叶腊石、高岭土、白泡石，谁更适合作为玻纤铝质原料？

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，是航空航天、交通运输、电子电器等行业的核心材料，广泛用于飞机机舱、大型风机叶片、新能源汽车等领域。根据玻璃纤维中碱含量的多少，可将其分为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、高碱玻璃纤维。无碱玻璃纤维（E玻璃）化学稳定性、电绝缘性能和强度表现出色，在玻璃纤维行业中，占据95%以上的产量规模。

无碱玻璃纤维主要成分包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO等，其中，Al2O3含量（质量分数，下同）为5%~25%。国外多数玻璃纤维中Al2O3由纯氧化铝、高岭石引入，国内通常由叶蜡石、高岭土等天然非金属矿物原料引入。叶蜡石是一种含水的铝硅酸盐，化学式Al2O3·4SiO2·H2O，理论Al2O3含量为28.3%，SiO2为66.7%，H2O为5.0%，可占到玻璃配合料的60%以上。高岭土化学式为Al2O3·2SiO2·2H2O，理论Al2O3含量为39.5%，SiO2为46.54%，H2O为13.96%。高岭土化学组成与叶蜡石相同，但Al2O3含量更高，后期须与石英粉配矿使用。本研究对国内具有代表性的叶蜡石矿、高岭土矿、白泡石矿进行调研，分析其典型矿床、矿物组成和关键成分，寻找适宜做玻璃纤维的原料，并梳理了3种原料的提纯研究进展，提出玻璃纤维铝质原料的发展方向。

1 叶蜡石

1.1 叶蜡石资源分布及特点

近20年来玻璃纤维产业高速发展使得高品位叶蜡石资源逐渐减少，玻璃纤维行业面临叶蜡石资源紧缺问题，寻找适宜的原料，加强资源保障，是发展的必然趋势。

我国叶蜡石矿床大部分分布在浙东-闽东-粤东一带，少量分布在华北和西北地区，如内蒙古、山西、甘肃等地。根据其矿物组成，主要分为叶蜡石型、叶蜡石-石英型、叶蜡石-高岭土型、叶蜡石-水铝石型、高铁叶蜡石5种类型。过量的水铝石在窑炉中不易熔化，拉丝时易产生断头，Fe2O3则影响玻璃纤维着色，现有资料表明，玻璃纤维用叶蜡石Fe2O3含量一般小于0.5%，因此后两者不建议用作玻璃纤维原料。为了寻找优质叶蜡石资源，对我国叶蜡石矿典型地区矿物组成及关键成分进行分析归纳，结果见表1。

表1 叶蜡石典型地区矿矿物组成及关键成分

分布

典型矿床

矿物组成

关键成分质量分数/%

浙江

青田山口

叶蜡石、石英，次为刚玉、硬水铝石、绢云母、高岭石、绿泥石、伊利石等

SiO2，67.19~75.46；Al2O3，16.89~24.09；Fe2O3，0.21~0.85

泰顺龟湖

叶蜡石、石英、硬水铝石，少量高岭石、伊利石、刚玉、赤铁矿等

SiO2，54.12~80.15；Al2O3，15.57~37.87；Fe2O3，0.13~0.26

常山芳村

叶蜡石、石英，次为白云母、高岭石、地开石、水云母，少量滑石、水铝石等

SiO2+Al2O3≥93；Fe2O3，0.5~1.0

上虞梁岙*

叶蜡石、长石、石英、少量高岭石、绢云母

SiO2，57~74；Al2O3，24~30；Fe2O3，0.10~0.25

福建

建瓯井后

叶蜡石、石英、水铝石、伊利石、明矾石、迪开石、赤铁矿、黄铁矿等

SiO2，59.82~89.78；Al2O3，12.02~30.56；Fe2O3，0.017~1.50

寿山*

叶蜡石、水铝石、明矾石、石英、玉髓、高岭石

SiO2，70.08；Al2O3，22.15；Fe2O3，0.76

峨嵋

叶蜡石，次为铝绿泥石、石英、玉髓

SiO2，70.04；Al2O3，23.13；Fe2O3，0.35

东仔

叶蜡石，少量石英、赤铁矿、褐铁矿、钛铁矿

SiO2，70.37；Al2O3，20.77；Fe2O3，3.04

内蒙古

扎鲁特旗

叶蜡石、石英、高岭石、云母，少量硬水铝石

SiO2，62.74~82.72；Al2O3，12.38~25.84；Fe2O3，0.1~0.77

安徽

郎溪岗南*

叶蜡石，次为水铝石、高岭石、石英，少量黑云母、褐铁矿、白钛矿、黄铁矿

SiO2，61.45~71.14；Al2O3，20.08~27.58；Fe2O3，0.3~1.6

江西

上饶

高岭石族、叶蜡石、石英，少量绢云母、黄铁矿、赤铁矿等

SiO2，66.22；Al2O3，27.07；Fe2O3，0.33

门头沟

叶蜡石、硬水铝石，少量高岭石、石英

SiO2，47.76；Al2O3，38.78；Fe2O3，0.61

注：*为测试数据，下同。

由表1可知，上虞梁岙、泰顺龟湖、福建峨嵋、江西上饶等地叶蜡石均为低铁叶蜡石矿，是优质的玻璃纤维原料。章几岩等对浙江常山芳村叶蜡石资源考察后，建议将其做玻璃纤维原料。浙江临海叶蜡石矿主要含地开石（高岭石）、叶蜡石、石英，均为玻璃纤维原料成分，在1995年已有应用记载。其中浙江泰顺龟湖超大型叶蜡石矿中Al2O3含量波动较大，部分矿区中含较多水铝石，易对玻璃纤维拉丝生产造成影响。我国叶蜡石矿有必要进行更加细致的资源评估，明确脉石矿物种类，对资源进行建档分级，明确其应用方向，为玻璃纤维铝质原料的选择提供依据。同时不断探索高效的干法提纯工艺，拓宽原料选择范围。

1.2 叶蜡石提纯开发现状

铁是影响玻璃纤维品质的关键杂质，我国能直接生产玻璃纤维的低铁叶蜡石原矿较少，大多数矿床产出的叶蜡石都有必要进行除铁提纯，如福建寿山、内蒙古等地的叶蜡石矿。铁在叶蜡石中主要以化合物形式存在，如磁铁矿等，通常用磁选法去除。目前国内对叶蜡石的除铁研究较少，于阳辉等以内蒙古某地高铁叶蜡石矿为原料，将其破碎至150~300μm粒级，经一段干法磁选即可获得Fe2O3含量为0.45%的精矿产品，满足玻璃纤维原料的要求，Fe2O3去除率为66%。叶蜡石中的赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿等均为弱磁性矿物，直接磁选除铁效果不彻底，在选前进行改性以增强弱磁性矿物的磁性，对提高磁选效率具有积极意义。试验表明，400℃热处理有利于黄铁矿转化生成磁性较强的磁黄铁矿；650℃微波焙烧，可以将菱铁矿、赤铁矿转变为强磁性的磁铁矿和磁赤铁矿。Ahmed等用微波对沙特阿拉伯某叶蜡石进行照射处理30min，即可使黄铁矿、赤铁矿磁性增强，磁选后精矿Fe2O3含量为0.16%，除铁效率为89%。Kim等采用同样的方法处理韩国某叶蜡石矿，除铁效率达到86.3%，此外，延长微波照射时间和增加磁感应强度可以促进金红石与铁矿物的结合，从而通过磁选实现钛杂质的去除。

为进一步除铁，于阳辉等将叶蜡石磨至-0.15mm进行湿法磁选，当磁感应强度为5.0T时，精矿Fe2O3降至0.18%，除铁效率达89.33%，较干法除铁效率提升近25百分点。铁复杂的赋存状态决定了物理法除铁率难以达到90%以上。Jena等采用湿法强磁磁选联合酸浸法去除叶蜡石中包体或粒间空隙中的针铁矿，铁含量从2.15%降到0.01%，去除率高达99.5%。但由于湿法磁选及酸浸等极大增加了原料成本，目前该方法尚未应用于玻璃纤维行业。

2 高岭土

2.1 高岭土资源分布及特点

叶蜡石是用来生产玻璃纤维的含Al2O3矿物原料之一，欧美国家玻璃纤维企业则以精选或质地好的高岭土作为玻璃纤维原料。中国高岭土储量巨大，单矿体质量稳定，主要分布在东南部，典型高岭土矿床及其关键成分，见表2。

表2 中国典型地区高岭土矿矿物组成及其关键成分

类型

典型矿床

矿物组成

关键成分质量分数/%

软质高岭土

广西北海

伊利石、石英、高岭石、少量长石

SiO2，75.49；Al2O3，15.47；Fe2O3，0.76

高岭石、埃洛石、明矾石、黄铁矿等

SiO2，48.00；Al2O3＞30.00；Fe2O3，1.00

砂质高岭土

茂名

云母、高岭石、石英、长石、铁钛矿物

SiO2，89.97；Al2O3，8.02；Fe2O3，0.26

福建龙岩

高岭石、埃洛石、伊利石

SiO2，51.2；Al2O3，34.33；Fe2O3，0.24

合浦

高岭石，次为绢云母，少量石英、长石

SiO2，73.23；Al2O3，15.75；Fe2O3，2.77

江西崇义

高岭石、石英、三水铝石、长石类、云母

SiO2，71.53；Al2O3，18.71；Fe2O3，0.99

云南*

高岭石、石英、长石

SiO2，52.48；Al2O3，32.35；Fe2O3，0.19

硬质（煤系）高岭土

内蒙古

高岭石、石英、伊利石等

SiO2，46.31；Al2O3，36.00；Fe2O3，0.51；COD值3512.3×10-6

安徽淮北*

高岭石、混层黏土、菱铁矿、金红石等

SiO2，66.19~70.83；Al2O3，15.75；Fe2O3，0.57~1.08；烧失量，14.5

湖北兴山

高岭石，少量石英、蒙脱石、长石、勃姆石、绿泥石、黄铁矿、锐钛矿、碳、有机质

SiO2，44.55；Al2O3，38.78；Fe2O3，0.39；烧失量，14.12

高岭土是替代叶蜡石作玻璃纤维首选的铝质原料，但受限于成本，目前高岭土在玻纤行业的应用尚未推广开来，目前较为可行的方案，是寻找可直接用于玻璃纤维行业的低铁高岭土资源。玻璃纤维行业一般要求高岭土原料中Fe2O3含量小于0.6%。由表2可知，茂名、龙岩、云南、内蒙古、湖北等地的低铁砂质高岭土矿和低铁煤系高岭土矿，铁含量均较低，简单处理即可应用，这些地区的高岭土在玻璃纤维行业应用潜力巨大。

2.2 高岭土提纯开发现状

铁也是困扰高岭土在玻璃纤维中应用的难题。国内对高岭土除铁研究较充分，对于砂质和软质高岭土，多采用湿法提纯，干法提纯研究较少。江苏徐州某高岭土粉产品，高速气流分散后以负压给入干式振动高梯度磁选机，一次选别Fe2O3含量从2.2%降至0.9%。铁含量依然偏高，可见干法除铁效果有限。蔡建等用“擦洗分级-高梯度磁选”工艺，将北海高岭土Fe2O3由0.76%降到0.44%，除铁效率为42%。周雪桂等研究发现崇义小坑高岭土中电气石含量约6%，是主要含铁矿物之一，将高岭土进行“分级-磁选-连二亚硫酸钠漂白”后，可获得铝含量38%、铁钛含量0.3%的精矿产品，除铁率达63.64%。增加化学法处理工艺后，除铁率明显提升。但某些高含铁量高岭土，如合浦高岭土，即使经过“高梯度磁选-加温漂白”工艺，Fe2O3依然很高，为1.01%，主要是因为该高岭土粒度细且被铁浸染严重，较多的铁进入高岭石晶体中，难以满足玻璃纤维原料对铁的要求。复杂的除铁工艺造成原料成本的增加，目前市场上高岭土售价1000~3000元/吨，而叶蜡石仅500~800元/吨，价格因素一定程度限制了砂质高岭土在玻璃纤维中的应用。

干法除铁工艺是降低选矿成本的有效途径，此法在煤系高岭土中应用相对广泛。煤系高岭土储量巨大，铝质量分数非常稳定，一般在36%~38%，高岭土含量高。徐海珍通过智能干选及风力分选技术对不连沟煤矸石进行分选，可以有效分选出高岭石。皖北某煤系高岭土中铁主要赋存于菱铁矿，少量在赤铁矿和高岭石晶格中，将其磨矿至80~20目（180~830μm）进行干式强磁选除铁，精矿Fe2O3含量降为0.43%，除铁效率为43%。但是煤系高岭土中碳含量高，烧失量通常可达15%左右，而玻璃纤维原料中一般要求煤系高岭土COD值小于等于800×10-6，因此需在控制高岭石莫来石化的温度下对其进行煅烧，去除有机碳。方纪敏等[31]将宜昌煤系高岭土进行500℃低温煅烧，其COD值降至578.13×10-6，张明等采用新型悬浮态煅烧工艺对内蒙古某煤系高岭土进行煅烧，精矿Fe2O3含量为0.59%，COD值降至360.2×10-6，均达到了玻璃纤维用煤系高岭土的原料要求。低铁煤系高岭土的降碳研究使其在玻璃纤维中的应用成为可能。

代春梅等研究发现，无碱玻璃配合料熔化过程中，以叶蜡石为主要原料比以高岭土为主要原料少消耗50J/g能量，这是限制高岭土在玻璃纤维原料中应用的又一因素。

3 白泡石

3.1 白泡石资源分布及特点

白泡石是硅酸盐矿物胶结石英砂而成的硅质天然岩石，SiO2含量为80%~86%，Al2O3含量为10%~15%，耐火度可达1600℃左右，是一种可用于工业高温窑炉的耐火材料。主要分布在四川、湖北、广西等地。重庆玻璃纤维产业受限于当地叶蜡石资源短缺，在充分调查该地白泡石资源后，发现泡砂石中细粒石英砂和高岭土物质更易熔于玻璃液相之中，在拉丝时更流畅，因此其可作为替代叶蜡石的铝质原料。重庆白泡石特征，见表3。Al2O3质量分数较低，因此需要搭配其他高岭土等铝质原料才能使用。

表3 我国典型地区白泡石矿矿物组成及关键成分

典型矿床

矿物组成

关键成分质量分数/%

高岭石，少量绢云母、石英等

SiO2，80~85；Al2O3，7~13；Fe2O3，0.2~0.7；R2O，0.6~1.0

3.2 白泡石提纯开发现状

目前重庆玻璃纤维对白泡石的质量要求为：w（Al2O3）≥10%，w（Fe2O3）≤0.4%，w（R2O）≤0.65%，或w（Al2O3）为9%~10%，w（Fe2O3）为0.4%~0.45%，w（R2O）为0.65%~0.75%。重庆永川白泡石矿[34]矿物组成主要是石英、高岭石及云母，干法磨矿分级提纯后，虽然Al2O3从10.46%增加到18.84%，但由于白云母粒度细，去除效果不理想，精矿K2O含量增至2.18%。白云母多通过浮选手段分离，目前白泡石价格低廉，每吨仅售约400元，若涉及到浮选后烘干、水处理等问题，工艺成本势必增加。重庆地区虽然白泡石资源储量巨大，但仍然存在原料品质劣化的风险。

4 发展方向

4.1 原料

梁岙、龟湖、峨嵋、上饶等地的低铁叶蜡石矿，茂名、龙岩、云南等地的低铁砂质高岭土矿，包括重庆白泡石矿等是适用于玻璃纤维行业的潜在铝质原料，为硅酸盐矿物替代叶蜡石作玻璃纤维原料提供了新思路。

随着资源的贫化，加强优质叶蜡石的找矿力度，尤其是内蒙古兴安盟-赤峰一带，陕西一带等有叶蜡石矿产出的地方，是保障玻璃纤维用叶蜡石资源的有效措施。

4.2 工艺

铁是中国硅酸盐矿物中的主要杂质，加强叶蜡石、高岭土原矿中铁的赋存状态研究，开发微波焙烧预处理等除铁新工艺，实现低成本除杂，是玻璃纤维原料未来的发展方向之一。随着科技发展，高强度、低介电常数、耐化学腐蚀等功能性玻璃纤维需求增加，对原料中硼、钾、钠等杂质含量提出了更高要求，促进选矿提纯技术不断发展。

来源：廖敏等，《中国玻璃纤维铝质原料开发现状及趋势》

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