CN109956672A - 一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备方法 - Google Patents

一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备方法 Download PDF

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赵继玲
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Abstract

本发明涉及了一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备方法。它的特点是掺入的工业废弃物质量百分比为26‑39%且赤泥和高炉矿渣的比例为1:2.1‑3，利用中间体氧化物氧化铁和氧化铝进行改性，经过原料预处理、混料、熔制、拉丝等一系列工序最终制得原料中工业废弃物比例较高且耐碱性能较优的玻璃纤维。变废为宝，提高赤泥和高炉矿渣的应用价值，同时降低了废弃物大量堆积带来的环境危害，实现了经济和环保的双重发展。

Description

一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种耐碱玻璃纤维的制备方法，尤指一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备方法，该玻璃纤维利用工业废弃物赤泥和高炉矿渣所提供的中间体氧化物改进耐碱性，目的在于在提高玻璃纤维耐碱性的前提下尽可能的大量应用工业废弃物，变废为宝，制备出耐腐蚀性能优异的玻璃纤维。
背景技术
高炉矿渣是生铁冶炼过程中产生的工业废渣，一般由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁的杂质形成，成分以硅酸盐和铝酸盐为主。在炼铁过程中每炼1吨生铁会产生300-360kg主要成分是SiO2、Al2O3、CaO和MgO等的高炉矿渣。
目前高炉矿渣主要应用在以下几个方面：
1）应用在建材行业，制备新型保水铺路材料、新型墙体砖和矿渣水泥；
2）应用在制备微晶玻璃方面；
3）应用在处理废水方面，利用物理吸附去除废水中的硫和磷，利用化学吸附与硫元素发生化学反应进一步去除硫元素；
4）应用在烟气脱硫方面，利用溶解、吸收和氧化去除煤炭燃烧中产生的大量的二氧化硫；
5）用于制备矿渣棉，与一定量的添加剂经过熔融后采用离心机喷吹形成矿渣棉。
赤泥是氧化铝在生产过程中产生的工业废渣，具有强碱性且成分与性质复杂，金属氧化物含量丰富特别是铁元素含量较高等特点。每生产1吨氧化铝就会产生0.8~1.5吨主要成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3等的赤泥。现阶段赤泥的处理方法主要为露天堆积、深坑填埋以及修筑赤泥坝等，这不仅会占用大量土地而且会有一定安全隐患和造成环境污染。截止到2017年，我国赤泥累计堆积量约为5亿吨。
目前赤泥的应用包含以下几个方面：
1）赤泥中大量存在的Fe、Al、Si、Ti、Na 和稀土元素等，可以用来回收铁、钛和稀土元素等有价组分；
2）赤泥含有丰富的钙、铝、铁和硅且具有多孔特性等特点，可以用来生产废水处理混凝剂；
3）赤泥可以用来制备水泥材料、生产复合水泥以及生产碱矿渣水泥。
玻璃纤维在混凝土中主要起增强、阻裂和增韧的作用，将玻璃纤维材料掺入水泥基中有助于提高混凝土的抗拉强度，同时对于抗剪强度和抗弯强度等以拉应力为主控制破坏的强度有所提高。纤维对混凝土的增强作用主要有复合材料力学理论和基于断裂力学基础上的纤维间距理论两种增强机理。玻璃纤维具有高弹性模量的、耐高温和高强度等特点,因此掺入混凝土中能够改善和克服混凝土抗拉伸强度低、耐冲击性能差、许用变形小的缺点。玻璃纤维增强混凝土应用的最大障碍是普通玻璃纤维在硅酸盐水泥石的碱性环境中受腐蚀而性能下降，因此推广玻纤水泥制品的应用的首要任务是增强玻璃纤维的耐碱性。
高炉矿渣与赤泥的主要成分包括SiO2、Al2O3、Fe2O3等，这与与铝硅酸盐玻璃主要成分相近，因此利用高炉矿渣和赤泥制备耐碱玻璃纤维是切实可行的。以工业废弃物高炉矿渣和赤泥为主要原料制备耐碱玻璃，有利于实现废弃物高附加值的利用，提高废弃物的综合利用率和技术水平，也符合国家经济、环境发展的需要，具有非常重要的经济和社会效益。
发明内容
本发明的目的是大量资源化利用工业废弃物高炉矿渣和赤泥，提高工业废弃物的综合利用率，降低工业废弃物大量堆积对环境的危害，通过简单高效的方式制备出耐碱性能优异的玻璃纤维。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种利用工业废弃物制备耐碱玻璃纤维的方法，所述方法由以下质量百分比物质构成，工业废弃物26-39%，石英粉47-55%，工业氧化铝6.5-16%，工业氧化镁2.5-4%，氧化钠0.5-2.5%。
所述工业废弃物为赤泥和高炉矿渣，赤泥和高炉矿渣的质量百分比为1:2.1-3。
进一步的，上述赤泥中铁氧化物含量为31-40%，所述高炉矿渣中二氧化硅和氧化铝含量分别为30-40%和15-20%。
所述耐碱玻璃纤维由以下质量百分比组成，SiO2 58-63%, Al2O3 12-20%, Fe2O32.5-8.5%, Na2O 2-4%, R´O 11-14%，TiO2 1.1-2.1%，其他0.1-0.6%。
进一步的，上述R´O为MgO和CaO，Ca/Mg为2-3.5。
进一步的，由于玻璃纤维原料为工业废弃物和其他工业原料，不可避免的引入了部分杂质，上述其他为Cr2O3, V2O5, MnO, SrO, SO3, ZnO, CuO, P2O5, ZrO2, K2O等氧化物中的几种。
所述方法是由以下步骤加工得到的：
1）对工业废弃物及工业原料进行预处理，以制得成分和粒度均匀的粉末；
2）将工业废弃物和各种工业原料按重量比混合均匀成配合料；
3）制好的配合料放入反应炉中高温熔融；
4）熔融玻璃液经过拉丝机拉制成玻璃纤维。
进一步的，上述步骤1）中，工业废弃物预处理是赤泥在600-650℃的高温炉中保温160-240分钟，高炉矿渣在300-400℃高温炉中保温140-200分钟，随后粉磨过200目筛，其他工业原料预处理是在100-150°C处理100-150min。
进一步的，上述步骤3）中，称量混合均匀的配合料在在1460-1540°C进行熔制并保温120-290min得到均匀玻璃液。
进一步的，上述步骤4）中，升高玻璃液温度使其比玻璃液粘度为1000泊时高15-25°C，将玻璃液通过漏板或套管拉制成平均直径不大于29μm的玻璃纤维。
本发明利用工业废弃物高炉矿渣和赤泥生产耐碱玻璃纤维的方法，具有原料来源丰富，成本低廉，生产工艺简单等特点，整个生产过程没有废弃物排放，具有非常重要的经济和生态效益。制得的耐碱玻璃纤维耐碱性能优良，通过调整高炉矿渣和赤泥含量，可以调节玻璃纤维的耐碱性，达到玻璃纤维耐碱性能优异、稳定性较好的目的。
本发明利用工业废弃物高炉矿渣和赤泥生产耐碱玻璃纤维可以提高难以利用的固体废弃物利用率，降低废弃物大量露天堆积对土地的占用以及对土壤、地下水和大气等的危害。其中赤泥中含有的大量氧化铁，在含量合适时会增加玻璃纤维耐碱性，氧化铁含量过高会使玻璃析晶倾向增大，从而不易拉制成玻璃纤维。因此基础组分中高炉矿渣和赤泥的总含量及质量比都会显著影响样品的结构和耐碱性能。
关于玻璃纤维的破坏机理有三种基本学说：化学腐蚀学说、力学破坏学说以及化学腐蚀和力学破坏并存学说。化学侵蚀学说认为碱通过OH-破坏玻璃硅氧骨架（≡Si-O-Si≡）从而产生≡Si-O-群，使SiO2溶解在溶液中。力学破坏学说认为玻璃纤维表面的微裂缝中沉积了水泥在水化过程产生的Ca(OH)2以及水化硅酸钙等晶体，随着时间的延长结晶体增大并在微裂缝尖端产生结晶压力从而使微裂缝迅速扩大最后导致纤维强度下降。化学腐蚀与力学破坏并存学说认为水泥在水化中产生的OH-对玻璃纤维的侵蚀和水化生成的结晶体围绕玻璃纤维表面生长或生长在玻璃纤维表面上引起了纤维表面微裂缝的扩展，从容导致玻璃纤维与水泥复合材料的强度下降。
Al2O3能够提高玻璃的热稳定性及化学稳定性，有降低玻璃析晶能力的作用，但含量过多会导致黏度增加，会导致玻璃熔制的困难。Fe2O3主要是以网络中间体的形式存在于玻璃网络结构，部分起到连接玻璃网络的作用，使玻璃网络更致密。大量研究表明，Fe3+存在于玻璃网络结构中会降低玻璃在标准碱液中的失重率，增强玻璃耐碱性。
与现有技术相比，本发明所提供的利用高炉矿渣和赤泥生产耐碱玻璃纤维的方法具有下述特点：
本发明以工业废弃物赤泥和高炉矿渣为主要原材料，利用中间体氧化物改性，制备出耐碱性能优异的玻璃纤维。大量使用工业废弃物高炉矿渣和赤泥，既解决了工业生产产生的大量废弃物的堆放污染问题，又节约了生产玻璃纤维所用的不可再生资源，降低了生产成本，一举两得。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例不应视为对本发明范围的限制，本发明的保护范围由权利要求限定。
实施例1
一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备方法及制得的耐碱玻璃纤维，配料如下：按重量份计，玻璃纤维配合料（以总量为100份计）的组分及用量是：赤泥9，高炉矿渣21，石英粉52，工业氧化铝14，氧化镁2.5，氧化钠1.5。
实验步骤为：1）原料预处理：赤泥在650℃的高温炉中保温170分钟，高炉矿渣在310℃高温炉中保温160分钟，随后粉磨过200目筛，其他工业原料预处理是在110°C处理110分钟，最终制得粒度和成分均匀稳定的原料。
2）混料：按照原料配比，称取各原料并在研钵中混合均匀。
3）熔制：将混合均匀的配合料在高温炉中加热到1535°C并保温140min得到均匀玻璃液。
4）拉丝：升高玻璃液温度使其比玻璃液粘度为1000泊时高19°C，将玻璃液通过漏板拉制成玻璃纤维。
实施例2
一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备方法及制得的耐碱玻璃纤维，配料如下：按重量份计，玻璃纤维配合料（以总量为100份计）的组分及用量是：赤泥12，高炉矿渣20，石英粉51，工业氧化铝13，氧化镁2.6，氧化钠1.4。
实验步骤为：1）原料预处理：赤泥在610℃的高温炉中保温220分钟，高炉矿渣在350℃高温炉中保温180分钟，随后粉磨过200目筛，其他工业原料预处理是在115°C处理130分钟，最终制得粒度和成分均匀稳定的原料。
2）混料：按照原料配比，称取各原料并在研钵中混合均匀。
3）熔制：将混合均匀的配合料在高温炉中加热到1540°C并保温120min得到均匀玻璃液。
4）拉丝：升高玻璃液温度使其比玻璃液粘度为1000泊时高17°C，将玻璃液通过漏板拉制成玻璃纤维。
实施例3
一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备方法及制得的耐碱玻璃纤维，配料如下：按重量份计，玻璃纤维配合料（以总量为100份计）的组分及用量是：赤泥15，高炉矿渣20，石英粉51，工业氧化铝10.5，氧化镁2.4，氧化钠1.1。
实验步骤为：1）原料预处理：赤泥在625℃的高温炉中保温185分钟，高炉矿渣在370℃高温炉中保温145分钟，随后粉磨过200目筛，其他工业原料预处理是在140°C处理135分钟，最终制得粒度和成分均匀稳定的原料。
2）混料：按照原料配比，称取各原料并在研钵中混合均匀。
3）熔制：将混合均匀的配合料在高温炉中加热到1495°C并保温250min得到均匀玻璃液。
4）拉丝：升高玻璃液温度使其比玻璃液粘度为1000泊时高20°C，将玻璃液通过漏板拉制成玻璃纤维。
实施例4
一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备方法及制得的耐碱玻璃纤维，配料如下：按重量份计，玻璃纤维配合料（以总量为100份计）的组分及用量是：赤泥18，高炉矿渣19，石英粉50.8，工业氧化铝9.2，氧化镁2.3，氧化钠0.7。
实验步骤为：1）原料预处理：赤泥在635℃的高温炉中保温200分钟，高炉矿渣在360℃高温炉中保温175分钟，随后粉磨过200目筛，其他工业原料预处理是在130°C处理145分钟，最终制得粒度和成分均匀稳定的原料。
2）混料：按照原料配比，称取各原料并在研钵中混合均匀。
3）熔制：将混合均匀的配合料在高温炉中加热到1508°C并保温260min得到均匀玻璃液。
4）拉丝：升高玻璃液温度使其比玻璃液粘度为1000泊时高19°C，将玻璃液通过漏板拉制成玻璃纤维。
将上述实施例得到的耐碱玻璃采用粉末法测试耐碱性得到样品在80℃标准碱液中腐蚀25小时后玻璃质量损失率小于1.85%。
由上述实施例及测试结果可以得出，以赤泥和高炉矿渣直接为耐碱玻璃纤维的原料，利用中间体氧化物改进耐碱性能，不仅可以提高工业废弃物的综合利用率，同时可以获得较优的耐碱性，为大量难以处理的工业废弃物拓宽了应用领域。

Claims (10)

1.一种中间体氧化物改性的工业废弃物耐碱玻璃纤维的制备方法，其特征在于，所述耐碱玻璃纤维由以下质量百分比物质构成，工业废弃物 26-39%，石英粉47-55%，工业氧化铝6.5-16%，工业氧化镁2.5-4%，氧化钠0.5-2.5%。
2.根据权利要求1所述的用工业废弃物制备耐碱玻璃纤维的方法，其特征在于，所述耐碱玻璃纤维是由以下方法加工得到的：
对工业废弃物及工业原料进行预处理，以制得成分和粒度均匀的粉末；
将工业废弃物和各种工业原料按重量比混合均匀成配合料；
制好的配合料放入反应炉中高温熔融；
熔融玻璃液经过拉丝机拉制成玻璃纤维。
3.根据权利要求1所述的用工业废弃物制备耐碱玻璃纤维的方法，其特征在于，所述工业废弃物为赤泥和高炉矿渣，赤泥和高炉矿渣的质量百分比为1:2.1-3。
4.根据权利要求1所述的制备耐碱玻璃纤维的方法，其特征在于，所述耐碱玻璃纤维由以下质量百分比组成，SiO2 58-63%, Al2O3 12-20%, Fe2O3 2.5-8.5%, Na2O 2-4%, R´O11-14%，TiO2 1.1-2.1%，其他0.1-0.6%。
5.根据权利要求3所述的用工业废弃物制备耐碱玻璃纤维的方法，其特征在于，所述赤泥中铁氧化物含量为31-40%，所述高炉矿渣中二氧化硅和氧化铝含量分别为30-40%和15-20%。
6.根据权利要求2所述的工业废弃物预处理的方法，其特征在于，所述赤泥预处理为赤泥在600-650℃的高温炉中保温160-240分钟，所述高炉矿渣预处理为高炉矿渣在300-400℃高温炉中保温140-200分钟，随后粉磨过200目筛，其他工业原料预处理是在100-150°C处理100-150min。
7.根据权利要求4所述的用中间体氧化物改性耐碱玻璃纤维的方法，其特征在于，用于改性的中间体氧化物为氧化铝和氧化铁，Al/Fe为4.6-6.5。
8.根据权利要求4所述的制备耐碱玻璃纤维的方法，其特征在于，所述R´O为MgO和CaO，Ca/Mg为2-3.5。
9.根据权利要求4所述的用工业废弃物制备耐碱玻璃纤维的方法，其特征在于，由于玻璃纤维原料为工业废弃物和其他工业原料，不可避免的引入了Cr2O3, V2O5, MnO, SrO,SO3, ZnO, CuO, P2O5, ZrO2, K2O等氧化物中的几种。
10.根据权利要求2所述的用工业废弃物制备耐碱玻璃纤维的方法，其特征在于，在1460-1540°C进行熔制并保温120-290分钟得到均匀玻璃液，升高玻璃液温度使其比玻璃液粘度为1000泊时高15-25°C，将玻璃液通过漏板或套管拉制成平均直径不大于29μm的玻璃纤维。
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