CN110040970B - 一种高性能人造矿物纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能人造矿物纤维的制备方法，按重量百分比计成份包括，SiO2含量35.64%～39.24%%、Al2O3含量11.49%～12.71%、Fe2O3含量6.84%～7.56%、TiO2含量1.21%～1.33%、CaO含量12.61%～13.93%、MgO含量9.64%～10.66%、K2O含量0.21%～0.23%、Na2O含量1.21%～1.33%、ZrO2含量0.31%～0.35%。该人造矿物纤维以玄武岩、白云石、矿渣、锆英石等为基础原料，通过配料、熔化、离心甩丝等步骤，实现高性能人造矿物纤维的制备，使得人造矿物纤维的抗拉强度和弹性模量得到很好的优化和提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能人造矿物纤维的制备方法，主要用作复合材料的增强材料，属于无机纤维材料领域。
背景技术
传统人造矿物纤维生产原料多为高炉矿渣，或者玄武岩、辉绿岩和白云石简单配制，通过冲天炉熔化、离心甩丝而制得，由于缺乏配方精细设计和控制，且冲天炉熔化温度及熔体熔化质量所限，传统人造矿物纤维普遍酸度系数较低、耐水及耐酸碱性能较差、单纤维直径较粗、抗拉强度和弹性模量较低，很难满足高化学稳定性、高强度及高弹性模量增强纤维材料要求。
由于传统人造矿物纤维原料及制备工艺所限，其配方中SiO2+Al2O3含量相对偏低，而CaO+MgO含量相对偏高。但SiO2作为骨架对人造矿物纤维的机械强度、化学稳定性和热稳定性起着至关重要的作用，这些性能随着SiO2含量的增加而提升；Al2O3能够降低人造矿物纤维基体的析晶倾向有利于人造矿物纤维成型，提高化学稳定性的同时，增加机械强度；CaO含量的提高虽然可以一定程度上提高基体的化学稳定性和机械强度，但对热稳定性有影响，也会增加析晶倾向，不利于成纤；MgO含量的提高有利于降低基体粘度易于成型，提高化学稳定性，但会影响基体的熔化及熔化质量。少量ZrO2的引入，可以改善和优化熔体粘度，控制析晶倾向，增加基体化学稳定性和机械强度。由此可以看出，传统人造矿物纤维的性能缺陷主要是由于其主要化学组成造成的，要优化性能只有通过基体化学成分改进实现。
发明内容
本发明针对传统人造矿物纤维化学稳定性及机械强度等性能缺陷，通过改性氧化物ZrO2成分的引入及制备工艺的改进，提出的一种人造矿物纤维的制备方法，是一种方法简单、成本低廉的制备方法。该方法制备的高性能人造矿物纤维性能稳定、品级较高、化学稳定性好、不易被酸碱腐蚀、使用效果好，且生产过程绿色环保，是一种性能优良、安全环保的高性能人造矿物纤维材料。
本发明的一个目的在于针对传统人造矿物纤维化学稳定性差，强度低等性能缺陷，提供了一种高性能人造矿物纤维以满足对高化学稳定性、高强度及高弹性模量增强纤维材料的需求。
本发明的另一目的在于提供高性能人造矿物纤维的制备方法，该方法操作简单、成本低廉、生产过程环保，适用于工业化大规模生产。
本发明的整体思路是：以玄武岩、白云石这两种易得的非金属矿物为主要原料，配以工业尾料矿渣，通过锆英石引入二氧化锆，达到人造矿物纤维原料配方改性的目的，然后经原料预处理、原料称量、配合料制备、高温熔化、纤维成型而制得所述高性能人造矿物纤维。
本发明高性能人造矿物纤维性能包括：单纤维直径、抗拉强度、弹性模量、耐酸性、耐碱性。降低单纤维直径有利于提高人造矿物纤维应用中的柔性，从而提高其拉伸强度。抗拉强度是指纤维断裂前的最大应力值，弹性模量是指纤维受力时抵抗弹性变形的能力，抗拉强度和弹性模量是增强纤维材料性能优越的重要评价指标。耐酸、耐碱性是指纤维抵抗酸碱侵蚀的能力，是人造矿物纤维化学稳定性的主要评价指标。
本发明通过以下技术方案来实现：一种高性能人造矿物纤维，按重量百分比计成份包括，SiO2含量35.64%～39.24%、Al2O3含量11.49%～12.71%、Fe2O3含量6.84%～7.56%、TiO2含量1.21%～1.33%、CaO含量12.61%～13.93%、MgO含量9.64%～10.66%、K2O含量0.21%～0.23%、Na2O含量1.21%～1.33%、ZrO2含量0.31%～0.35%；其是使用的原料包括：玄武岩、白云石、矿渣、锆英石，以重量份计按照50～60份的玄武岩、15～20份的白云石、15～20份的矿渣、0.50～1.5份的锆英石，经原料预处理、原料称量、配合料制备、高温熔化、纤维成型而制得所述高性能人造矿物纤维。。
其中，为确保人造矿物纤维具有较高的酸度系数，确保人造矿物纤维具有较好的化学稳定性及强度，将SiO2含量取35.64%～39.24%，Al2O3含量取11.49%～12.71%，CaO含量取12.61%～13.93%，MgO含量取9.64%～10.66%；为提高人造矿物纤维配合料的熔化性能和降低成纤温度Fe2O3取6.84%～7.56%；引入1.21%～1.33%的TiO2可以降低人造矿物纤维熔体在高温时的粘度，利用成型时单纤维直径降低；引入0.21%～0.23%的K2O和1.21%～1.33%的Na2O有利于降低配合料的熔化温度降低，便于生产及降低生产成本；引入0.31%～0.35%的ZrO2，可以提高人造矿物纤维耐酸、耐碱等化学稳定性，以及抗拉强度及弹性模量。
基于上述技术方案，一种高性能人造矿物纤维的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料预处理：将玄武岩、白云石、矿渣、锆英石分别预处理至粒度为0.45 mm～0.100 mm；
（2）原料称量：以重量份计按照50～60份的玄武岩、15～20份的白云石、15～20份的矿渣、0.50～1.5份的锆英石称取各原料；
（3）配合料制备：将锆英石矿砂加入矿渣，混合均匀，然后将混合物与玄武岩矿砂、白云石矿砂一起搅拌，并混合均匀；
（4）高温熔化：将所制备的配合料加入高温熔炉熔化，熔化温度控制在1550℃~1650℃，熔化时间为2h；
（5）纤维成型：经高温熔化的高温熔体，经4500 r/min高速离心甩丝成纤制得高性能人造矿物纤维。
本发明的优点：
本发明相比传统人造矿物纤维具有如下优点：该纤维所用原材料易得、成本低廉，解决了传统人造矿物纤维化学稳定性差、易被酸碱侵蚀、脆性大、强度低等问题，且生产过程绿色环保，材料无毒、无气味，是一种性能优良、安全环保的人造矿物纤维材料。
附图说明
图1 本发明高性能人造矿物纤维制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明提供一种高性能人造矿物纤维的制备方法，其按重量百分比计成份包括，SiO2含量35.64%～39.24%、Al2O3含量11.49%～12.71%、Fe2O3含量6.84%～7.56%、TiO2含量1.21%～1.33%、CaO含量12.61%～13.93%、MgO含量9.64%～10.66%、K2O含量0.21%～0.23%、Na2O含量1.21%～1.33%、ZrO2含量0.31%～0.35%；
其中，生产使用的原料包括：玄武岩、白云石、矿渣、锆英石，以重量份计按照50～60份的玄武岩、15～20份的白云石、15～20份的矿渣、0.50～1.5份的锆英石。
一种高性能人造矿物纤维的制备方法，如图1所示，本发明高性能人造矿物纤维制备工艺流程图，它包括以下步骤：
（1）原料预处理：将玄武岩、白云石、矿渣、锆英石原料分别预处理至粒度为0.45mm～0.100 mm；
（2）原料称量：以重量份计按照50～60份的玄武岩、15～20份的白云石、15～20份的矿渣、0.50～1.5份的锆英石；
（3）配合料制备：将锆英石矿砂加入矿渣，混合均匀，然后将混合物与玄武岩矿砂、白云石矿砂一起搅拌，并混合均匀；
（4）高温熔化：将所制备的配合料加入高温熔炉熔化，熔化温度控制在1550℃~1650℃，熔化时间为2h；
（5）纤维成型：经高温熔化的高温熔体，经4500 r/min高速离心甩丝成纤制得高性能人造矿物纤维。
按照上述技术方案制得的高性能人造矿物纤维，单纤维直径＜3μm，抗拉强度≥4400MPa，弹性模量≥130GPa，酸碱重量保留率（10%浓度HCl溶液和10%浓度NaOH溶液恒温95℃下浸泡48h）分别为：酸浸重量保留率≥96%，碱浸重量保留率≥90%。
实施例1
高性能人造矿物纤维成份组成，按重量百分比计成份包括，SiO2含量35.64%、Al2O3含量12.71%、Fe2O3含量7.56%、TiO2含量1.21%、CaO含量12.61%、MgO含量10.66%、K2O含量0.21%、Na2O含量1.33%、ZrO2含量0.31%；其原料组成，以重量份计包括，50份的玄武岩、15份的白云石、15份的矿渣、0.50份的锆英石。
实施例2
高性能人造矿物纤维成份组成，按重量百分比计成份包括，SiO2含量39.24%、Al2O3含量11.49%、Fe2O3含量6.84%、TiO2含量1.33%、CaO含量13.93%、MgO含量9.64%、K2O含量0.23%、Na2O含量1.21%、ZrO2含量0.35%；其原料组成，以重量份计包括，60份的玄武岩、20份的白云石、20份的矿渣、1.5份的锆英石。
实施例3
高性能人造矿物纤维成份组成，按重量百分比计成份包括，SiO2含量37.44%、Al2O3含量12.10%、Fe2O3含量7.20%、TiO2含量1.27%、CaO含量13.27%、MgO含量10.15%、K2O含量0.22%、Na2O含量1.27%、ZrO2含量0.33%；其原料组成，以重量份计包括，55份的玄武岩、17.5份的白云石、17.5份的矿渣、1.0份的锆英石。
实施例4
人造矿物纤维成份组成，按重量百分比计成份包括，SiO2含量37.44%、Al2O3含量12.10%、Fe2O3含量7.20%、TiO2含量1.27%、CaO含量13.27%、MgO含量10.15%、K2O含量0.22%、Na2O含量1.27%；其原料组成，以重量份计包括，55份的玄武岩、17.5份的白云石、17.5份的矿渣。
其中，实施例4未引入氧化锆进行改性，作为对照组。
为研究本发明高性能人造矿物纤维的制备方法，针对上述的实施例进行了大量的制备试验，按照实施例1-4的配方进行试验后，结果汇总如表1所示。
表1 本发明高性能人造矿物纤维各实施例实验数据
根据实验所得的数据，（其中，实施例4未引入氧化锆进行改性，作为对照组）可以看出在人造矿物纤维生产原料中引入氧化锆可以使得人造矿物纤维单纤维直径减小，同时，其抗拉强度、弹性模量、耐酸性、耐碱性等方面均有较大提高，从而可使人造矿物纤维的应用效果大大提升。
Claims (2)
1.一种高性能人造矿物纤维的制备方法，其特征在于，所述的人造矿物纤维按重量百分比计成份包括，SiO2含量35 .64%～39 .24%%、Al2O3含量11 .49%～12 .71%、Fe2O3含量6.84%～7 .56%、TiO2含量1 .21%～1 .33%、CaO含量12 .61%～13 .93%、MgO含量9 .64%～10.66%、K2O含量0 .21%～0 .23%、Na2O含量1 .21%～1 .33%、ZrO2含量0 .31%～0 .35%；其是使用玄武岩、白云石、矿渣、锆英石为原料，经原料预处理、原料称量、配合料制备、高温熔化、纤维成型而制得所述高性能人造矿物纤维；
所述原料预处理是将玄武岩、白云石、矿渣、锆英石分别预处理至粒度为0 .45 mm～0.100 mm；
所述配合料制备是将预处理好的锆英石加入矿渣，混合均匀，然后将混合物与玄武岩矿砂、白云石矿砂一起搅拌，并混合均匀；
所述高温熔化是将制备的配合料加入高温熔炉熔化，熔化温度控制在1550℃~1650℃，熔化时间为2h；
所述纤维成型是经高温熔化的熔融体通过离心甩丝成型，离心机转速4500 r/min，制得单纤维直径小于3μm的人造矿物纤维。
2.根据权利要求1所述的一种高性能人造矿物纤维的制备方法，其特征在于，原料玄武岩、白云石、矿渣、锆英石，以重量份计：玄武岩50～60份、白云石15～20份、矿渣15～20份、锆英石0 .50～1 .5份。
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