天然滑石在玻璃纤维生产中的应用研究

章林，邢文忠，洪秀成，刘娟，曹建强

(巨石集团有限公司，桐乡 314500)



天然滑石在玻璃纤维生产中的应用研究

章林，邢文忠，洪秀成，刘娟，曹建强

(巨石集团有限公司，桐乡 314500)

摘 要：研究了用天然滑石替代煅烧白云石作为玻璃纤维原料的可行性，重点介绍了滑石的基本性质及其配合料熔制差异。研究表明，用天然滑石替代煅烧白云石作为玻璃纤维原料是可行的。使用滑石后，不仅不会产生高温粉尘飞扬情况，还有利于加速配合料的硅酸盐进程。从配合料熔制效果来看，含滑石的配合料整体上要略优于含煅烧白云石的配合料。从配合料熔制过程来看，含滑石的配合料与含煅烧白云石的配合料极其相似，这有利于提高原料转换过程的稳定性与效率。

关键词：滑石；煅烧白云石；玻璃纤维

0前言

窑炉内粉尘较多是一直需要解决的问题。几年前，已经有生产企业尝试使用煅烧白云石替代白云石用以解决窑炉粉尘飞扬的问题[1-2]。但是煅烧白云石的来源一直比较紧张，经常出现断料现象，且其煅烧工艺控制不稳定、成分波动大[3-4]。因此，寻找一种合适的含镁原料替代煅烧白云石成为稳定生产的当务之急。

通过大量资料调研及实验室研究，作者认为天然滑石可以替代煅烧白云石引入氧化镁并解决上述问题。与煅烧白云石相比，天然滑石的来源更广泛、成分更稳定、性价比更高。同时，天然滑石还可以进一步降低原料成本，提高玻璃液的熔制质量，从而达到降低生产成本和提高玻璃性能的目的。

1试验过程

1.1原料、设备及测试分析方法

滑石和煅烧白云石均为天然矿粉，原料供应商提供；

S8 TIGER X射线荧光仪；

D8 ADVANCE X射线衍射仪；

高温显微镜；

DM 2500p偏光显微镜；

高温观察炉；

高温电炉。

样品的粒度、SO3质量分数和COD值采用玻璃纤维行业提供的标准方法测定[5-6]。

1.2配合料制备及熔制性能对比

(1) 两种样品按照同一个E玻璃成分来计算料单，根据料单称料，混合均匀后备用，简称为含滑石配合料和含煅烧白云石配合料。

(2) 采用高温显微镜与DM 2500P偏光显微镜研究配合料的熔制效果。过程如下：首先将预处理的样品放置于高温显微镜的样品平台，然后按程序升温(20～800 ℃，30 ℃/min；800～1 600 ℃，10 ℃/min)至设定空间温度1400 ℃，不保温，随炉冷却。最后在偏光显微镜下观察样品熔制效果。

(3) 采用高温观察炉(HTO)研究配合料的熔化与澄清过程。过程如下：首先将HTO预加热到500 ℃保温，接着将装有样品的石英管放置于样品平台，然后升温(500～1 000 ℃，15 ℃/min；1 000～1 500 ℃，5 ℃/min)至设定温度1 500 ℃，保温3 h，期间通过设备自带的摄像装置观察并记录配合料及其玻璃液的变化过程。

(4) 采用高温电炉研究原料的高温飞扬情况。过程如下：常温下将两个直径15 cm的石英坩埚对称放置于高温电炉的样品平台，然后升温(20～500 ℃，10 ℃/min；500 ℃以后，15 ℃/min)至设定温度1 500 ℃，保温30 min。随后打开电炉将样品平台降至最低位置，接着迅速将同样重量的滑石和煅烧白云石同时分别加入到两个坩埚中，观察各自的粉尘飞扬情况。

2试验结果与讨论

2.1滑石的性质

滑石是一种层状硅酸盐矿物，主要成分是氧化硅和氧化镁，同时含有少量结构水。其基础矿物的化学式为[3MgO·4SiO2·H2O]，标准莫氏硬度为1，密度范围在2.5～2.8 g/cm3[7]。外观大多为白色或淡灰色，有明显的滑腻感。一般情况下，天然滑石往往与少量菱镁石[MgCO3]等矿物伴生，从而使实际原料中的硅含量稍低、镁含量稍高，它的伴生特性在一定程度上还可以提高原料的性价比及其在配合料中的易熔性。因此，在各项原料指标稳定的前提下，本文研究的是具有伴生特性的天然滑石矿物。

在热学性能方面，滑石具有特征的热反应过程。从图1所示的热分析DSC曲线来看，天然滑石在652 ℃和994 ℃附近具有明显的吸热谷，分别代表着少量吸附水和结构水的排除。伴生有少量菱镁石的滑石矿物，其大致热反应情况如下[8～9]：

第一阶段400～800 ℃，出现γ-顽火辉石和MgO的固溶体：

滑石(3MgO·4SiO2·H2O)→γ-顽火辉石+游离SiO2

菱镁石[MgCO3]→MgO+CO2

第二阶段800～1200 ℃，出现β-顽火辉石，最终形成偏硅酸镁固溶体：

γ-顽火辉石→β-顽火辉石(偏硅酸镁)

MgO+SiO2→MgO·SiO2(偏硅酸镁)

理论上，应用滑石的最大好处就是利用滑石分解转化的β-顽火辉石熔融后的偏硅酸镁(MgO·SiO2)，其中的SiO2部分可以直接快速地进入玻璃的网络结构，弥补因各种原因引起的玻璃网络结构缺陷。同时，由于存在偏硅酸镁中Mg-O键与Si-O键的良好亲和性，MgO部分作为填充剂也可以较快速地进入玻璃的空穴结构，进一步增强玻璃结构的紧密性，有利于提高玻璃的综合性能。

此外，由上述方程可知，当滑石中存在少量菱镁矿的情况下，菱镁矿分解产生的MgO能与滑石分解出的游离SiO2结合，快速生成偏硅酸镁，从而进一步加速滑石在玻璃中的硅酸盐进程[10]。

由表1和表2可知，滑石的铁、硫含量和COD值较低，同时由于无需进行煅烧，工艺影响因素较少，原料的实际控制难度比煅烧白云石低得多。

表1　滑石与煅烧白云石的成分控制对比　%

表2　滑石与煅烧白云石的粒度与COD值控制对比

2.2两种原料的高温飞扬情况

考虑到两种含镁原料可能存在高温下粉尘飞扬的风险，作者还利用高温电炉进行了粉尘飞扬验证试验。我们发现，滑石粉加入到1500 ℃的高温坩埚时并无粉体向上喷出，高温电炉内基本没有粉尘飞扬情况，且样品表面迅速形成了一层初熔物质，基本现象与煅烧白云石类似。

2.3配合料熔制情况分析

由图2可知，在高温显微镜同样的加温程序及空间温度下，含滑石配合料的熔制效果要略优于含煅烧白云石配合料。这可能是以下原因造成的：一方面，滑石分解转化的β-顽火辉石熔融后的偏硅酸镁(MgO·SiO2)能更快速地进入玻璃网络；另一方面，该滑石中存在少量菱镁石，菱镁石很容易分解，它产生的MgO能与滑石分解出的游离SiO2结合，快速生成偏硅酸镁，从而进一步加速滑石在玻璃中的硅酸盐进程。

由图3～图5可知，在HTO同样的加温程序及空间温度下，在前期的熔化速度方面，含滑石的配合料要略快于含煅烧白云石的配合料。在1 350 ℃空间温度下，含滑石配合料初熔体的流动性较好，气泡数量较多、较大且分布较均匀，这与菱镁石的快速分解及滑石易于和配合料中的含硅含铝原料快速反应有关。在中后期的澄清与均化效果方面，含滑石的配合料与含煅烧白云石的配合料极其相似。在1 450 ℃和1 500 ℃的空间温度下，两种配合料的气泡数量、气泡大小及气泡的变化情况均十分相似，这有利于提高原料转换过程的稳定性及效率。

3结论

(1) 用天然滑石替代煅烧白云石作为玻璃纤维原料是可行的。

(2) 天然滑石替代煅烧白云石后不会产生高温粉尘飞扬情况。

(3) 使用天然滑石有利于加速配合料的硅酸盐进程，同时对增强玻璃结构的紧密性也有所帮助。

(4) 从配合料熔制效果来看，含滑石的配合料整体上要略优于含煅烧白云石的配合料。

(5) 从配合料熔制过程来看，含滑石的配合料与含煅烧白云石的配合料极其相似，这有利于提高原料转换过程的稳定性与效率。

参考文献

[1]徐日瑶，袁洪波.白云石结构及其煅烧白云石的热还原对比[J].轻金属，1990，12(7)：40-44.

[2]徐凯.白云石质量对玻璃生产的影响[J].玻璃与搪瓷，2004，32(3)：27-29.

[3]郭清富.试论影响煅烧白云石质量的因素[J].轻金属，1993，12(6)：36-37.

[4]刘金平，杨富春，徐河.煅烧白云石质量的影响因素分析与控制[J].有色金属，2006，12(6)：26-28.

[5]白晓华.玻璃原料COD值的测定[J].玻璃与搪瓷，2009，37(3)：34-36.

[6]顾云龙.矿物原料质量对玻纤生产的影响[J].玻璃纤维，2002，6(2)：18-21.

[7]肖助銮.一种快速测定滑石粉中碳酸钙含量的方法[J].造纸科学与技术，2008，27(1)：56-57.

[8]周相廷，刘百年，汤集刚.菱镁矿热分解过程研究[J].无机盐工业，1992，12(1)：10-12.

[9]郑红霞，廖新生，汪琦.菱镁矿粉及其粉球分解的TG动力学[J].辽宁科技大学学报，2008，31(1)：29-31.

[10]邓炜，程金树，邓臻禄.普通玻璃配合料硅酸盐烧结过程与热量计算[J].武汉理工大学学报，2010，32(22)：111-114.

Study on Application of Natural Talc in Fiberglass Production

Zhang Lin，Xing Wenzhong，Hong Xiucheng，Liu Juan，Cao Jianqiang

(Jushi Group Co.，Ltd.，Tongxiang 314500)

Abstract:The feasibility of using talc instead of calcined dolomite as a raw material for making glass fibers was studied，and the basic properties of talc and the difference of its melting behavior were explored.The results showed that the replacement is entirely feasible.Dust fly did not happen at high temperature after using talc.The talc could also accelerate the silicate process of glass batch.Viewed from the melting results of their batches，the talc was slightly better than calcined dolomite，while viewed from the melting process of their batches，they were extremely similar，which could improve the stability and efficiency of the material transfer process.

Key words:talc；calcined dolomite；fiberglass

中图分类号：TQ171.77+4

文献标识码：A

收稿日期：2016-01-08

作者简介：章林，男，1982年生，工程师。主要从事玻璃纤维配方及其原料的研究。

修回日期：2016-01-18