Базальтові волокна: альтернатива склу

Тверда, щільна вулканічна порода, яку можна знайти в більшості країн по всьому світу, базальт – це магматична порода – вона виникла в розплавленому стані. Протягом багатьох років базальт використовується в процесах лиття для виготовлення плитки та плит для архітектурних застосувань. Крім того, литі базальтові вкладиші для сталевих труб демонструють дуже високу стійкість до стирання в промисловому застосуванні. У подрібненому вигляді базальт також знаходить застосування як заповнювач в бетоні.

Зовсім недавно безперервні волокна, екструдовані з природного вогнестійкого базальту, були прийняті як заміна азбестових волокон майже у всіх його застосуваннях. В останнє десятиліття базальт став претендентом на армування композитів. Прихильники цього волокна стверджують, що їхня продукція має характеристики, подібні до скляних волокон S-2 за ціною між склом S-2 і E-склом, і можуть запропонувати виробникам менш дорогу альтернативу вуглецевим волокнам.

Переваги базальтового волокна.

Ідеї

Поль Де з Парижа, Франція, був першим з ідеєю екструдувати волокна з базальту. У 1923 році він отримав патент США. Близько 1960 року як США, так і колишній Радянський Союз (СРСР) почали досліджувати застосування базальтового волокна, зокрема у військовій техніці, наприклад у ракетах.

На північному заході США, де зосереджені великі базальтові утворення, професор Р. В. Субраманян з Університету штату Вашингтон (Пулман, штат Вашингтон) провів дослідження, які співвіднесли хімічний склад базальту з умовами екструдування та фізико-хімічними характеристиками отриманого волокна. Owens Corning та декілька інших компаній провели незалежні дослідницькі програми, в результаті яких було отримано кілька патентів США. Приблизно в 1970 році американські компанії з виробництва скла відмовилися від досліджень базальтового волокна для стратегій, які сприяли б їх основному продукту. Результатом стало краще скловолокно, включаючи успішну розробку скловолокна S-2 компанією Owens Corning.

У той же період дослідження у Східній Європі, які проводилися в 1950-х роках незалежними групами в Москві, Празі та інших регіонах, були націоналізовані Міністерством оборони СРСР і зосереджені в Києві, Україна, де згодом технологія була розроблена в закритих інститутів і заводів. Після розпаду Радянського Союзу в 1991 році результати радянських досліджень були розсекречені і доступні для цивільного застосування.

Сьогодні дослідження, виробництво базальтового волокна та більшість маркетингових заходів базуються в країнах, які колись приєдналися до радянського блоку. Компанії, які зараз займаються виробництвом і маркетингом, включають «Каменний Вік» (Дубно, Росія), «Технобазальт» (Київ, Україна), Hengdian Group Shanghai Russia & Gold Basalt Fiber Co. (Шанхай, Китай) та ВАТ «Науково-дослідний інститут склопластики та волокна» (Буча, Україна). ). Basaltex, підрозділ Masureel Holding (Wevelgem, Бельгія), і Sudaglass Fiber Technology Inc. (Х’юстон, Техас) перетворюють базальтове волокно в тканинні та неткані форми армування для ринків Європи та Північної Америки відповідно.

Розплавлений базальт.

Привабливість базальтового волокна

Базальтове волокно виробляється безперервним процесом, багато в чому схожим на той, який використовується для виготовлення скляних волокон. Добуту базальтову породу спочатку подрібнюють, потім промивають і завантажують у бункер, прикріплений до транспортерів, які переміщують матеріал у плавильні ванни в печах, що нагріваються газом. Тут процес насправді простіший, ніж обробка скловолокна, оскільки базальтове волокно має менш складний склад. Скло, як правило, на 50 відсотків складається з кремнеземного піску в поєднанні з оксидами бору, алюмінію та/або кількома іншими мінералами — матеріалами, які перед надходженням у піч необхідно подавати самостійно в систему дозування. На відміну від скла, базальтові волокна не містять вторинних матеріалів. Процес вимагає лише однієї лінії подачі для транспортування подрібненої базальтової породи в плавну піч. З іншого боку, виробники базальтового волокна мають менший прямий контроль над чистотою та консистенцією сирого базальтового каменю. Хоча базальт і скло є силікатами, розплавлене скло при охолодженні утворює некристалічне тверде тіло. Проте базальт має кристалічну структуру, яка змінюється в залежності від конкретних умов під час потоку лави в кожному географічному місці. Базальт поєднує в собі три силікатні мінерали — плагіоклаз, піроксен і олівін. Плагіоклаз описує ряд триклінних польових шпатів, які складаються з силікатів натрію і кальцію. Піроксени – це група кристалічних силікатів, які містять будь-які два з трьох оксидів металів, магній, залізо або кальцій. Олівін – це силікат, який поєднує магній і залізо (Mg, Fe) 2 SiO 4 . Цей потенціал різноманітності складу означає, що рівні мінералів і хімічний склад базальтових утворень можуть значно відрізнятися від місця до місця. Більше того, швидкість охолодження, коли вихідний потік досяг земної поверхні, також вплинула на кристалічну структуру.

Директор з досліджень і розробок Basaltex Жан-Марі Нольф зазначає, що, незважаючи на його доступність у шахтах і відкритих кар’єрах по всьому світу, лише кілька десятків місць містять базальт, який був проаналізований і кваліфікований як придатний для виробництва безперервних тонких ниток. Ігор Маркуц, директор з продажу та маркетингу «Технобазальту», стверджує, що базальтові пласти в Україні особливо добре підходять для переробки волокна. Доктор Борис Міславський, директор з маркетингу та розвитку «Кам’яного віку», погоджується. Зараз усю сировину його компанія отримує із Західної України. Хоча компанія має резервну шахту, розташовану в Росії, з хімічним складом, близьким до основного джерела, вона вважає за краще видобувати матеріал з одного джерела. «Усі наші матеріали надходять з одного кар’єру, — пояснює він.

Від каменя до волокна

Коли подрібнений базальт надходить у піч, матеріал розріджується при температурі 1500°C/2732°F (температура плавлення скла коливається від 1400°C до 1600°C). На відміну від скла, яке є прозорим, непрозорий базальт поглинає, а не передає інфрачервону енергію. Тому верхнім газовим пальникам, які використовуються в звичайних скловарних печах, важче рівномірно нагрівати всю базальтову суміш. З верхнім газом плавлений базальт необхідно утримувати в резервуарі протягом тривалого часу — до кількох годин — для забезпечення однорідної температури. Виробники базальту застосували кілька стратегій для забезпечення рівномірного нагрівання, включаючи занурення електродів у ванну. Але директор з продажу та маркетингу «Технобазальту» Ігор Маркуць зазначає, що його компанія віддає перевагу газовому опаленню, а не електричному, з міркувань якості, незважаючи на збільшення витрат на виробництво. Нарешті, використовується двоступенева схема з окремими зонами, обладнаними незалежними системами опалення. Лише система контролю температури в зоні виходу печі, яка живить екструзійні втулки, вимагає великої точності, тому в зоні початкового нагріву можна використовувати менш складну систему регулювання.

Технологія виробництва базальтового волокна на відео:

Як і скляні нитки, базальтові нитки утворені платино-родієвими втулками. Коли вони охолоджуються, наноситься проклеювач, і нитки переміщуються до обладнання для розтягування волокна з регульованою швидкістю, а потім на обладнання для намотування, де волокно намотується.

Оскільки базальтова нитка є більш абразивною, ніж скляна, дорогі втулки колись потребували частішого ремонту. У міру зношування втулок їх циліндричні отвори зношуються нерівномірно, що погіршує контроль процесу. Без своєчасного технічного обслуговування некруглі отвори утворюють нитки з неприпустимо широким діапазоном діаметрів, створюючи ровінг з непередбачуваними розривними навантаженнями, пояснює Нольф. У той час як втулки зі скловолокна служать шість місяців або більше, перш ніж їх потрібно буде розплавити, реформувати та повторно просверлити, втулки, які використовувалися для виробництва базальтового волокна, раніше тримались від трьох до п’яти місяців. Зусилля з контролю процесу продовжили термін служби втулки до аналогічного шестимісячного циклу.

Волокно проти… волокна

Загалом, ці відмінності в обробці та технічному обслуговуванні призводять до загальних операційних витрат, які перевищують витрати на переробку E-скловолокна, але прихильники базальтового волокна кажуть, що їхній продукт явно перевершує E-скло в композитах.

У рубаних матових, ровінгових і односпрямованих тканинних формах базальтові волокна демонструють більш високе навантаження на розрив і вищий модуль Юнга (міра жорсткості даного матеріалу), ніж E-скло.

У дослідженні базальтових волокон і волокон E-скла, проведеного професором Ігнаасом Верпостом на кафедрі композитів Лювенського університету в Бельгії, односпрямовані зразки були виготовлені шляхом просочування E-скла і базальтового ровінгу епоксидною смолою і намотування кожного на оправку. Потім ущільнення до повного затвердіння. Зразки розміром 135 на 15 мм (5,3 дюйма на 0,6 дюйма) були вирізані та виміряні на товщину. Потім деталі були піддані випробуванню на триточковий згин (ISO 178) і випробувані ILSS (ISO 14130) для перевірки міцності та жорсткості. Verpoest повідомляє, що кожен зразок мав об’ємну частку волокна 40 відсотків, але міцність базальтового/епоксидного зразка була на 13,7 відсотка вище, ніж у зразка E-скла, і показала на 17,5 відсотка більшу жорсткість, хоча зразок базальту був на 3,6 відсотка важчий за зразок. Зразок електронного скла.

Крім того, базальтові волокна природно стійкі до ультрафіолетового (УФ) і високоенергетичного електромагнітного випромінювання, зберігають свої властивості при низьких температурах і забезпечують кращу кислотостійкість. Як повідомляється, базальт також є кращим у сфері безпеки працівників та якості повітря. Маркуц зазначає, що оскільки базальт є продуктом вулканічної діяльності, процес волокнистості є екологічно безпечнішим, ніж для скловолокна. За його словами, «парникові» гази, які в іншому випадку могли б вивільнитися під час обробки волокна, були виділені мільйони років тому під час виверження магми. Крім того, базальт на 100 відсотків інертний, тобто не має токсичної реакції з повітрям або водою, негорючий і вибухобезпечний.

Від волокна до тканини

Після того, як виробники освоїли виробництво волокна, вони зіткнулися з додатковими проблемами, оскільки продукт був перетворений на корисні форми армування. Наприклад, було виявлено, що ткані базальтові тканини прямо з ткацького ткацького верстату були крихкими і легко пошкоджувалися при обробці, виявлялись зламані волокна при різкому згинанні або згинанні. Для того, щоб зробити продукт більш стабільним, Basaltex розробив запатентовану проклейку на основі силану, яка полегшує обробку після виробництва. Покриття не утворює токсичного диму при нагріванні і не погіршує вогнестійкі властивості волокна. Міславський зауважує, що істотним фактором початкової поганої продуктивності тканини було пошкодження волокна, яке відбулося під час процесу волокнистості. Він стверджує, що сьогодні комбінація розмірів і вдосконалених технологій виробництва мінімізує пошкодження і дає можливість виробникам базальтового волокна виробляти міцні волокна, які можна плести і ткати, не порушуючи бажаної продуктивності.

Хоча базальтове волокно все ще не використовується широко, воно повільно проникає в руки споживачів. За цінами, які варіюються від S-скла (5$/фунт до 7$/фунт) і E-скла (0,75$/фунт до 1,25$/фунт), базальтові волокна мають властивості, подібні до S-скла. Поширене використання в секторі протипожежного захисту через його високу температуру плавлення. Базальтова мінеральна вата добре підходить для утеплення багатоповерхових будинків. Випробування вогнеблокування, проведені Basaltex, помістили базальтову тканину перед пальником Бунзена, помістивши жовтий кінчик полум’я в безпосередній контакт з тканиною. Жовтий наконечник досягає температури від 1100°C до 1200°C (2012°F до 2192°F) і викликає розжарення тканини, подібно до металевої тканини. Під час впливу полум’я базальтове волокно зберігає свою фізичну цілісність протягом тривалого періоду часу, але компанія виявила, що тканина з E-скла з такою ж щільністю може бути пронизана полум’ям за лічені секунди.

Завдяки його стійкості до горіння базальтове волокно заслужило роль заміни азбесту в фрикційних системах, таких як композитні гальмівні колодки, оскільки воно не розм’якшується при підвищених температурах і не відкладається на диску або гальмівному барабані при гальмуванні. системи. Безперервні базальтові волокна також використовуються як армування в інших звичайних композитних структурах. За словами Нольфа, базальтові волокна легко змочуються і тому забезпечують швидке просочування смолою, що робить їх придатними для лиття з перенесенням смоли, лиття під тиском і пултрузії. «Всі вироби зі скла можуть бути з базальту», – стверджує Маркуць.

Запуск базальтових волокон в виробництво

Міславський каже, що наразі «Кам’яний Вsк» має кілька клієнтів, які використовують його стандартну арматурну продукцію. Однією з примітних компаній є виробник скловолокна Ahlstrom (Гельсінкі, Фінляндія), який постачає двовісні базальтові тканини для тестування лопатей вітрових турбін. «Бізнес з вітряними лопатями керується жорсткістю», – каже Міславський. Ламінати з базальтового волокна мають на 15% більший модуль пружності та на 25% вищий міцність на розрив порівняно з E-склом, що робить його використання в деяких зонах вітрових лопатей ідеальним. Інженери проекту використовують комп’ютеризовану систему для розрахунку переваг і недоліків різних матеріалів і розмірів. Прототипи проходять серію випробувань/

OEM-виробники також починають досліджувати вироби з базальтового волокна для споживчих товарів. Gitzo SA (Nogent Le Phaye, Франція), яка продає професійні штативи та головки, нещодавно представила свої базальтові штативи та моноподи. Компанія пропонує кілька різних моделей, щоб задовольнити потреби практично будь-якого фотографа. Gitzo почав виробництво композитів зі своїми штативами з вуглецевого волокна, а тепер використовує свій досвід виготовлення армованих волокном труб для виготовлення базальтових версій. Компанія обрала базальтове волокно, оскільки воно пропонує міцний композит за меншою вартістю, ніж вуглець. Базальтові ніжки штатива приблизно на 20 відсотків легші ніж алюмінієві і краще гасять вібрацію.

Lib Technologies (Сіетл, штат Вашингтон) наразі продає дві різні моделі сноубордів, які містять базальтову тканину замість традиційного скловолокна, що використовується на багатьох своїх моделях. Дошки, виготовлені компанією Mervin Manufacturing (Сіетл, штат Вашингтон), є частиною Dark and Phoenix компанії серії та виготовляються з продукту, який компанія називає Golden Fleece Basalt, від невідомого постачальника. Дошки містять запатентовану дерев’яну серцевину з підкладкою з базальтового волокна з кожного боку, що призводить до легших і жорсткіших сноубордів. Mervin Manufacturing також виготовила сноуборд для QuikSilver з використанням продуктів Basaltex. Дошка була представлена ​​на стенді Basaltex на виставці JEC Composites Show 2005 року.

Базальтова вата широко застосовується для виробництва різноманітних утеплювачів. З неї виробляють утеплювачі в вигляді плит, рулонів, циліндрів, які оптимально підходять для утеплення будинків, комунікацій систем опалення та охолодження та інших. За цим посиланням можна переглянути один з продуктів цього напрямку – мінеральна вата Paroc. Базальтовий утеплювач максимально безпечний для людини, вогнестійкий та має добрі звукоізоляційні властивості.

Утеплювач з базальтової вати.

В автомобільній промисловості Azdel Inc. (Саутфілд, штат Мічиган), спільне підприємство GE Advanced Materials (Піттсфілд, Массачусетс) і виробника скловолокна PPG Industries (Піттсбург, Пенсільванія), розробило VolcaLite, термоформований термопластичний композит, що поєднує поліпропілен (ПП) і довге рубане базальтове волокно. Компанія стверджує, що система базальт/ПП має акустичні властивості, низький коефіцієнт теплового розширення (CTE) і високе співвідношення міцності до ваги, забезпечуючи хорошу пластичність. Спочатку він орієнтований на автомобільні потолки, які можна зробити на 50 відсотків тоншими, ніж звичайні системи, каже компанія.

Компанія Technical Fiber Products Ltd. (Кендал, Камбрія, Великобританія та Нью-Йорк, Нью-Йорк) взяла нарізані базальтові волокна та виготовила павутинні неткані вуалі. Компанія проводить випробування продукту в ламінованих і термоформованих автомобільних компонентах. Johns Manville Europe (Бад-Гомбург, Німеччина) також виробляє базальтові вуалі з мокрим покриттям.

Базальтове волокно стає конкурентом і в інфраструктурних додатках. Хоча компанія більше не виробляє власне волокно, Sudaglass (Х’юстон, Техас) виробляє кілька виробів з базальтового волокна, включаючи бетонні арматурні прути. Як повідомляється, стрижні, виготовлені з односпрямованого базальтового волокна, на 89 відсотків легші за сталеві арматурні стрижні, мають такий же коефіцієнт теплового розширення, що й бетон, і менш схильні до руйнування в лужному середовищі. У компанії стверджують, що 1 тонна базальтових прутів може забезпечити армування рівним 4 тоннам сталевих прутів.

Комерціалізація триває, промислове використання базальтового волокна виглядає багатообіцяючим.

Leave a Reply