連續(xù)玄武巖纖維的工業(yè)化生產(chǎn)(精)

1、連續(xù)玄武巖纖維的工業(yè)化生產(chǎn)*楊勇新李洪安于忠生(國家工業(yè)建筑診斷與改適T程技術(shù)研究中心北京100088)(莒口市建筑材料科學(xué)研究所莒口 115000)摘 要：玄武巖纖維是一種新弋材料,Jt生產(chǎn)和應(yīng)用已成為國內(nèi)外I前研究的熱點(diǎn)對連續(xù)玄武巖纖維工業(yè)化生產(chǎn)的條件、工藝和質(zhì)量控制方法于以介紹。關(guān)鍵詞：連續(xù)玄武巖纖維1業(yè)化生產(chǎn)1藝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工業(yè)建筑 2007年第37卷第6期 50前言玄武巖是一種火山噴出巖，是地球上貯藏最最 大,分布面很廣的礦產(chǎn)。多年來我國一些廠家已開 發(fā)生產(chǎn)出玄武巖礦棉的產(chǎn)品，進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，一般 應(yīng)用在保溫、隔熱、耐火等方面。由丁

4、玄武巖礦石具 有較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廣泛的應(yīng)用。但到忖前為 止，玄武巖礦產(chǎn)總體上仍屈丁閑置的門然資源，沒有 得到很好的開發(fā)利用.更沒冇應(yīng)用到咼科技領(lǐng)域，為 我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。玄武巖礦大多裸露易丁開采，所以礦石的價(jià)格 非常低廉利用天然的玄武巖原料拉制生產(chǎn)連續(xù)纖 維,則是非常有價(jià)值的。由丁玄武巖連續(xù)纖維具有 比玻璃纖維更優(yōu)異的性能,如耐溫范圍寬，可以應(yīng)用 在-260°C + 800C的環(huán)境中，而玻璃纖維的溫度 在-60°C- + 450°C,耐堿性能、耐酸性能都耍高丁 普通的玻璃纖維，抗氧化耐水解性能也比玻璃纖維

5、 耍好得多，彈性模量比玻璃纖維島出V3左右，可以 達(dá)到lOQiPa,而玻璃纖維只有70 80(；內(nèi),抗拉強(qiáng)度 英至可以達(dá)到4 OOOMPa以上，所以幺武巖連續(xù)纖維 具有廣闊的市場應(yīng)用前景。玄武巖連續(xù)纖維產(chǎn)品是一種綠色環(huán)保產(chǎn)品，可 以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品可以廣泛地應(yīng)用r工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、汽車、船舶、體育、環(huán)保、化工、軍事、航 空、航天、裝飾、建筑等多個(gè)領(lǐng)域中,一種新材料的出 現(xiàn)必將給人類社會(huì)的建設(shè)和生活帶來巨大的推動(dòng)作 用。玄武巖連續(xù)纖維的大規(guī)模匸業(yè)化生產(chǎn)也將給生 產(chǎn)廠家?guī)碡S厚的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1天然玄武巖可成纖的條件天然玄武巖礦石的成分差異較大，如何判斷玄 武巖能否拉制成連續(xù)纖維酸度

6、系數(shù)是一個(gè)綜介表 達(dá)玄武巖熔體高溫粘度、成纖性能、易熔性和化學(xué)穩(wěn) 定性的主耍參數(shù)。只耍根抓玄武巖的化學(xué)成分計(jì)篦 出玄武巖的酸度系數(shù)，就能大概判斷出該玄武巖能 否拉制成連續(xù)纖維。玄武巖原料的酸度系數(shù)在無堿 與中堿玻璃之間，與中堿玻璃相近，可以判斷.玄武 巖原料在熔融狀態(tài)下很接近中堿玻璃的料性可以 拉制連續(xù)的玄武巖纖維。粘度是拉制玄武巖連續(xù)纖維的主耍指標(biāo)粘度 乂是與溫度有It接關(guān)系的重要參數(shù)。一般悄況下, 溫度升髙,粘度會(huì)降低，玄武巖纖維拉絲作業(yè)的溫度 比玻纖還耍高一些。幺武巖玻璃液在高溫時(shí)段的粘 20)5 q渡攻關(guān)計(jì)劃(國際合作)項(xiàng)高件能纖維增強(qiáng)震合材料工 程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究"(2(&

7、#187;5I)EBA(XXI2)慌助。第-作昂：楊勇新 男1963年II丿出生 M 士后 教授級高級工 程師E- mail: yangyr>ngxin tsiighua or呂.cn收稿 LI 期：2(1)7- (k- 10度變化不人，隨看溫度的降低，粘度的變化慢慢提 高,待到低溫時(shí),粘度急劇提高（玻璃液冷卻過程中, 玻璃液粘度提高的快慢稱為硬化速度）。幺武巖玻 璃液的硬化速度與玄武巖本身粘度-溫度Illi線有 關(guān)由于玄武巖成分含有較高的氧化鐵（一般在 1（）% 15%）.所以幺武巖玻璃液的硬化速度是很快 的這給拉統(tǒng)作業(yè)帶來較大的困難，也就是所說的拉 絲料性較短，很難連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行拉絲

8、作業(yè)。玄武巖具有拉線條件的可能性耍做到穩(wěn)定拉 絲作業(yè)，進(jìn)行匸業(yè)化規(guī)模生產(chǎn),還必須具備下列條件 才能保證拉絲生產(chǎn)。1）玄武巖礦石作為原料必須經(jīng)過高溫熔化后 能形成玻璃體，即在向溫下形成玄武巖熔融玻璃體。2）玄武巖玻璃必須滿足熔制和成型工藝的耍 求。3）拉絲溫度不能過高，必須滿足W（Pt- Rii） 介金對拉絲的耍求,其玄武巖熔融玻璃體的溫度粘 & HU線必須滿足拉絲工藝耍求。4）建設(shè)生產(chǎn)線所需的材料和設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施 條件容易獲得，特別是在國內(nèi)都能得到解決。5）玄武巖連續(xù)纖維產(chǎn)品必須符合國家有關(guān)纖 維性能標(biāo)準(zhǔn)的耍求，也耍滿足FRP和GRC制品的耍 求。6）玄武巖礦產(chǎn)儲量耍大，組分含量耍穩(wěn)定

9、，易 開釆加I；運(yùn)輸方便,價(jià)格低廉是生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的棊本保證。2玄武巖纖維拉絲工藝設(shè)計(jì)玄武巖連維纖維拉絲工藝的設(shè)計(jì)，首先要考慮 以下兒方面的問題，以滿足拉絲丁藝的耍求。1）玄武巖玻璃液體從漏嘴流出時(shí)，要保證液滴 在漏嘴底部不能漫流潤濕角要大一些，減小拉絲時(shí) 的漲力。拉絲過程中解決粘性流體在漏嘴中流動(dòng)的 流體力學(xué)問題。2）漏板的設(shè)計(jì)?？紤]合理的結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度耍 好等問題還耍涉及到電流在漏板上分布均勻的問 題。3）玄武巖玻璃液的粘度是溫度的函數(shù)，所以耍 考慮到漏板的恒溫控制及成型區(qū)的熱交換和溫度控 制。4）池窯通路耍保證提供化學(xué)均勻性和益度均勻 性都好的玄武巖玻璃液供給漏板。5）為保證整個(gè)窯爐

10、的熔化質(zhì)51耍求液而的波 動(dòng)耍小，熱點(diǎn)溫度控制耍穩(wěn)定等。幺武巖連續(xù)纖維池窯拉絲，漏板的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵 的,其q 漏嘴的設(shè)計(jì)是關(guān)系到拉絲穩(wěn)定的亜要一環(huán). 高溫幺武巖玻璃液于漏嘴上部在一定的流體靜丿k力 卜進(jìn)入漏嘴，從漏嘴流出形成液滴，然后被下而的 拉機(jī)以一定的拉絲速度拉細(xì)并r I然冷卻為所需h徑 的玄武巖連續(xù)纖維這就耍求從漏嘴流.*I!的玄武巖 玻璃液溫度均恒，流彊穩(wěn)定。所以合理設(shè)計(jì)漏嘴、漏 板的兒何尺寸和結(jié)構(gòu)以及拉絲漏板材料的選用、漏 板的加工精度等都是非常重耍的。3生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的工藝條件及熔窯結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的工藝流程，見圖Io 際 巖粉料|麻冠混料1動(dòng)喂料加料機(jī)It 麗岡一|冏溫

11、熔滴1T澄淸池IT師路作業(yè)卜 呼麗卜脈7麗T質(zhì)最檢驗(yàn)|_»他裝入庫|圖1工藝流程Fip； 1 The jroccas fInv chart幺武巖礦皋面經(jīng)過化驗(yàn)分析后，確定滿足可以 拉制連續(xù)纖維的條件，將玄武巖基石粉碎成（） 5mm,粉料經(jīng)磁選后進(jìn)入混料機(jī)均勻攪拌成待用料 進(jìn)入料倉，或鬥動(dòng)加料喂料機(jī)將玄武巖原料自動(dòng)加 入到預(yù)熱池加熱，進(jìn)入預(yù)熱池的玄武巖粉料溫度逐 漸升到600 900 C.然后進(jìn)入熔化池熔制成幺武巖 玻璃體這些措施可以去除結(jié)晶水、氣泡和泡沫，使 玻璃熔體的體枳穩(wěn)定得到平胳光滑穩(wěn)定的液面，有 利于玄武巖熔體溫度和粘度的穩(wěn)定性同時(shí)也消除 由/簾爐液面的波動(dòng)對單絲苴徑的影響A

12、此強(qiáng) 調(diào)一下.在整個(gè)當(dāng)爐熔制玄武巖過程中，應(yīng)在充分氣 化狀態(tài)下進(jìn)行，否則將會(huì)有較嚴(yán)匝的事請發(fā)生。利用玄武巖生產(chǎn)連續(xù)纖維的不利因素有：1）氧 化鐵含量高，一般在10%- 15%;2）熔體析晶溫度 鳥,析晶速度快，易使窯內(nèi)熔體勻化不好，溫度梯度 大;3）對耐火材料易產(chǎn)生低共熔，使窯爐使用周期縮 短;4）氣化鐵易還原成金屈鐵，使漏板介金中毒，損 壞漏板。生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維，耍使其穩(wěn)定生產(chǎn),必須克 服以上不利因素。目前設(shè)計(jì)的窯爐是采用組合爐的 結(jié)構(gòu)進(jìn)行熔制拉絲生產(chǎn)的可以帶一塊漏板和多塊 漏板進(jìn)行生產(chǎn)。窯爐的結(jié)構(gòu)分成熔化部、澄淸池、通 路作業(yè)、拉線成型兒個(gè)主要部分。4生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的自動(dòng)控制工業(yè)建筑

13、2007年第37卷第6期幺武巖連續(xù)纖維生產(chǎn)線的穩(wěn)定生產(chǎn)應(yīng)該由門動(dòng) 控制系統(tǒng)來保證。ri動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)該包括溫度控 制、液面控制、速度控制、烘干控制、退解控制、環(huán)境 控制、水保障控制等主要構(gòu)成部分。其中窯爐的溫控系統(tǒng)主要是對組合爐各部溫 度的f I動(dòng)控制采用主電路功率調(diào)格供給窯爐各部 所需的電功率保證安全供電,儀表的運(yùn)算系統(tǒng)可以 通過計(jì)算機(jī)釆樣、計(jì)算、分析、指令、調(diào)整.保證窯爐 溫度偏差在允許范閘之內(nèi)滿足生產(chǎn)條件。京爐液面的穩(wěn)定也是穩(wěn)定生產(chǎn)作業(yè)的條件Z 一.來用遠(yuǎn)紅外線液面控制儀表可使簾爐液面波動(dòng) 在1mm之內(nèi)9儀表運(yùn)行安全可靠。拉線機(jī)頭速度的控制+：要是保證拉絲線速度的 穩(wěn)定，應(yīng)該連續(xù)可調(diào)，滿足

14、單絲直徑從621Pm的 調(diào)整、變換簡捷方便。原絲烘干耍保證原絲的含水率在0 1 %以下。5生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的設(shè)備用于生產(chǎn)制造玄武巖連續(xù)纖維的主耍設(shè)備有: 破碎機(jī)（磁選機(jī)）、混料機(jī)、稱料器、加料機(jī)、預(yù)熱池、 熔窯、澄淸池、單絲涂汕裝置H動(dòng)卷繞拉絲機(jī)、原絲 烘干窯，無捻粗紗機(jī)，紡紗機(jī).溫度控制裝置,水控制 系統(tǒng)等。6浸潤劑在玄武纖維生產(chǎn)過程中，在兒百根單絲極細(xì)的 纖維表而涂敷具冇潤滑性、粘結(jié)性的物質(zhì)，使之能夠 粘結(jié)成一束，減少磨損,使纖維能夠連續(xù)穩(wěn)定正常地 進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)還能改變幺武巖纖維表而狀態(tài)，在復(fù) 介材料中起到促進(jìn)玄武纖維與被增強(qiáng)的尚分子聚介 物的結(jié)介作用，浸潤劑能夠有效地改變單纖維表而

15、光滑、性脆易折斷乂分散的缺陷和表而性質(zhì)C使玄 （上接第13頁）2）玄武巖纖維片材抗拉強(qiáng)度和延伸率隨著老化 時(shí)間的變化規(guī)律非常相似。延伸率受濕熱老化環(huán)境 的影響幅度要比抗拉強(qiáng)度大得多。3）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境對玄武巖纖維片材的彈 性模量影響較小。4）通過對不|» M纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在濕熱老化時(shí) 間為1 OOOh時(shí)拉伸性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維 片材和碳纖維片材抗拉強(qiáng)&的穩(wěn)定性耍明顯優(yōu)丁玻 璃纖維片材和芳綸纖維片材。碳纖維片材和玻璃纖 維片材的延伸率有所下降，而玄武巖纖維片材的延 伸率變化不大。另外玄武巖纖維片材和碳纖維片 材的彈性模鼠均有所上升，而玻璃纖維片材和芳綸 纖維片材的彈

16、性模最有不同程度的下降。武巖纖維及其制品能夠得到廣泛的應(yīng)用。對各種不 同的幺武巖纖維增強(qiáng)材料的成型匸藝必須要有專 用的浸潤劑與之配套，如各種制品（無捻粗紗、有捻 細(xì)紗、薄氈各種織物等）、增強(qiáng)樹脂（ERP）、增強(qiáng)水泥 （眾（：）增強(qiáng)橡膠等制品所必須的技術(shù)性能如穿透 性、浸潤性、硬挺性、切割性、分散性等等所以幺武 巖連續(xù)纖維的生產(chǎn)浸潤劑是至關(guān)重耍的,作用如 下：1）潤滑保護(hù)作用;2）粘結(jié)集束作用:3）抗靜電作 用;4）提高工藝制品的物理性能作用;5）使纖維與材 料有更好的相容性及界面化學(xué)結(jié)合或吸附等性能。7討論現(xiàn)有玄武巖纖維的生產(chǎn)技術(shù)己經(jīng)趨于成熟，但 生產(chǎn)水平和丁藝還有很大的發(fā)展空間。其發(fā)展方向

17、為：1）生產(chǎn)最級由白噸向千萬噸級發(fā)展;2）控制水 平更加成熟、配套設(shè)施更加完善。玄武巖纖維的工業(yè)化生產(chǎn)水平和工藝己趨于成 熟,但仍有很多工作待做其工藝的提爲(wèi)、設(shè)備的完 善需耍投入更多的人力、物力進(jìn)行進(jìn)一步的研究和 開發(fā)。參考文獻(xiàn)1謝爾鍛，李中郢.玄武巖纖維材料的應(yīng)用前景.纖維復(fù)合材料. 208（3）: 17- 3）2仃錢華.國外連續(xù)玄武巖纖維的發(fā)展及此應(yīng)用.玻璃纖維.3D（B （出：28- 293許淑恿，彭國勛.黨新安.玄武巖連續(xù)纖維的產(chǎn)業(yè)化幵發(fā).理筑材 料學(xué)報(bào),2005（3）:261- 2675）玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗?jié)駸崂匣€(wěn)定 性較好。參考文獻(xiàn)1楊勇新.碳纖維布與混凝十的粘結(jié)性能及英加固混凝土受彎構(gòu) 件的破壞機(jī)理研究:博士學(xué)位論文.夭津：犬津人學(xué)建筑工程 學(xué)院，2（X）12郭作紅.