玄武岩矿石成分对纤维拉丝工艺及性能的影响

玄武岩矿石成分对纤维拉丝工艺及性能的影响

李召磊

四川腾越纵横新材料有限公司四川成都610000

摘要：本文主要实验对比国内各地玄武岩的化学组分，并将结果与国外成熟玄武岩的化学组分进行了对比。通过对各地玄武岩原矿的物相分析后确定出具有较好拉丝工艺的玄武岩矿石成分。这些实验数据又为后续的拉丝工艺提供理论依据。

关键词：玄武岩矿石；玄武岩纤维；拉丝工艺；性能；

引言：

我国在2005年成功研发玄武岩纤维。玻璃纤维、碳纤维、芳纶等其他高性能纤维相比，玄武岩纤维具有很多独特的优势：如力学性能佳，耐高温性能好，耐酸耐碱，有更好的耐环境性能等优点。［1-2］玄武岩是由地球熔岩形成，量大价廉，但是它的先天不足，就是其成分波动，不仅不同矿床成分波动较大，而且就是同一矿点化学成分也有一定的波动。另外，不同矿点有些成分的价态及晶相结构也会有波动，如不同矿点玄武岩中铁的价态不同，Fe3+/Fe2+的比例等也有差别。正是因为玄武岩成分波动范围大，化学成分复杂，因此有必要对玄武岩成分对拉丝工艺及性能影响进行研究。

玄武岩矿石成分对拉丝工艺的影响分析

我国玄武岩矿藏储量丰富，主要分布在秦岭南麓、甘肃祁连山、黑龙江五大连池、吉林长白山、新疆准噶尔盆地、西藏喜马拉雅山、青海昆仑山、山西大同以及华南沿海一带。其中陕西略阳（秦岭南麓）也存在大量玄武岩（当地称为铸石）矿区。玄武岩的化学组成一般为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O等及少量杂质，其中主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、和MgO。［3-5］

按照结晶化学观点，孙光汉提出了氧化物键强与玻璃形成的关系。一般认为，单键强度>0.33MJ/mol的氧化物，称为网络形成体；单键强度<0.25MJ/mol的氧化物称为网络改变体；单键强度居中的称为网络中间体。玄武岩矿石中氧化物，SiO2、TiO2和Al2O3为网络形成体，但TiO2和Al2O3形成网络有一定条件：当Na2O/Al2O3>1时，Al3+均位于四面体中，作为网络形成体，但Na2O/Al2O3<1时，则作为网络改变体；CaO、MgO、FeO、Fe2O3、Na2O和Ka2O等为网络改变体。

基于玻璃无规则网络结构的概念，并考虑玻璃中各原子或离子的相互依存关系和便于比较玻璃的各种性能，引入了一些基本结构参数来描述玻璃的网络特性：X=氧多面体的平均非桥氧数；Y=氧多面体的平均桥氧数；Z=包围一种网络形成正离子的氧离子数目，即网络形成正离子的配位数，在硅酸盐玻璃中，氧多面体是硅氧四面体Z=4；R=玻璃中全部氧离子与全部网络形成离子数之比，则

X=2×R-4

Y=8-2×R

根据这个模型，分别对四个不同产地的玄武岩矿石成分进行简单地定量分析，结果如表1所示：

表1不同产地的矿石成分分析

一般地，在硅酸盐玻璃中非桥氧数“X”较多，具有较低的熔融温度和较佳的加工工艺，硅酸盐玻璃中桥氧数“Y”较多，需要较高的熔融温度。从1表可以看出，峨眉矿石和山西矿石纺丝具有相对较大的“X”值，矿石的拉丝工艺性较好，而攀枝花矿石“X”值较小，纺丝工艺性较差，这与实际情况一致。而实际中，山西矿石纺丝工艺性优于峨眉矿石，可能是峨眉矿石中含有较高的铁氧化物含量（13.26%>10.12%）和TiO2含量（3.07%>1.33%）而造成的。

并根据前面的分析，粗略地得出具有较好拉丝工艺的玄武岩矿石成分要求：

1.矿石中SiO2的含量：49.5%<SiO2<52.5%；

2.矿石中铁氧化物的含量：9.5%<（FeO+Fe2O3）<10.2%；

3.矿石中TiO2的含量为1.2%左右；

4.硅酸盐玻璃中非桥氧数：2.3<X<2.5。

玄武岩矿石成分对纤维性能的影响分析

文献［6］和专利［7］都认为玄武岩矿石及纤维中铁氧化物FeO/Fe2O3的比例对拉伸强度的有较大的影响，实验表明，玄武岩纤维中FeO/Fe2O3的比例愈高则纤维的抗拉强度就愈大。由于目前很多公司仅对玄武岩矿石进行了成分分析，没有对玄武岩纤维进行成分分析，同时很多产地的矿石拉制的纤维仅仅测试了浸胶纱的拉伸强度、拉伸强度模量和断裂伸长率，故只有直接分析不同产地的矿石中FeO/Fe2O3的比例对浸胶纱拉伸强度的影响，如表2所示。

从上表可以粗略认为玄武岩矿石中FeO/Fe2O3的比例愈高则纤维的抗拉强度就愈大，这与文献的观点是吻合的。

美国专利US4149866也认为增大玄武岩纤维中FeO/Fe2O3的比例，纤维的拉伸强度增大，并提出了增大这一比例的两种可行方案：

1.在矿石原料熔融时加入适量的糖或石墨等碳源，这些碳源在高温下会转变为CO或CO2，可以防止矿石熔化时FeO被氧化；

2.玄武岩拉丝时惰性气体（如N2等）或还原性气体（如CO等）保护。

结语

本文对于玄武岩矿石成分对拉丝工艺及其纤维性能影响这只是进行了初步浅显的分析，期望这份分析能够为同行对玄武岩纤维的研究有所帮助：

1.具有较好拉丝工艺的玄武岩矿石成分

（1）矿石中SiO2的含量：49.5%<SiO2<52.5%；

（2）矿石中铁氧化物的含量：9.5%<（FeO+Fe2O3）<10.2%；

（3）矿石中TiO2的含量为1.2%左右；

（4）硅酸盐玻璃中非桥氧数：2.3<X<2.5。

2.结合国内矿石货源和成分差异，应该考虑矿石掺混使用，这样不仅有利于货源稳定而且工艺比较容易，性能也比较优异。比如，将大同矿石同攀枝花矿石按一定比例掺混使用；

3.将拉丝丝根处的冷水管冷却改造为低压潮湿的N2冷却，防止熔融矿石中FeO被氧化成Fe2O3而提升纤维的拉伸强度。

参考文献

［1］TAMSD．Chemicalcompositionandmechanicalpropertiesofbasaltandglassfibers：acomparison［J］．TextileResearchJournal，2009，79（7）：645651．

［2］钟智丽，刘华武．提高玄武岩长丝可织性的研究［J］．产业用纺织品，2008，26（2）：3335．

［3］曹海琳，郎海军，孟松鹤．连续玄武岩纤维结构与性能试验研究［J］．高科技纤维与应用，2007（5）：813．

［4］王峣舜．玄武岩纤维性能与用途探讨［J］．纺织科技与进展，2010（1）：40．

［5］郑宇．一种改性玄武岩纤维［J］．发明专利，2017（10）