本發(fā)明涉及一種無機纖維增強復合材料環(huán)保節(jié)能型新材料，所屬領域為絕緣、環(huán)保、隔熱，建筑混凝土代替鋼筋的超高強度耐腐蝕新材料和海洋工程材料領域，特別涉及一種利用尾礦生產的高強度微晶纖維及其制備方法。
背景技術：
高強度微晶纖維是一種新型無機環(huán)保綠色高性能纖維材料，它是由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成的尾礦、石材廢料在高溫熔融后，通過漏板快速拉制而成的。高強度微晶纖維不僅強度高，而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫、不吸水、介電性能好，防輻射、有一定的吸波和透波等綜合性能、性價比也適中的特點等多種優(yōu)異性能。可代替鋼筋用作混凝土建筑結構的增強材料，制作橋梁等大型建筑的結構件。高強度微晶纖維，是在按照一個精確的設計配方要求，把尾礦、石材廢料等原料經過配料混料，在1500℃～1600℃高溫窯爐熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維，強度與高強度s玻璃纖維相當。
此外，高強度微晶纖維的生產工藝決定了產生的廢棄物少，對環(huán)境污染小，且產品廢棄后可直接在環(huán)境中降解，無任何危害，因而是一種名副其實的綠色、環(huán)保材料。我國已把高強度微晶纖維列為重點發(fā)展的在傳統(tǒng)四大纖維(碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯、玄武巖微晶纖維)之后，新發(fā)展的第五種無機高強度纖維。高強度微晶纖維將能夠在纖維增強復合材料、摩擦材料、造船材料、隔熱材料、汽車行業(yè)、高溫過濾織物以及防護領域等多個方面得到廣泛的應用。
我國已經成為全球纖維生產和消費大國，但是國內生產纖維企業(yè)要面對一些難題。在傳統(tǒng)的纖維系列產品中，玄武巖纖維的生產原料——玄武巖熔體具有“熔點高、導熱性差、易析晶、粘度窄、料性短”等一系列固有特性調控難度大；二是玄武巖原料的成分變化大調控難度大。我國不同地區(qū)的玄武巖化學成分和礦物相都不同，盡管通過選礦，雖然可以將每一種化學成分配比篩選控制在一定的區(qū)域值內，但是每一批天然玄武巖礦石的差異值是客觀存在的。長期以來大量在市場應用的玻璃纖維生產過程中，生產線工人心肺易被吸入微小玻璃纖維粉塵、導致危害生命健康，同時污染環(huán)境的綠色生產問題始終沒有根治解決好。
高強度微晶纖維加工制成的微晶纖維布具有高強度、永久阻燃性、短期耐溫在1000℃以上，可長期在760℃溫度環(huán)境下使用，是頂替石棉、玻璃纖維布的一種理想的無污染綠色新材料。按微晶纖維布的斷裂強度高、耐溫高、具有永久阻燃性。是nomex(芳綸1313)、kevlar(芳綸1414)、zylon(pbo纖維)、碳纖維等高性能纖維和先進纖維的低價替代品。
微晶纖維是一種國家戰(zhàn)略性的創(chuàng)新材料。本發(fā)明新材料關乎國家安全戰(zhàn)略和國家經濟發(fā)展戰(zhàn)略，對國防建設和國民經濟發(fā)展具有重要支撐及促進作用，符合綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的要求；而且其生產原料來源于國內自給且充沛不受外國控制，代表全球技術創(chuàng)新和新材料產業(yè)方向。
另一方面，國內尾礦的堆積量連年增加。其中銅尾礦和玄武巖石材廢料尾礦占有很大比例，這些尾礦除少量作為舊礦井的填充料之外，其余絕大多數(shù)還以填充洼地或筑壩堆放的方式儲存，堆置的尾礦不僅占用了大量土地，而且覆蓋了原有的植被，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，尾礦因其特殊的理化性質，重金屬含量高，植物很難在尾礦上自然生長，同時尾礦因隨風飛揚、雨水流失，對周邊地區(qū)的居民生活環(huán)境造成污染，給人們的生活帶來很大的安全隱患，因此，利用尾礦生產高附加值的產品也成為尾礦綜合利用的必然趨勢。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種利用尾礦、石材廢料生產的高強度微晶纖維及其制備方法，可根本解決目前國內大量供應市場的以化工有機成分為主生產的碳纖維，及無機玻璃纖維存在的危害人體矽肺健康和污染環(huán)境的難題；解決現(xiàn)有玻璃纖維產品性脆，耐腐蝕、耐磨性較差，易斷裂、使用壽命短的問題，也解決了玄武巖纖維的天然生產原料來源成分波動較大，致使產品質量不穩(wěn)定的難題。同時有效緩解由于尾礦、石材廢料堆積帶來的環(huán)境問題和安全事故隱患。
為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
一種利用尾礦生產的高強度微晶纖維，其特征在于：其包含的組分及各組分的重量份配比如下：
這種高強度微晶纖維，其特征在于，質量百分比計，由以下成分組成：二氧化硅49～57份、氧化鈣6～10份、氧化鎂3.5～6份、三氧化二鋁14.5～18.6份、三氧化二鐵3～5.5份、氧化鈉2.0～3.2、氧化鉀1.6～3份、氧化鈦0.5～1.8份、以及0.2～1.5％的助熔劑、0.2～0.6％的澄清劑。
2、根據權利要求1所述的利用尾礦生產的高強度微晶纖維，其特征在于：所述銅尾礦的組分及各組分的質量百分數(shù)為69.9～82.6％的二氧化硅、6.16～12.4％的三氧化二鋁、0.17～4.2％的nao+k2o、0.23～1.76％的三氧化二鐵，cao+mao0.50～1.94％，0.01～0.04％的氧化銅，余量為其他化學成分。
3、根據權利要求1所述的利用尾礦生產的高強度微晶纖維，其特征在于：所述銅尾礦是銅礦選礦廠排放的含有cu元素的粉狀固體廢棄物，其中銅含量為0.01～0.04mg/kg。
4、根據權利要求1所述的利用尾礦生產的高強度微晶纖維，其特征在于：所述玄武巖石材廢料是玄武巖石材礦山開采過程中排放的粉狀固體廢棄物。玄武巖石材廢料的組分及各組分的質量百分數(shù)為51.4～53.7％的二氧化硅，14.11～18.40％的三氧化二鋁，cao7.5-10.2％，mao4.73～8.90％，5.2～6.9％的nao+k2o和0.9～1.7％的三氧化二鐵，余量為其他化學成分。
5、根據權利要求1所述的利用尾礦生產的高強度微晶纖維，其特征在于：所述鋁土礦尾礦是氧化鋁廠生產過程中排放的粉狀固體廢棄物。鋁土礦尾礦的組分及各組分的質量百分數(shù)為三氧化二鋁37.21～43.56％，三氧化二鐵的質量百分數(shù)小于0.02～0.75％。
6、根據權利要求1所述的利用尾礦生產的高強度微晶纖維，其特征在于：所述助熔劑是白色結晶性粉末狀的硼砂，以質量計數(shù)，其b2o3含量不低于36％，fe2o3含量不大于0.005％。
7、根據權利要求1所述的利用尾礦生產的高強度微晶纖維，其特征在于：所述澄清劑是一種白色粉末的復合澄清劑，以銻酸鈉質量計數(shù)，其銻酸鈉(xasbo3)有效成分含量不低于98％。
8、根據權利要求1所述的利用尾礦生產的高強度微晶纖維，其特征在于：包括如下生產步驟：
步驟一、配料：將小于80目以下干粉顆粒狀的銅尾礦、玄武巖石材廢料、鋁土礦尾礦及其他原料按照重量配比進行稱量配料，并混合均勻成配合料；
步驟二、投料：將配合料用配料皮帶輸送機送入混合機中進行均化混料，把混合好的混合料通過上料皮帶輸送機送入到電爐(或燃氣高溫池窯)加料口處的儲料倉內，再經過儲料倉下端口的螺旋送料機推入到電爐(或燃氣高溫池窯)中；
步驟三、熔化：電爐(或燃氣高溫池窯)中的混合料，在熔融溫度1530℃情況下進行高溫熔化、充分澄清；成為流動性良好的溶液；
步驟四、拉絲：電爐(或燃氣高溫池窯)內的高溫溶液流入爐子的纖維產生組件中，穿過用鉑銠合金制作的噴絲漏板的眾多小孔(800孔或1200孔)流出拉絲；
步驟五、纏繞：從噴絲漏板下漏出來的微晶纖維(單根直徑為9-15微米)進入油性侵潤劑涂層設備中。纏繞機將連續(xù)纖維纏繞到紗筒上。
步驟六、粗紗：利用并紗機，紗筒上初級紗線被重新卷繞成粗紗線卷；
其中，所述步驟四熔化和鉑銠合金漏板拉絲用的窯爐為全電熔爐(或燃氣高溫玻璃池窯)，熔融溫度范圍是1500～1600℃。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下：
微晶纖維與碳纖維、芳綸、聚乙烯纖維等高技術纖維相比，除了具有高技術纖維高強度、高模量的特點外，微晶纖維還具有耐腐蝕、耐高溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、不吸水、過濾性好、抗壓縮強度和剪切強度高、適應于各種環(huán)境下使用等優(yōu)異性能，且性價比好，是一種無機非金屬材料，也是一種可以滿足國民經濟基礎產業(yè)發(fā)展需求的新的基礎材料和高技術纖維。
1、原料成本降低26～35％：本發(fā)明采用有色金屬尾礦--銅尾礦、鋁尾礦及玄武巖石材廢料作為主要的生產原料，銅礦尾礦和玄武巖石材廢料里含有大量的二氧化硅和部分三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鎂，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝配方中使用的石英砂、方解石，對產品有一定的高溫燃燒助熔化、降低能耗的作用；鋁尾礦里含有很高的氧化鋁，可以全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝配方中氧化鋁或長石粉，部分代替配方中工業(yè)純堿的使用量。在原料中尾礦、石材廢料的綜合利用率能夠達到50～85％，能夠大大降低了生產原料成本。
2、高耐腐蝕性與化學穩(wěn)定性：微晶纖維在飽和ca(oh)2溶液以及在水泥等堿性介質中耐久性好，能保持高度的穩(wěn)定性和較高的抗拉強度特點，具有與水泥、混凝土的親和力。采用微晶纖維代替聚丙烯纖維生產增強水泥及其混凝土，可代替鋼筋用作混凝土建筑結構的增強材料，制作橋梁等大型建筑的結構件，用于建筑結構加固、補強和修復，在建筑增強領域中的應用具有較大優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
微晶纖維在堿性溶液中具有獨一無二的化學穩(wěn)定性，該特性為在橋梁、隧道、堤壩、樓板等混凝土結構以及瀝青混凝土路面、飛機起落跑道等重要且經常受到高濕度、酸、堿、鹽類介質作用的建筑結構中的應用開辟了廣闊的前景。
3、高熱穩(wěn)定性和高的聲熱絕緣特性：微晶纖維由于導熱系數(shù)低、工作范圍大、抗震性能好，廣泛應用于絕熱保溫材料。另外，由于微晶纖維具有多孔結構和無規(guī)則的排列方式，吸聲性能好，可作為生產設備的聲絕緣材料
4、低吸水率、保溫性、抗沖擊性和耐久性較強：本發(fā)明產品二氧化硅與氧化鋁含量較高且經過高溫熔融拉絲燒成，形成一種吸水率(v/v)低(檢測值4.71％，標準要求≤5％)，微晶纖維是玻璃纖維吸水率的12％～15％：與傳統(tǒng)碳纖維、玻璃纖維材料相比，硬度和強度均較高。保溫性、抗沖擊性和耐久性較強。由微晶纖維制造的隔聲隔熱材料在飛機、火箭、船舶制造業(yè)等領域將率先得到廣泛的應用。
5、微晶纖維具有防輻射的功能：在核電站建設和軍工，民用等防輻射領域中應用前景也很廣闊。
制造過程對環(huán)境無害，無工業(yè)垃圾，不向大氣排放有害氣體.在耐高溫、穩(wěn)定性、耐腐蝕性、導熱性、絕緣性等許多技術指標方面優(yōu)于普通玻璃纖維。
6、熱振穩(wěn)定性：微晶纖維在200℃下的熱振穩(wěn)定性很好。采用微晶纖維和環(huán)氧樹脂制成的復合材料在軍品和民品上也獲得很大的進展，如在噴火口處具有強大的熱振沖擊力時，微晶纖維復合材料也能保持非常好的熱振穩(wěn)定性，加之微晶纖維的伸長率高于碳纖維，所以微晶纖維還可以制作耐熱的復合材料、絕熱絕緣復合材料：如儀表盤，電器附件，耐磨高溫齒輪、密封件，耐高溫襯墊、船舶的絕熱材料。車輛的耐磨擦襯片等
7、微晶纖維具有防輻射的功能。在核電站建設和軍工，民用等防輻射領域中應用的也很廣闊。
8、與金屬、塑料、碳纖維等材料的良好兼容性：微晶纖維和各類樹脂復合時，比玻璃纖維、碳纖維有著更強的粘合強度。用微晶纖維制成的復合材料在強度方面與玻璃纖維e相當，但彈性模量在各種纖維中具有明顯優(yōu)勢。
9、環(huán)保、無放射性危害：本發(fā)明大宗利用尾礦廢棄物，對緩解由于尾礦堆積導致的環(huán)境污染、安全事故隱患有重要意義，并且該發(fā)明產品無放射性危害，放射性核素限量檢驗項目，其放射性內照射指數(shù)檢測值為0.1，外照射指數(shù)檢測值為0.2，均低于國家相關標準要求的不大于1。
根據研究結果表明，凡是纖維增強材料的各種制品，微晶纖維作為一種復合材料中的增強材料，都能一定程度上代替，且成本低，性能好，生產過程清潔，作為一種生態(tài)環(huán)境材料，可以填補新型材料領域的空白；微晶纖維及其復合材料可以較好地滿足國防建設、交通運輸、建筑、石油化工、環(huán)保、電子、航空、航天等領域結構材料的需求，對國防建設、重大工程和產業(yè)結構升級具有重要的推動作用。它既是21世紀符合生態(tài)環(huán)境要求的綠色材料，又是一個在世界高技術纖維行業(yè)中可持續(xù)發(fā)展的有競爭力的新材料產業(yè)。因此，本發(fā)明微晶纖維及其復合材料產業(yè)具有良好的社會效益和經濟效益。
運用“火焰噴吹法”的工藝進行生產。這種發(fā)明方法主要提供一種大于650℃溫度以上不燃燒的高強度無機復合增強材料，降低生產原料成本26～35％以上。此外，本發(fā)明產品抗拉伸，保溫、絕緣、隔熱、不吸水，無輻射，耐腐蝕，可根據不同微晶纖維制品性能要求生產出不同形狀規(guī)格的新材料產品，可廣泛應用于各種高強度的纖維增強復合材料領域。
附圖說明
圖1是本發(fā)明制備方法的尾礦廢渣微晶纖維生產工藝流程示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖1以及實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例一
利用尾礦生產的高強度微晶纖維，原料組成按重量份配比如下：
火焰噴吹法是生產微晶纖維的主要方法，其工藝過程如下：制備時，將配好的粉料送入混料機均化混合。將混合好后的微晶纖維生產原料通過耐熱不銹鋼螺旋加料機推入電爐(或高溫纖維熔池窯)中進行高溫熔化，熔融溫度為1550℃，熔化后從漏嘴流出，在鉑銠合金噴絲漏板的眾多小孔(800孔或1200孔)下方流出拉絲，形成一次纖維；單根直徑為9-15微米一次纖維進入油性侵潤劑涂層設備中，經過旋轉膠輥纏繞機和導絲裝置的引導下，將連續(xù)纖維纏繞到紗筒上。然后利用并紗機，紗筒上初級紗線被重新卷繞成粗紗線卷，形成20～200nm的定長超細纖維。
本實施例的高強度微晶纖維，外觀無結節(jié)、斷絲現(xiàn)象，單位纖維密度為2.64g/cm3。
實施例二
利用尾礦生產的高強度微晶纖維，它的原料組成按重量份配比如下：
火焰噴吹法是生產微晶纖維的主要方法，其工藝過程如下：制備時，將配好的粉料送入混料機均化混合。將混合好后的微晶纖維生產原料通過耐熱不銹鋼螺旋加料機推入電爐(或高溫纖維熔池窯)中進行高溫熔化，熔融溫度為1530℃，熔化后從漏嘴流出，在鉑銠合金噴絲漏板的眾多小孔(800孔或1200孔)下方流出拉絲，形成一次纖維；單根直徑為9～15微米一次纖維進入油性侵潤劑涂層設備中，經過旋轉膠輥纏繞機和導絲裝置的引導下，將連續(xù)纖維纏繞到紗筒上。然后利用并紗機，紗筒上初級紗線被重新卷繞成粗紗線卷，形成20～200nm的定長超細纖維。
本實施例的高強度微晶纖維，外觀無結節(jié)、斷絲現(xiàn)象，單位纖維密度為2.62g/cm3。
實施例三
利用尾礦生產的高強度微晶纖維，原料組成按重量份配比如下：
火焰噴吹法是生產微晶纖維的主要方法，其工藝過程如下：制備時，將配好的粉料送入混料機均化混合。將混合好后的微晶纖維生產原料通過耐熱不銹鋼螺旋加料機推入電爐(或高溫纖維熔池窯)中進行高溫熔化，熔融溫度為1540℃，熔化后從漏嘴流出，在鉑銠合金噴絲漏板的眾多小孔(800孔或1200孔)下方流出拉絲，形成一次纖維；單根直徑為9～15微米一次纖維進入油性侵潤劑涂層設備中，經過旋轉膠輥纏繞機和導絲裝置的引導下，將連續(xù)纖維纏繞到紗筒上。然后利用并紗機，紗筒上初級紗線被重新卷繞成粗紗線卷，形成20～200nm的定長超細纖維。
本實施例的高強度微晶纖維，外觀無結節(jié)、斷絲現(xiàn)象，單位纖維密度為2.61g/cm3。
實施例四
利用尾礦生產的高強度微晶纖維，原料組成按重量份配比如下：
火焰噴吹法是生產微晶纖維的主要方法，其工藝過程如下：制備時，將配好的粉料送入混料機均化混合。將混合好后的微晶纖維生產原料通過耐熱不銹鋼螺旋加料機推入電爐(或高溫纖維熔池窯)中進行高溫熔化，熔融溫度為1520℃，熔化后從漏嘴流出，在鉑銠合金噴絲漏板的眾多小孔(800孔或1200孔)下方流出拉絲，形成一次纖維；單根直徑為9～15微米一次纖維進入油性侵潤劑涂層設備中，經過旋轉膠輥纏繞機和導絲裝置的引導下，將連續(xù)纖維纏繞到紗筒上。然后利用并紗機，紗筒上初級紗線被重新卷繞成粗紗線卷，形成20～200nm的定長超細纖維。
本實施例的高強度微晶纖維，外觀無結節(jié)、斷絲現(xiàn)象，單位纖維密度為2.63g/cm3。