Al2O3對(duì)玄武巖玻璃析晶性能的影響研究

李雙慧，黃 沁 ，舒鳳嬌，馬躍國(guó) ，周永發(fā) ，陳 波 ，葛 源

(六盤(pán)水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院 ，貴州 六盤(pán)水 553004)

玄武巖纖維因其綠色環(huán)保、性能優(yōu)越，被廣泛應(yīng)用于軍工、建筑、環(huán)保等領(lǐng)域[1]。玄武巖的熔融特性、黏度特性、析晶特性等對(duì)玄武巖纖維的生產(chǎn)及性能有極大影響，其中析晶特性對(duì)纖維成絲、纖維強(qiáng)度影響顯著[2-5]。本文以貴州六盤(pán)水地區(qū)玄武巖為研究對(duì)象，通過(guò)添加三氧化二鋁研究其含量對(duì)玄武巖玻璃析晶性能的影響，為玄武巖纖維生產(chǎn)中析晶性能的調(diào)控提供一定的依據(jù)。

1 原料及分析

樣品取自貴州省六盤(pán)水地區(qū)的玄武巖礦，經(jīng)過(guò)破碎、磨礦、干燥等處理工藝獲得玄武巖粉末。利用X射線熒光光譜分析玄武巖的化學(xué)組成，結(jié)果見(jiàn)如表1所示。

表1 玄武巖化學(xué)組成 %

2 實(shí)驗(yàn)方案

稱取5份玄武巖礦粉各20 g，分別向其中添加0、0.39、0.82、1.26、1.72 g分析純?nèi)趸X，以便研究三氧化二鋁含量對(duì)玄武巖析晶特性的影響，并對(duì)不同三氧化二鋁添加量的玄武巖進(jìn)行化學(xué)組成換算，結(jié)果如表2所示。

表2 玄武巖化學(xué)組成 %

采用Fact Sage熱力學(xué)軟件中的Equilb模塊計(jì)算玄武巖的高溫物相變化過(guò)程，選擇氧化物數(shù)據(jù)庫(kù)，壓力為1.01×105Pa，溫度800～1 600 ℃。稱取5份不同三氧化二鋁添加量的玄武巖粉末各5 g進(jìn)行高溫實(shí)驗(yàn)，將盛放玄武巖粉末的剛玉坩堝置于高溫電阻爐中，升溫速率10 ℃/min，室溫升至1 450 ℃，保溫2 h；再以降溫速率10 ℃/min降至1 200 ℃，保溫0.5 h；取出水冷，80 ℃真空干燥4 h，粉碎、研磨獲得玄武巖玻璃粉末，利用紅外分析儀器，對(duì)玄武巖玻璃的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

從圖1可以看出，玄武巖高溫過(guò)程中，隨著溫度降低，液相含量不斷降低，并析出固溶相，如長(zhǎng)石固溶相、剛玉、輝石以及石英相。隨著三氧化二鋁含量的增加，長(zhǎng)石相析出溫度有一定提高，但石英相的析出溫度有一定的降低，析出量也降低。三氧化二鋁的加入不會(huì)促進(jìn)液相的分化，在適宜的添加量下有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在1 200 ℃下，玄武巖主要包含液相、少量長(zhǎng)石相、Cord相，在三氧化二鋁添加量為1.72 g時(shí)已經(jīng)沒(méi)有石英相析出。

圖1 玄武巖高溫物相變化

為了了解不同三氧化二鋁含量玄武巖結(jié)構(gòu)的差異，利用紅外分析儀對(duì)玄武巖進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖2所示。

圖2 玄武巖紅外光譜

一般硅酸鹽礦物在400～500 cm-1和850～1 200 cm-1出現(xiàn)明顯的特征吸收帶。從圖2可以看出，由于三氧化二鋁的加入，850～1 200 cm-1吸收帶向高頻偏移至1 300～1 600 cm-1。隨著三氧化二鋁添加量增加，450 cm-1處吸收峰增強(qiáng)并不明顯，其代表了Si—O、Al—O鍵的彎曲振動(dòng)，因?yàn)榧尤氲娜趸X，提供的鋁原子可進(jìn)入硅氧結(jié)構(gòu)，替代硅形成鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)，為了電價(jià)中和需要吸收K、Na等一價(jià)正離子，促使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。1 300～1 600 cm-1代表Si—O、Al—O伸縮振動(dòng)，隨著三氧化二鋁添加量增加，1 300～1 600 cm-1吸收峰強(qiáng)度基本不變。

4 結(jié)論

結(jié)合熱力學(xué)軟件和紅外光譜分析方法，研究了三氧化二鋁對(duì)玄武巖析晶特性的影響，發(fā)現(xiàn)添加三氧化二鋁，能夠調(diào)節(jié)玄武巖玻璃的析晶特性，如提高長(zhǎng)石析晶溫度、降低石英析晶溫度和析晶量、但對(duì)玄武巖熔體結(jié)構(gòu)聚合度影響不明顯。