CN115959834A - 一种高强度耐碱性玄武岩纤维及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度耐碱性玄武岩纤维及制备方法，解决了现有技术中玄武岩纤维力学性能、耐碱性较差，成产能耗高、成本高的技术问题。它包括SiO2：51.0%～55.0%；Al2O3：11.0～14.0%；Fe2O3：8.0%～11.0%；CaO：8.0～10.0%；MgO：3.0%～5.0%；K2O：1.2～2.0%；Na2O：2.0～4.0%；TiO2：1.2～3.3%；ZrO2：1.6～4.0%，La2O3：0.6～1.5%；CeO2：0.2%～0.6%；MnO：0.2%～0.6%；As2O5和Sb2O5：0.1～0.3%。本发明制备的玄武岩纤维适用于混凝土人工鱼礁，在海水中优良的耐碱性，可解决钢筋在海水中易腐蚀不耐久的问题。
Description
技术领域
本发明涉及建材领域，具体涉及一种高强度耐碱性玄武岩纤维及制备方法。
背景技术
玄武岩矿石成本低且生产过程中无污染，被列为我国新材料技术发展战略规划中，具有重大的研究意义。然而，玄武岩纤维由于矿石来源不一，矿物成分不稳定，因此生产的连续玄武岩纤维性能差异较大。针对这一问题，本技术顺应国家大力发展新材料的政策导向和华润水泥发展战略要求，依托玄武岩纤维耐碱性及其影响因素的研发项目，采用配料法通过将玄武岩及各类添加物熔融拉丝，制备出耐碱侵蚀的高强度玄武岩纤维。
我国海洋资源极为丰富，但是海洋资源利用率较低，为了提升海洋资源的利用率，充分利用自然的海洋生态环境，养殖人工放流的海珍品并修复海洋资源，加快海洋牧场的建设具有重大意义。人工鱼礁是海洋牧场建设的主体，适合鱼类的繁殖生长活动，但目前传统的人工鱼礁都是钢筋混凝土结构，钢筋长期在海水中浸泡会严重影响到人工鱼礁的使用寿命，所以开发一种可取代钢筋在海洋环境应用的材料至关重要。除了海水的碱性环境会使得传统的钢筋易腐蚀，海洋环境同样是极其恶劣的，海风海浪的最高冲击强度可达到500Mpa。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：
①玄武岩纤维耐碱性提升问题亟待解决，将氧化锆添加至玄武岩纤维熔融纺丝过程中，会导致纤维表面上形成单斜和四方ZrO2的结晶，不利于纤维的生产制备。因此，二氧化锆来源可改变，并寻求新型的耐碱性成分。
②玄武岩纤维力学性能仍有较大提升空间，对配方中与力学性能有关的Si、Al、Mg、Li成分进行具体的调整，并引入新物质以提高纤维的力学性能。
③玄武岩纤维生产能耗成本问题亟待解决，在现有技术的基础上可寻求新型高效的物质来代替Li2O作为助熔剂。
④玄武岩纤维高温澄清剂效率有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度耐碱性玄武岩纤维及制备方法，以解决现有技术中玄武岩纤维力学性能、耐碱性较差，成产能耗高、成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种高强度耐碱性玄武岩纤维，其制备包括下述重量百分比的组分：
SiO2：51.0％～55.0％；Al2O3：11.0～14.0％；Fe2O3：8.0％～11.0％；CaO：8.0～10.0％；MgO：3.0％～5.0％；K2O：1.2～2.0％；Na2O：2.0～4.0％；TiO2：1.2～3.3％；ZrO2：1.6～4.0％，La2O3：0.6～1.5％；CeO2：0.2％～0.6％；MnO：0.2％～0.6％；As2O5和Sb2O5：0.1～0.3％。
进一步的，其制备包括下述重量百分比的组分：
SiO2：53％；Al2O3：12.5％；Fe2O3：8.8％；CaO：8.5％；MgO：4.2％；K2O：2.2％；Na2O：3％；TiO2：1.8％；ZrO2：2.8％，La2O3：1.2％；CeO2：0.5％；MnO：0.3％；As2O5和Sb2O5：0.2％。
进一步的，所述ZrO2来源于锆石。
本发明提供的一种高强度耐碱性玄武岩纤维的制备方法，其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成粉料；
S3：向磨细的混合物中添加剂，添加剂为锆英石、工业级二氧化铈、工业级氧化镧、工业级氧化砷、工业级氧化锑中的一种或多种；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1450～1480℃的水中淬火，在1300～1350℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
进一步的，所述步骤S2中，研磨后粉料的大小为200～300目。
进一步的，所述步骤S4中，铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1000～1500℃的范围内以40℃/h的速率加热。
进一步的，所述步骤S5中，淬火温度为1460℃，在1320℃高温熔融拉丝。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
(1)本发明提供的一种高强度耐碱性玄武岩纤维及制备方法，从耐碱性的角度出发，调节Zr、Ti、La元素的含量，极大程度上提升了纤维的耐碱性，具体实验中玄武岩纤维单丝拉伸强度高达4772Mpa，较之前提升约15％；具体实验中纤维在海水中常温侵蚀180天，拉伸强度保留率仍然高达52.0％，且纤维主体结构仍然保持较完整。从力学性能出发，调节Si、Al、Mg、La元素的含量，具体实验中纤维在海水中常温侵蚀180天，其拉伸强度仍然高达2480Mpa。从生产成本角度出发，配方工艺中90％的原料组成都是取自玄武岩，玄武岩矿藏储备大，开采成本低，有利于大幅度节约生产成本。从生产能耗出发，调节La元素含量，当添加氧化镧时，纤维生产温度降低40-50℃，拉丝温度平均约降为1280℃，生产温度范围约增加20℃。这将显著提高耐碱玄武岩连续纤维生产技术的生产率，且氧化镧的加入使玄武岩连续纤维的抗拉强度提高了15-20％。
(2)本发明提供的一种高强度耐碱性玄武岩纤维及制备方法，采取矿物混合料，矿物混合料由多种矿石进行调配，使整体组分波动范围降到最低，实现提高拉丝性能，并控制矿物混合料组分含量及相互比例关系，提高强度，提高稳定性，降低熔化温度，节约能源，改变玻璃料性，实现提高拉丝性能。
(3)本发明提供的一种高强度耐碱性玄武岩纤维及制备方法，制备的玄武岩纤维适用于混凝土人工鱼礁，在海水中优良的耐碱性，可解决钢筋在海水中易腐蚀不耐久的问题。且制备的玄武岩纤维抗拉性能优异，可抵御海洋复杂环境的冲击。因此，将其连续玄武岩纤维制作成复合筋代替钢筋用于混凝土人工鱼礁，在海上工程有着非常广阔的发展前景。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
一种高强度耐碱性玄武岩纤维生产制备原料，所述Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti、Mn元素由玄武岩矿石提供，所述Zr元素由锆英石提供，所述La元素由工业级二氧化镧提供，所述Ce元素由工业级二氧化铈提供，所述As元素由工业级氧化砷提供，所述Sb元素由工业级氧化锑提供。
玄武岩取自河北省张家口市张北县；锆英石取自海南省文昌市；工业级氧化镧、二氧化铈购自中航新材料(山东)有限公司；工业级氧化砷、氧化锑购自济南子安化工有限公司。
一、制备实施例
实施例1：
一种高强度耐碱性玄武岩纤维，按重量百分比包括下述原料：
SiO2：53.5％；Al2O3：13.5％；Fe2O3：8.8％；CaO：8.5％；MgO：4.2％；K2O：1.2％；Na2O：2.5％；TiO2：2.8％；ZrO2：2.8％，La2O3：1.2％；CeO2：0.5％；MnO：0.3％；As2O5和Sb2O5：0.2％。
其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成250目的粉料；
S3：向磨细的混合物中添加锆英石、工业级二氧化铈、工业级氧化镧、工业级氧化砷、工业级氧化锑；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1000℃的范围内以40℃/h的速率加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1460℃的水中淬火，在1320℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
实施例2：
一种高强度耐碱性玄武岩纤维，按重量百分比包括下述原料：
SiO2：53.5％；Al2O3：13.0％；Fe2O3：8.5％；CaO：8.3％；MgO：4.6％；K2O：1.6％；Na2O：3.5％；TiO2：2.3％；ZrO2：2.6％，La2O3：1.0％；CeO2：0.6％；MnO：0.3％；As2O5和Sb2O5：0.2％。
其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成250目的粉料；
S3：向磨细的混合物中添加锆英石、工业级二氧化铈、工业级氧化镧、工业级氧化砷、工业级氧化锑；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1000℃的范围内以40℃/h的速率加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1460℃的水中淬火，在1320℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
实施例3：
一种高强度耐碱性玄武岩纤维，按重量百分比包括下述原料：
SiO2：54.0％；Al2O3：14.0％；Fe2O3：9.5％；CaO：9.6％；MgO：3.0％；K2O：1.8％；Na2O：3.0％；TiO2：1.5％；ZrO2：2.0％，La2O3：0.6％；CeO2：0.3％；MnO：0.6％；As2O5和Sb2O5：0.1％。
其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成250目的粉料；
S3：向磨细的混合物中添加锆英石、工业级二氧化铈、工业级氧化镧、工业级氧化砷、工业级氧化锑；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1200℃的范围内以40℃/h的速率加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1460℃的水中淬火，在1320℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
实施例4：
一种高强度耐碱性玄武岩纤维，按重量百分比包括下述原料：
SiO2：54.5％；Al2O3：12.0％；Fe2O3：11.0％；CaO：9.0％；MgO：4.0％；K2O：2.1％；Na2O：3.0％；TiO2：1.2％；ZrO2：1.6％，La2O3：0.8％；CeO2：0.2％；MnO：0.5％；As2O5和Sb2O5：0.1％。
其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成250目的粉料；
S3：向磨细的混合物中添加锆英石、工业级二氧化铈、工业级氧化镧、工业级氧化砷、工业级氧化锑；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1500℃的范围内以40℃/h的速率加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1460℃的水中淬火，在1320℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
实施例5：
一种高强度耐碱性玄武岩纤维，按重量百分比包括下述原料：
SiO2：51.0％；Al2O3：11.0％；Fe2O3：8.5％；CaO：11.0％；MgO：3.0％；K2O：2.0％；Na2O：4.0％；TiO2：3.0％；ZrO2：4.0％，La2O3：1.3％；CeO2：0.5％；MnO：0.2％；As2O5和Sb2O5：0.2％。
其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成250目的粉料；
S3：向磨细的混合物中添加锆英石、工业级二氧化铈、工业级氧化镧、工业级氧化砷、工业级氧化锑中；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1400℃的范围内以40℃/h的速率加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1460℃的水中淬火，在1320℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
实施例6：
一种高强度耐碱性玄武岩纤维，按重量百分比包括下述原料：
SiO2：55.0％；Al2O3：11.5％；Fe2O3：8.0％；CaO：8.0％；MgO：5.0％；K2O：2.0％；Na2O：2.0％；TiO2：2.6％；ZrO2：3.3％，La2O3：1.5％；CeO2：0.6％；MnO：0.2％；As2O5和Sb2O5：0.3％。
其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成250目的粉料；
S3：向磨细的混合物中添加锆英石、工业级二氧化铈、工业级氧化镧、工业级氧化砷、工业级氧化锑；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1300℃的范围内以40℃/h的速率加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1460℃的水中淬火，在1320℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
实施例7：
一种高强度耐碱性玄武岩纤维，按重量百分比包括下述原料：
SiO2：53.0％；Al2O3：13.0％；Fe2O3：9.0％；CaO：8.8％；MgO：3.5％；K2O：2.0％；Na2O：2.5％；TiO2：2.8％；ZrO2：3.0％，La2O3：1.2％；CeO2：0.6％；MnO：0.3％；As2O5和Sb2O5：0.3％。
其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成250目的粉料；
S3：向磨细的混合物中添加锆英石、工业级二氧化铈、工业级氧化镧、工业级氧化砷、工业级氧化锑；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1100℃的范围内以40℃/h的速率加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1460℃的水中淬火，在1320℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
对比例1：
一种玄武岩纤维，按重量百分比包括下述原料：
SiO2：54.0％；Al2O3：13.5％；Fe2O3：10.5％；CaO：7.5％；MgO：4.6％；K2O：1.8％；Na2O：3.2％；TiO2：1.8％；ZrO2：1.2％；CeO2：0.6％；MnO：0.5％；LiO2：0.8％。
其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成250目的粉料；
S3：向磨细的混合物中添加锆英石、工业级二氧化铈；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1200℃的范围内以40℃/h的速率加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1460℃的水中淬火，在1320℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
对比例2：
一种玄武岩纤维，按重量百分比包括下述原料：
SiO2：55.1％；Al2O3：13.5％；Fe2O3：10.5％；CaO：7.5％；MgO：4.6％；K2O：1.8％；Na2O：3.2％；TiO2：1.8％；ZrO2：1.2％；LiO2：0.8％。
其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2：将步骤S1的原料混合后研磨成250目的粉料；
S3：向磨细的混合物中添加锆英石；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1200℃的范围内以40℃/h的速率加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1460℃的水中淬火，在1320℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
二、试验例
下面将结合实施例与对比例测试数据来详细说明本发明。
玄武岩纤维拉伸强度、耐碱性测试条件：按照GBT 25045-2010《玄武岩纤维无捻粗纱》进行测试。
实施例高性能的耐碱玄武岩纤维与对比例玄武岩纤维的测试结果如下表1所示，实施例与对比例海水腐蚀(pH＝7.8)后拉伸强度保留率(％)如下表2所示。
表2实施例高性能的耐碱玄武岩纤维与对比例玄武岩纤维的测试结果
表3实施例与对比例海水腐蚀(pH＝7.8)后拉伸强度保留率(％)
本发明中的一个最佳实施例中，玄武岩纤维在常温(25℃)海水180天的侵蚀条件下，耐碱性仍然高达52.0％，且抗拉强度仍然有2480Mpa，约为海风最高冲击强度的5.0倍；即便在(50℃)海水180天的侵蚀条件下，耐碱性仍保持在21.6％，其抗拉强度为1030Mpa，约为海风最高冲击强度的2.0倍，足以对抗海风海浪的冲击。因此，本发明中的玄武岩纤维可用于海洋牧场中人工鱼礁的建设领域。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种高强度耐碱性玄武岩纤维，其特征在于，其制备包括下述重量百分比的组分：
SiO2：51.0%～55.0%；Al2O3：11.0～14.0%；Fe2O3：8.0%～11.0%；CaO：8.0～10.0%；MgO：3.0%～5.0%；K2O：1.2～2.1%；Na2O：2.0～4.0%；TiO2：1.2～3.3%；ZrO2：1.6～4.0%，La2O3：0.6～1.5%；CeO2：0.2%～0.6%；MnO：0.2%～0.6%；As2O5和Sb2O5：0.1～0.3%。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐碱性玄武岩纤维，其特征在于，其制备包括下述重量百分比的组分：
SiO2：53.5%；Al2O3：13.5%；Fe2O3：8.8%；CaO：8.5%；MgO：4.2%；K2O：1.2%；Na2O：2.5%；TiO2：2.8%；ZrO2：2.8%，La2O3：1.2%；CeO2：0.5%；MnO：0.3%；As2O5和Sb2O5：0.2%。
3.根据权利要求2所述的一种高强度耐碱性玄武岩纤维，其特征在于：所述ZrO2来源于锆石。
4.一种高强度耐碱性玄武岩纤维的制备方法，应用权利要求1-3所述的一种高强度耐碱性玄武岩纤维，其特征在于，其制备包括下述步骤：
S1：按照上述原料的重量百分比对玄武岩成分进行原材料的配制；
S2 ：将步骤S1的原料混合后研磨成粉料；
S3：向磨细的混合物中加入添加剂，添加剂为锆英石、工业级二氧化铈、工业级氧化镧、工业级氧化砷、工业级氧化锑中的一种或多种；
S4：将步骤S3的混合物在高温炉中的铂坩埚中先加热，然后在1500℃下均质化24小时，形成熔融玻璃；
S5：将熔融玻璃在1450～1480℃的水中淬火，在1300～1350℃高温熔融拉丝加工制成连续玄武岩纤维。
5.根据权利要求4所述的一种高强度耐碱性玄武岩纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，研磨后粉料的大小为200～300目。
6.根据权利要求4所述的一种高强度耐碱性玄武岩纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，铂坩埚中先以200℃/h的速率加热至1000℃，并在1000～1500℃的范围内以40℃/h的速率加热。
7.根据权利要求4所述的一种高强度耐碱性玄武岩纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中，淬火温度为1460℃，在1320℃高温熔融拉丝。
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