玄武巖特征及熔融析晶性能研究

童 慶，樊 霆，王浩明，孫禮明，黃界穎

（1.合肥水泥研究設(shè)計院，安徽 合肥 230051；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036）

天然玄武巖纖維因其在耐高溫、穩(wěn)定性、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性、絕緣性等許多技術(shù)指標(biāo)方面優(yōu)于普通玻璃纖維和化學(xué)纖維，使其成為理想的高溫?zé)煔膺^濾材料[1-5]。我國玄武巖分布較為廣泛，但有別于玻纖，不同產(chǎn)地玄武巖物理性能波動性較大會直接影響玄武巖纖維生產(chǎn)直至后續(xù)濾料的各項物化性能，因而確定適宜的玄武巖以制備玄武巖纖維顯得尤為重要。玄武巖物化特性、主要組成、熔融特性等因素是判斷礦石能否生產(chǎn)纖維、生產(chǎn)工藝難易程度、纖維質(zhì)量的主要依據(jù)[6-8]。因此針對玄武巖特征分析和研究越來越引起廣泛的關(guān)注。

本研究結(jié)合我國玄武巖分布狀況和特點，選擇黑龍江雞西玄武巖樣品，具體分析流程為：①粉末樣品的全化學(xué)組分定量分析(XRF)，確定樣品中元素組成及含量；②偏光顯微鏡(POM)薄片鏡下鑒定，確定礦物組成；③粉末樣品的X-射線衍射(XRD)分析結(jié)晶礦物成分，驗證光片鑒定結(jié)果；④粉末樣品的熱重—差示掃描量熱(TG-DSC)分析，確定玄武巖礦石熔融和析晶溫度，為玄武巖纖維制備提供理論依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器及試驗條件

XRF-1800型X-射線熒光光譜儀；TIR-III型X-射線粉末衍射儀(X-射線源CuKa，40kV，200mA)，掃描速度8°/min，掃描步長0.02°，掃描范圍4～60°；SDT Q600型熱重—差熱分析儀，室溫～1450℃，DSC的分辨率為0.1μW，加熱速率為10℃/min，試驗氣氛為空氣，氣氛流速為100mL/min，試驗使用Al2O3坩堝儀器及坩堝熱特性通過基線扣除。

2 結(jié)果與分析

2.1 全化學(xué)組分定量分析

樣品全化學(xué)組分定量分析結(jié)果(%)為：SiO253.49、TiO21.80、Al2O315.33、Fe2O39.33、MnO 0.11、MgO 4.61、CaO 6.85、Na2O 3.18、K2O 1.18、P2O50.30、SO30.02、C 0.73。

根據(jù)里特曼指數(shù)公式確定該玄武巖屬亞堿性玄武巖。其主要礦物成分為拉長石—鈣長石。

酸度系數(shù)(Mk=(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO))是一個綜合表達(dá)玄武巖熔體高溫粘度、成纖性能、易熔性和化學(xué)穩(wěn)定性的重要參數(shù)。根據(jù)礦物中各氧化物重量百分比含量可計算得出酸度系數(shù)，其數(shù)值越高，說明熔體粘度越大，纖維力學(xué)性能、化學(xué)性能也越好[9]。經(jīng)計算，該玄武巖樣品的酸度系數(shù)較高為6.0。

2.2 偏光顯微鏡下光片分析

玄武巖樣品偏光顯微鏡下光片見圖1、圖2。

圖1 玄武巖樣品單偏光圖

圖2 玄武巖樣品正交偏光圖

可見，該樣品呈粗玄、無斑微晶結(jié)構(gòu)。其主要礦物特征：斜長石粒徑0.1mm×0.02mm～0.8mm×0.08mm，約占65%，單偏光下為無色透明，正交偏光下為一級灰白干涉色，多為長柱狀-針狀自形晶體，多發(fā)育簡單雙晶、卡-鈉復(fù)合雙晶，個別不規(guī)則形狀者充填于自形斜長石和粒狀輝石之間；輝石粒徑0.04mm×0.05mm～0.7mm×0.5mm，約占30%，單偏光下為無色透明，正交偏光下干涉色鮮艷，多為半自形粒狀，少數(shù)為短柱狀，但晶形大多不完整，其中輝石部分發(fā)生蒙脫石化蝕變；橄欖石粒徑0.04～0.07mm，約占5%，單偏光下為無色透明或綠色，正交偏光下干涉色十分鮮艷，多為渾圓狀顆粒，表面常有裂理；磁鐵礦粒徑0.06～0.3mm，多為針狀，少數(shù)呈星點狀分布于輝石周圍和基質(zhì)中。

2.3 X-射線衍射分析

玄武巖樣品的X-射線衍射圖譜見圖3。

圖3 玄武巖樣品XRD衍射圖譜

由圖3可知，玄武巖樣品衍射圖譜與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫中已知物質(zhì)83-1417和83-1367的衍射花樣相近。礦物樣品主要物相為拉長石(Ca0.65Na0.32(Al1.62Si2.38O8))，屬于基性斜長石的一種，是由鈉長石(0.35NaAlSi3O8，符號Ab)和鈣長石(0.65CaAl2Si2O8，符號An)組成的類質(zhì)同象系列，通常用An分子的百分含量來表示斜長石的成分，An含量50%～70%。由此判斷，初步分析樣品中含有SiO2、Al2O3、Na2O3、CaO，該玄武巖礦物樣品主要成分為鈣長石，同時含有部分輝石、橄欖石及蒙脫石。這與前述全化學(xué)組分定量分析、偏光顯微鏡下光片分析結(jié)論基本一致。

2.4 熔融、析晶特性研究

通過熱重—差示掃描量熱法(TG-DSC)的聯(lián)用，可從DSC曲線的吸熱和放熱峰及與之對應(yīng)的TG曲線是否有失重或增重，從而判斷可能發(fā)生的反應(yīng)，確定熔融、析晶反應(yīng)[10]。

玄武巖礦物樣品的TG-DSC曲線見圖4。

圖4 玄武巖樣品的TG-DSC曲線

樣品的TG曲線，主要出現(xiàn)了3個主要失重段，表現(xiàn)出不同程度的失重：①第一個失重段溫度范圍約為室溫～98℃，主要為樣品本身吸附水揮發(fā)失重；②第二個失重段溫度范圍約為98～650℃，主要為樣品中的碳酸鹽類礦物分解失重，650～1148℃未見明顯失重；③第三個失重段溫度范圍約為1148～1332℃，主要為樣品中的硫酸鹽類礦物分解失重類礦物分解失重。

與TG曲線相對應(yīng)，樣品的DSC曲線，主要出現(xiàn)3個吸熱峰和1個放熱峰。①第1個吸熱峰(峰值約為98℃)是由樣品本身吸附水的失去引起的；②第2個吸熱峰(峰值約為1148℃)包含二個反應(yīng)過程，其中碳酸鹽類礦物分解(198～650℃)產(chǎn)生的吸熱，而且曲線下降較陡，說明分解吸熱的速度很快；650～1148℃TG曲線未見明顯失重，龔德生[11]研究得出：在SiO2-Na2O的二元相圖上808℃便會產(chǎn)生液相，在950℃以前不會出現(xiàn)明顯的化學(xué)變化。當(dāng)溫度升高時，鈉的硅鋁酸鹽進(jìn)一步熔化，950℃后隨著液相的增多，樣品進(jìn)入燒結(jié)狀態(tài)。據(jù)此認(rèn)為第2吸熱峰主要為鈉、鉀的硅酸鹽、硅鋁酸鹽熔融，而正是這2個熔融吸熱峰標(biāo)志著礦物樣品中出現(xiàn)液相，并逐漸進(jìn)入燒結(jié)狀態(tài)；③第3個吸熱峰對應(yīng)的TG曲線失重，主要為硫酸鹽分解吸熱，這個吸熱峰很陡，說明分解吸熱的速度很快，CaSO4在1200℃時加熱一段時間，分解率已大于60%以上至1332℃以上樣品完全熔融。

DSC曲線中有1個放熱峰(約1262℃)，分析其為硅鋁酸鹽的最高析晶溫度。

在玄武巖纖維制備過程中，玄武巖熔體有不同程度的析晶傾向，這種析晶傾向稱之為析晶性能。在纖維制備的生產(chǎn)中，析晶是絕對不允許的，它將導(dǎo)致纖維的斷裂，強(qiáng)度降低。為避免纖維制備時產(chǎn)生析晶現(xiàn)象，成型溫度必須要高于玄武巖的析晶溫度。一般纖維制備作業(yè)中使漏板溫度至少大于析晶上限溫度40～50℃以上，一般需要高出80℃左右[9]。故該玄武巖樣品的纖維制備溫度控制在1340℃左右。

3 結(jié)論

采用XRF、POM及XRD方法檢測分析，結(jié)果表明，該玄武巖樣品主要成分為拉長石—鈣長石，屬于基性斜長石的一種，且含有部分輝石、橄欖石及蒙脫石，其中輝石部分發(fā)生蒙脫石化蝕變。礦物樣品的酸度系數(shù)較高，說明礦物熔體粘度越大，纖維力學(xué)性能、化學(xué)性能也越好。

采用TG-DSC方法，結(jié)果表明，該玄武巖樣品熔融溫度為1332℃、析晶溫度為1262℃、纖維制備控制溫度約為1340℃。

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