马辉 李涛 武素茹 张澜君 连春雨

玄武岩纤维是以玄武岩、辉绿岩等其他类似岩石为原料，经1450～1500℃高温熔融后，通过拉丝制备工艺制成的连续纤维的统称。含有玄武岩纤维的产品主要有玄武岩纤维粉、玄武岩纤维丝或纱线、玄武岩纤维编织品、岩棉及岩棉板等。

现行玄武岩纤维定性鉴别标准为SN/T 4357-2015 《进出口纺织品纤维定性分析陶瓷、玄武岩、聚苯硫醚和聚醚醚酮纤维》^[1]，其中规定了玄武岩纤维的定性鉴别方法。这种定性鉴别方法主要借鉴引用了FZ/T 01057-2007《纺织纤维鉴别试验方法》^[2]系列标准中的常用鉴别方法，对玄武岩纤维的燃烧特征、外观形态、溶解性能、起始热分解温度、密度分别进行试验，并根据试验结果对玄武岩纤维进行综合鉴别。

SN/T 4357-2015对于玄武岩纤维的综合鉴别原则是经燃烧试验法鉴别后，再采用化学溶解法、热分析法、密度法等一种或几种方法进行进一步确认后最终确定。鉴别过程需要各个试验进行互相佐证。其中，化学溶解试验需使用强酸、强碱和有毒试剂；显微镜法、热分析法和密度法均需专用仪器设备，试验过程对试验人员要求较高，整个鉴别过程较为繁琐。鉴于现有技术存在的问题，本研究提出一种玄武岩纤维的定性鉴别方法，无需采用多种试验方法进行综合判定，只需要对样品进行一定温度的加热保温处理后，通过X射线荧光光谱仪（XRF）和X射线衍射分析仪（XRD）直接测试即可定性鉴别。

1 试验方法

1.1 设备仪器

XRD试验采用D8型X射线衍射分析仪（德国Bruker公司），试验条件：铜靶，探测器Lynx-eye，扫描速度为0.2 s/step，光管电压为40 kV，电流为30 mA，测角范围为10°～90°。

XRF试验采用Epsilon3型台式能量色散型X射线荧光光谱仪（荷兰Malvern Panalytical公司），试验条件：光管电压为20 kV，电流为100μA，探测器为SDDultra硅漂移探测器。

样品加热保温处理采用SDTGA100型马弗炉（三德科技），最大功率为3.5 kW，控温范围为室温至1000℃，控温精度≤5℃，最高升温速度为100℃/min，分辨率为1℃。

1.2 试验样品的制取

岩棉板是包含玄武岩纤维的常见产品，所以选取岩棉板作为试验对象。样品量至少50 g，从中取一部分岩棉样品直接研磨成粒度为200目的细粉状样品，标记为样品1，用于XRF和XRD分析。剩余岩棉样品置于陶瓷坩埚中，放入温度为900℃的马弗炉中，保温至少2 h，加热保温中途可间断，直到样品变为脆性可研的碎状颗粒，样品冷却后研磨成粒度为200目的细粉状样品，标记为样品2，用于XRF和XRD分析。

1.3 试验步骤

1.3.1 XRF试验过程

将样品1、样品2分别放入台式能量色散型X射线荧光光谱仪专用样品盒中，然后放入仪器进行分析。

1.3.2 XRD试验过程

将样品1、样品2分别放入X射线衍射仪专用样品盒中，压实、平整后放入X射线衍射仪中扫描。

2 试验结果

2.1 XRF分析结果

样品1、样品2的XRF分析结果见表1，加热前后样品的组分未见显著差异，其中保温前后样品重量变化见表2。

表2 加热保温前后样品的重量变化

Table 2 Weight changes before and after heat preservation

2.2 XRD分析结果

样品1经过XRD分析，结果为无定形，证明玄武岩纤维为非晶态固体纤维，如图1所示；样品2经过XRD分析，结果物相为辉石，如图2所示。

图1 加热保温前岩棉板粉末XRD分析结果

Fig.1 XRD detection results of rock wool board powder before heat preservation

图2 加热保温后岩棉板粉末XRD分析结果

Fig.2 XRD detection results of rock wool board powder after heat preservation

2.3 结果分析

保温前后样品中主要元素的含量未见明显变化，且保温前后重量变化不大。烧失量的产生可能与岩棉板在生产过程中带入的残余焦炭在有氧的加热保温过程中燃烧消失有关。样品保温处理前后元素组分含量与文献[3-4]中对于制作岩棉原料的要求十分接近，岩棉板中主要包含玄武岩纤维，也就是说样品中的元素组分与玄武岩纤维的主要元素组分基本一致。其中，SiO₂、Al₂O₃提高纤维的化学稳定性和熔体的黏度，Fe₂O₃提高成纤的使用温度，TiO₂提高纤维的化学稳定性、熔体的表面张力和黏度，CaO、MgO属于添加剂范畴，有利于原料的熔化和制取细纤维。

保温前后的样品由非晶形态转变成具有晶体形态的辉石相，说明加热保温过程改变了样品的微观形态结构，也就是岩棉板中的玄武岩纤维经过加热保温后由非晶形态转变成具有晶体形态的辉石。岩棉板的制作原料主要为玄武岩、辉绿岩，而玄武岩中的主要矿物是斜长石和辉石^[5]，辉绿岩主要是由辉石和基性长石等组成^[3]，由此可以证明制作岩棉板的原料主要是玄武岩或者辉绿岩。综上所述，根据玄武岩纤维的制作原料组分和物相结果，并参照SN/T 4357-2015进行验证，样品可以定性鉴别为玄武岩纤维。

3 结论与讨论

3.1 加热保温前后样品形态特征

利用飞纳台式电子显微镜对样品的形态特征进行观察发现，加热保温前岩棉板中主要为玄武岩纤维，纤维粗细长短各异，并残留有部分焦炭渣，如图3所示。加热保温后纤维数量大量减少，绝大部分熔化结晶成为圆形或者椭圆形细颗粒，颗粒尺寸为100～200 μm，如图4所示，结合XRD的分析结果，此类结晶颗粒应为辉石结晶产物。

3.2 结晶驱动力

岩棉是以玄武岩为主原料，白云石、矿渣为辅料，焦炭为燃料^[6]，在1450～1500℃高温下形成的无定形玻璃黏质体，利用高速离心机成纤而成。岩棉制成品中主要含有玄武岩纤维，玄武岩纤维为非晶态固体纤维，成纤时玻璃黏质体在快速冷却过程中黏度急剧增大，原子来不及规则排列形成晶体，没能完全释放结晶潜热，因此具有较高的内能，属于一种亚稳状态。所以即使在900℃，远低于熔融温度的条件下，也可以产生结晶。

另外，作为玄武岩纤维原料的玄武岩、辉绿岩或其他类似岩石，都是由矿物或类似矿物组成的固态集合体，具有一定的结构构造^[7-8]。这些特定结构的矿物原料具有矿物结构记忆，这种矿物结构记忆的物理形态和有序结构在后续加工处理过程中发生了变化，但其微观结构中某些结构单元仍得以保留，包含部分恢复原有晶体结构形态的功能属性。具有结构记忆功能的矿物大多是结构稳定、结晶良好、有序度较高、熔点较高，像玄武质岩中的橄榄石、基性斜长石、斜方辉石、石英、磁铁矿等 ^[9-10]。

综上所述，玄武岩纤维的结晶是在900℃，2 h的保温过程中，在亚稳状态的结晶潜热的驱动下，按照矿物记忆恢复的功能，完成了“恢复结晶”的过程。

参考文献

[1] SN/T 4357-2015 进出口纺织品纤维定性分析陶瓷、玄武岩、聚苯硫醚和聚醚醚酮纤维[S]. 北京: 中国标准出版社, 2016.

[2] FZ/T 01057-2007 纺织纤维鉴别试验方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007.

[3] 《非金属矿工业手册》编辑委员会. 非金属矿工业手册(上册)[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1992: 22-25.

[4] 施德荣. 辉绿岩脱铁生产岩棉工艺研究[J].河北省科学院学报, 1993(4): 34-37.

[5] 张燕, 田风. 玄武岩连续纤维的性能与应用[J]. 中国个体防护装备, 2004(6): 13-15.

[6] 谢诚, 周凌枫,杨志军, 等. 高性能建筑岩棉保温板的熔化成纤工艺研究[J]. 陕西建筑, 2019(285): 32-36.

[7] 路凤香, 桑隆康. 岩石学[M]. 北京: 地质出版社, 2002: 27-32.

[8] 地质词典办公室. 地质词典(二) 矿物岩石地球化学分册[M]. 北京: 地质出版社, 1981: 2.

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[10] 白志民, 周珣若. 火山岩实验矿物的结晶形态及其生长动力学机制[J]. 岩石矿物学杂志, 1997, 16(1): 56-62.