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原料组成对玄武岩纤维抗拉强度的影响

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谢才秀张永菊龙涛陈鹏

摘要：影响玄武岩纤维抗拉强度的因素较多，而原料组成是影响该纤维抗拉强度的根本所在。本文分析了玄武岩原料的化学组成与矿物组成，重点研究了原料组成对纤维抗拉强度的影响。结果发现，原料组成主要影响玄武岩熔融过程中熔体的熔融温度、熔体黏度及熔体温度的均匀性，进而影响玄武岩纤维的抗拉强度。

关键词：玄武岩纤维;化学组成;矿物组成;熔融;抗拉强度

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

玄武巖纤维具有抗拉强度高、耐酸碱水腐蚀性好、耐高温、绝缘等优点，已经广泛应用到航空航天、建材、汽车、消防、能源等领域，自其诞生以来，便受到众多国家与企业的重视[1]，图1为玄武岩纤维单丝的扫面电镜图[2]。我国的玄武岩纤维工业起步较晚，但发展较快。目前，国内已有多家企业掌握了玄武岩纤维的熔融拉丝工艺，并有较多的科研院所和高校加入玄武岩纤维研究队伍。

玄武岩原料的熔融过程对其纤维抗拉强度的影响较大，而玄武岩的原料组成是影响其熔融过程的内因。本文从玄武岩原料组成对熔融过程影响的角度，综述了其对玄武岩纤维抗拉强度的影响。

1 玄武岩原料基本组成

1.1 化学组成

玄武岩的主要化学成分包括二氧化硅、氧化钙、氧化铁、氧化镁、氧化钠及杂质等，而二氧化硅是其最主要的成分，一般占比超过45%[3]。根据玄武岩中二氧化硅及其酸碱性的强弱，其可以分为拉斑玄武岩与碱性玄武岩[4]。玄武岩纤维是以玄武岩为原料，经熔融拉丝而来，其主要化学组成与玄武岩原料一致[5]。

化学组成是构成玄武岩纤维的根本所在，因此玄武岩原料的化学组成在很大程度上决定了其纤维的抗拉强度。如果选用化学组成不适宜的玄武岩原料，其熔融后的拉丝过程中极易出现断丝情况，以致无法成丝[6]。因此，选择化学组成适宜的玄武岩和加强其熔融拉丝前的化学组成控制，对玄武岩纤维生产和纤维抗拉强度提升至关重要。

1.2 矿物组成

玄武岩的主要矿物组成为石英、长石、辉石、橄榄石等硅酸盐矿物。不同矿物对玄武岩熔融拉丝过程中熔融温度、析晶温度、拉丝温度、黏度等的影响不同，在玄武岩原料矿物组成波动较大，生产工艺参数调整不及时，其纤维的抗拉强度波动较大。如果选用矿物组成不适宜的玄武岩原料，其熔融拉丝的过程中也极易出现断丝甚至无法成丝的情况[7-8]。因此，选择矿物组成合适的玄武岩原料及其熔融拉丝前的选矿、配矿等，对提高纤维抗拉强度和质量稳定性具有重要的意义。

2 原料组成对纤维抗拉强度的影响

2.1 原料组成对原料熔融的影响

玄武岩原料的不同化学组成对其熔融过程影响不同，各化学组成主要影响原料的熔融温度、熔体黏度及熔体温度的均匀性[8-9]。二氧化硅与三氧化二铝可以提高原料的熔融温度，而氧化镁、氧化钙、氧化钠、氧化钾与二氧化钛可以降低原料的熔融温度。当二氧化硅含量较低时，熔体黏度主要受氧化钙、氧化镁、氧化钠及氧化钾等的影响;当二氧化硅含量较高时，熔体黏度主要受二氧化硅的影响。由于氧化铁与氧化亚铁的透热性差，其存在会影响玄武岩熔体的传热性，造成熔体温度的不均匀[10]。

玄武岩原料是以矿物形式存在的，各矿物晶体均有固定的熔点，不同矿物组成对玄武岩熔融过程的影响不同，矿物组分的种类及含量与玄武岩的熔融过程密不可分。玄武岩原料的主要矿物及其熔融温度如表1所示。玄武岩的熔融温度随石英、橄榄石等难熔矿物含量的增加而升高，随斜长石、辉石等易熔矿物含量的增加而降低[9]。玄武岩中硅酸盐矿物的含量越高，其熔体的黏度也越高。

玄武岩原料的各化学组成及各矿物组分直接影响玄武岩熔融过程中熔融温度、熔体黏度和熔体温度均匀性，进而影响后续拉丝过程，最终影响玄武岩纤维的抗拉强度。

2.2 玄武岩熔融对纤维抗拉强度的影响

玄武岩熔融温度较低，有利于熔体的融化，有助于熔体温度及物相的均匀化，对玄武岩纤维抗拉强度的提升有促进作用;玄武岩熔体黏度较高，有利于玄武岩纤维抗拉强度的提高，但是当玄武岩熔体的黏度过高时，熔体的流动性变差，进而造成熔体的均匀性变差，从而使玄武岩纤维的抗拉强度降低[8]。熔体温度的均匀性也会影响熔体的流动性，从而影响熔体的均匀性，熔体温度越均匀，制得的玄武岩纤维的抗拉强度越高。

玄武巖熔融温度、熔体黏度、熔体温度的均匀性等因素均会影响玄武岩纤维的抗拉强度，各因素之间又相互作用，共同影响玄武岩纤维的抗拉强度。

3 结语

在玄武岩的熔融过程中，熔融温度、黏度及熔体温度的均匀性等会影响纤维的拉丝过程。玄武岩的原料组成主要通过影响熔体熔融温度、熔体黏度和熔体温度的均匀性，影响玄武岩的熔融过程，进而影响玄武岩纤维的抗拉强度。

参考文献：

[1]蒲庆隆.贵州省赫章县峨眉山玄武岩作为连续玄武岩纤维矿石的初步评价[J].西部探矿工程，2020（1）：156-158.

[2]Wei B，Song S，Cao H.Strengthening of basalt fibers with nano-SiO2-epoxy composite coating[J].Materials & Design，2011（8）：4180-4186.

[3]魏晨，郭荣辉.玄武岩纤维的性能及应用[J].纺织科学与工程学报，2019（3）：89-94.

[4]丁宝明，张蕾，刘嘉麒.中国玄武岩纤维材料产业的发展态势[J].中国矿业，2019（10）：1-5.

[5]王屹，余骁，张建军，等.玄武岩纤维的开发及应用[J].玻璃纤维，2017（4）：28-31.

[6]李新娥.玄武岩织物墙体材料的应用前景[J].产业用纺织品，2015（4）：36-38.

[7]Chen X，Zhang Y，Hui D，et al.Study of melting properties of basalt based on their mineral components[J].Composites Part B：Engineering，2017（6）：53-60.

[8]陈兴芬.连续玄武岩纤维的高强度化研究[D].南京：东南大学，2018.

[9]Chen X，Zhang Y，Huo H，et al.Improving the Tensile Strength of Continuous Basalt Fiber by Mixing Basalts[J].Fibers and Polymers，2017（9）：1796-1803.

[10]王宁.玄武岩纤维及其改性沥青的性能研究[D].武汉：中国地质大学，2013.

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