合成硅灰石纤维及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种石棉替代材料，特别是一种含硅灰石成分的合成硅灰石纤维。
背景技术
石棉纤维对人体有害，许多国家已经禁止使用，现已用天然硅灰石部分替代，但是，由于天然硅灰石的纤维短，限制了它在某些方面的应用，因而不能完全取代石棉。如中国专利ZL01211905.9中提供了一种制造针状硅灰石粉的设备，虽然可以将天然硅灰石加工成具有一定限度长径比的硅灰石粉，但这种仅靠物理粉碎的方法加工成的硅灰石粉，它有限的长径比限制了它在某些方面的应用；中国专利87108257公开了一种硅灰石熔制玻璃纤维制备方法，是将硅灰石和氧化镁、氧化铝等物质混合熔融，制成玻璃纤维，由于这种纤维只考虑了它的耐碱性，它的热导性差、抗拉强度低，不能满足代替石棉用于保温、耐火和刹车片材料等方面的要求，因此这种纤维也只限用于水泥中，作为补强材料来增加水泥的强度；同时存在着造价高、适用范围小的缺点。中国专利89102037.3抗碱玻璃纤维新组成，它同样存在着上述专利的缺点。因此，寻找和生产对人体无害、具有较好抗拉强度和较高热导率的长纤维矿物来完全取代石棉纤维，已经迫在眉睫。
【发明内容】
本发明通过将熔融的硅灰石或熔融的含硅质原料与石灰石吹拉成符合石棉用途要求指标的硅灰石长纤维，达到完全取代石棉的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种合成的硅灰石纤维，纤维中含有95-99重量％的化学组成为(CaO)1.0-2.0(SiO2)1.5-2.5的硅酸钙，硅灰石纤维中各组分以氧化物计(wt％)为：
CaO 25.8～54.9
SiO2 42.3～72.1
氧化物杂质 1.0～5.0
其中氧化物杂质为Fe2O3、MgO、B2O3、Na2O和Al2O3中的至少一种；
硅灰石纤维的性能指标如下：
纤维直径：2～15微米；
纤维长度：10～150毫米；
表观密度：0.06～0.14g/cm3；
抗拉强度：25×102MPa～35×102MPa；
300℃下热导率：13～14W/m·K。
这种硅灰石纤维地方法，是以天然硅灰石和助熔剂为原料，或以含硅物质、石灰石和助熔剂为原料，并包括以下步骤：
5)将原料粉碎成颗粒；
6)将颗粒投入到池窑或电弧炉或电阻炉中熔化；
7)在熔融出口处，利用2-8个标准大气压的空气喷吹熔体成丝或用甩丝机通过离心作用成丝；
8)成丝得到的纤维进入收集器即得硅灰石纤维成品；
其中原料中助熔剂的重量比例为1～5％，助熔剂选自CaF2、B2O3和Na2O中的至少一种，含硅物质选自石英石、石英沙、长石、高岭土和硅藻土中的至少一种，例如可以是石英沙、、石英石、石英沙和高岭土混合物、石英沙和硅藻土的混合物、石英石和长石混合物、石英石和硅藻土混合物；也可以是石英石、长石和硅藻土混合物，或者是石英沙、硅藻土和高岭土混合物。熔化时的熔化温度为1300～1800℃，并且颗粒投入到池窑中时，原料被粉碎至0.5毫米以下，被投入到电弧炉或电阻炉中时，被粉碎至10毫米以下。
在上述硅灰石纤维的制法中，加热炉可以是以天然气、煤气或者重油为燃料的池窑；也可以是以电为加热能源的电阻炉、电频炉或者电弧炉。当以池窑制备硅灰石纤维时，控制池窑的高径比为1-3；加料方式为一次填满池窑，加热熔融后，然后流出成丝。以电阻炉、电频炉或者电弧炉制备硅灰石纤维时，控制电炉的高径比为3-6；加料方式为先填满炉窑的三分之一，加热熔融，然后随着熔融物料流出成丝后，逐渐添加，可以进行连续生产；也可以一次填满炉窑，加热熔融后，然后流出成丝。当用石灰石为原料时，应当先快速加热到800℃后，然后缓缓加热到需要的温度熔融，以防止二氧化碳逸出时可能造成的物料喷出。含硅原料的配比对产品的性能影响不大，在制备特定组成的产品时，先分析计算各种含硅原料中各组分的含量，结合产品中各组分含量的要求，确定含硅原料的用量。
本发明硅灰石纤维的各项技术指标，都达到或者优于石棉纤维的指标，与其它石棉替代产品如岩棉相比较，抗拉强度和热传导率高，可用于石棉纤维所能涉及的一切应用领域，而且效果更好，可以满足完全替代石棉纤维的需要，具有良好的经济效益和社会效益，具有推广价值。
以下用实例对本发明做进一步的描述。
【具体实施方式】
对于本发明的组成以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO25.8～54.9，SiO242.3～72.1，杂质氧化物1.0～5.0的硅灰石纤维，可以用不同的原材料和不同的生产工艺进行生产。
实施例1：用池窑生产。a、取天然硅灰石950kg，CaF230kg、B2O320kg，将这些原料粉碎成0.5毫米以下的粉末；b、将原料粉末投入池窑中，加热至1350-1500℃熔融；c、在熔融出口处，利用6-8个标准大气压的高压空气喷吹成丝；d、成丝后的纤维进入收集器，然后压缩包装。产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO39.2，SiO257.6，杂质氧化物中MgO0.9、B2O31.7、Fe2O30.6。产品技术参数为：抗拉强度：28×102Mpa，纤维直径：2～4微米，纤维长度：130～150毫米；表观密度：0.12g/cm3；300℃下热导率：13W/m·K。
实施例2：用电阻炉生产。a、取天然硅灰石990kg，CaF210kg，将这些原料粉碎成10毫米以下的颗粒；b、将原料粉末投入电阻炉中，加热至1500-1600℃熔融；c、在熔融出口处，用甩丝机通过离心作用甩成丝；d、成丝后的纤维进入收集器，然后压缩包装。产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO40.9，SiO257.9，杂质氧化物MgO0.7、Fe2O30.5。产品技术参数为：抗拉强度：29×102Mpa，纤维直径：12～15微米，纤维长度：120～140毫米；表观密度：0.12g/cm3；300℃下热导率：13W/m·K。
实施例3：用池窑生产。a、取石英沙720kg，石灰石470kg、CaF220kg、Na2O10kg，将这些原料粉碎成0.5毫米以下的粉末；b、将原料粉末投入池窑中，加热至1400-1500℃熔融；c、在熔融出口处，用甩丝机通过离心作用甩成丝；d、成丝后的纤维进入收集器，然后压缩包装。产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO26.0，SiO272.0，杂质氧化物中MgO1.0、Na2O1.2、Fe2O30.7。产品技术参数为：抗拉强度：35×102Mpa，纤维直径：2～4微米，纤维长度：70～90毫米；表观密度：0.14g/cm3；300℃下热导率：14W/m·K。
实施例4：用池窑生产。a、取石英沙320kg，高岭土200kg、石灰石980kg、CaF220kg，将这些原料粉碎成0.5毫米以下的粉末；b、将原料粉末投入池窑中，加热至1500-1600℃熔融；c、在熔融出口处，利用2-4个标准大气压的高压空气喷吹成丝；d、成丝后的纤维进入收集器，然后压缩包装。产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO54.8，SiO243.0，杂质氧化物中MgO0.4、Al2O31.2、Fe2O30.6。产品技术参数为：抗拉强度：35×102Mpa，纤维直径：4～5微米纤维长度：90～100毫米；表观密度：0.14g/cm3；300℃下热导率：14W/m·K。
实施例5：用电弧炉生产。a、取石英石420kg，硅藻土300kg、长石50kg、石灰石660kg、CaF220kg，将这些原料粉碎成10毫米以下的粉末；b、将原料粉末投入电弧炉中，加热至1700-1800℃熔融；c、在熔融出口处，利用4-6个标准大气压的高压空气喷吹成丝；d、成丝后的纤维进入收集器，然后压缩包装。产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO38.8，SiO256.3，杂质氧化物中MgO0.8、Al2O32.4、Fe2O30.2，Na2O1.5。产品技术参数为：抗拉强度：32×102Mpa，纤维直径：4～5微米，纤维长度：130～150毫米；表观密度：0.14g/cm3；300℃下热导率：13W/m·K。
实施例6：用电弧炉生产。取石英石620kg，长石100kg，石灰石650kg，CaF220kg，如实施例5制成硅灰石纤维，产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO39.2，SiO254.6，杂质氧化物中MgO0.2、Al2O31.1、Fe2O30.7，Na2O2.7，Al2O31.5。产品技术参数为：抗拉强度：32×102Mpa，纤维直径：2～4微米，纤维长度：130～150毫米；表观密度：0.06g/cm3；300℃下热导率：13W/m·K。
实施例7：用池窑生产。取石英石320kg，硅藻土200kg、石灰石940kg、CaF220kg，如实施例4制成硅灰石纤维，产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO54.2，SiO243.8，杂质氧化物中MgO0.5、Al2O31.2、Fe2O30.5。产品技术参数为：抗拉强度：35×102Mpa，纤维直径：4～5微米，纤维长度：90～100毫米；表观密度：0.14g/cm3；300℃下热导率：14W/m·K。
实施例8：用池窑生产。取石英石720kg，石灰石470kg、CaF220kg、Na2O10kg，如实施例3制成硅灰石纤维，产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO36.0，SiO260.1，杂质氧化物中MgO1.6、Na2O1.4、Fe2O30.9。产品技术参数为：抗拉强度：35×102Mpa，纤维直径：2～4微米，纤维长度：70～90毫米；表观密度：0.14g/cm3；300℃下热导率：14W/m·K。
实施例9：用电阻炉生产。取石英沙390kg，硅藻土200kg，石灰石720kg，CaF210kg，实施例2制成硅灰石纤维。产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO40.9，SiO257.3，杂质氧化物MgO0.7、Fe2O30.5，Na2O0.6。产品技术参数为：抗拉强度：29×102Mpa，纤维直径：5～7微米，纤维长度：130～150毫米；表观密度：0.07g/cm3；300℃下热导率：13W/m·K。
实施例10：用电阻炉生产。取石英沙380kg、硅藻土220kg，高岭土60kg，石灰石720kg，CaF210kg，实施例2制成硅灰石纤维。产品主要组份以氧化物的形式表示为(重量百分比)：CaO40.2，SiO258.0，杂质氧化物MgO0.8、Fe2O30.5，Na2O0.5。产品技术参数为：抗拉强度：35×102Mpa，纤维直径：7～8微米，纤维长度：130～150毫米；表观密度：0.14g/cm3；300℃下热导率：13W/m·K。