连续玄武岩纤维的高强度化研究

摘要

连续玄武岩纤维是以天然火山岩为原料经1500℃高温熔融后快速拉制而成的连续纤维,其外观为金褐色,属于非金属的无机纤维,生产过程几乎无"三废"产生,被称为21世纪无污染的"绿色工业原材料".这里,连续玄武岩纤维生产原料的"玄武岩"是玄武岩、安山岩、粒玄岩、辉石岩、玄武安山岩等可用于生产连续纤维的火山岩的通称.由于连续玄武岩纤维具有较高的力学性能及耐久性,被列为是中国四大高技术纤维(碳纤维、芳纶纤维、高分子量聚乙烯纤维和连续玄武岩纤维)之一.虽然起步晚于其它三种高技术纤维,但由于连续玄武岩纤维性价比高,应用领域广,国内外对其寄予厚望. 近年来,连续玄武岩纤维的生产及应用技术得到了快速发展.然而,由于连续玄武岩纤维生产中存在诸多科学及技术问题,面临着产品性能离散性大、稳定性差、产量规模小、生产成本高、生产装备落后等制约连续玄武岩纤维产业快速发展的诸多瓶颈,从而导致连续玄武岩纤维的高性价比未能有效发挥.另一方面,随着风力发电、汽车、飞机、船艇、土木建筑等产业的快速可持续发展,对高性能纤维复合材料的需求日渐强劲,进而对连续玄武岩纤维的高性能化,特别是对稳定、高强度连续玄武岩纤维的期望迫切. 针对目前连续玄武岩纤维存在的质量和性能不稳定问题、以及应用领域对高强度连续玄武岩纤维的需求,本文通过对玄武岩原料熔制机理和玄武岩矿石多元均配混配理论体系的创新研究,建立了提高连续玄武岩纤维的稳定性和强度的理论、方法及技术途径.本文的主要研究内容和创新点如下: (1)首先通过高温显微图像、矿物相图、DSC图谱和XRD衍射光谱的深化研究,系统分析了安山岩、玄武安山岩、拉斑玄武岩和碱性玄武岩(以下通称玄武岩)矿石的熔化过程.全面分析了玄武岩的化学成分和矿物组分对熔化温度(熔制过程)的影响和作用.揭示了了玄武岩玻璃的加热反应及熔制过程及熔制机理,明确了玄武岩的熔化主要发生物理变化,过程是矿物组分熔化形成玻璃态,晶体有序结构变成玻璃无序结构的过程,形成了连续玄武岩纤维稳定化和高性能化生产技术的重要理论基础.均质性是决定纤维稳定性的本质因素,本文分析了影响玄武岩玻璃熔体均质化的因素,提出了通过优化玄武岩矿石组分和合理的熔制工艺制度来提高玄武岩熔体均质性的技术方法,本研究从源头上提供了解决连续玄武岩纤维稳定性的技术途径. (2)玄武岩是天然矿石原料,不同于玻璃配合料,通过调整玻璃配合料中某种化学成分的种类或含量来满足纤维的工艺参数及性能要求.由于不同地区的玄武岩成分各不相同,自然界中,必然存在满足不同性能要求的天然单一的玄武岩矿石原料.本文首先以天然单组分玄武岩矿石为研究对象,系统研究了安山岩、玄武安山岩、拉斑玄武岩的化学成分和矿物组分对拉伸强度、熔制性能(熔化温度和粘度)和纤维成型性能(析晶温度和纤维成型温度范围)的影响,以及熔制性能和纤维成型性能对拉伸强度的影响,以期明确影响天然连续玄武岩纤维强度的因素.结果表明:在玄武岩熔体均质的情况下,连续玄武岩纤维的拉伸强度由化学成分和矿物组分决定.玄武岩的矿物组分决定了玄武岩的熔制性能和纤维成型性能,玄武岩的熔制性能和纤维成型性能又决定了玄武岩玻璃的均质性,从而影响连续玄武岩纤维的强度及稳定性.本文首次揭示了玄武岩的矿物组分在玄武岩纤维生产过程中的复合作用. 研究还发现:当玄武岩的SiO2含量为50%-57%,纤维单丝的拉伸强度高,本研究最高达到3370.46MPa.此条件下,玄武岩易于熔化和均质,其熔融温度为1280℃-1470℃,1300℃时的粘度250dPa?s-650dPa?s,析晶上限温度为1240℃-1290℃,纤维成型温度范围一般为-90℃-20℃.本文的研究为选择生产高强度连续玄武岩纤维的玄武岩矿石提供了明确的技术思路. (3)本文创新发展了玄武岩矿石多元均配混配理论体系.首先通过在低SiO2含量的玄武岩中引入高SiO2含量的玄武岩形成玄武岩混合料,研究了玄武岩混合料的拉伸强度、熔制性能和纤维成型性能,以及它们之间的相互关系.与天然单一的连续玄武岩纤维相比,不论玄武岩混合料中SiO2含量大于、接近或小于天然单一玄武岩的SiO2含量时,玄武岩混合料纤维的拉伸强度都大于天然单一玄武岩纤维的拉伸强度.同时,玄武岩混合料的玄武岩熔制性能和纤维成型性能的得到了优化.因此,有效的混料能够优化玄武岩化学成分、矿物组分和熔制特性;从而提升成分的稳定性、熔体的均质性和纤维强度. (4)本文揭示了连续玄武岩纤维的强度与化学成分、矿物组分、熔制性能和纤维成型性能存在内外因素交叉的相互关系.研究表明:化学成分和矿物组分是影响强度的内因,熔制性能和纤维成型性能是影响强度的外因.当玄武岩玻璃熔体在足够均质的情况下,连续玄武岩纤维的强度取决于化学成分和矿物组分;反之,连续玄武岩纤维的强度取决于矿物组分,因为熔制性能和纤维成型性能是由矿物组分决定的,熔制性能和纤维成型性能又决定玄武岩玻璃熔体的均质性好坏. 从本文的研究来看:不论是天然单一连续玄武岩纤维,还是玄武岩混合料纤维,SiO2含量为50%-57%,玄武岩纤维的拉伸强度高,玄武岩玻璃熔体的均质性好,此时拉伸强度由化学成分和矿物组分决定.当SiO2含量>57%,玄武岩纤维的拉伸强度低,玄武岩玻璃熔体的均质性不好,连续玄武岩纤维的拉伸强度主要由熔制性能决定;当SiO2含量<50%,玄武岩纤维的拉伸强度低,玄武岩玻璃的均质性不好,连续玄武岩纤维的单丝拉伸强度主要由纤维成形性能决定.

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