玄武岩纤维物化性能的研究

梁磊，等：玄武岩纤维物化性能的研究　Ｆ　—　ｇｉａｓｓ　技术与研究　玄武岩纤维物化性鹾帕研究　粱磊　。梁玉舫　，李谨　（１．东北大学资源与土木工程学院，沈阳１　１０００４　２．盘锦市城乡规划建设委员会，盘锦１２４０１０；　３．南京玻璃纤维研究设计院，南京２１　００１　２）　摘　要：通过选取辽宁建平、辽宁黑山、黑龙江鸡西三处的玄武岩原料，进行化学成分分析比较最终确定选用的玄武岩用　于工业生产试验。介绍对玄武岩熔体的结晶性能、析晶性能、温度一粘度关系、热焓值等进行分析、试验和计算的情况。　结果表明：虽然玄武岩纤维拉丝温度很高，并容易结晶，但在升温到相同拉丝温度条件下，玄武岩的粘度比玻璃低，所需　热量比玻璃少。由此可知，玄武岩纤维拉丝完全可能。　关键词：玄武岩纤维；　结晶；粘度；热焓值　ＳＴＵＤＹ　０Ｆ　ＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＡＮＤ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ　ＯＦ　ＢＡＳＡ【　ＦＩＢＥＲ　ＬＩＡＮＧ　Ｌｅｉ　，ＬＩＡＮＧ　Ｙｕｆａｎｇ　，ＬＩ　Ｊｉｎ３　（１．Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１　０００４　２．Ｐａｎｊｉｎ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ　ｆｏｒ　Ｕｒｂａｎ　ａｎｄ　Ｒｕｒａｌ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｐａｎｊｉｎ　１　２４０１　０；　３．Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１　００１　２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓａｌｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｔａｋｅｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｒｅｅ　ｐｌａｃｅｓ　ｔｏ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｈｅｉｒ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｅｌｅｃｔ　ｏｎｅ　ｆｏｒ　ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ａｎｄ　ｅｎｔｈａｌｐｙ　ｏｆ　ｍｏｌｔｅｎ　ｂａｓａｌｔ　ｗｅｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ，　ｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃａｌａｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ａｌｈｏｕｇｈ　ｂａｓａｌｔｔ　ｎｅｅｄｅｄ　ｖｅｒｙ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｆｉｂｅｒ　ｄｒａｗｉｎｇ　ａｎｄ　ｗａｓ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅ，ｉｔ　ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ　ｌｏｗｅｒ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｅｓｓ　ｈｅａｔ　ｄｅｍａｎｄ　ｈａｔｎ　ｇｌａｓｓ　ｗｈｅｎ　ｈｅａｔｅｄ　ｕｐ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓａｌｎｅ　ｆｉｂｅｒ－ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｓ　ｇｌａｓｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ｋｎｏｗｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｉｓ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｆｕｌｌｙ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｔｏ　ｄｒａｗ　ｉｂｅ￣ｆｆｒｏｍ　ｂａｓａｌｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓｔ　ｂａｓａｌｔ　ｆｉｂｅｒ；ｃｒｙｓｔｌｌｉｚａｔｉｏｎ：ｖｉｓｃｏｓｉｙ．ｅｔｎｔｈａｌｐｙ　Ｏ前言　收稿日期：２００５—０４一１０　在工业、民用建筑行业中，利用玄武岩纤维的　特性，采用现代专用技术生产不同结构建材，可以　大幅度地提高建筑质量，提高抗震加固、抗冲击、　防火安全性和保暖节能效果，改善环保条件，并可　《玻璃纤维》２００６年第１期　１５　作者简介：梁磊，男，１９７７年生，盘锦市城乡规划建设委员会工　程师，东北大学工程力学专业在职博士生，研究方向：地下工程　和混凝土性能。　维普资讯 http://www.cqvip.com

技术与研究　Ｆ　ｂＩ　的增强材料…。　梁磊，等：玄武岩纤维物化性能的研究　ｇ｜ａｓｓ　以用来增强混凝土，替代钢筋用作混凝土建筑结构　过筛、混匀、缩分。　地质矿产部沈阳综合岩矿测试中心对采集到的３　目前乌克兰和俄罗斯各有一座年产２　０００　ｔ的玄　武岩连续纤维工厂，主要生产软席状、毡状玄武岩　种岩石进行岩石成分全分析，表１是测试结果　引：　表１　岩石成分分析结果　棉和粗布型、板状玄武岩纤维材料，用于吸音、保温、　隔热、空气过滤和替代石棉刹车片、垫片等。近些　年来，美国、韩国、日本也在开发玄武岩纤维的技　术。　现在辽宁、黑龙江等地发挥自己的力量和玄武　岩矿石的资源优势，在研究开发玄武岩连续纤维上取　得了阶段性的成果。　１玄武岩简介　玄武岩属火成岩，是基性熔岩的代表，Ｓ　ｉ０２含　量介于４４％和５３．５％之间。颜色为钢灰色至灰黑色，　有时因氧化呈紫红色。主要矿物是斜长石和辉石，　有些种属含丰富的橄榄石。次要矿物是铁质氧化物　（磁铁矿、钛磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿等）、正长　石、石英或付长石、沸石等。玄武岩通常呈细粒隐　晶质至玻璃质，但也有届晶质中粒的。常见的是斑　状结构、显微斑状结构和聚斑结构。基质的典型结　构是间粒结构、间隐结构和填间结构。　我国玄武岩著名分布地区是贵州、四川Ｉ的二叠　纪玄武岩、内蒙高原第三纪碱性玄武岩和东部沿海　诸省广泛分布的第三纪至现代的碱性玄武岩　。　２玄武岩原料的采集　根据原料的供应地必须结合当地的交通、经济、　矿石成分和物化性能等条件，初步选取了辽宁省建　平县、辽宁省黑山县、黑龙江省鸡西市作为实验试　样的采集地点。这３个地点的共同点是矿产资源丰富、　交通发达，但经济相对落后。　在拣取试样时，应尽量避开外貌、颜色、结构　异常的岩块；对于成分和结构不均匀的岩石，可按　一定间距分别拣取大小大致相等的若干块，然后合　并成一个样品。样品的加工一般分为以下几个阶段　进行：粗碎、中碎、细碎。每个阶段又包括破碎、　＜玻璃纤维＞２００６年第ｌ期　ｌ６　我国的玄武岩产地较多，国内十余处玄武岩矿　石进行的统计分析及表１中岩石成分的分析结果表明，　鸡西玄武岩成分佳，生产成本低，矿床的酸度系数　最佳。矿石酸度系数（Ⅶ（）公式为：ＭＫ＝（Ｓｉ０２＋Ａ１２０３）　／（ＣａＯ＋ＭｇＯ）。将鸡西玄武岩矿石化学成分带入上式：　ＭＫ＝４．２４５，由此表明能够满足连续纤维生产工艺要　求的矿石与矿石化学成分的关系　。　３玄武岩的物化性能　３．１　结晶性能　玄武岩成分对析晶有直接影响，是玄武岩析晶　的内因。从相平衡观点出发，玄武岩成分越复杂，　在熔体冷却到析晶上限温度时，各组分相互碰撞排　列成一定晶格的几率越小，也就越不容易析晶　玄武岩结构是影响析晶的一个重要因素。网络　连接程度越大，即网络外体含量越少，也就越不容　易析晶。桥氧数　（Ｓｉ）：　（０）＝Ｏ．５时，玻璃很难结　晶。随着比值的减小，玻璃变得容易结晶。实际上，　形成玄武岩的氧多面体是三角形和四面体。能形成　这种配位多面体的阳离子称为“网络形成体”。碱　金属离子分布在整个结构中无规则位置上，以保持　维普资讯 http://www.cqvip.com

粱磊，等：玄武岩纤维物化性能的研究　局部区域的电中性。由于它们的主要作用是提供额　外的氧离子从而改变网络结构，故称为“网络改变　体”：比碱金属和碱土金属氧化物价高，而配位数　低的阳离子可以部分的参加网络结构，称为“中间　体’’　。　表２玄武岩主要组分的网络结构作用　按照结晶化学观点，孙光汉于１９４７年提出了氧　化物键强与玻璃形成的关系。一般认为，单键强度　３３５　ＫＪ／ｍｏｌ的氧化物，称为网络形成体：单键强度　＜２５１　ＫＪ／ｍｏｌ的氧化物，称为网络改变体；单键强　度介于２５１￣３３５　ＫＪ／ｍｏｌ之间的氧化物称为中间体　。　根据上述，表２中列出了鸡西玄武岩所含的氧化物的　键强和它们在玄武岩形成时的作用，表３为鸡西玄武　岩所含成分的相对分子质量和质量分数。　裹３鸡西玄武岩所含成分的分子量和质■分数　物质相对分子质量质量分数　物质相对分子质量质量分数　由此可以看出，桥氧数氧硅摩尔比计算中所用　到的组分只包括网络形成体、中间体，ｆｉ￣Ａｌ、Ｓｉ、　Ｔｉ的氧化物，力（Ｏ）：力（Ｓｉ）＝２．６５。对于鸡西玄武岩　来说，／７（Ｓｉ）：力（０）＝１／２．６５＝０．３７７，虽然大于　０．３３３，但很接近。因此，玄武岩在拉丝过程中容易　Ｆ　技术与研究　ｇｌａｓｓ。　结晶。　３．２析晶性能　图１梯温炉示意图　卜梯温炉外壳　２一保温层　３一加热元件（铂丝）　４一刚玉管　５一瓷舟　６一热电偶　７一热电偶支持架８－￣１１度控制仪　梯温炉法的实验仪器见图１，测试过程具体步骤　为：　（１）　通电源，升温，待炉管最高温度达￣Ｊ１３５０　℃，保温。将装有试样的瓷舟慢慢推入炉管中。　（２）　待温度稳定后，用热电偶测出炉管的最高　温度（炉子一端），然后将热电偶向外移动１　ｃｍ，停　留一定时间等温度稳定后读数，再每隔ｉ　ｃｍＮ温一　次，测得炉管中的温度分布，即梯温曲线，见图２。　（３）　试样在炉中保温２　ｈ后，取出瓷舟迅速冷　却。将瓷舟冷却至室温后，在显微镜下观察玻璃表　面的结晶情况。　（４）　将瓷舟与梯温曲线相对照，根据析晶位置，　查出所对应的温度值，即为玻璃的析晶上、下限温　度。　试验结果：析晶位置：１２．１～５．７　ｃｍ；析晶温度　范围：ｉ　１ｏ０～ｉ　３１０℃。　Ｏ　５　１Ｏ　１５　２Ｏ　距离／ｃｍ　图２鸡西玄武岩梯温曲线　＜玻璃纤维＞２００６年第１期　维普资讯 http://www.cqvip.com

技术与研究　Ｆ　ｂＩ　ｇ｜ａｓｓ　３．３粘度　玄武岩的粘度一温度关系对纤维生产工艺有着重　要意义，它是选择原料及其配料、确定熔制工艺、　调节漏板温度、决定工艺参数的依据，是研究玄武　岩熔化、成型过程中传热和流动的数值模拟不可缺　少的物性参数。　在粘度一温度曲线的测定过程中，要求试样保持　在同一温度下，逐点测定，电炉恒温精度高，炉内　温差小。应用粘度理论和设备，测得的鸡西玄武岩　粘度一温度曲线如图３。从图中可以看出，玄武岩熔　体的粘度是温度的强函数，随着温度降低，粘度升　高，而且升高的速率非常快。结合表３，黑龙江鸡西　玄武岩拉丝适宜温度应该在１　３００～１　４００℃之间。　同样方法，测得的中碱玻璃粘度一温度曲线如图４。　对比以上两条曲线，不难发现，在１　３００　１　４００　℃，玄武岩的粘度低于中碱玻璃的粘度，所以，可　以用生产玻璃纤维的设备生产出玄武岩纤维。　２５０　２００　１５０　据　１００　５Ｏ　０　１２５０　１３００　１３５０　１４００　１４５０　１５００　１５５０　温度／℃　图３黑龙江鸡西玄武岩熔体温度一粘度曲线　２５０　２００　１５０　捶　１００　５０　０　１３６０　１３８０　１４００　１４２０　１４４０　１４６０　１４８０　温度／＇Ｃ　图４中碱玻璃温度一粘度曲线　《玻璃纤维＞２００６年第１期　１８　粱磊，等：玄武岩纤维物化性能的研究　３．４玄武岩的热焓值　各组分从２９８　Ｋ分别升到１　４００、１　６００、１　８００　Ｋ　的摩尔焓　（单位：ＫＪ／ｍｏ１），如表４。表４中的　Ｆｅ２０３在１　８００　Ｋ时超过了它在《无机物热力学数据手　册》焓值所存在的最高温度（１　７３５　Ｋ），Ｋ２０也是如　此，因其所占质量分数不大，就以《无机物热力学　数据手册》中最高温度的焓值代替计算。　无碱玻璃、中碱５　玻璃、中碱５－２　玻璃和鸡西玄　武岩各组分质量分数　见表５。　若组分之和不为１００％，说明还有其他组分没有　测出或在测量过程中对某些含量小的组分的含量考　虑得过大，用由各摩尔焓除以相对分子质量得到的　单位质量焓经过乘以组分质量分数，再除以其组分　之和，可以得到这４种材料在各自升温中的焓值。结　果见表６。　根据《无机物热力学数据手册》，升高温度在　ｌ　４００　ｌ　８００　Ｋ之间，应用差值计算可以得出升到不　同温度的焓值，这个结果与应用公式积分算得极其　相近。从表６可以看出，升高到相同的温度情况下，　鸡西玄武岩所需热量最少，因此，只要以生产玻璃　纤维时一定温度下的电流密度、变压器为依据，就　可以保证玄武岩拉丝时所需要的热量。　表４鸡西玄武岩组分的摩尔焓　维普资讯 http://www.cqvip.com

梁磊，等：玄武岩纤维物化性能的研究　Ｆｉｂ　技术与研究　｜ａｓｓ。　表５玄武岩和玻璃组分的质量分数　表６各原料的单位质量焓　加以考虑。　（３）　升高到相同温度情况下，鸡西玄武岩所需　热量比玻璃少。因此，以生产玻璃纤维时的电流密　度、变压器为依据可保证玄武岩拉丝时所需要的热　量。　参考文献：　４结论　（１）　玄武岩的硅氧比虽然满足生产要求，但是　［１］谢尔盖，李中郢，玄武岩纤维材料的应用前景，２００３，３　［２］李谨．耐高温抗腐蚀无机纤维空气过滤材料研究．沈阳：东北　大学。２００３　离下限要求很近，因此，极易结晶，熔化到满足拉　丝需要的温度很高；析晶温度范围为１　ｌ００～１　３１０　℃；根据生产实践及工艺要求得知，拉丝温度要高　［３］周晓东．鸡西市小湾沟拉丝用玄武岩矿床地质特征及开发利　用远景．中国非金属矿工业导刊，２００３，３３　出析晶上限温度４０￣５０℃，同时借鉴黑龙江鸡西金　石资源开发处的经验，确定拉丝最高温度为１　３５０　℃。　［４］张耀明．玻璃纤维与矿物棉全书．北京：化学工业出版社，２００１　［５］粱英教，车荫昌．无机物热力学数据手册．沈阳：东北大学出版　社。１９９３　（２）　在温度一粘度曲线中，相同温度下，玄武　岩的粘度比中碱玻璃的粘度低。为此在拉丝工艺应　［６］张碧栋，吴正明．连续玻璃纤维工艺基础．中国建筑工业出版，　１９８８一ｌ　●　—■　—卜　—　’－■　—　—卜　■‘　—卜—●　—　—卜　—卜　—卜　—卜　■　—卜　—卜　■　—　—卜—　’－●　’●■ｐ’—■　－’■■　’－－　■０　■　—卜—　—．－　—　—　Ｊ—　’■　■　’■　’’－　’■　’‘—　’●■　’■ｒ’■●　’－－　’●■　’’■・、．●　’●■　、－■ｒ’－－　’－　，■■ｐ’●■　、’－－．　’嘲　’＇●　’．．－，、＿■＿　■，　上援第１４页　５０。为佳；在设计防护灯头时，要考虑灯头用防护材　料的耐磨性、耐踩压及耐老化性以及密封性，通常　选用水晶材料及黄铜制备防护灯头可满足要求：Ｐ０Ｆ　灯头的丰富多彩势必会给ＰＯＦ照明应用带来广阔而深　远的影响。　［２］江源，刘玉庆．聚合物光纤传光束的结构、特性及其制各工艺　［Ｊ］．照明工程学报。２００２，１３（４）：４０—４４　［３］江源．聚合物光纤传光束填充率的计算（ＩＩ）［Ｊ］．光电子技　术与信息，２００３，１６（１）：１７—２３　［４］徐炽焕．聚合物光纤（Ｐ０Ｆ）的开发［Ｊ］．化工新型材料，１９９６，　２４（９）：２２￣２５　参考文献　［１］江源，邹宁字．聚合物光纤［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２　２２６～２２９　［５］陈一才．建筑环境灯光工程设计手册ｍ］．北京：中国建筑工业　出版社，２００１：ｌ５８～１６３翻　《玻璃纤维》２００６年第１期　１９