玄武巖纖維的定性鑒別方法

李 津，蔡 濤，王 妮

(1.福建省纖維檢驗局，福建 福州350026;2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海201620)

玄武巖纖維是由玄武巖石料在1 450～1 500℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制形成的，該纖維屬于非金屬無機纖維，是節(jié)能、環(huán)保新材料。玄武巖纖維具有優(yōu)異的性能:玄武巖纖維的拉伸強度為3 450～4 900 MPa，用其作為增強材料，其力學(xué)性能要優(yōu)于其他高性能纖維;玄武巖纖維與混凝土成分基本相同，密度也較接近，因此，在混凝土中具有較好的相容性和分散性;玄武巖細(xì)纖維的吸濕率只有0.2% ～0.3%，其耐水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于玻璃纖維，而且吸濕能力不隨時間變化，這就保證了玄武巖纖維使用過程中的熱穩(wěn)定性和環(huán)境協(xié)調(diào)性;玄武巖石料在熔化過程中沒有排出硼和其他堿金屬氧化物，使玄武巖纖維制造過程對環(huán)境沒有危害，無工業(yè)垃圾，不向大氣排放有害氣體，具有綠色環(huán)保性［1－3］。玄武巖連續(xù)纖維已在纖維增強復(fù)合材料、摩擦材料、造船材料、隔熱材料、汽車行業(yè)、高溫過濾織物以及防護(hù)領(lǐng)域等方面得到了廣泛的應(yīng)用，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

目前，玄武巖纖維的定性鑒別沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)術(shù)界對玄武巖纖維的研究多集中在纖維的制備和應(yīng)用方面。隨著玄武巖纖維日益廣泛和深入應(yīng)用，研究玄武巖纖維的鑒別技術(shù)顯得日益迫切。作者將通過FZ/T 01057—2007《紡織纖維鑒別試驗方法》系列標(biāo)準(zhǔn)中的常用鑒別方法，對玄武巖纖維的燃燒特征、外觀形態(tài)、溶解性能進(jìn)行研究，并根據(jù)實驗結(jié)果確定玄武巖纖維定性鑒別的方法。

1 實驗

1.1 原料

連續(xù)玄武巖纖維:無捻粗紗，單纖維直徑13 μm，線密度180 tex，試樣由四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司提供。

1.2 試劑

硫酸、鹽酸、硝酸、甲酸、冰乙酸、氫氟酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉、硫氰酸鉀、環(huán)己酮、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、苯酚、四氯乙烷、1，4-丁內(nèi)酯、二甲亞砜、二氯甲烷、四氯化碳、四氫呋喃、吡啶、二氧六環(huán)、氫氧化銅、氫氧化銨(濃氨水)、乙酸乙酯:均為分析純，市售。

1.3 主要儀器

CU-Ⅱ纖維細(xì)度分析儀:北京和眾視野科技儀器有限公司制;Y172型哈氏切片器:南通宏大實驗儀器有限公司制。

1.4 實驗方法

1.4.1 燃燒法

根據(jù)纖維靠近火焰、接觸火焰和離開火焰時的狀態(tài)及燃燒時產(chǎn)生的氣味和燃燒后殘留物特征來辨別纖維類別［4］。用鑷子夾住少量玄武巖纖維試樣，緩慢靠近火焰，觀察纖維對熱的反應(yīng)情況;再將試樣移入火焰中，使其充分燃燒，觀察纖維的燃燒情況，然后將試樣撤離火焰，觀察纖維離火后的燃燒狀態(tài)，當(dāng)試樣火焰熄滅時，嗅聞其氣味并作記錄。待試樣冷卻后觀察殘留物的狀態(tài)，用手輕捻殘留物并作記錄［5］。

1.4.2 顯微鏡觀察法

利用顯微鏡對纖維的縱面和橫截面形態(tài)進(jìn)行觀察，根據(jù)纖維的縱橫面形態(tài)特征來辨別纖維［6］。實驗方法是將少量玄武巖纖維均勻平鋪于載玻片上，加上一滴甘油，蓋上蓋玻片，放在CU-Ⅱ纖維細(xì)度分析儀的顯微鏡載物臺上觀察纖維的縱面形態(tài)。

1.4.3 溶解法

利用纖維在不同溫度下的不同化學(xué)試劑中的溶解特性來鑒別纖維，該方法的特點是簡單易行、過程快速、準(zhǔn)確性較高、結(jié)果的判定不受纖維的后處理(染色、防縮、防皺、阻燃等各種整理)的影響［7］。根據(jù) FZ/T 01057.4—2007《紡織纖維鑒別試驗方法第4部分:溶解法》中規(guī)定的試劑分別在室溫和煮沸條件下，對玄武巖纖維進(jìn)行溶解實驗，并觀察玄武巖纖維的溶解性能。

1.4.4 紅外光譜法

紅外光譜法是通過一定波段的紅外光照射試樣，試樣中的分子將一部分光能轉(zhuǎn)化為分子的振動能和轉(zhuǎn)動能，同時通過儀器設(shè)備將對應(yīng)的波數(shù)和吸收值表征出來。由于每種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)存在較大的差異，因此對于不同的物質(zhì)，其紅外光譜圖是不一樣的。物質(zhì)的紅外光譜圖包含了試樣的分子中基團(tuán)和化學(xué)鍵的相關(guān)信息，可以用來鑒別物質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒法

從表1可看出，玄武巖纖維在接觸常規(guī)火焰的狀態(tài)下，發(fā)生輕微卷曲現(xiàn)象，在火焰中發(fā)紅，離開火焰后纖維自滅并且無氣味，燃燒后的殘留物與原纖維相比，顏色變深，呈易碎的硬塊。這是由于玄武巖纖維成分中含有FeO等未充分氧化的金屬氧化物，接觸火焰時，F(xiàn)eO因氧化會轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2O3，使得纖維成紅色，此外火焰的高溫使得纖維變脆。這些特殊的現(xiàn)象可以為玄武巖纖維的定性提供參考。

表1 玄武巖纖維燃燒狀況Tab.1 Combustion condition of basalt fiber

2.2 顯微鏡觀察法

從圖1可以看出:玄武巖纖維表面光滑，但存在部分溝槽和疤痕，這些特征是玄武巖纖維在紡絲制備過程中，纖維受到摩擦所造成的。此外，玄武巖熔融物中的鐵雜質(zhì)會影響纖維的成形，使得部分纖維有疤痕;玄武巖纖維橫截面近似圓形，類似于滌綸的截面結(jié)構(gòu)，這是因為在纖維成形過程中，熔融的玄武巖被拉伸和冷卻，在冷卻成固態(tài)纖維前，由于表面張力作用收縮成表面積最小的圓形。此外，用哈氏切片器切玄武巖纖維時，發(fā)現(xiàn)該纖維比較堅硬不容易切片。相關(guān)文獻(xiàn)顯示，玄武巖纖維彈性模量為79.3 ～93.1 GPa［8］，抵抗外力變形能力較強。這就使得其橫截面切片困難，可以根據(jù)此項特征對纖維進(jìn)行定性。

圖1 玄武巖纖維的顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of basalt fiber

2.3 溶解法

從表2可知，除了氫氟酸，玄武巖纖維在其他試劑中不管室溫還是煮沸條件下均不溶解，這可以作為玄武巖纖維的定性鑒別方法。由于玄武巖纖維的主要成分為 SiO2，占 45% ～60%［9］，而氫氟酸能夠溶解SiO2，使得玄武巖纖維易溶于氫氟酸中。

表2 玄武巖纖維的溶解性能Tab.2 Solubility of basalt fiber

2.4 紅外光譜法

從圖2可見，玄武巖纖維在998 cm－1附近有最強的峰。玄武巖纖維主要成分是硅酸鹽類，這個峰位是其特有的特征峰，這也是玄武巖纖維定性鑒別的方法。從圖2還可以看到，其在3 000～4 000 cm－1還存在較多的吸收帶，相關(guān)資料顯示，這個區(qū)域多為—0H伸縮振動［10］。

圖2 玄武巖纖維的紅外光譜Fig.2 IR spectra of basalt fiber

3 結(jié)論

a.通過玄武巖纖維在靠近火焰時不熔不縮，接觸火焰時微卷、發(fā)紅、無煙，離開火焰時自滅，燃燒時無氣味以及殘留物為易碎脆塊的特征，可對纖維進(jìn)行初步鑒別。

b.玄武巖纖維硬度較高，表面光滑，截面呈圓形，只在氫氟酸中溶解，據(jù)此可確認(rèn)此種纖維的類別。

c.根據(jù)玄武巖纖維的紅外光譜可以確定其特征光譜，其在998 cm－1處的特征峰可以成為定性鑒別該類纖維的參考依據(jù)。

［1］ 趙黨鋒，劉華武，樊曉輝，等.玄武巖纖維的性能及其制品在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010，28(8):39－44.

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［3］ 毛俊芳，董衛(wèi)國，叢森滋.玄武巖纖維特性及其應(yīng)用前景［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007，27(10):38 －40.

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［5］ FZ/T 01057.2—2007，紡織纖維鑒別試驗方法，第2部分:燃燒法［S］.

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［10］郭亞杰，王廣健，胡琳娜.無機玄武巖纖維微觀結(jié)構(gòu)的光譜學(xué)特征研究［J］.淮北煤炭師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，31(3):22 －26.