原料組成對玄武巖纖維抗拉強度的影響

謝才秀 張永菊 龍濤 陳鵬

摘 要：影響玄武巖纖維抗拉強度的因素較多，而原料組成是影響該纖維抗拉強度的根本所在。本文分析了玄武巖原料的化學(xué)組成與礦物組成，重點研究了原料組成對纖維抗拉強度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原料組成主要影響玄武巖熔融過程中熔體的熔融溫度、熔體黏度及熔體溫度的均勻性，進而影響玄武巖纖維的抗拉強度。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;化學(xué)組成;礦物組成;熔融;抗拉強度

Abstract： There are many factors affecting the tensile strength of basalt fiber， and the composition of raw materials is the fundamental factor affecting the tensile strength of the fiber. This paper analyzed the chemical composition and mineral composition of basalt raw materials， and focused on the influence of raw material composition on the tensile strength of fibers. It was found that the raw material composition mainly affected the melting temperature of the melt， the viscosity of the melt and the uniformity of the melt temperature during basalt melting， which in turn affected the tensile strength of the basalt fiber.

Keywords： basalt fiber;chemical composition;mineral composition;melting;tensile strength

玄武巖纖維具有抗拉強度高、耐酸堿水腐蝕性好、耐高溫、絕緣等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空航天、建材、汽車、消防、能源等領(lǐng)域，自其誕生以來，便受到眾多國家與企業(yè)的重視[1]，圖1為玄武巖纖維單絲的掃面電鏡圖[2]。我國的玄武巖纖維工業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。目前，國內(nèi)已有多家企業(yè)掌握了玄武巖纖維的熔融拉絲工藝，并有較多的科研院所和高校加入玄武巖纖維研究隊伍。

玄武巖原料的熔融過程對其纖維抗拉強度的影響較大，而玄武巖的原料組成是影響其熔融過程的內(nèi)因。本文從玄武巖原料組成對熔融過程影響的角度，綜述了其對玄武巖纖維抗拉強度的影響。

1 玄武巖原料基本組成

1.1 化學(xué)組成

玄武巖的主要化學(xué)成分包括二氧化硅、氧化鈣、氧化鐵、氧化鎂、氧化鈉及雜質(zhì)等，而二氧化硅是其最主要的成分，一般占比超過45%[3]。根據(jù)玄武巖中二氧化硅及其酸堿性的強弱，其可以分為拉斑玄武巖與堿性玄武巖[4]。玄武巖纖維是以玄武巖為原料，經(jīng)熔融拉絲而來，其主要化學(xué)組成與玄武巖原料一致[5]。

化學(xué)組成是構(gòu)成玄武巖纖維的根本所在，因此玄武巖原料的化學(xué)組成在很大程度上決定了其纖維的抗拉強度。如果選用化學(xué)組成不適宜的玄武巖原料，其熔融后的拉絲過程中極易出現(xiàn)斷絲情況，以致無法成絲[6]。因此，選擇化學(xué)組成適宜的玄武巖和加強其熔融拉絲前的化學(xué)組成控制，對玄武巖纖維生產(chǎn)和纖維抗拉強度提升至關(guān)重要。

1.2 礦物組成

玄武巖的主要礦物組成為石英、長石、輝石、橄欖石等硅酸鹽礦物。不同礦物對玄武巖熔融拉絲過程中熔融溫度、析晶溫度、拉絲溫度、黏度等的影響不同，在玄武巖原料礦物組成波動較大，生產(chǎn)工藝參數(shù)調(diào)整不及時，其纖維的抗拉強度波動較大。如果選用礦物組成不適宜的玄武巖原料，其熔融拉絲的過程中也極易出現(xiàn)斷絲甚至無法成絲的情況[7-8]。因此，選擇礦物組成合適的玄武巖原料及其熔融拉絲前的選礦、配礦等，對提高纖維抗拉強度和質(zhì)量穩(wěn)定性具有重要的意義。

2 原料組成對纖維抗拉強度的影響

2.1 原料組成對原料熔融的影響

玄武巖原料的不同化學(xué)組成對其熔融過程影響不同，各化學(xué)組成主要影響原料的熔融溫度、熔體黏度及熔體溫度的均勻性[8-9]。二氧化硅與三氧化二鋁可以提高原料的熔融溫度，而氧化鎂、氧化鈣、氧化鈉、氧化鉀與二氧化鈦可以降低原料的熔融溫度。當二氧化硅含量較低時，熔體黏度主要受氧化鈣、氧化鎂、氧化鈉及氧化鉀等的影響;當二氧化硅含量較高時，熔體黏度主要受二氧化硅的影響。由于氧化鐵與氧化亞鐵的透熱性差，其存在會影響玄武巖熔體的傳熱性，造成熔體溫度的不均勻[10]。

玄武巖原料是以礦物形式存在的，各礦物晶體均有固定的熔點，不同礦物組成對玄武巖熔融過程的影響不同，礦物組分的種類及含量與玄武巖的熔融過程密不可分。玄武巖原料的主要礦物及其熔融溫度如表1所示。玄武巖的熔融溫度隨石英、橄欖石等難熔礦物含量的增加而升高，隨斜長石、輝石等易熔礦物含量的增加而降低[9]。玄武巖中硅酸鹽礦物的含量越高，其熔體的黏度也越高。

玄武巖原料的各化學(xué)組成及各礦物組分直接影響玄武巖熔融過程中熔融溫度、熔體黏度和熔體溫度均勻性，進而影響后續(xù)拉絲過程，最終影響玄武巖纖維的抗拉強度。

2.2 玄武巖熔融對纖維抗拉強度的影響

玄武巖熔融溫度較低，有利于熔體的融化，有助于熔體溫度及物相的均勻化，對玄武巖纖維抗拉強度的提升有促進作用;玄武巖熔體黏度較高，有利于玄武巖纖維抗拉強度的提高，但是當玄武巖熔體的黏度過高時，熔體的流動性變差，進而造成熔體的均勻性變差，從而使玄武巖纖維的抗拉強度降低[8]。熔體溫度的均勻性也會影響熔體的流動性，從而影響熔體的均勻性，熔體溫度越均勻，制得的玄武巖纖維的抗拉強度越高。

玄武巖熔融溫度、熔體黏度、熔體溫度的均勻性等因素均會影響玄武巖纖維的抗拉強度，各因素之間又相互作用，共同影響玄武巖纖維的抗拉強度。

3 結(jié)語

在玄武巖的熔融過程中，熔融溫度、黏度及熔體溫度的均勻性等會影響纖維的拉絲過程。玄武巖的原料組成主要通過影響熔體熔融溫度、熔體黏度和熔體溫度的均勻性，影響玄武巖的熔融過程，進而影響玄武巖纖維的抗拉強度。

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