专利名称：一种用于生产玄武岩纤维的原料配合组分及其制备方法
技术领域：
本发明属于一种用于生产玄武岩纤维的原料及其制备方法，具体地说涉及一种用于生产玄武岩纤维的原料配合组分及其制备方法。
背景技术：
连续玄武岩纤维(CBF)是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。以CBF为增强体可制成各种性能优异的复合材料，可广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、车船制造、工程塑料、建筑等军工和民用领域，故CBF被誉为21世纪的新材料。CBF是继碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维的第四大高技术纤维，在许多条件下可替代碳纤维、芳纶纤维，在某些场合甚至比上述两种纤维性能还好。
玄武岩纤维及其制品的优越性能具体表现在以下几个方面(1)显著的耐高温性能和热震稳定性。CBF的使用温度范围为-260℃～720℃，这一温度远远高于芳纶纤维、无碱E玻纤、石棉、岩棉、不锈钢，接近硅纤维、硅酸铝纤维和陶瓷纤维；热震稳定性好，在500℃温度下保持不变，在900℃时原始重量仅损失3％[5]。(2)较低的热传导系数。CBF的热传导系数为0.031W/m·K～0.038W/m·K，低于芳纶纤维、硅酸铝纤维、无碱玻纤、岩棉、硅纤维、碳纤维和不锈钢。(3)高的弹性模量和抗拉强度。CBF的弹性模量为8100kg/mm2～11000kg/mm2，高于无碱玻纤、石棉、芳纶纤维、聚丙稀纤维和硅纤维。CBF的抗拉强度为3000～4800MPa，比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高，与S玻璃纤维相当。(4)化学稳定性好。CBF的耐酸性和耐碱性均比铝硼硅酸盐纤维好。其耐久性、耐候性、耐紫外线照射、耐水性、抗氧化等性能均可与天然玄武岩石头相比美。(5)吸音系数较高。(6)良好的电绝缘性和介电性能。(7)较低的吸湿性。CBF的吸湿性低于0.1％，低于芳纶纤维、岩棉和石棉。(8)天然的硅酸盐相溶性。
正是由于玄武岩纤维有许多优良性能可以利用、目前玄武岩纤维受到材料界的普遍关注，但玄武岩纤维的产量却无法快速提高实现大量推广。主要有以下几方面的原因(1)并不是所有的玄武岩都适合拉制玄武岩纤维，玄武岩的成分波动大由于玄武岩是由地球熔岩形成的，因此造成它的先天不足、就是其成分的波动，不仅不同矿床的成分波动较大，就是同一矿点化学成分也有一定的波动范围；因此地球上的玄武岩虽然分布特别广泛、但能够用于稳定、高效拉丝的玄武岩并不多。想要靠单一一种玄武岩实现稳定、高效拉丝困难比较大，即使能选到合适的玄武岩矿也要让费大量的人力和财力、并且造成原料来源窄、原料运输和采集的成本升高；单一天然玄武岩原料的料性短通过长期实验表明玄武岩成分的析晶上限温度与其拉丝成型温度非常接近，成纤温度范围窄，而且在温度梯度炉中析的析晶温度测试进一步表明玄武岩的析晶温度点处，其析晶温度点有较大的离散性。这样就大大降低了玄武岩熔体成纤的稳定性，经常会出现断丝等现象，这种熔制、均化不充分的玄武岩熔体不宜用高孔数的拉丝漏板拉制纤维，而且这样的玄武岩熔体即使纤维在拉制过程中未发现断丝，也会给纤维拉伸强度等方面的特性产生较大的波动。(2)玄武岩原料内部的微晶结构差异玄武岩的成分波动以及其所受的热历史的差异，也造成了玄武岩原料内部某些结晶物的差别，某些微晶物(如石英等)具有较高熔点，在玄武岩原料不充分的熔制过程中，这些微晶体未能得到充分熔化与均化，因此在玄武岩纤维成型过程中，这些熔制不充分的微晶体在拉丝过程中极易成为晶核而加速析晶现象的出现。因此受目前熔制工艺的限制，高SiO2含量的玄武岩原料还很难作为合适的玄武岩纤维生产的原料。有关天然玄武岩原料的物化性能及其晶相结构在美国专利US3557575有较为详细介绍。(3)玄武岩原料中高铁氧化物的含量因为玄武岩中含有赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)，玄武岩熔体的透热性急剧下降，出现熔体温度不均匀、熔制效率低、拉丝易断头、漏板孔数也无法增加最终导致产量减少和质量的下降；另一方面对铂铑合金漏板的侵蚀大、而且稍有不慎、铁离子将被还原成金属铁导致漏板中毒、通过调查发现中国玄武岩矿石铁含量较高的占大部分、如果不进行调配绝大部分玄武岩矿不适合生产玄武岩纤维。
要把玄武岩纤维大规模推广到民用领域、实现玄武岩纤维大规模稳定生产、在不影响产品性能的基础上改进玄武岩原料是一个很好的技术措施，目前相关的文献未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种原料来源广泛，生产成本低，玄武岩纤维质量好、生产稳定的用于生产玄武岩纤维的原料配合组分及其制备方法。
本发明的目的是通过实施下述技术方案来实现的 一种用于生产玄武岩纤维的原料配合组分，其特征在于重量百分比为30-80％的玄武岩和20-70％的安山岩(或安山玄武岩) 其中SiO2重量在原料配合组分的含量为47-55％，Fe2O3与FeO的重量在原料配合组分的含量为5.2-10.5％； 酸性系数K＝(SiO2+AL2O3)/(CaO+MgO)保持在3.5-4.8的范围。
本发明的原料配合组分按如下方法制备 (1)将玄武岩和安山岩(或安山玄武岩)两种原料先进行化学分析，根据分析结果，对重量百分比为30-80％的玄武岩和20-70％的安山岩(或安山玄武岩)配比组成的混合原料进行计算，计算结果是否满足操作条件 SiO2重量在原料配合组分的含量为47-55％，Fe2O3与FeO的重量在原料配合组分的含量为5.2-10.5％； 酸性系数K＝(SiO2+AL2O3)/(CaO+MgO)保持在3.5-4.8的范围； 计算结果如满足操作条件，进行第(2)、第(3)步骤的操作，如不满足操作条件，应重新选择玄武岩，安山岩(或安山玄武岩)一种或两种原料，直至满足操作条件； (2)、将满足操作条件的玄武岩和安山岩(或安山玄武岩)两种原料去除杂质，清洗干净、凉干，分别破碎至粒度小于100目； (3)按重量百分比为30-80％的玄武岩和20-70％的安山岩(或安山玄武岩)的配比，将其两种原料混合均匀，得到用于生产玄武岩纤维的原料配合组分。
本发明与现有技术相比具有如下优点 (1)将本地不适合生产玄武岩的玄武岩矿石调整为适合生产优质玄武岩纤维的原料，使原料来源更广泛、降低原料成本； (2)通过破碎筛分、调配、混合均化使原料成分稳定并且成分可控、可设计，改变了因玄武岩成分波动较大、生产不稳定的状况，提高了产品质量； (3)用于调配的原料也为天然形成的火山岩、不会象添加玻璃和萤石那样造成产品主要性能指标降低、也不会象特种玻璃纤维添加单一纯组分而增加生产成本；(4)改善了因为(Fe2O3+FeO)含量太高出现熔体温度不均匀、熔制效率低、拉丝易断头、漏板孔数也无法增加最终导致产量减少和质量的下降；另一方面还避免了因为(Fe2O3+FeO)含量太高对铂铑合金漏板的侵蚀大、而且稍有不慎、铁离子将被还原成金属铁导致漏板中毒造成的重大损失。
(4)、提高了玄武岩纤维质量、使生产稳定、产量扩大。
具体实施例方式 实施例采用的玄武岩为山西玄武岩矿，该矿的主要化学组成为SiO247.08％、AL2O315.57％、(Fe2O3+FeO)13.80％、CaO8.91％MgO8.81％；山西安山岩SiO260.65％、AL2O315.49％、(Fe2O3+FeO)2.03％、CaO9.89％MgO5.81％； 把以上两种原料分别做析晶实验山西玄武岩析晶上限温度为1295℃、山西安山岩析晶上限温度＞1340℃；根据玄武岩纤维拉丝工艺条件、铂铑漏板性能和析晶上限温度可知、山西安山岩不适合单独拉丝生产纤维(玄武岩纤维拉丝温度范围1200℃-1330℃、最好在1240℃-1310℃之间)。
对山西玄武岩纤维做单丝拉丝实验验证因为山西玄武岩析晶上限温度为1295℃所以只做比析晶上限温度高的实验(1)1300℃单丝拉丝实验结果没办法实现长时间连续稳定拉丝、最长连续拉丝时间5分钟；(2)1310℃单丝拉丝实验结果没办法实现长时间连续稳定拉丝、最长连续拉丝时间8分钟；(3)1320℃单丝拉丝实验结果没办法实现长时间连续稳定拉丝、最长连续拉丝时间11分钟；通过以上单丝拉丝实验我们验证了山西玄武岩也不适合单独拉丝生产玄武岩纤维。
采用山西玄武岩和安山岩制备用于生产玄武岩纤维的原料配合组分实列 实施例1 将玄武岩和安山岩(或安山玄武岩)两种原料去除杂质，清洗干净、凉干，分别破碎后过100目筛；按重量百分比为70％的玄武岩和30％的安山岩(或安山玄武岩)的配比，将其两种原料混合均匀，得到用于生产玄武岩纤维的原料配合组分。原料配合组分及实验结果见表1 表1
实施例2 将玄武岩和安山岩(或安山玄武岩)两种原料去除杂质，清洗干净、凉干，分别破碎后过100目筛；按重量百分比为60％的玄武岩和40％的安山岩(或安山玄武岩)的配比，将其两种原料混合均匀，得到用于生产玄武岩纤维的原料配合组分。原料配合组分及实验结果见表2 表2
实施例3 将玄武岩和安山岩(或安山玄武岩)两种原料去除杂质，清洗干净、凉干，分别破碎后过100目筛；按重量百分比为50％的玄武岩和50％的安山岩(或安山玄武岩)的配比，将其两种原料混合均匀，得到用于生产玄武岩纤维的原料配合组分。原料配合组分及实验结果见表3 表3
实施例4 将玄武岩和安山岩(或安山玄武岩)两种原料去除杂质，清洗干净、凉干，分别破碎后过100目筛；按重量百分比为40％的玄武岩和60％的安山岩(或安山玄武岩)的配比，将其两种原料混合均匀，得到用于生产玄武岩纤维的原料配合组分。原料配合组分及实验结果见表4 表4
实施例5 将玄武岩和安山岩(或安山玄武岩)两种原料去除杂质，清洗干净、凉干，分别破碎后过100目筛；按重量百分比为30％的玄武岩和70％的安山岩(或安山玄武岩)的配比，将其两种原料混合均匀，得到用于生产玄武岩纤维的原料配合组分。原料配合组分及实验结果见表4 表5
权利要求
1.一种用于生产玄武岩纤维的原料配合组分，其特征在于由重量百分比为30-80％的玄武岩和20-70％的安山岩组成；
其中SiO2重量在原料配合组分的含量为47-55％，Fe2O3与FeO的重量在原料配合组分的含量为5.2-10.5％；
酸性系数K＝(SiO2+AL2O3)/(CaO+MgO)保持在3.5-4.8的范围。
2.如权利要求1所述的一种用于生产玄武岩纤维的原料配合组分的制备方法，其特征在于包括如下步骤2
(1)将玄武岩和安山岩两种原料先进行化学分析，根据分析结果，对重量百分比为30-80％的玄武岩和20-70％的安山岩配比组成混合原料进行计算，计算结果是否满足操作条件
SiO2重量在原料配合组分的含量为47-55％，Fe2O3与FeO的重量在原料配合组分的含量为5.2-10.5％；
酸性系数K＝(SiO2+AL2O3)/(CaO+MgO)保持在3.5-4.8的范围；
计算结果如满足操作条件，进行如下第(2)、第(3)步骤的操作，如不满足操作条件，应重新选择玄武岩，安山岩一种或两种原料，直至满足操作条件；
(2)、将满足操作条件的玄武岩和安山岩两种原料去除杂质，清洗干净、凉干，分别破碎至粒度小于100目；
(3)按重量百分比为30-80％的玄武岩和20-70％的安山岩的配比，将其两种原料混合均匀，得到用于生产玄武岩纤维的原料配合组分。
全文摘要
一种用于生产玄武岩纤维的原料配合组分是由重量百分比为30-80％的玄武岩和20-70％的安山岩组成；其中SiO2重量在原料配合组分的含量为47-55％，Fe2O3与FeO的重量在原料配合组分的含量为5.2-10.5％；酸性系数K＝(SiO2+AL2O3)/(CaO+MgO)保持在3.5-4.8的范围，其制备方法是将筛选好的玄武岩和安山岩分别粉碎成细粉、再根据配比分别称取玄武岩粉料和安山岩粉料混合均匀。本发明具有原料来源广泛，生产成本低，玄武岩纤维质量好、生产稳定的优点。
文档编号C03C6/04GK101811826SQ20101016608
公开日2010年8月25日 申请日期2010年5月5日 优先权日2010年5月5日
发明者贾永明, 郁晓岚, 韦鲁拉什维利·罗曼, 李海勇 申请人:山西巴塞奥特科技有限公司