连续玄武岩纤维的工业化生产(精)

1、连续玄武岩纤维的工业化生产*杨勇新李洪安于忠生(国家工业建筑诊断与改适T程技术研究中心北京100088)(莒口市建筑材料科学研究所莒口 115000)摘 要：玄武岩纤维是一种新弋材料,Jt生产和应用已成为国内外I前研究的热点对连续玄武岩纤维工业化生产的条件、工艺和质量控制方法于以介绍。关键词：连续玄武岩纤维1业化生产1艺1NDUSTRIAIJZED PRODUCTION OF CONTINUOUS BASAI.T FIBERYang Yong<ii(Nali(t)al Eng having Rzanh Q#ntcr <£ Industrial Building Diagn

2、osis and Rohnbililaii B<ujing 100088)Li Hong' an Yu Zlioiigslxiig(Yiiigkou liistitile <f Building Material Yii珅am 115000)Abstract : Basal fi><r is a kiinl of ikm mattriaL hs iHoductiin and applical drawattditi(n at Iioiim1 aixl al)r<ii(l.The a)n(lili>HSe ku hnics and(|iiality c

3、ontrol nxures of hbalt filwr in<lusIrializ<Ml pnxliidion are introduettl.Keywords : ( <Mninuous basalt fiber industrialized |To(luction IwhnicsIndustrial Cong ruction Vol 37. Na 6.2007工业建筑 2007年第37卷第6期 50前言玄武岩是一种火山喷出岩，是地球上贮藏最最 大,分布面很广的矿产。多年來我国一些厂家已开 发生产出玄武岩矿棉的产品，进行工业化生产，一般 应用在保温、隔热、耐火等方面。由丁

4、玄武岩矿石具 有较好的抗床耐磨性和抗氧化性能.己在修建高速 公路和建筑方而得到了广泛的应用。但到忖前为 止，玄武岩矿产总体上仍屈丁闲置的门然资源，没有 得到很好的开发利用.更没冇应用到咼科技领域，为 我国的经济发展作出应有的贡献。玄武岩矿大多裸露易丁开采，所以矿石的价格 非常低廉利用天然的玄武岩原料拉制生产连续纤 维,则是非常有价值的。由丁玄武岩连续纤维具有 比玻璃纤维更优异的性能,如耐温范围宽，可以应用 在-260°C + 800C的环境中，而玻璃纤维的温度 在-60°C- + 450°C,耐碱性能、耐酸性能都耍高丁 普通的玻璃纤维，抗氧化耐水解性能也比玻璃纤维

5、 耍好得多，弹性模量比玻璃纤维岛出V3左右，可以 达到lOQiPa,而玻璃纤维只有70 80(；内,抗拉强度 英至可以达到4 OOOMPa以上，所以幺武岩连续纤维 具有广阔的市场应用前景。玄武岩连续纤维产品是一种绿色环保产品，可 以大规模工业化生产，产品可以广泛地应用r工业、 农业、牧业、汽车、船舶、体育、环保、化工、军事、航 空、航天、装饰、建筑等多个领域中,一种新材料的出 现必将给人类社会的建设和生活带來巨大的推动作 用。玄武岩连续纤维的大规模匸业化生产也将给生 产厂家带來丰厚的经济效益和社会效益。1天然玄武岩可成纤的条件天然玄武岩矿石的成分差异较大，如何判断玄 武岩能否拉制成连续纤维酸度

6、系数是一个综介表 达玄武岩熔体高温粘度、成纤性能、易熔性和化学稳 定性的主耍参数。只耍根抓玄武岩的化学成分计篦 出玄武岩的酸度系数，就能大概判断出该玄武岩能 否拉制成连续纤维。玄武岩原料的酸度系数在无碱 与中碱玻璃之间，与中碱玻璃相近，可以判断.玄武 岩原料在熔融状态下很接近中碱玻璃的料性可以 拉制连续的玄武岩纤维。粘度是拉制玄武岩连续纤维的主耍指标粘度 乂是与温度有It接关系的重要参数。一般悄况下, 温度升髙,粘度会降低，玄武岩纤维拉丝作业的温度 比玻纤还耍高一些。幺武岩玻璃液在高温时段的粘 20)5 q渡攻关计划(国际合作)项高件能纤维增强震合材料工 程应用关键技术研究"(2(&

7、#187;5I)EBA(XXI2)慌助。第-作昂：杨勇新 男1963年II丿出生 M 士后 教授级高级工 程师E- mail: yangyr>ngxin tsiighua or呂.cn收稿 LI 期：2(1)7- (k- 10度变化不人，随看温度的降低，粘度的变化慢慢提 高,待到低温时,粘度急剧提高（玻璃液冷却过程中, 玻璃液粘度提高的快慢称为硬化速度）。幺武岩玻 璃液的硬化速度与玄武岩本身粘度-温度Illi线有 关由于玄武岩成分含有较高的氧化铁（一般在 1（）% 15%）.所以幺武岩玻璃液的硬化速度是很快 的这给拉统作业带來较大的困难，也就是所说的拉 丝料性较短，很难连续稳定地进行拉丝

8、作业。玄武岩具有拉线条件的可能性耍做到稳定拉 丝作业，进行匸业化规模生产,还必须具备下列条件 才能保证拉丝生产。1）玄武岩矿石作为原料必须经过高温熔化后 能形成玻璃体，即在向温下形成玄武岩熔融玻璃体。2）玄武岩玻璃必须满足熔制和成型工艺的耍 求。3）拉丝温度不能过高，必须满足W（Pt- Rii） 介金对拉丝的耍求,其玄武岩熔融玻璃体的温度粘 & HU线必须满足拉丝工艺耍求。4）建设生产线所需的材料和设备等基础设施 条件容易获得，特别是在国内都能得到解决。5）玄武岩连续纤维产品必须符合国家有关纤 维性能标准的耍求，也耍满足FRP和GRC制品的耍 求。6）玄武岩矿产储量耍大，组分含量耍稳定

9、，易 开釆加I；运输方便,价格低廉是生产玄武岩连续纤维的棊本保证。2玄武岩纤维拉丝工艺设计玄武岩连维纤维拉丝工艺的设计，首先要考虑 以下儿方面的问题，以满足拉丝丁艺的耍求。1）玄武岩玻璃液体从漏嘴流出时，要保证液滴 在漏嘴底部不能漫流润湿角要大一些，减小拉丝时 的涨力。拉丝过程中解决粘性流体在漏嘴中流动的 流体力学问题。2）漏板的设计耍考虑合理的结构，机械强度耍 好等问题还耍涉及到电流在漏板上分布均匀的问 题。3）玄武岩玻璃液的粘度是温度的函数，所以耍 考虑到漏板的恒温控制及成型区的热交换和温度控 制。4）池窑通路耍保证提供化学均匀性和益度均匀 性都好的玄武岩玻璃液供给漏板。5）为保证整个窑炉

10、的熔化质51耍求液而的波 动耍小，热点温度控制耍稳定等。幺武岩连续纤维池窑拉丝，漏板的设计是关键 的,其q 漏嘴的设计是关系到拉丝稳定的亜要一环. 高温幺武岩玻璃液于漏嘴上部在一定的流体静丿k力 卜进入漏嘴，从漏嘴流出形成液滴，然后被下而的 拉机以一定的拉丝速度拉细并r I然冷却为所需h径 的玄武岩连续纤维这就耍求从漏嘴流.*I!的玄武岩 玻璃液温度均恒，流彊稳定。所以合理设计漏嘴、漏 板的儿何尺寸和结构以及拉丝漏板材料的选用、漏 板的加工精度等都是非常重耍的。3生产玄武岩连续纤维的工艺条件及熔窑结构 生产玄武岩连续纤维的工艺流程，见图Io 际 岩粉料|麻冠混料1动喂料加料机It 丽岡一|冏温

11、熔滴1T澄淸池IT师路作业卜 呼丽卜脈7丽T质最检验|_»他装入库|图1工艺流程Fip； 1 The jroccas fInv chart幺武岩矿皋面经过化验分析后，确定满足可以 拉制连续纤维的条件，将玄武岩基石粉碎成（） 5mm,粉料经磁选后进入混料机均匀搅拌成待用料 进入料仓，或鬥动加料喂料机将玄武岩原料自动加 入到预热池加热，进入预热池的玄武岩粉料温度逐 渐升到600 900 C.然后进入熔化池熔制成幺武岩 玻璃体这些措施可以去除结晶水、气泡和泡沫，使 玻璃熔体的体枳稳定得到平胳光滑稳定的液面，有 利于玄武岩熔体温度和粘度的稳定性同时也消除 由/帘炉液面的波动对单丝苴径的影响A

12、此强 调一下.在整个當炉熔制玄武岩过程中，应在充分氣 化状态下进行，否则将会有较严匝的事请发生。利用玄武岩生产连续纤维的不利因素有：1）氧 化铁含量高，一般在10%- 15%;2）熔体析晶温度 鳥,析晶速度快，易使窑内熔体匀化不好，温度梯度 大;3）对耐火材料易产生低共熔，使窑炉使用周期缩 短;4）氣化铁易还原成金屈铁，使漏板介金中毒，损 坏漏板。生产玄武岩连续纤维，耍使其稳定生产,必须克 服以上不利因素。目前设计的窑炉是采用组合炉的 结构进行熔制拉丝生产的可以带一块漏板和多块 漏板进行生产。窑炉的结构分成熔化部、澄淸池、通 路作业、拉线成型儿个主要部分。4生产玄武岩连续纤维的自动控制工业建筑

13、2007年第37卷第6期幺武岩连续纤维生产线的稳定生产应该由门动 控制系统來保证。ri动控制系统应该包括温度控 制、液面控制、速度控制、烘干控制、退解控制、环境 控制、水保障控制等主要构成部分。其中窑炉的温控系统主要是对组合炉各部温 度的f I动控制采用主电路功率调格供给窑炉各部 所需的电功率保证安全供电,仪表的运算系统可以 通过计算机釆样、计算、分析、指令、调整.保证窑炉 温度偏差在允许范閘之内满足生产条件。京炉液面的稳定也是稳定生产作业的条件Z 一.來用远红外线液面控制仪表可使帘炉液面波动 在1mm之内9仪表运行安全可靠。拉线机头速度的控制+：要是保证拉丝线速度的 稳定，应该连续可调，满足

14、单丝直径从621Pm的 调整、变换简捷方便。原丝烘干耍保证原丝的含水率在0 1 %以下。5生产玄武岩连续纤维的设备用于生产制造玄武岩连续纤维的主耍设备有: 破碎机（磁选机）、混料机、称料器、加料机、预热池、 熔窑、澄淸池、单丝涂汕装置H动卷绕拉丝机、原丝 烘干窑，无捻粗纱机，纺纱机.温度控制装置,水控制 系统等。6浸润剂在玄武纤维生产过程中，在儿百根单丝极细的 纤维表而涂敷具冇润滑性、粘结性的物质，使之能够 粘结成一束，减少磨损,使纤维能够连续稳定正常地 进行生产，同时还能改变幺武岩纤维表而状态，在复 介材料中起到促进玄武纤维与被增强的尚分子聚介 物的结介作用，浸润剂能够有效地改变单纤维表而

15、光滑、性脆易折断乂分散的缺陷和表而性质C使玄 （上接第13页）2）玄武岩纤维片材抗拉强度和延伸率随着老化 时间的变化规律非常相似。延伸率受湿热老化环境 的影响幅度要比抗拉强度大得多。3）试验发现湿热环境对玄武岩纤维片材的弹 性模量影响较小。4）通过对不|» M纤维增强复合材料在湿热老化时 间为1 OOOh时拉伸性能进行比较，发现玄武岩纤维 片材和碳纤维片材抗拉强&的稳定性耍明显优丁玻 璃纤维片材和芳纶纤维片材。碳纤维片材和玻璃纤 维片材的延伸率有所下降，而玄武岩纤维片材的延 伸率变化不大。另外玄武岩纤维片材和碳纤维片 材的弹性模鼠均有所上升，而玻璃纤维片材和芳纶 纤维片材的弹

16、性模最有不同程度的下降。武岩纤维及其制品能够得到广泛的应用。对各种不 同的幺武岩纤维增强材料的成型匸艺必须要有专 用的浸润剂与之配套，如各种制品（无捻粗纱、有捻 细纱、薄毡各种织物等）、增强树脂（ERP）、增强水泥 （眾（：）增强橡胶等制品所必须的技术性能如穿透 性、浸润性、硬挺性、切割性、分散性等等所以幺武 岩连续纤维的生产浸润剂是至关重耍的,作用如 下：1）润滑保护作用;2）粘结集束作用:3）抗静电作 用;4）提高工艺制品的物理性能作用;5）使纤维与材 料有更好的相容性及界面化学结合或吸附等性能。7讨论现有玄武岩纤维的生产技术己经趋于成熟，但 生产水平和丁艺还有很大的发展空间。其发展方向

17、为：1）生产最级由白吨向千万吨级发展;2）控制水 平更加成熟、配套设施更加完善。玄武岩纤维的工业化生产水平和工艺己趋于成 熟,但仍有很多工作待做其工艺的提爲、设备的完 善需耍投入更多的人力、物力进行进一步的研究和 开发。参考文献1谢尔锻，李中郢.玄武岩纤维材料的应用前景.纤维复合材料. 208（3）: 17- 3）2仃钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及此应用.玻璃纤维.3D（B （出：28- 293许淑恿，彭国勋.党新安.玄武岩连续纤维的产业化幵发.理筑材 料学报,2005（3）:261- 2675）玄武岩纤维增强复合材料的抗湿热老化稳定 性较好。参考文献1杨勇新.碳纤维布与混凝十的粘结性能及英加固混凝土受弯构 件的破坏机理研究:博士学位论文.夭津：犬津人学建筑工程 学院，2（X）12郭作红.