本结构单元内部及其之间的内在结构特征，因此得到的玄武岩纤维无法符合特定要求。

发明内容

因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种可以将玄武岩材料拉制得到连续的玄武岩纤维的玄武岩纤维制备方法以及玄武岩纤维。

为了实现上述目的，本发明提供了一种玄武岩纤维制备方法，包括：对玄武岩岩石进行成分分析，判断所述玄武岩岩石中的SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MnO、MgO、CaO、Na₂O、K₂O、P₂O₅和烧失量的质量百分数的加和是否大于99％；当判定质量百分数的加和大于99％时，根据成分的所述质量百分数分别计算所述玄武岩岩石的解聚参数以及在预定温度下所述玄武岩岩石熔融得到的熔体的粘度；当0.10≤解聚参数≤0.45，0.30≤粘度≤1.70时，在1400℃～1500℃对所述玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续的玄武岩纤维。

在一个实施例中，当0.15≤解聚参数≤0.40，0.35≤粘度≤1.50时，在 1400℃～1500℃对所述玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续纤维。

在一个实施例中，当0.25≤解聚参数≤0.36，0.50≤粘度≤1.20时，在 1400℃～1500℃对所述玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续纤维。

在一个实施例中，所述解聚参数的计算方式为

其中， NBO指熔体中非桥氧所占比例，M_i ⁿ⁺代表变网阳离子Fe²⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、 Na⁺、K⁺的摩尔百分比，T代表四面体中心阳离子Si⁴⁺、Ti⁴⁺、Al³⁺、Fe³⁺、P⁵⁺的摩尔百分比，n为相应阳离子化合价数值。

在一个实施例中，所述熔体的粘度logη计算公式为

其中，A为常数，取值为A＝-4.55，B、C是与熔体化学成分相关的参数，

算式中M、N指各氧化物摩尔百分比，b、c为与各氧化物一一对应的拟合数值。

本发明还提供了一种玄武岩纤维，包括：所述玄武岩纤维采用上述的玄武岩纤维制备方法制备得到的，所述玄武岩纤维的断裂强度范围为 600～2600Mpa。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过计算玄武岩岩石在特定温度下熔融所得熔体的结构参数和粘度，再对玄武岩岩石进行判断其可否用于生产连续纤维所述的玄武岩纤维制备方法能够增加玄武岩选料，为连续玄武岩纤维的生产提供有效依据和判据，从而为生产高强度连续玄武岩纤维指明方向，减少因盲目实验引起的资源、能源浪费。

附图说明

图1是本发明的实施例中玄武岩纤维制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，本发明的实施例中玄武岩纤维制备方法的流程示意图包括以下步骤：

步骤102，对玄武岩岩石进行成分分析，判断玄武岩岩石中的SiO₂、TiO₂、 Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MnO、MgO、CaO、Na₂O、K₂O、P₂O₅和烧失量的质量百分数的加和是否大于99％。烧失量(Loss on ignition，缩写为LOI)，是指经过105～110℃温度范围内烘干失去外在水分的原料，在一定的高温条件下灼烧足够长的时间后失去的质量占原始样品质量的百分比。对玄武岩岩石进行成分分析的方法可以采用化学分析法，也可以采用其他可以对玄武岩岩石进行定量分析的方法。例如采用重量分析法，将待测成分转变为相应的沉淀物，通过沉淀物的质量确定待测物的含量。

在本实施例中，并未对其中某些氧化物组成或矿物组成限定范围，也没有对氧化物之间的比例进行限定，因而扩大了可以挑选的玄武岩岩石范围，提高了玄武岩岩石的利用率。

步骤104，当判定质量百分数的加和大于99％时，根据成分的质量百分数分别计算玄武岩岩石的解聚参数以及在预定温度下玄武岩岩石熔融得到的熔体的粘度。

在一个实施例中，解聚参数的具体含义是指硅酸盐熔体中非桥氧与四面体配位中心阳离子的比例，可以以NBO/T表示。解聚参数的计算方式可以为

其中，NBO指熔体中非桥氧所占比例，M_i ⁿ⁺代表变网阳离子Fe²⁺、Mn²⁺、 Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺、K⁺的摩尔百分比，T代表四面体中心阳离子Si⁴⁺、Ti⁴⁺、Al³⁺、 Fe³⁺、P⁵⁺的摩尔百分比，n为相应阳离子化合价数值。

熔体的粘度是指熔融温度下玄武岩岩石熔融后得到的硅酸盐熔体的粘度，以logη表示。logη计算公式为

其中，A为常数，取值为A＝-4.55，B、C是与熔体化学成分相关的参数，

算式中M、N指各氧化物摩尔百分比，b、c为与各氧化物一一对应的拟合数值。在本实施例中，b、c为拟合数值，相关的各参数与原料成分对应关系见表1，其中V＝H₂O；TA＝TiO₂+Al₂O₃；FM＝FeO(T)+MnO+MgO；NK＝ Na₂O+K₂O；FeO(T)＝Fe₂O₃+FeO。

表1 b、c与各氧化物对应的拟合数值

步骤106，当0.10≤解聚参数≤0.45，0.30Pa·s(帕斯卡·秒)≤粘度≤ 1.70Pa·s时，在1400℃～1500℃对玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续的玄武岩纤维。

上述玄武岩纤维制备方法以及玄武岩纤维，通过计算玄武岩岩石在特定温度下熔融所得熔体的结构参数和粘度，再对玄武岩岩石进行判断其可否用于生产连续纤维的玄武岩纤维制备方法能够增加玄武岩选料，为连续玄武岩纤维的生产提供有效依据和判据，从而为生产高强度连续玄武岩纤维指明方向，减少因盲目实验引起的资源、能源浪费。并且从原料成分-熔体结构性能的内在关系出发，对玄武岩岩石制备玄武岩纤维的可拉丝性能进行判断；并将玄武岩岩石中常见的12项化学成分归纳为两个反映熔体基本性能的判定参数，便于操作，且每一种组分的含量均参与计算，充分考虑了复杂成分的相互影响的，保证了制备得到的玄武岩纤维的拉丝强度。

在一个实施例中，当0.10≤解聚参数≤0.45，0.30Pa·s≤粘度≤1.70Pa·s 时，单丝玄武岩纤维的断裂强度范围为600～2600MPa。

在另一个实施例中，当0.15≤解聚参数≤0.40，0.35Pa·s≤粘度≤1.50Pa·s时，在1400℃～1500℃对玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续纤维。单丝玄武岩纤维的断裂强度范围为1200～2600MPa。

在一个实施例中，当0.25≤解聚参数≤0.36，0.50Pa·s≤粘度≤1.20Pa·s 时，在1400℃～1500℃对玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续纤维。单丝玄武岩纤维的断裂强度范围为1800～2600MPa。

实施例二

玄武岩岩石化学成分见表2，总量加和为99.61％，满足步骤102；设定计算取值温度为1450℃，该温度下，计算得解聚参数为0.28，粘度参数为0.77Pa·s，两参数同时满足可拉丝的最优化条件范围，满足步骤106，预测可拉制成连续纤维。

将该原料于1450℃下熔融后，成功经单孔拉丝炉制备出连续纤维，且性能良好，单丝强度为2530Mpa，与预测结果相符。

表2实施例2所用原料的化学成分(w_B％)

实施例3

玄武岩岩石化学成分见表3，总量加和为99.59％，满足步骤102；设定计算取值温度为1500℃，该温度下，计算得解聚参数为0.29，粘度参数为0.55Pa·s，两参数同时满足可拉丝的最优化条件范围，满足步骤106，预测可拉制成连续纤维。

将该原料于1500℃下熔融后，成功经单孔拉丝炉制备出连续纤维，单丝强度为2400Mpa，性能良好，与预测结果相符。

表3实施例3所用原料的化学成分(w_B％)

实施例4

玄武岩岩石化学成分见表4，总量加和为99.35％，满足步骤102；设定计算取值温度为1450℃，该温度下，计算得解聚参数为0.22，粘度参数为1.41Pa·s，两参数同时满足可拉丝较优化的条件的范围，满足步骤106，预测可拉制成性能较好的连续纤维。

将该原料于1450℃下熔融后，成功经单孔拉丝炉制备出连续纤维，单丝强度为1820MPa，与预测结果相符。

表4实施例4所用原料的化学成分(w_B％)

实施例5

玄武岩岩石化学成分见表5，总量加和为99.53％，满足步骤102；设定计算取值温度为1400℃，该温度下，计算得解聚参数为0.22，粘度参数为1.25Pa·s，两参数同时满足可拉丝较优化的条件范围，满足步骤106，预测可拉制成连续纤维。

将该原料于1400℃下熔融后，成功经单孔拉丝炉制备出连续纤维，单丝强度为1500MPa，与预测结果相符。

表5实施例5所用原料的化学成分(w_B％)

实施例6

玄武岩岩石化学成分见表6，总量加和为99.88％，满足步骤102；设定计算取值温度为1500℃，该温度下，计算得解聚参数为0.20，粘度参数为0.22Pa·s，两参数未能同时满足可拉丝条件范围，不满足步骤106，预测不可拉制成连续纤维。

将该原料于1500℃下熔融后，经单孔拉丝炉制反复调试观察，均不能制备出连续纤维，与预测结果相符。

表6实施例6所用原料的化学成分(w_B％)

实施例7

玄武岩岩石化学成分见表7，总量加和为99.48％，满足步骤102；设定计算取值温度为1500℃，该温度下，计算得解聚参数为0.21，粘度参数为0.24Pa·s，两参数未能同时满足可拉丝条件范围，不满足步骤106，预测不可拉制成连续纤维。

将该原料于1500℃下熔融后，经单孔拉丝炉制反复调试观察，均不能制备出连续纤维，与预测结果相符。

表7实施例7所用原料的化学成分(w_B％)

实施例8

玄武岩岩石化学成分见表8，总量加和为99.61％，满足步骤102；设定计算取值温度为1400℃，该温度下，计算得解聚参数为0.13，粘度参数为1.65Pa·s，两参数同时满足可拉丝基本条件范围，满足步骤106，预测可拉制成连续纤维，但性能一般。

将该原料于1400℃下熔融后，经单孔拉丝炉成功拉制成连续纤维，单丝强度700MPa，与预测结果相符。

表8实施例8所用原料的化学成分(w_B％)

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种玄武岩纤维制备方法，其特征在于，包括：

对玄武岩岩石进行成分分析，判断所述玄武岩岩石中的SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MnO、MgO、CaO、Na₂O、K₂O、P₂O₅和烧失量的质量百分数的加和是否大于99％；

当判定质量百分数的加和大于99％时，根据成分的所述质量百分数分别计算所述玄武岩岩石的解聚参数以及在预定温度下所述玄武岩岩石熔融得到的熔体的粘度；

当0.10≤解聚参数≤0.45，0.30Pa·s≤粘度≤1.70Pa·s时，在1400℃～1500℃对所述玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续的玄武岩纤维，

所述解聚参数的计算方式为

其中，NBO指熔体中非桥氧所占比例，M_i ⁿ⁺代表变网阳离子Fe²⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺、K⁺的摩尔百分比，T代表四面体中心阳离子Si⁴⁺、Ti⁴⁺、Al³⁺、Fe³⁺、P⁵⁺的摩尔百分比，n为相应阳离子化合价数值，

所述熔体的粘度logη计算公式为

其中，A为常数，取值为A＝-4.55，B、C是与熔体化学成分相关的参数，

算式中M、N指各氧化物摩尔百分比，b、c为与各氧化物一一对应的拟合数值，具体如下：

其中V＝H₂O；TA＝TiO₂+Al₂O₃；FM＝FeO(T)+MnO+MgO；NK＝Na₂O+K₂O；FeO(T)＝Fe₂O₃+FeO。

2.根据权利要求1所述的玄武岩纤维制备方法，其特征在于，当0.15≤解聚参数≤0.40，0.35Pa·s≤粘度≤1.50Pa·s时，在1400℃～1500℃对所述玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续纤维。

3.根据权利要求1所述的玄武岩纤维制备方法，其特征在于，当0.25≤解聚参数≤0.36，0.50Pa·s≤粘度≤1.20Pa·s时，在1400℃～1500℃对所述玄武岩岩石进行熔融，并将熔融后的熔体通过漏板拉丝，制得连续纤维。

4.一种玄武岩纤维，其特征在于，包括：所述玄武岩纤维采用权利要求1～3中任意一项所述的玄武岩纤维制备方法制备得到的，所述玄武岩纤维的断裂强度范围为600～2600MPa。

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