玄武岩特征及熔融析晶性能研究

童 庆，樊 霆，王浩明，孙礼明，黄界颖

（1.合肥水泥研究设计院，安徽 合肥 230051；2.安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036）

天然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[1-5]。我国玄武岩分布较为广泛，但有别于玻纤，不同产地玄武岩物理性能波动性较大会直接影响玄武岩纤维生产直至后续滤料的各项物化性能，因而确定适宜的玄武岩以制备玄武岩纤维显得尤为重要。玄武岩物化特性、主要组成、熔融特性等因素是判断矿石能否生产纤维、生产工艺难易程度、纤维质量的主要依据[6-8]。因此针对玄武岩特征分析和研究越来越引起广泛的关注。

本研究结合我国玄武岩分布状况和特点，选择黑龙江鸡西玄武岩样品，具体分析流程为：①粉末样品的全化学组分定量分析(XRF)，确定样品中元素组成及含量；②偏光显微镜(POM)薄片镜下鉴定，确定矿物组成；③粉末样品的X-射线衍射(XRD)分析结晶矿物成分，验证光片鉴定结果；④粉末样品的热重—差示扫描量热(TG-DSC)分析，确定玄武岩矿石熔融和析晶温度，为玄武岩纤维制备提供理论依据。

1 试验部分

1.1 试验仪器及试验条件

XRF-1800型X-射线荧光光谱仪；TIR-III型X-射线粉末衍射仪(X-射线源CuKa，40kV，200mA)，扫描速度8°/min，扫描步长0.02°，扫描范围4～60°；SDT Q600型热重—差热分析仪，室温～1450℃，DSC的分辨率为0.1μW，加热速率为10℃/min，试验气氛为空气，气氛流速为100mL/min，试验使用Al2O3坩埚仪器及坩埚热特性通过基线扣除。

2 结果与分析

2.1 全化学组分定量分析

样品全化学组分定量分析结果(%)为：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。

根据里特曼指数公式确定该玄武岩属亚碱性玄武岩。其主要矿物成分为拉长石—钙长石。

酸度系数(Mk=(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO))是一个综合表达玄武岩熔体高温粘度、成纤性能、易熔性和化学稳定性的重要参数。根据矿物中各氧化物重量百分比含量可计算得出酸度系数，其数值越高，说明熔体粘度越大，纤维力学性能、化学性能也越好[9]。经计算，该玄武岩样品的酸度系数较高为6.0。

2.2 偏光显微镜下光片分析

玄武岩样品偏光显微镜下光片见图1、图2。

图1 玄武岩样品单偏光图

图2 玄武岩样品正交偏光图

可见，该样品呈粗玄、无斑微晶结构。其主要矿物特征：斜长石粒径0.1mm×0.02mm～0.8mm×0.08mm，约占65%，单偏光下为无色透明，正交偏光下为一级灰白干涉色，多为长柱状-针状自形晶体，多发育简单双晶、卡-钠复合双晶，个别不规则形状者充填于自形斜长石和粒状辉石之间；辉石粒径0.04mm×0.05mm～0.7mm×0.5mm，约占30%，单偏光下为无色透明，正交偏光下干涉色鲜艳，多为半自形粒状，少数为短柱状，但晶形大多不完整，其中辉石部分发生蒙脱石化蚀变；橄榄石粒径0.04～0.07mm，约占5%，单偏光下为无色透明或绿色，正交偏光下干涉色十分鲜艳，多为浑圆状颗粒，表面常有裂理；磁铁矿粒径0.06～0.3mm，多为针状，少数呈星点状分布于辉石周围和基质中。

2.3 X-射线衍射分析

玄武岩样品的X-射线衍射图谱见图3。

图3 玄武岩样品XRD衍射图谱

由图3可知，玄武岩样品衍射图谱与标准谱图库中已知物质83-1417和83-1367的衍射花样相近。矿物样品主要物相为拉长石(Ca0.65Na0.32(Al1.62Si2.38O8))，属于基性斜长石的一种，是由钠长石(0.35NaAlSi3O8，符号Ab)和钙长石(0.65CaAl2Si2O8，符号An)组成的类质同象系列，通常用An分子的百分含量来表示斜长石的成分，An含量50%～70%。由此判断，初步分析样品中含有SiO2、Al2O3、Na2O3、CaO，该玄武岩矿物样品主要成分为钙长石，同时含有部分辉石、橄榄石及蒙脱石。这与前述全化学组分定量分析、偏光显微镜下光片分析结论基本一致。

2.4 熔融、析晶特性研究

通过热重—差示扫描量热法(TG-DSC)的联用，可从DSC曲线的吸热和放热峰及与之对应的TG曲线是否有失重或增重，从而判断可能发生的反应，确定熔融、析晶反应[10]。

玄武岩矿物样品的TG-DSC曲线见图4。

图4 玄武岩样品的TG-DSC曲线

样品的TG曲线，主要出现了3个主要失重段，表现出不同程度的失重：①第一个失重段温度范围约为室温～98℃，主要为样品本身吸附水挥发失重；②第二个失重段温度范围约为98～650℃，主要为样品中的碳酸盐类矿物分解失重，650～1148℃未见明显失重；③第三个失重段温度范围约为1148～1332℃，主要为样品中的硫酸盐类矿物分解失重类矿物分解失重。

与TG曲线相对应，样品的DSC曲线，主要出现3个吸热峰和1个放热峰。①第1个吸热峰(峰值约为98℃)是由样品本身吸附水的失去引起的；②第2个吸热峰(峰值约为1148℃)包含二个反应过程，其中碳酸盐类矿物分解(198～650℃)产生的吸热，而且曲线下降较陡，说明分解吸热的速度很快；650～1148℃TG曲线未见明显失重，龚德生[11]研究得出：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，950℃后随着液相的增多，样品进入烧结状态。据此认为第2吸热峰主要为钠、钾的硅酸盐、硅铝酸盐熔融，而正是这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；③第3个吸热峰对应的TG曲线失重，主要为硫酸盐分解吸热，这个吸热峰很陡，说明分解吸热的速度很快，CaSO4在1200℃时加热一段时间，分解率已大于60%以上至1332℃以上样品完全熔融。

DSC曲线中有1个放热峰(约1262℃)，分析其为硅铝酸盐的最高析晶温度。

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，这种析晶倾向称之为析晶性能。在纤维制备的生产中，析晶是绝对不允许的，它将导致纤维的断裂，强度降低。为避免纤维制备时产生析晶现象，成型温度必须要高于玄武岩的析晶温度。一般纤维制备作业中使漏板温度至少大于析晶上限温度40～50℃以上，一般需要高出80℃左右[9]。故该玄武岩样品的纤维制备温度控制在1340℃左右。

3 结论

采用XRF、POM及XRD方法检测分析，结果表明，该玄武岩样品主要成分为拉长石—钙长石，属于基性斜长石的一种，且含有部分辉石、橄榄石及蒙脱石，其中辉石部分发生蒙脱石化蚀变。矿物样品的酸度系数较高，说明矿物熔体粘度越大，纤维力学性能、化学性能也越好。

采用TG-DSC方法，结果表明，该玄武岩样品熔融温度为1332℃、析晶温度为1262℃、纤维制备控制温度约为1340℃。

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