生产连续的玄武岩纤维的组合物及方法

摘要

本发明属于连续无机纤维的生产工艺，主要是指通过拉伸融化矿物的方法制得纤维。这种连续无机纤维可用于制造耐热线、多股粗纱、采掘纤维、纺织品、合成材料以及在上述材料基础上加工成的产品。本发明的玻璃的下述各组分的含量如下(质量百分比％)：Al2O3，15.90-18.10；TiO2，0.75-1.20；Fe2O3，7.51-9.53；CaO，6.41-8.95；MgO，2.50-6.40；K2O，1.60-2.72；Na2O，3.30-4.10；P2O5，0.23-0.50；SO3，0.02-0.15；MnO，0.12-0.21；BaO，0.05-0.19；添加剂，低于1.00；SiO2，剩余质量百分比。生产方法包括粉碎组合物的熔炉装炉作业、组合物的熔化、熔融体的均匀化、熔融体在熔炉供料器中的后续稳定化处理、纤维拉丝、纤维浸油和卷线，而按照本发明，在粉碎组合物进行熔炉装炉前应当将其在碱溶液中浸泡15-20分钟，再用清水冲洗20-30分钟并风干，在清洗和风干之后才进行熔炉装炉作业。

权利要求

1.一种生产连续的玄武岩纤维的组合物，该组合物为硅的氧化物SiO2、铝的氧化物Al2O3、钛的氧化物TiO2、铁的氧化物Fe2O3·FeO、钙的氧化物CaO、镁的氧化物MgO和锰的氧化物MnO的混合物，其特征在于：所述组合物包含辅助添加剂氧化钾、氧化钠、氧化钡，各组分的含量如下(质量百分比％)：Al2O3               15.90-18.10TiO2                0.75-1.20Fe2O3+FeO           7.51-9.53CaO                 6.41-8.95MgO                 2.50-6.40K2O                 1.60-2.72Na2O                3.30-4.10P2O5                0.23-0.50SO3                 0.02-0.15MnO                 0.12-0.21BaO                 0.05-0.19添加剂              低于1.00

SiO2                剩余质量百分比。

2.一种应用权利要求1所述的组合物生产连续的玄武岩纤维的方法，该方法包括：粉碎组合物的熔炉装炉作业、组合物的熔化、熔融体的均匀化、熔融体在熔炉供料器中的后续稳定化处理、纤维拉丝、纤维浸油和卷线，其特征在于：在粉碎组合物进行熔炉装炉前应当将其在碱溶液中浸泡15-20分钟，再用清水冲洗20-30分钟，然后才进行熔炉装炉作业。

3.权利要求2所述的生产连续的玄武岩纤维的方法，其中所述的碱溶液使用浓度为0.1N-0.5N的氢氧化钠和氢氧化钾溶液。

说明书

本发明涉及连续无机纤维的生产工艺，主要是指通过拉伸融化矿物的方法制得纤维。这种连续无机纤维可用于制造耐热线、多股粗纱、采掘纤维、纺织品、合成材料以及在上述材料基础上加工成的产品。

在独联体国家及其他国家，在矿物纤维、玻璃纤维和其他纤维基础上进行的纤维材料生产活动的发展极其迅猛。但是，对此类材料的技术要求的增长以及原料的缺陷却限制了生产容量的增长。

对纤维材料不断增长的需求的保障决定了纤维材料的质量也将有大幅提高。因此，在独联体国家，玄武岩纤维以及在其基础上所获得的材料的工业生产方法得到了广泛普及，这种材料的原始单组分原料采用的是岩石，包括玄武岩、辉长岩和辉绿岩、玢岩等等。

采用玄武岩纤维为原料可以生产出能够替代石棉、金属、木材等等材料的产品。

就其本质特征的数量来讲，同本发明最为接近的生产连续玄武岩纤维时的生产组合物为：硅的氧化物(SiO2)、铝的氧化物(Al2O3)、钛的氧化物(TiO2)、铁的氧化物(Fe2O3·FeO)、钙的氧化物(CaO)、镁的氧化物(MgO)、锰的氧化物(MnO)的混合物，以及其他的添加剂(俄罗斯联邦专利第02118300号，国际专利分类6 C 03 B 37/02，1998年)。原始组合物的混合元素见表1.

表1

上述组合物的缺点在于用这些组合物生产出的连续纤维的强度不够，因为组合物的结晶上限的最高点为1245-1290℃，这就影响了连续玄武岩纤维的稳定成型过程。

就其本质特征的数量来讲，同本发明最为接近的生产连续玄武岩纤维的生产方法包括：粉碎组合物的熔炉装炉作业、组合物的熔化、熔融体的均匀化、熔融体在熔炉供料器中的后续稳定化处理、纤维拉丝、纤维浸油和卷线(俄罗斯联邦专利第02118300号，国际专利分类6 C 03 B 37/02，1998年)。

上述方法的缺点在于采用所述方法生产出的连续纤维的强度和化学稳定性不够，因为加工纤维的温度区间太窄。纤维加工温度同结晶上限的平均差值为70-100℃，这将导致连续纤维的拉丝过程变得不稳定，因为在该温度模式下熔融体会发生初期结晶，这将造成纤维线的断头。实践证明，加工温度应当不低于结晶上限温度+110℃。

本发明的基础是这样一个任务，即建立一系列方法，通过创造条件降低纤维表面的缺陷而获得高强度的化学稳定纤维。

解决上述任务的连续玄武岩纤维生产组合物包括：硅的氧化物(SiO2)、铝的氧化物(Al2O3)、钛的氧化物(TiO2)、铁的氧化物(Fe2O3·FeO)、钙的氧化物(CaO)、镁的氧化物(MgO)、锰的氧化物(MnO)的混合物，以及其他的添加剂，而按照本发明，本组合物还包括以下附加组分，即钾的氧化物(K2O)、钠的氧化物(Na2O)、钡的氧化物(BaO)，各组合物的比例如下(质量百分比％)：

Al2O3        15.90-18.10

TiO2         0.75-1.20

Fe2O3+FeO    7.51-9.53

CaO          6.41-8.95

MgO          2.50-6.40

K2O          1.60-2.72

Na2O         3.30-4.10

P2O5         0.23-0.50

SO3          0.02-0.15

MnO       0.12-0.21

BaO       0.05-0.19

添加剂    低于1.00

SiO2      剩余百分数

解决上述任务的方法同众所周知的生产连续玄武岩纤维的生产方法类似，它包括如下工序步骤：即包括粉碎组合物的熔炉装炉作业、组合物的熔化、熔融体的均匀化、熔融体在熔炉供料器中的后续稳定化处理、纤维拉丝、纤维浸油和卷线，而按照本发明，在粉碎组合物进行熔炉装炉前应当将其在碱溶液中浸泡15-20分钟，再用清水冲洗20-30分钟，然后才进行熔炉装炉作业。

该方法的特点在于，碱溶液使用浓度为(0.1-0.5)N的氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH)溶液。

本发明的思路在于创造条件以获得酸性值为pH5-7的熔融体，因为试验证明，只有熔融体的酸度达到这个值的时候才能保证获得化学成分单一的组分，即熔融体的酸性组分，它们能够通碱组分相互反应，从而保证获得化学中性的熔融体。与此同时，化学中性的熔融体在其存储过程中不会像在传统岩石熔融体中一样产生小气泡，这将实质性地减少纤维表面的缺陷数量，并使不降低纤维强度条件下减小纤维基础直径成为了可能。在传统炉料中加入上述量的碱金属氧化物促进了熔融体化学中性组分的进一步形成。当K2O的含量超过4.1％个质量百分比且Na2O的含量低于1.6％个质量百分比时，就会破坏熔融体的酸度，这将导致熔融体中发生化学反应并形成小气泡。当组合物中B a O和添加剂的含量为0.05-0.19％个质量百分比时，熔融体的透热性将增大，这将导致加工温度区间增大，纤维加工条件将因此得到改善，纤维表面的缺陷就会减少，就会创造出产生密实表面的条件，该表面能阻止造成断头的负荷张力的出现。最终，表层组分将发生改变，大尺寸碱性离子将被小尺寸离子所取代，或者相反。为实现加强纤维组分的离子替换过程，采用了添加剂中所列举的氧化物。此外，还可以加别的添加剂，譬如，采用氧化锌(ZnO)为添加剂，则可以形成含有氧化铝(Al2O3)的耐酸性固体熔体。氧化磷及其他添加剂能够提高耐酸性，譬如门德列耶夫化学元素周期表第III族和第V族的元素的氧化物。本发明的作者们用试验证明了纤维表面物质的形成事实，这些物质的结构同沉淀物的结构类似，而沉淀物是组合物进行熔炉装炉之前在使用碱性溶液对炉料进行加工的过程中产生的。这种结构大大提高了纤维的表面强度。

作者们还通过试验找到了本组合物加工过程的工况参数，包括从熔炉装炉到获得连续玄武岩纤维职工过程的参数。譬如，当组合物(炉料)在碱性溶液中浸泡的时间少于15分钟时，本方法的效果基本上得不到体现；而如果将炉料在碱性溶液中浸泡20分钟以上，则它在经济上则是完全不划算的。

用清水冲洗炉料的过程应持续20-30分钟，因为这段时间足以保证炉料上碱性物质的去除，如果这些碱性物质不去除，它们就会对熔炉壁产生腐蚀。

本组合物的添加剂包括(质量百分比％)：

Cr2O3        0.010-0.0315

CO2O3        0.0005-0.0047

NiO          0.0079-0.0091

CuO          0.0065-0.0087

ZnO          0.0083-0.0159

Ga2O3        0.0029-0.0051

Rb2O         0.0049-0.0095

SrO          0.0585-0.0923

ZrO2         0.0127-0.0173

Nb2O5        0.0011-0.0019

V2O5         0.029-0.043，

氟的化合物   0.06-0.11

氯的化合物   0.0270-0.0520

上述添加剂的量同纤维表面结构同沉淀物结构的构造物的数量完全无关。

氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH)溶液几乎具有相同的化学特性，但是，炉料材料的结构则不同，炉料中的部分元素更容易同氢氧化钠(NaOH)发生反应，而另一部分则较容易同氢氧化钾(KOH)发生反应，此时，溶液中氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH)的含量基本相等。氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH)的浓度为(0.1-0.5)N。使用更高浓度的溶液是不经济的。

采用本发明可以获得高强度的连续玄武岩纤维，同时，还可以提高连续纤维的耐热性和耐酸性。

本发明的方法为：

将上述组合物粉碎为粒度为1.0-5.0毫米的微粒并置入装满浓度为0.5N的氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH)溶液的容器中，容器温度为+20℃-60℃。将粉碎组合物在该溶液中浸泡15-20分钟并不断搅拌，然后倒出溶液并用清水冲洗粉碎组合物以及经碱溶液处理的炉料30分钟，然后在炉料中通入空气风干炉料。将经过碱溶液处理和风干处理的炉料装入温度为1400-2000℃的熔炉。从炉料中可得到熔融体，将熔融体在熔炉中搁置一段时间以使其均匀化，然后将已经均匀化处理的熔融体送入纤维成形区域，该区域是一个带有拉线模的进料器，其温度高于熔融体的结晶温度。从拉线模中出来的熔融体为滴状，它会形成一个球体，随着自身质量的增加，球体将脱离拉线模并形成纤维，纤维的拉丝作业应对立刻进行并连续不断。为避免纤维线丝的相互磨擦或相互粘结，应当用辊式浸油器械对纤维进行浸油。连续纤维的成形过程应对平稳地进行。

按照图2所示，本组合物的结晶上限温度(T结晶上限)同原型温度相比要低，而纤维的加工温度范围则得到了延伸。

此外，所获得的连续纤维相对于盐酸(H C l)的化学稳定性的试验性检查表明，它们比采用原型方法获得的纤维更具有耐酸性。

通过确定表面积为5000平方厘米的纤维在持续3小时的加热状态下的质量损失可以确定连续纤维相对于酸溶液和碱溶液的化学稳定性(表3)。

表2

  熔融体和纤维的技术特性   纤维组分     采用本方法制造   采用原型方法制造     结晶温度上限，T结晶上限，℃   1210-1230   1240-1290   加工温度区间，℃   1320-1430   1350-1430   基础纤维的平均直径，微米   7±2   8.5   拉伸强度极限，兆帕   2250-3200   2240-3110

表3

  环境   采用本组合物原料生产   的纤维的稳定性，％   采用原型组合物生产的   纤维的稳定性，％   2N盐酸溶液HCL   97.1   91.0   2N氢氧化钠溶液  NaOH   98.2   96.8   Ca(OH)2   99.7   -----

从表3可以看出，采用本发明的组合物及方法生产出的连续纤维不但对酸溶液具有很高的稳定性，而且相对于饱和氢氧化钙溶液Ca(OH)2也具有很高的稳定性，这就决定了此种纤维的广泛用途，譬如，生产用于复合材料填料的渗碳强化过滤材料等在腐蚀性介质中能保持稳定的材料。

参考文献：

RU 2018491 C 1，28.02.79

SU 649670 A，03.03.79。