Оснос С.П.

“Basalt Fiber & Composite Materials Technology Development Co. , Ltd”.

О характеристиках базальтовых волокон и областях их применения.

Введение

Настоящая статья является несколько обзорной, в ней приведены основные результаты большой работы специалистов по исследованию характеристик базальтовых волокон, предстален опыт производства и применения непрерывных базальтовых волокон в различных отраслях промышленности.

В статье представлена информация о характеристиках и основных преимуществах непрерывных базальтовых волокон (НБВ), приведены некоторые сведения об особенностях технологий их производства по сравнению со слеклянными волокнами.

На конкретных примерах показаны особенности и перспективы применения базальтовых волокон и материалов на их основе в различных отраслях промышленности.

В настоящее время в мире наблюдается огромныйинтерес к непрерывным волокнам из базальтовых пород (НБВ). Этот интерес связан с рядом факторов:

- базальтовые волокна обладают характеристиками по многим показателям превышающими стеклянные волокна;

- сырьевая база для производства базальтовых волокон практически неограничена;

- технологические достижения последних лет позволили существенного снизить себестоимость производства НБВ до уровня производства стеклянных волокон.

Стекловолокно имеет определенные ограничения по своим характеристикам: удельной прочности, температуре применения, химической стойкости, особенно в щелочных средах. При производстве стекловолокна используются химически чистые компоненты и особо дефицитный компонент – окись бора (В2 О3)).

Поэтому к настоящему времени выполнен ряд работ по разработке современных технологий производства НБВ, на основе которых организованы производства по выпуску НБВ и материалов.

Историческая справка.

Первые исследования возможнойстей производства базальтовых волокон были начаты в Советском Союзе, в начале 60-х годов были получены первые образцы НБВ. Затем последовали длительные исследования характеристик базальтовых волокон, материалов разработанных на их основе. Промышленные технологии и оборудование для производства НБВ были запушены к средине 80-х годов. В 90-х годах НБВ производилось уже на двух предприятиях. К концу 90-х годов были построены еще два производства в Грузии и Казахстане. Однако эти технологии были энергоемкие и оборудование достаточно сложное и дорогое, но поскольку базальтовое волокно производилось в основном для нужд оборонной промышленности СССР о его себестоимости особенно не задумывались.

В конце 90-х годов были разработаны новая технология и принципиально новое технологическое оборудование для производства НБВ, позволившие значительно в 2.5 раза снизить расходы энергоносителей и соответсвенно снизить себестоимость производства НБВ. Себестоимость производства НБВ стала сопоставимой и даже ниже себестоимости производства стекловолокна. Эти разработки дали новый импульс в развитии производства базальтовых волокон и позволили существенно расширить потенциальный рынок их применения.

На основе новых технологий в 2000 году построено самое крупное в мире предприятие по производству НБВ. Вся продукция предприятия используется для производства материалов для автомобильной компании «TOYOTA». Строятся и уже пущены еще несколько заводов по производству НБВ.

Опытно-промышленные установки для производства НБВ были построены и запущены в Китае приглашенными специалистами из бывшего Советского Союза. Установки были разработаны с использованием китайских материалов и комплектующих. Запуск установок прошел более чем успешно, было получено НБВ с применением базальтов Китая.

Базальтовые породы относятся к породам магматического происхождения, имеют высокую природную химическую и термическую стойкость. Базальтовое породы – однокомпонентное сырье, обогащение, плавление и гомогенизация, которых произведены в результате древней вулканической деятельности. В отличии от сырья для производства стекла базальт это уже готовое природное сырье для производства волокон.

К настоящему времени проведена большая работа по исследованию и подбору базальтовых пород, пригодных для производства волокон. Для производства базальтовых волокон с заданными характеристиками по прочности, химической и термической стойкости, электроизолирующими свойствами необходимо использовать базальтовые породы с требуемыми характеристиками по химическому составу и выработочными свойствами. Так для производства непрерывных базальтовых волокон используют базальтовые породы следующего диапазона химического состава, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

К сожалению до настоящего времени в Китае не уделяли должного внимания исследованию базальовых пород, как исходного сырья для производства базальтовых волокон. Базальты рассматривали как щебнь для дорожного строительства - отсыпка железнодорожных насыпей, подсыпка полотна автомобильных дорог, наполнитель для бетонов. Анализ имеющихся данных по химическим составам базальтов показали, что во многих провинциях Китая имеются залежи базальтовых пород пригодных для производства НБВ (1).

К настоящему времени разработана методика выбора базальтового сырья, имется большой практический опыт выбора базальтовых пород для производства НБВ, известны химические составы базальтовых пород из которых производятся базальтовые волокна в течении многих лет.

Практические исследования базальтов показали, что провинция Сычуань, Юнан, Херумзиян, Дзедцян, Хубей, острова Хайнан и Тайвань имеют залежи хороших базальтов пригодных для производства НБВ. Из некоторых базальтов Китая уже на промышленных установках получено НБВ.

Базальтовые породы пролежали на поверхности Земли многие миллоны лет под воздействием климатических факторов. Базальтовые породы являются одними из самых прочных природных силикатных пород. Волокна из базальтовых пород обладают высокой природной исходной прочностью, стойкостью к воздействию агрессивных сред, долговечностью, электроизоляционными свойствами, являются природным, экологически чистым сырьем.

Ранее широкое применение базальтовых волокон сдерживалось относительной сложностью, новизной и неосвоенностью промышленных технологий их производства. Технологии производства базальтовых волокон при всем внешнем подобии отличаются от производства стеклянных волокон, что связано с рядом факторов:

- химический состав базальтов существенно отличается от стекла;

- базальты содержат большое колическтво окислов железа FeO, Fe2O3 и не прозрачны для теплового излучения;

- базальты – это уже готовые природные расплавы, как правило, гомогенизированные по химическому составу;

- в процессе плавления базальтов нет операций присущих при варке стекла, осветления и остужения и др.

Эти особенности базальтов определяют специфику технологии производства и соответственно технологического оборудования для производства НБВ.

Первые печи для плавления базальтов старались делать по подобию стекловаренных, это дало свой эффект для начала производства базальтовых волокон. Однако себестоимость производства базальтовых волокон оказывалась значительно выше стеклянных.

При оценке себестоимости НБВ нужно учитывать следующий фактор - технологии производства стекловолокна развиваются более 70 лет, а технологии производства базальтовых волокон получили свое развитие только в последние годы. Для сравнения количество отверстий в фильерных питателях для производства стекловолокна составляет 2000 и более, а для базальтов промышленно применяются пока только ФП только на 200 фильер. Сейчас ведутся интенсивные разработки и проходят испытания ФП большей производлительности на большее количество фильер. Однако даже при этом себестоимость производства НБВ сопоставима со себестоимостью стекловолокна. В чем причина ? Базальтовое сырье доступное и очень дешевое – это цена обыкновенного щебня для укладки дорог. Стоимость базальтового сырья в себестоимости производства базальтового волокна составляет от 3 до 5%. Для производства базальтового волокна базальт нужно просто расплавить в камнеплавильной печи и пропустить через фильеры ФП. Это предусматривает минимум энергозатрат по сравнению с технологиями производства стекловолокна. Поэтому печи для плавления базальта имеют значительно более компактную конструкцию и требует меньше энергозатрат для производства базальтовых волокон. Основные энергозатраты по подготовке базальта выполнила природа. Уже в природных условиях базальт прошел обогащение, гомогенизацию по химическому составу и плавление в недрах Земли. Природа даже позаботилась о том, чтобы доставить базальт на поверхность земли в виде гор. Для справки: 1/3 земной земной коры составляют базальтовые породы.

Пришло время воспользоваться дарами природы. Однако, как известно, природа не просто отдает свои богатства. Для производства базальтовых волокон необходимы современные технологии и совершенное оборудование.

Основные характеристики базальтовых волокон и их преимущества перед другими типами волокон (2).

1. Относительно высокая удельная прочность волокон на разрыв.

В таблице 2 представлены данные по удельной прочности базальтовых волокон на разрыв.

                                                                                                        Таблица 2.

В таблице 3 представлены данные по разрывным нагрузкам ровингов марки RB 10 из базальтового непрерывного волокна.

                                                                                                        Таблица 3.

2. Высокая коррозионная и химическая стойкость к воздействию агрессивных сред: растворов солей, кислот, щелочей.

В таблице 4 представлены данные по химической стойкости базальтовых волокон.

                                                                                                          Таблица 4.

Как видно из таблицы 4 базальтовые волокна обладают уникальной химической стойкостью в растворах щелочей. Это свойство базальтовых волокон открывает широкие перспективы их применения для армирования бетонных конструкций при строительстве мостов, тоннелей, плотин, конструкций перекрытий, армирования асфальтобетонных покрытий дорог, взлетно-посадочных полос и других ответственных строительных конструкций, где воздействие влаги, растворов солей и щелочных бетонных сред приводит к коррозии металлической арматуры.

Базальтовое волокно совместимо с неорганическими связующими. Это позволяет производить новый класс негорючих композиционных материалов на неорганических связующих.

Базальтовые волокна являются незаменимым материалом для изготовления фильтров для очистки промышленных стоков и очистных сооружений городов.

3. Высокая термическая стойкость базальтовых волокон. В таблице 5. представлены данные по термической стойкости базальтовых волокон.

                                                                                                           Таблица 5.

Как видно из приведенной таблицы материалы из базальтовых волокон могут применяться при температурах до 600 С.

Теплоизоляционные изделия из базальтовых волокон на основе неорганических связок могут применяться при температурах до 7000С. Кроме того, существует ряд составов на основе базальтовых пород, обладающих более высокой термостойкостью до 8000С. Базальтовые волокна успешно применяются для изготовления фильтров для очистки отходящих газов от пылевых частиц на обогатительных и металлургических комбинатах, химических заводах, предприятиях промышленности строительных материалов и энергетики. Так на основе базальтовых волокон эксплуатируются фильтры для очистки воздуха с диапазоном рабочих температур 300 – 6500С.

Базальтовые волокна применяются для очистки и стерилизации технологического воздуха при производстве антибиотиков. Длительная эксплуатация фильтров из базальтовых волокон в производственных условиях показала, что они выдерживают стерилизацию острым паром.

4. Высокая стойкость и долговечность к знакопеременным нагрузкам. Профильные пластики – прутки на основе непрерывных базальтовых волокон после многих лет эксплуатации (более 9 лет) под воздействием знакопеременных нагрузок практически не имеют следов усталостных разрушений – трещин и других признаков разрушения.

5. Высокие электроизоляционные характеристики, радиопрозрачность для электромагнитного излучения. НБВ используется для производства электроизоляционных материалов как высоковольтной (до 250 кV) так и низковольтной (500 V) аппаратуры, при строительстве высоковольтных линий электропередач, для производства обтекателей и конструкций антенн, локаторов и другого радиотехнического оборудования.

6. Высокие термо- и звукоизоляционные характеристики.

Данные по теплопроводности материалов из тонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 9 – 11 мкм приведены в таблице 6.

                                                                                                       Таблица 6.

Данные по теплопроводности материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1 - 3 мкм представлены в таблице 7.

                                                                                                             Таблица 7.

Базальтовое волокно применяется как эффективный изоляционный материал при низких температурах в криогенной технике. Коэффициент теплопроводности супернтонких волокон диаметром 1 – 3 мкм изоляционного материала плотностью р = 140 кг/м3 при температуре -1960С составляет – 0.026 ккал/м ч град. При этом прочность волокон после длительного пребывания в среде жидкого азота при температуре – 1960С не снижается.

Изоляция из базальтовых волокон длительно применяется в установках для производства жидкого кислорода на металлургических комбинатах.

В таблице 8 представлены данные по звукоизоляционным характеристикам материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1 - 3 мкм.

Таблица 8.

Звукоизоляционные базальтовые материалы широко применяются в авиации, судостроении, машиностроении. Кроме того представляется возможность создания широкого спектра композиционных материалов, совмещающих конструкционные и термо-звукоизоляционные свойства. При этом эти материалы абсолютно не горючи, при нагреве нет вредных выделений и могут быть применены на температуры до 600 - 7000С, а в сочетании с другими материалами до 10000С. Это противопожарные – брандмауэры, ограждающие и огнепреграждающие конструкции, двери, кабельные проходки и другие изделия для ответственных промышленных объектов и многоэтажных зданий.

7. Низкая гигроскопичность в 6-8 раз ниже, чем у стекловолокон. Поэтому только термо- и звукоизоляционные материалы из базальтовых волокон традиционно применяются в самолето и ракетостроении, в судостроении, где очень важны низкие масса и гигроскопичность таких материалов.

8. Высокая совместимость с другими материалами: металлами, пластмассами, пластиками. Это открывает широкую перспективу производства целого спектра армированных композиционных материалов и материалов с новыми свойствами.

9. Высокие эксплуатационные качества материалов и изделий из базальтовых волокон: высокая стойкость к воздействию окружающей среды и агрессивных сред, долговечность.

Технико-экономический анализ показывает, что базальтовые волокна и материалы на их основе, имеют наиболее предпочтительный показатель соотношения цены и качества по сравнению со стеклянными волокнами. НБВ не следует рассмартивать как конкурента стеклянным волокнам. Как видно из настоящей статьи базальтовые волокна имеют свои области применения, где не может применяться стеклянное волокно с силу своих характеристик. Имеено в этих отраслях промышленности применение базальтовых волокон имеет особую перспективу.

Исходя из перечисленных свойств базальтовые волокна имеют необычайно широкую перспективу применения в различных отраслях промышленности и строительстве. Классификация и области применения базальтовых волокон и материалов на их основе представлены в таблице 9.

Классификация и области применения НБВ

                                                                                                            Таблица 9.