一种高耐碱玄武岩纤维及其制备方法与流程

1.本发明涉及玄武岩纤维技术领域，具体而言，涉及一种高耐碱玄武岩纤维及其制备方法。


背景技术：

2.随着社会经济、技术的发展，在土木建筑、桥梁、码头等行业中需要大量的纤维增强水泥基复合材料，而水泥是一种碱性物质，因此对纤维增强材料的耐碱侵蚀性能具有极高的要求。
3.连续玄武岩纤维(continous basalt fibre，以下简称cbf)是以天然的玄武岩矿石作为原料，通过熔融拉丝工艺制备得到的一种新型无机非金属硅酸盐纤维。与大多数硅酸盐玻璃玻璃纤维相比，cbf不仅具有高拉伸强度、弹性模量、抗蠕变、耐疲劳、耐高温等性能，而且还具有较好的耐碱侵蚀性能，解决了普通玻璃纤维不耐碱以及耐碱玻璃纤维成本高的问题。但是其自身的耐碱性仍然达不到土木建筑、道路桥梁、海洋牧场等较高的碱性环境下的应用要求。因此，如何提高cbf的耐碱性，提高拉丝稳定性，降低原料成本，为玄武岩纤维的大规模应用提供助力，是目前亟需解决的问题。
4.公开号为cn109879598a的专利公开了一种高耐碱玄武岩纤维组合物，所述组合物按照重量百分比，包括以下组分：sio2：47.0～56.0％，al2o3：13.0～16.0％，cao：6.5～10.0％，mgo：4.0～8.0％，na2o：2.5～4.5％，k2o：0.4～1.5％，tio2：0.5～4.0％，zro2：0.5～8.0％，fe2o3+feo：9.5～17.0％。但是，制备得到的玄武岩纤维耐碱性并不理想，其报道的数据为：经2mol/l naoh溶液，60℃，浸泡24h处理后，纤维质量损失率为11.26～20.97％，质量损失率较高。
5.公开号为cn109956675a的专利公开了一种玄武岩纤维的制备方法，在玄武岩矿石中加入锆英砂混合均匀后作为生产玄武岩纤维的原料，玄武岩粉碎料的质量：锆英砂的质量＝(75～95)：(5～25)，然后再优化工艺步骤与工艺参数生产出成品的玄武岩纤维。这种玄武岩纤维成分中zro2含量较高，且其报道的数据为：经2mol/l naoh溶液浸泡72h后的残留重量为85.4～90.3％，残留重量较低。
6.zro2成本高昂，如何使用较少的zro2，同时增强玄武岩纤维的耐碱性是亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的第一个目的在于提供一种高耐碱玄武岩纤维，其zro2含量少的同时又能保证玄武岩纤维的耐碱性好；
8.本发明的第二个目的在于提供一种高耐碱玄武岩纤维的制备方法，其制备出的玄武岩纤维具有上述优点。
9.本发明通过以下技术方案实现：
10.一种高耐碱玄武岩纤维，包括以下重量份的组分：sio
2 48～60份，al2o
3 8～18份，
cao 4～10份，mgo 2.5～5.5份，fe2o3+feo 7～12份，k2o+na2o 2～13份，tio
2 2～3份，zro
2 0.5～6份，co2o
3 0.2～3份。
11.含有zro2的玄武岩纤维在碱溶液作用下，纤维表面的zro2会转化为zro(oh)2的胶状物并经脱水聚合在玄武岩纤维表面上形成一层致密膜，阻止碱溶液及水化物对玄武岩纤维的腐蚀。
12.将co2o3和zro2一起加入玄武岩中，制得的玄武岩纤维在遇到碱溶液时，co2o3和zro2能协同产生致密膜对玄武岩纤维进行保护，co2o3和zro2共同产生的致密膜相比于单独使用zro2产生的致密膜的致密性更好，对玄武岩纤维的保护效果更好，能够大幅提高玄武岩纤维的耐碱性。并且co2o3相较于zro2成本低廉、易得，本发明仅需使用少量的zro2就能达到玄武岩纤维对于耐碱性的要求，降低了生产成本。
13.al2o3能够提高纤维的热稳定性和化学稳定性，但含量过多会导致粘度增加，熔制困难。
14.根据研究，cao和fe2o3配合添加，也会增强纤维的耐碱性。
15.进一步地，包括以下重量份的组分：sio
2 50～58份，al2o
3 12～16份，cao 6～8份，mgo 3～5份，fe2o3+feo 8～18份，k2o+na2o 4～10份，tio
2 2.5～3份，zro
2 2～4份，co2o
3 1～2.5份。
16.进一步地，包括以下重量份的组分：sio
2 52～56份，al2o
3 13～15份，cao 7～8份，mgo 4～5份，fe2o3+feo 14～16份，k2o+na2o 5～8份，tio
2 2.5～3份，zro
2 2～3份，co2o
3 2～2.5份。
17.进一步地，包括以下重量份的组分：sio
2 51份，al2o
3 13份，cao 7份，mgo 3.5份，fe2o3+feo 10份，k2o+na2o 8份，tio
2 2.5份，zro
2 3份，co2o
3 1.5份。
18.一种高耐碱玄武岩纤维的制备方法，包括以下步骤：
19.s1：清洗主要原料和辅助原料；
20.s2：烘干和粉碎主要原料和辅助原料；
21.s3：根据上述高耐碱玄武岩纤维的组分称量原料，混合均匀，形成配合料；
22.s4：配合料熔融、澄清、均化形成熔体，熔体通过铂铑合金漏板进行拉丝，制得高耐碱连续玄武岩纤维。
23.进一步地，烘干处理为原料在100～120℃下保温15～24h。
24.进一步地，s4中，熔融温度为1200～1500℃。
25.进一步地，漏板拉丝温度为1250～1450℃。
26.具体的，拉丝作业过程中，根据作业状况实时调整铂铑合金漏板温度获得的最佳作业温度。
27.进一步地，主要原料为玄武岩，辅助原料为高岭土、白云石、白泡石、锆英石、三氧化二钴。
28.本发明使用的原料来源丰富，成本低廉，生产工艺简单。
29.本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
30.(1)本发明的高耐碱玄武岩纤维在配方中引入少量zro2和co2o3，二者协同作用能够显著增强玄武岩纤维的耐碱侵蚀性能，同时减少了zro2的用量，降低了玄武岩纤维的生产成本；(2)本发明的高耐碱玄武岩纤维的制备方法，制备出的玄武岩纤维具有高的耐碱侵
蚀性能、力学性能及较高的拉丝稳定性，提高了产量，进而为玄武岩纤维的大规模应用推广提供助力。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
32.实施例1～5
33.选取玄武岩、高岭土、白云石、白泡石、锆英石、三氧化二钴进行清洗、烘干和粉碎。按表1所示重量份数配比各组分；称量各原料，混合均匀，形成配合料；配合料熔融、澄清、均化形成熔体，熔体通过铂铑合金漏板拉丝制得高耐碱连续玄武岩纤维；漏板拉丝温度如表2所示。
34.对比例1
35.选取玄武岩、高岭土、白云石、白泡石、锆英石进行清洗、烘干和粉碎。按表1所示重量份数配比各组分；称量各原料，混合均匀，形成配合料；配合料熔融、澄清、均化形成熔体，熔体通过铂铑合金漏板拉丝制得高耐碱连续玄武岩纤维；漏板拉丝温度如表2所示。
36.对比例2
37.选取石英砂、硝酸钾、方解石、锆英石进行清洗、烘干和粉碎。按表1所示重量份数配比各组分；称量各原料，混合均匀，形成配合料；配合料熔融、澄清、均化形成熔体，熔体通过铂铑合金漏板拉丝制得高耐碱玻璃纤维；漏板拉丝温度如表2所示。
38.表1实施例1～5和对比例1～2的配方表
[0039][0040]
实验例1
[0041]
对实施例1～5以及对比例1～2制备得到的玄武岩纤维和玻璃纤维分别命名为样品1～7，进行质量检测，具体检测方法如下：
[0042]
纤维直径：通过光学显微镜观察并标定尺寸获得。
[0043]
可燃物含量：称取5
‑
10g的纤维放于烘干箱内，120℃保温40min，取出置于干燥器内冷却至室温。称取坩埚重量为m0，将纤维放入坩埚内称重为m1，坩埚置于马弗炉内625℃保温30min，取出坩埚放置于石棉网上冷却2min，再移至干燥器内冷却至室温，称取重量为
m2，利用(m1
‑
m2)/(m1
‑
m0)
×
100％计算可燃物含量。
[0044]
拉丝温度：拉丝作业过程中，根据作业状况实时调整铂铑合金漏板温度获得的最佳作业温度。
[0045]
质量损失率：称取质量为m1(4g左右)的纤维试样放入盛有250ml氢氧化钠溶液(2mol/l)的烧杯中，盖上玻璃表面皿，将烧杯置于温度控制在60℃
±
1℃的恒温水浴中，经24h取出。用去离子水将纤维清洗数次，直至溶液为中性，再将纤维置于去离子水中浸泡3h，用去离子水冲洗3次。将试样置于温度为105℃的干燥箱中干燥120min，干燥器中冷却后称量纤维质量m2，按公式(m1
‑
m2)/m1
×
100％计算纤维质量损失率。
[0046]
断裂强度和强度保留率：卷取10米左右的纤维试样放入盛有500ml氢氧化钠溶液(1mol/l)的烧杯中，盖上玻璃表面皿，将烧杯置于温度控制在60℃的恒温水浴中，经120min
±
5min取出。用去离子水将纤维清洗数次，直至溶液为中性，再将纤维试样置于温度为105℃的干燥箱中干燥180min，干燥器中冷却后测定纱线的断裂强度，通过比较耐碱前后试样的纱线断裂强力计算得到强度保留率。
[0047]
表2实验例1～7测试结果表
[0048][0049][0050]
根据实验结果可知：
[0051]
(1)样品6的质量损失率显著大于样品1～5的质量损失率，说明本发明将co2o3和zro2配合使用，在减少zro2使用量的同时还能保持较低的质量损失率，两种物质的协同作用能够有效提高玄武岩纤维的耐碱性；
[0052]
(2)样品3的各项性能检测结果优于样品7的结果，说明本发明在降低zro2的使用量的同时还能保持优于高耐碱玻璃纤维的各项性能优势，使用较低的成本达到了比高zro2添加量更好的效果；
[0053]
(3)样品1～5的高耐碱连续玄武岩纤维，拉伸强度≥0.5n/tex；经1mol/l naoh溶液，60℃，浸泡120h处理后，强度保留率≥70％；经2mol/l naoh溶液，60℃，浸泡24h处理后，纤维损失率≤7％，具有良好的耐碱性。
[0054]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。