四川省连续玄武岩纤维矿石原料研究现状.pdf

16 2024 年第 1 期 中国非金属矿工业导刊 总第 163 期【开发利用】四川省连续玄武岩纤维矿石原料研究现状蒲猛1，彭秀红1,2，冯鑫1，陈程1(1.成都理工大学地球科学学院，四川 成都610059；2.地学核技术四川省重点实验室（成都理工大学），四川 成都610059)【摘要】近年来连续玄武岩纤维凭借绿色的生产工艺和优异的性能得到国内外广泛关注，但玄武岩原料不均一性成为限制其发展的重要原因。四川省玄武岩储量巨大，在会理、峨眉、盐源等地广泛分布，具有极大的应用潜力与经济价值。但各地玄武岩化学组成变化大且当前对玄武岩矿石的质量评价标准尚不统一，影响了玄武岩纤维的开发利用。通过总结省内连续纤维用玄武岩原料研究现状，对不同地区玄武岩矿石的岩石特征、矿物特征与化学组成进行梳理，分析国内外部分生产企业及研究人员采用的玄武岩化学成分指标，为四川玄武岩纤维原料筛选服务。研究表明用作玄武岩纤维原料的矿石以致密块状玄武岩为主，部分斑状玄武岩为辅以及少量细粒辉长岩；多具斑状结构，基质具间粒间隐结构，块状构造；化学成分变化范围大，多具高 Fe 低碱特征。【关键词】连续玄武岩纤维；矿石原料；矿石特征；评价体系【中图分类号】TS102.4 【文献标识码】A【文章编号】1007-9386(2024)01-0016-04Research Status of Continuous Basalt Fiber Ore Raw Materials in Sichuan ProvincePU Meng1,PENG Xiu-hong1,2,FENG Xing1,CHEN Cheng1(1.College of Earth Science,Chengdu University of Technolog,Chengdu 610059,China;2.Applied Nuclear Technology in Geosciences Key Laboratory of Sichuan Province(Chengdu University of Technology),Chengdu 610059,China)Abstract:In recent years,continuous basalt fiber has received widespread attention both domestically and internationally due to its green production processes and excellent performance.However,the heterogeneity of basalt raw materials has become an important reason limiting its development.Basalt reserves are huge and widely in Sichuan Province,which is distributed in Huili,Emei,Yanyuan,etc.,possessing great potential for application and economic value.However,the chemical composition of basalt varies greatly from place to place and the current quality evaluation standard of basalt ore is not uniform,which affects the development and utilization of basalt fiber.By summarizing the current research status of basalt raw materials for continuous fibers in Sichuan Province,this paper sorts out the rock characteristics,mineral characteristics,and chemical composition of basalt ores in different regions,and analyzes the chemical composition indicators of basalt using by some domestic and foreign production enterprises and researchers,and provides services for the screening of basalt fiber raw materials in Sichuan Province.Research has shown that the ore used as raw materials for basalt fibers is mainly composed of dense block basalt,part of porphyritic basalt as well as a small amount of fine-grained gabbro;mostly with a porphyritic structure,matrix with intergranular cryptic structure,blocky structure;the chemical composition of the wide range of variations,most of them have a high Fe and low alkali characteristics.Key words:continuous basalt fibers;ore raw material;ore characteristic;evaluation system1玄武岩与连续玄武岩纤维玄武岩是一种由火山喷发至地表的岩浆冷凝而成的坚硬、致密的基性岩石，一般具有致密状、杏仁状或斑状结构，块状构造。连续玄武岩纤维是将天然的玄武岩原石经破碎加入到高温(通常 1450 以上)熔炉中，熔融后快速通过铂铑合金漏板拉丝而成的连续纤维1-2。纤维成品表面具有金属光泽，【基金项目】四川省面上基金四川省会理市龙肘山纤维用玄武岩地质特征及资源评价(编号：2022NSFSC0315)；省级大学生创新创业项目SiO2对玄武岩连续纤维性能的影响(编号：s202210616004)。【作者简介】蒲猛(2002-)，男，本科，环境地球化学，E-mail：。【通讯作者】彭秀红(1973-)，女，教授，地球化学，E-mail：。【引文格式】蒲猛,彭秀红,冯鑫,等.四川省连续玄武岩纤维矿石原料研究现状 J.中国非金属矿工业导刊,2024(1):16-19.被称为“金色纤维”，又由于整个过程几乎没有废物产生且连续玄武岩纤维能被回收利用，故其被誉为“21 世纪绿色工业材料”，被国家作为应用示范的关键战略新材料2-3。玄武岩纤维是一种新型无机高性能环保绿色纤维材料，具有抗拉强度及弹性模量高、工作温度范围宽、化学稳定性好、保温、隔热隔音等优异的物理化学性能4-5。目前，玄武岩纤17维已在纤维增强复合材料、隔热材料、摩擦材料、造船材料、航空航天、汽车行业、道路建筑、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用，大力开发连续玄武岩纤维及其复合材料制品具有潜在的经济效益和社会效益6-9。玄武岩分布广泛、储量丰富，具有规模化开采和利用的基础，但不同地区、不同层位和不同喷发期次的玄武岩化学成分和矿物组成有一定差异10-12。玄武岩中的元素以矿物的形式存在，连续玄武岩纤维的成纤能力与纤维性质，主要是由矿物组分决定的。矿物成分决定了玄武岩熔体的黏度、析晶温度、纤维成型范围等生产工艺参数，以及玄武岩的熔化难易程度、熔体的均质性。在玄武岩熔体熔融充分、均质的情况下，化学成分对玄武岩纤维的密度、拉伸强度、弹性模量、化学稳定性、热学性能、隔音性能、电学性能等均产生显著的影响，因此玄武岩原石的不均一性是限制连续玄武岩纤维产业发展的重要原因13-14。故加大对连续玄武岩纤维矿石原料的研究，寻找适合拉丝特征的矿石原料，对促进玄武岩纤维产业的持续发展具有重要意义。2四川省连续纤维用玄武岩研究现状四川省的玄武岩主要分布在西南部，赋矿岩体主要为二叠纪峨眉山玄武岩组15。其主体位于扬子克拉通西缘的川滇黔西南三省境内，呈菱形分布，在南北近 1000km，东西近 900km 的范围内，面积为(25 30)104km2，根据峨眉山玄武岩厚度，粗略估算其总体积为 50104km311。前人对全省的纤维用玄武岩开展过大面积的找矿远景评价11,16，玄武岩为裂隙喷发，岩石组合复杂，以溢流的熔岩为主17。同属一组的玄武岩在不同地区，甚至同一地区的不同喷发旋回，岩石的成分与组构特征也有差异11。所以前人也在省内以县为单位开展了大量纤维用玄武岩原料的找矿与研究工作18-24。但尚未系统总结近年四川连续纤维用玄武岩找矿工作与矿石原料研究现状。2.1 岩石类型及组构特征四川省峨眉山玄武岩组连续纤维用玄武岩矿按岩区划分属中岩区，岩性为斜斑玄武岩和致密块状玄武岩；矿石具有斑状结构、基质具间粒间隐结构，块状构造11。雷波县黑波罗矿区玄武岩为上二叠统峨眉山玄武岩下旋回第一次级旋回，矿石为少斑状辉石玄武岩，具斑状结构、间粒间隐结构，块状构造、杏仁状构造等19。雷波县黄郎沟勘查区为致密块状玄武岩，显微镜下具间粒结构23。盐源为斑状玄武岩和隐晶玄武岩18。攀西地区为亚碱性拉斑玄武岩，矿石具斑状结构，主要为斜长石、辉石斑晶，基质是介于粗玄结构和间隐结构之间的过渡结构，也称间粒间隐结构20。峨边县矿石岩性主要为深灰色致密块状玄武岩，具间粒间隐结构,块状构造22,24。米易县棕树湾的部分细粒块状辉长岩也可用作拉丝原料；该辉长岩粒度细，呈致密块状，结构构造接近斑状玄武岩和隐晶玄武岩21。可见用作玄武岩纤维原料的矿石以致密块状玄武岩为主，部分斑状玄武岩为辅，另有少量细粒辉长岩也可用作拉丝。除雷波县黄郎沟矿石具间粒结构外，研究区矿石多具斑状结构，基质具间粒间隐结构，块状构造和杏仁状构造。2.2 矿石主量元素特征峨眉山玄武岩组连续纤维用玄武岩矿体化学成分整体较稳定(表 1)，成分分类属拉斑系列与碱性系列的过渡型岩石(K2O+Na2O含量3.16%5.32%，且 Na2O K2O)。SiO2含 量 48.29%53.31%，Al2O3含量 12.81%17.04%，Fe2O3含量1.67%9.37%，FeO 含 量 3.14%9.30%，Na2O含 量 1.12%5.88%，K2O 含 量 0.06%3.37%，CaO含量3.93%9.27%，MgO含量1.68%5.13%，TiO2含量 1.23%3.71%11。表 1四川省内各地纤维用玄武岩主成分平均含量表15,18-24(单位：%)地区 SiO2 Al2O3(Fe2O3+FeO)(K2O+Na2O)CaO MgO TiO2 雷波县 49.81 13.15 12.66 4.25 7.71 4.32 3.93 雷波县黑波罗 50.67 13.45 13.93 4.08 8.26 4.00 2.70 雷波县黄郎沟 48.89 12.14 13.75 3.95 8.81 4.25 4.41 盐源县 50.88 13.77 10.05 3.74 8.90 5.98 1.74 攀西地区 49.17 15.11 13.65 3.83 9.34 4.09 3.87 峨边县 50.22 13.30 14.48 4.56 5.23 4.26 3.57 峨边县 48.94 13.27 12.90 4.61 7.47 4.39 3.81 米易县棕树湾 51.88 15.48 9.14 4.71 8.22 5.44 1.54雷 波 县 黑 波 罗 矿 区 玄 武 岩 为 亚 碱 性 玄 武岩，具 有 明 显 的 高 铁(FeOT 10%)、低 碱(Na2O+K2O 4%)特 征19。雷 波 县 黄 郎 沟 玄 武岩 SiO2含 量 为 46.65%50.59%，Al2O3含 量 为11.77%12.56%，CaO 含 量 为 8.54%9.22%，MgO 含 量 为 4.05%4.42%，Fe2O3+FeO 含 量 为13.19%14.52%，K2O+Na2O含量为3.42%3.81%，TiO2含量为 4.24%4.53%，具有高铁高钛低碱特征23。盐源县玄武岩 SiO2含量为 43.9%71.26%，A12O3含 量 为 9.56%15.99%，FeO 含 量 为蒲猛等：四川省连续玄武岩纤维矿石原料研究现状181.36%10.61%，Fe2O3含 量 为 1.49%9.26%，(FeO+Fe2O3)含 量 为 2.85%19.87%，K2O 含 量为 0.05%2.08%，Na2O 含量为 0.55%5.38%，CaO 含 量 为 0.19%14.12%，MgO 含 量 为0.34%13.48%，TiO2含量为 0.86%3.07%，具有高铁低碱特征18。张航飞等222022 年研究的峨边县区内玄武岩矿石的 SiO2含量为 46.86%52.10%，Al2O3含量为12.69%14.43%，Fe2O3含量为 4.66%8.08%，FeO 含量为 6.84%10.02%，CaO 含量为3.16%7.87%，MgO 含量为 1.94%6.08%，K2O含量为 0.06%6.28%，Na2O 含量为 0.2%4.6%，TiO2含量为 2.46%4.11%。其化学成分具有碱金属氧化物(K2O+Na2O)含量较低的特征。张 旭 平 等242023 年 研 究 的 峨 边 县 玄 武岩 SiO2含量 47.08%51.72%，Al2O3含量12.29%14.18%，Fe2O3含 量 3.26%7.57%，FeO含量5.39%8.73%，CaO含量5.84%9.35%，MgO含量3.08%4.89%，K2O含量0.21%2.42%，Na2O 含量 1.83%5.07%，TiO2含量 2.58%4.96%。研究区内 MgO 平均含量为 4.39%，属于低镁玄武岩25；据张招崇等17研究 TiO2和 P2O5的含量关系，玄武岩为高磷高钛(HPT)。米易县棕树湾测试分析岩石有灰色细粒橄榄辉长岩、灰黑色黑云母化辉长岩、绿灰色辉绿辉长岩三种类型。其 SiO2含量 46.89%63.53%，Al2O3含量 14.3%18.71%，FeO 含量 3.91%7.84%，Fe2O3含量 1.17%6.81%，(FeO+Fe2O3)含量6.02%11.41%，K2O 含 量 0.39%4.54%，Na2O含量 1.94%4.32%，CaO 含量 3.69%12.18%，MgO 含量 1.91%8.4%，TiO2含量 0.99%2.34%，具有低铁低钛的特征21。综合以上地区的玄武岩、辉长岩化学成分对比，可以发现玄武岩纤维用矿石主成分含量变化范围大，但多具高 Fe 低碱特征，部分矿石 Mg 含量偏低。汪溢汀等132020 年的研究表明分布于大陆上的碱性系列和拉斑玄武岩系列玄武岩和辉绿岩都可作为制备玄武岩连续纤维的原料，但某些碱性组分(Na2O+K2O)含量很高的碱性玄武岩，具有非常低的熔体粘度，对纤维成形以及制品的化学稳定性具有不利影响，应该慎重选用。而四川省内的玄武岩碱性组分含量低，因此符合制备玄武岩纤维的条件。3玄武岩矿石评价标准与四川省不同地区玄武岩的化学成分变化范围大这一情况相对应的是，当前对纤维用玄武岩矿石的质量评价体系种类多且尚不统一。这给玄武岩矿石的评价造成了不便，是影响连续玄武岩纤维产业发展的另一重要因素12,15。玄武岩矿石评价体系有岩矿体系、成分体系、黏温体系、熔融体系等26。岩矿体系：岩石自身矿物组成、含量及蚀变特征，主要为组成玄武岩的各类矿物，包括难熔矿物、蚀变矿物以及拉丝过程中释放的水和气体。成分体系：岩石的化学组成、含量及组合特征，主要为 9 大化学组分(SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO、K2O、Na2O、TiO2)指标及烧失量(L.O.I)指标组合。黏温体系：熔融温度、析晶温度、熔体黏度与温度曲线、拉丝温度区间与拉丝效果的关系；主要为影响熔融温度、析晶温度、熔体黏度的因素，熔液黏度与熔炉加热温度的变化关系等。熔融体系：原矿熔体特征、熔体难熔矿物含量等与拉丝生产的综合效应；主要为原矿水含量、烧失量、难熔矿物、熔融温度、析晶温度、熔液酸性模量等指标与成丝的综合效应11。将近年来的连续玄武岩化学成分评价标准总结得到表 215。表 2部分生产企业及研究人员采用的玄武岩化学成分指标 (单位：%)公司及研究人员 SiO2 Al2O3 CaO MgO TiO2(FeO+Fe2O3)(K2O+Na2O)CBF(上海俄金)51.02 16.25 7.99 4.28 1.07 11.37 7.17 CBF(成都拓鑫)41.53 14.24 9.10 4.52 4.36 18.51 4.73 CBF(黑龙江宁安镜泊湖)45.10 13.23 10.45 6.31 1.74 12.76 9.44 CBF(格鲁吉亚)51.65 15.85 9.35 6.10 1.19 9.78 5.26 CBF(乌克兰)52.43 18.33 7.68 4.04 1.19 10.53 3.95 CBF(四川点石公司)48 53 14 19 5 9 3 6 0.5 2.5 8 14 3 6 CBF(贵州玄武岩产业公司)51 54 14 19 3 6 3 6 0.5 2.5 8 14 3 6 谢尔盖等，2003 45 60 12 19 6 12 3 7 0.9 2.0 5 12 2.5 6.0 郭昌盛等，2014 51.6 53.9 14.6 18.3 5.9 9.4 3.5 5.3 0.8 2.25 9 14 3.6 5.2 王跃忠，2019 48 53 14 19 5 9 3 6 0.5 2.5 8 14 3 6 阳伟等，2022 45 53 11 19 6 12 3 10 1 5 5 15 2.5 6 2024 年第 1 期 中国非金属矿工业导刊 总第 163 期194结论与展望 通过对四川省内不同地区连续玄武岩纤维矿石原料的分布与岩石学特征、矿物及组构特征和化学组成特征进行总结与对比。(1)矿石主要分布在四川省西南部，赋矿岩体主要为二叠纪峨眉山玄武岩组，多属大陆溢流相，岩性以致密块状玄武岩为主，斑状玄武岩次之，另有部分辉长岩也可用作拉丝原料。矿石分布广、储量大，具有良好的开发运用前景。(2)除雷波县黄郎沟矿石具间粒结构外，研究区矿石多具斑状结构，基质具间粒间隐结构，块状构造和杏仁状构造。(3)综合所有研究区的矿石化学组成，发现玄武岩纤维用矿石主成分含量变化范围大，但多具高 Fe低碱特征，部分矿石 Mg 含量偏低。(4)当前对纤维用玄武岩矿石的质量评价体系众类多且尚不统一，已有岩矿体系、成分体系、黏温体系、熔融体系等。可以预见单一的评价体系将不足以用来选矿，未来的玄武岩矿石将经过多个评价体系的共同筛选才能符合成纤的标准。虽然当前连续玄武岩纤维产业发展面临着矿石原料成分不均一、矿石质量评价标准不统一等问题，但随着对玄武岩原料和影响玄武岩成丝条件研究的深入以及政府对该行业支持力度的增加，连续玄武岩纤维终将迎来蓬勃发展的未来。【参考文献】1JIRI Militky.RockintoyarnJ.TextileAsia,1995,26(9):100-101.2 刘嘉麒.绿色高新材料玄武岩纤维具有广阔前景 J.科技导报,2009,27(9):3.3 张建伟,佘希林,刘嘉麒,张蕾.连续玄武岩纤维新材料的制备、性能及其应用 J.材料导报,2023,37(11):238-244.4 郭昌盛,杨建忠,赵永旗.连续玄武岩纤维性能及应用 J.高科技纤维与应用,2014,39(6):25-29.5 张晓青,冯静,王仁舒,等.玄武岩纤维的研究进展及应用 J.山东化工,2019,48(4):46-47.6 谢 尔 盖,李 中 郢.玄 武 岩 纤 维 材 料 的 应 用 前 景 J.纤 维 复 合 材料,2003(3):17-20.7 魏晨,郭荣辉.玄武岩纤维的性能及应用 J.纺织科学与工程学报,2019,36(3):89-94.8 蒲庆隆.贵州省赫章县峨眉山玄武岩作为连续玄武岩纤维矿石的初步评价 J.西部探矿工程,2020,32(1):156-158.9 谢金东,武亮,刘志洪,等.玄武岩纤维混凝土力学性能研究进展 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