玄武岩纤维矿物组成形态及熔融析晶特性

樊霆¹，童庆²，叶文玲¹，汤婕¹，陈海燕¹，张颖慧¹，李定心¹

(1. 安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥，230036；

2. 合肥水泥研究设计院，安徽 合肥，230051)

摘要：采用X 线衍射分析(XRD)、X线荧光分析(XRF)、扫描电镜分析(SEM)和热重-差热分析(TG-DSC)，对取自黑龙江鸡西玄武岩样本(样品A)和辽宁阜新玄武岩矿物样品(样品B)的化学组成、表面形态及熔融析晶特性分别进行对比分析研究。研究结果表明：这2个样品主要矿物成分均为拉长石—钙长石，且均含有少量黏土类矿物；这2个样品表面形态相似，表面分层呈纹理状；样品B的酸度系数比样品A的小；样品B的熔融温度(1 291 ℃)、析晶温度(1 248 ℃)均分别比样品A的熔融温度(1 332 ℃)和析晶温度(1 262 ℃)低，表明在玄武岩纤维制备阶段工艺控制方面样品B较易实现。

关键词：玄武岩矿物；化学组成；表面形态；熔融特性；析晶性能

中图分类号：X51；TQ343          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)10-4307-05

Composition morphology and melting crystallization characteristics of basalt fibre mineral

FAN Ting¹, TONG Qing², YE Wenling¹, TANG Jie¹, CHEN Haiyan¹, ZHANG Yinghui¹, LI Dingxin¹

(1. School of Resource and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China;

2. Hefei Cement Research Design Institute, Hefei 230051, China)

Abstract: Chemical composition, surface morphology and melting crystallization characteristics of basalt mineral samples from Heilongjiang Jixi (sample A) and Liaoning Fuxin (sample B) were studied respectively by using X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), scanning electron microscopy (SEM) and thermo gravimetric-differential scanning calorimetry (TG-DSC) methods. The results show that the main mineral components of the two samples are labradorite-anorthite, which also contain a small amount of clay mineral. The surface morphology of the two samples is similar with a textured surface layer. The acidity coefficient of sample B is lower than that of sample A. The melting temperature (1 291 ℃) and crystallization temperature (1 248 ℃) of sample B are lower than that of sample A (1 332 ℃ and 1 262 ℃), which indicates that the sample B is relatively easy to achieve in the process of basalt fiber preparation control.

Key words: basalt mineral; chemical composition; surface morphology; melting characteristics; crystallization characteristics

目前，由于普通玻璃纤维和化学纤维滤料受材质使用温度限制，对高温含尘烟气(250~400 ℃)的净化处理，必须经过热交换装置进行降温处理至250 ℃以下才能进入袋除尘设备，造成整个除尘系统运行阻力高，能耗大^[1]。而玄武岩纤维因其在耐高温、稳定性、耐腐蚀性、导热性、绝缘性等许多技术指标方面均优于普通玻璃纤维和化学纤维，使其成为理想的高温烟气过滤材料^[2-6]，高温含尘烟气可不经过热交换装置降温直接进入袋除尘设备。玄武岩纤维生产工艺难易程度、纤维质量的控制在很大程度上取决于玄武岩矿物物化特性、主要组成、熔融特性等因素^[7-9]，因此，对玄武岩矿物特征的研究越来越引起广泛关注。为此，本文作者结合我国玄武岩分布状况和特点，选择产地为黑龙江鸡西、辽宁阜新的玄武岩矿物样品(分别为样品A和样品B)，对矿石化学组成、表面形态及熔融析晶特性进行对比分析研究，确定玄武岩矿石属性、主要成分、表面特征及熔融和析晶温度，以便为玄武岩纤维制备提供依据。

1  实验与方法

1.1  玄武岩矿物物相分析

玄武岩矿物化学成分组成及其质量分数是决定其制备玄武岩纤维性能的关键因素^[10]。针对不同产地矿物样品A和样品B，首先用X线衍射分析仪对其进行定性分析，然后对其组成进行定量全化学分析。

分别取不同产地的粒度为75 μm的玄武岩矿物预处理样品各100 mg，采用水平型大功率TIR-III型X射线粉末衍射仪，在X射线源(Cu K_α，电压为40 kV，电流为200 mA)，扫描速度为8 (°)/min，扫描步长为0.02°，扫描范围为5°~70°的条件下进行X线衍射测试。采用XRF-1800型X线荧光光谱仪对全化学组分进行分析。

1.2  玄武岩矿物表面形态分析

在无尘操作箱敲开玄武岩矿物样品，采用Sirion200场扫描电镜对新鲜断面表面结构及形态特征进行分析。

1.3  玄武岩矿物熔融析晶特性分析

玄武岩矿物的熔融温度和析晶温度对纤维生产工艺有重要意义，是对玄武岩熔化、成型过程中传热和流动过程进行数值模拟不可缺少的物性参数。本实验采用热重-差示扫描量热法(TG-DSC)^[11] 对玄武岩矿物熔融特性进行研究，以获得矿物的最高熔化温度、最高析晶温度，以便为后续的拉丝实验研究获得基本的温度。

分别取不同产地的粒度为75 μm的玄武岩矿物预处理样品，采用SDT Q600型热重-差热分析仪进行分析。实验仪器允许温度范围为室温~1 450 ℃；DSC的分辨率为0.1 μW，加热速率为10 ℃/min，实验气氛为空气，气氛流速为100 mL/min。实验使用Al₂O₃坩埚仪器，坩埚本身热特性通过基线扣除。

2  结果与讨论

2.1  玄武岩矿物化学组分分析

2.1.1  X线衍射定性分析

样品A和样品B的XRD图谱分别如图1和图2所示。研究结果表明：样品A和B的衍射图谱分别与标准谱图库中已知物质83-1417和83-1367的衍射花样相近；矿物样品A和B的主要物相为拉长石(Ca_0.65Na_0.32(Al_1.62Si_2.38O₈))，属于基性斜长石的一种，是由钠长石(0.35NaAlSi₃O₈，符号为Ab)和钙长石(0.65CaAl₂Si₂O₈，符号为An)组成的类质同象系列，通常用An分子的质量分数表示斜长石的成分含量，An的质量分数为50%~70%。

经初步分析，这2个样品中均含有SiO₂，Al₂O₃，Na₂O₃和CaO；样品A的衍射图中衍射面间距d为15.581 8×10^{-10 m}和4.400 2×10^{-10 m}，样品B衍射图中d为15.171 3×10^{-10 m}和4.404 0×10^{-10 m}，根据黏土类矿物标准物质衍射花样，判断这2个样品中均含有少量黏土类矿物。

图1  样品A的XRD图谱

Fig. 1  XRD pattern of sample A

图2  样品B的XRD图谱

Fig. 2  XRD pattern of sample B

2.1.2  全化学组分分析

样品A和样品B的矿物化学成份全化学分析结果见表1。根据里特曼指数公式确定这个产地玄武岩矿石同为拉斑玄武岩系列，属亚碱性玄武岩，主要成分为基性斜长石及少量铁、钛氧化物，拉斑玄武岩富含SiO₂(质量分数为49.0%~53.5%)，贫碱，矿物成分为拉长石—钙长石。通过全化学成分分析验证了XRD衍射分析的结果。

表1  玄武岩矿物化学成分(质量分数)

Table 1  Chemical composition of basalt mineral  %

酸度系数是一个综合表达玄武岩熔体高温黏度、成纤性能、易熔性和化学稳定性的重要参数。根据矿物中SiO₂，Al₂O₃，MgO和CaO的质量分数可计算出酸度系数，其值越高，表明熔体黏度越大，纤维拉丝成型工艺要求难度就越大。一般工艺要求成纤酸度系数为3.5~5.0时最佳^[12]。经计算，样品A和B的酸度系数分别为6.0和4.69，表明样品B较样品A更能够满足玄武岩连续纤维生产工艺要求。

2.2  玄武岩矿物表面形态分析

样品A和B新鲜断面的SEM照片分别见图3和图4。从图3(a)和图4(a)可以看出：这2个样品玄武岩矿物断面表面形态较相似，玄武岩岩石基质致密，微晶与基质间的界面明显，断口纹理清楚，表面分层呈纹理状。从图3(b)和图4(b)可见：玄武岩矿物断面表面呈小的弯曲片状，集合体呈花朵状的结构，是黏土矿物成分的特征结构，这与X线衍射分析结果相一致，说明该玄武岩成分中含有少量的黏土矿物成分，同时也可能是小部分玄武岩风化成黏土矿物。

2.3  玄武岩矿物熔融特性研究

通过热重-差示扫描量热法(TG-DSC)，可从DSC曲线的吸热和放热峰及与之对应的TG曲线中质量变化判断可能发生的反应，确定熔融和析晶反应。样品A的TG-DSC曲线如图5所示。由图5可知样品A的TG曲线出现了3个主要质量损失段：第1个质量损失段的温度范围为室温~98 ℃，主要是样品本身吸附水挥发所致；第2个质量损失段温度范围为98~650℃，主要是样品中的碳酸盐类矿物分解所致，在650~1148 ℃未见明显质量损失；第3个质量损失段温度范围为1 148~1 332 ℃，主要是样品中的硫酸盐类矿物分解失重类矿物分解所致。

图3  样品A的表面SEM像

Fig. 3  SEM images of sample A

图4  样品B的表面SEM像

Fig. 4  SEM images of sample B

图5  样品A的TG-DSC曲线

Fig. 5  TG-DSC curve of sample A(Jixi)

与TG曲线相对应，样品A的DSC曲线主要出现3个吸热峰和1个放热峰。第1个吸热峰(峰值约为98 ℃)是样品本身失去吸附水所致。第2个吸热峰(峰值约为1 148 ℃)包含2个反应过程：(1) 碳酸盐类矿物分解(198~650 ℃)产生吸热，而且曲线下降较陡，说明分解吸热的速度很快；(2) 在650~1 148 ℃，TG曲线未见明显质量损失。相关研究表明^[13]：在SiO₂-Na₂O的二元相图上808 ℃便会产生液相，在950 ℃以前不会出现明显的化学变化。当温度升高时，钠的硅铝酸盐进一步熔化，在950 ℃后，随着液相的增多，矿物样品进入烧结状态。据此推断第2吸热峰是钠、钾的硅酸盐和硅铝酸盐熔融，而这2个熔融吸热峰标志着矿物样品中出现液相，并逐渐进入烧结状态。第3个吸热峰对应的TG曲线质量损失，为硫酸盐分解吸热。这个吸热峰很陡，说明分解吸热的速度很快。有关研究表明：CaSO₄在1 200 ℃时加热一段时间，分解率超过60 %，至1 332 ℃以上时完全熔融。在DSC曲线中有1放热峰(约1 262 ℃)，分析其为硅铝酸盐的最高析晶温度。样品A特征峰描述见表2。

样品B 的TG-DSC曲线特征与样品A的近似，其TG-DSC曲线和特征峰描述分别如图6和表2所示。从图6和表2可见：样品B表现为3个主要质量损失段以及3个吸热峰和1个放热峰，所不同的是各峰值对应的温度比样品A对应温度低。其完全熔融温度约为1 291 ℃，最高析晶温度为1 248 ℃。

在玄武岩纤维制备过程中，玄武岩熔体有不同程度的析晶倾向，这种析晶倾向称为析晶性能。在纤维生产过程中，析晶将导致纤维断裂，强度降低。为避免拉丝时产生析晶现象，成型温度必须要高于玄武岩的析晶温度。一般拉丝作业中漏板温度至少大于析晶上限温度80 ℃左右^[12]，故样品A和样品B的拉丝温度应分别控制在1 340 ℃和1 320 ℃附近。

图6  样品B的TG-DSC曲线

Fig. 6  TG-DSC curve of sample B

表2  玄武岩矿石样品特征峰描述

Table 2  Characteristic peak description of basalt mineral sample

以上分析表明：这2个玄武岩矿物样本均包含碳酸盐类、硫酸盐类、钠的硅酸盐、硅铝酸盐等矿物，与化学全分析实验结果相吻合；样品B的最高析晶温度比样品A的低，因而，在拉丝阶段工艺控制方面比样品A容易实现。这与前述矿石化学组分酸度系数分析结论一致。

3  结论

(1) 不同产地主要矿物成分均为拉长石—钙长石，属拉斑玄武岩系列和亚碱性玄武岩，且均含有少量黏土类矿物。样品B的酸度系数比样品A的低，表明样品B比样品A更能够满足玄武岩连续纤维生产工艺要求。

(2) 不同产地玄武岩矿物表面形态相似，基质致密，微晶与基质间的界面明显，断口纹理清楚，集合体呈花朵状结构。样品A和B均出现黏土矿物成分的特征结构。

(3) 不同产地玄武岩矿物样品均包含碳酸盐类、硫酸盐类、钠的硅酸盐、硅铝酸盐等矿物，样品B的熔融温度(1 291 ℃)、析晶温度(1 248 ℃)均分别比样品A的熔融温度(1 332 ℃)和析晶温度(1 262 ℃)低，表明在玄武岩纤维制备阶段工艺控制方面样品B较容易实现。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-01-20；修回日期：2013-04-24

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAE29B00)

通信作者：樊霆(1977-)，女，河南西华人，讲师，从事大气污染治理及新型过滤材料研究；电话：13739277109；E-mail：fanting435@126.com