玄武岩制备连续纤维熔融反应热力学研究

玄武岩纤维由天然岩石直接熔融拉丝制备而成,性能优异,其原料调控对纤维制备和性能提升有重要影响,熔融反应的热力学分析是研究原料特征的重要手段。本文以代表性玄武岩样品为原料,分析其矿物组成,进而构建复杂硅酸盐体系热力学模型,研究其在1400℃时的熔融反应热力学。结果表明,单一矿物如长石、辉石熔融反应的吉布斯自由能为负值且相对较小;钛铁矿、磁铁矿、磷灰石等矿物熔融反应的吉布斯自由能为正数。所选玄武岩样品熔融反应的吉布斯自由能为-225～-257 kJ/mol,表明可自发进行;样品熔融过程的理论能耗为2.4～2.5 GJ/t,接近某些玻璃纤维池窑工艺能耗(考虑窑炉热效率)。纤维的制备条件和性能参数与原料的成分关系密切,以直径约9μm的纤维为例,其拉丝温度及缠绕机线速度等条件各不相同,纤维表面光滑,断裂伸长率约3%～4%,弹性模量59～66 GPa,抗拉强度1700～2400 MPa;采用Giordano的模型,计算出不同原料成纤粘度(lgη)约0.70～1.21 Pa·s。本研究的热力学模型及实验结果可为玄武岩纤维制备的原料优选、能耗计算、条件调控及性能预测提供参考。