Базальтовое волокно

Базальтовые волокна имеют высокую стойкость к воздействию химически активных сред (кислот, щелочей, растворов солей), высоких температур и открытого пламени. Стойкость базальтовых волокон к воде и морской воде составляет 100%,  к воздействию щелочи 96 % и кислоты 94% [ 5, 6, 7 ]. Химическая стойкость базальтовых волокон позволяет применять их для армирования бетонов и асфальтобетонов, производства труб, емкостей для химической и нефтехимической промышленности, композитов для гидротехнического, прибрежного и морского строительства.                                              

Диапазон температур длительного применения базальтовых волокон от – 200⁰С до + 600⁰С. Базальтовые волокна являются негорючими и огнестойкими, при пожаре выдерживают воздействие пламени и температур +900, … +1000⁰С. Теплоизоляционные и огнестойкие материалы на основе штапельных и супертонких волокон выдерживают стандартный пожар, при нагреве и воздействии пламени не выделяют дыма.  Гигроскопичность базальтовых волокон в 6 раз ниже, чем у стеклянных волокон.  Только тепло и звукоизоляционные материалы на основе супертонких базальтовых волокон применяются в авиационной и судостроительной промышленности, так как не набирают лишнюю влагу, не горят,  не дымят при пожаре, являются высокотемпературными и огнестойкими.

Базальтовые волокна – диэлектрик, прозрачны для электромагнитного излучения, радиолучей и магнитного поля, являются основой для производства электроизоляционных материалов, а также обтекателей РЛС и антенн.

Указанные характеристики определяют преимущества базальтовых волокон по сравнению с минеральными, стеклянными, углеродными и химическими волокнами по долговечности эксплуатации под воздействием окружающей среды, морской воды и химически активных сред.

Базальтовые непрерывные волокна (БНВ) имеют достаточно высокие прочностные характеристики и модуль упругости, а также потенциально низкую себестоимость производства (т.к. базальты – готовое сырье, основные энергозатраты на подготовку которого выполнены в природных условиях).

Характеристики БНВ на 65 – 70% определяются исходным базальтовым сырьем и, соответственно, на 35 – 30% технологиями производства, работой технологического оборудования, применяемыми замасливателями (покрытиями поверхности волокон).                                                        

БНВ - относительно новый тип волокон, первое промышленное производство которых было создано в Украинской ССР в 1985 году. Для повышения прочностных характеристик БНВ и снижения себестоимости их производства проводятся работы по целенаправленному выбору базальтовых пород, наиболее пригодных для производства волокон [ 2 ], совершенствованию технологий и оборудования производства БНВ.  К настоящему времени создано четыре поколения технологического оборудования, производства БНВ [ 4 ].  Проведенные работы позволили достигнуть определенных характеристик и показателей БНВ, существенно снизить себестоимость производства. В таблице представлены характеристики БНВ в сравнении со стекловолокном и углеродными волокнами.

*Себестоимость промышленного  производства БНВ определяется низкой стоимостью базальтового сырья и применением энергосберегающего технологического оборудования третьего и четвертого поколений.  

Прочностные характеристики БНВ превышают характеристики Е-стекловолокна, близки к специальным и углеродным волокнам, при этом имеют низкую себестоимость производства. По своим прочностным характеристикам БНВ занимает промежуточное положение между стекловолокном и углеродными волокнами. С учетом всего комплекса характеристик БНВ имеет ряд преимуществ по сравнению со стеклянными, углеродными и химическими волокнами, а также лучшее соотношение характеристики/стоимость.                  

Базальтовые волокна, созданные из пород магматического происхождения, в отличие от искусственных стеклянных, углеродных, минеральных  волокон, - единственные волокна, которые производятся из природного сырья магматического происхождения.

Теоретические основы производства БНВ, накопленный опыт, лабораторное оборудование, опытно-промышленное оборудование БНВ и методики проведения исследований месторождений базальтовых пород, позволяют оценить степень их пригодности для промышленного производства БНВ и определить технологические параметры плавления и характеристики расплавов, получить первичные непрерывные волокна и оценить их характеристики.

Характеристики БНВ вызывают большой интерес со стороны рынка армирующих и композитных материалов.  

Основные преимущества.

• Базальтовые волокна имеют повышенную природную стойкость к воздействию окружающей и  агрессивных сред, пламени и высоких температур, устойчивость к вибрациям. Волокна не поддаются воздействию плесени и других микроорганизмов. Это определяет долговечность применения базальтовых волокон и материалов на их основе в строительной отрасли, в  автомобильной и авиационной промышленности, судостроении и энергетике.

• Хорошие электроизоляционные и термоизоляционные характеристики, длительные сроки службы. Это свойство позволяет использовать базальтовые волокна  для производства термостойких материалов, а также как огнезащитный и противопожарных материал.

• Повышенная химическая стойкость в кислотной и щелочной средах, в морской воде по сравнению с Е-стеклом. Это свойство базальтовых волокон открывает широкие перспективы их применения для конструкций, работающих при воздействии влаги, растворов солей, химических и щелочных сред. Позволяет потребителям заменять металлические конструкции и детали, которые под воздействием химически активных сред подвержены коррозии, легкими, прочными и коррозионно-стойкими материалами из базальтового волокна. БНВ может использоваться для армирования бетона, при строительстве морских сооружений. В дорожных покрытиях рубленое базальтовое волокно повышает прочность бетона и асфальтобетона предохраняет бетон и арматуру от проникновения анти-обледеняющих солей и агрессивных веществ, повышает остаточную прочность и устойчивость к замораживанию-оттаиванию. 

Химическая стойкость базальтового волокна является одним из определяющих конкурентных преимуществ  для производства фильтров химической и металлургической промышленности, для производства ёмкостей и труб  для химической промышленности и коммунальных служб.

• Экологическая чистота материала. Полное соответствие программе REACH. Готовый продукт не содержит вредных веществ и полностью соответствует протоколу REACH и всем гигиеническим стандартам.

• Высокая долговечность. Срок службы материалов — 50 лет. Применение таких материалов позволяет добиться экономии за счет долговечности и усиливает безопасность эксплуатации промышленных объектов.

• Невысокая цена в сравнении со стоимостью специального стекловолокна  [ 4,5  ].

Немецкое инженерное бюро EDAG разработало концепт автомобиля, при производстве которого использовано базальтовое волокно. Как сообщается, «материал отличает лёгкость, прочность и экологичность, к тому же в производстве он обойдётся дешевле алюминия или углепластика»[1]

Усиление железо-бетонных конструкций базальтовым волокном обойдётся дешевле углепластика, первые испытания проведены НИИ ВСУ «ИНТЕР/ТЭК» в Екатеринбурге на базе института «УралНИАС».

Материалы на основе базальтового волокна обладают следующим важными свойствами: пористость, температуростойкость, паропроницаемость и химическая стойкость.

• Пористость базальтового волокна может составлять 70 % по объёму и более. Если поры материала заполнены воздухом, то при такой пористости он характеризуется небольшой теплопроводностью.
• Температуростойкость является весьма важным свойством теплоизоляционных материалов, особенно при использовании их для изоляции промышленного оборудования, работающего при высоких температурах. Температуростойкость материалов характеризуют технической температурой применения, при которой материал может эксплуатироваться без изменения технических свойств.
• Паропроницаемость — это способность материала пропускать через свои поры водяной пар. При наличии в материалах из базальтового волокна сообщающихся пор, они пропускают такое же количество пара, как и воздуха. Благодаря большой паропроницаемости эти материалы при эксплуатации почти всегда сухие; конденсация пара наблюдается в основном в следующем слое, на более холодной стороне ограждений.
• Химическая стойкость. Базальтовые волокна обладают хорошей стойкостью к действию органических веществ (масло, растворители и др.), а также к воздействию щелочей и кислот.

Благодаря этим свойствам, базальтовое волокно и материалы на его основе находят сегодня всё более широкое применение для таких целей, как:

• теплозвукоизоляция и огнезащита в жилых и промышленных зданиях и сооружениях, банях, саунах, бытовках и т. д.;
• теплоизоляция энергетических агрегатов, трубопроводов большого диаметра;
• теплоизоляция бытовых газовых и электрических плит, жарочных шкафов и т. д.
• утепление реконструируемых зданий с установкой как изнутри, так и снаружи;
• утепление плоских крыш;
• изоляция кислородных колонн;
• изоляция низкотемпературного оборудования при производстве и использовании азота;
• в промышленных холодильниках и холодильных камерах, бытовых холодильниках;
• в трёхслойных строительных панелях-сэндвичах;

СМУ 19 Мосметростроя применило в качестве обделки тоннеля применен набрызг-бетон, армированный базальтовой фиброй.

Научно-производственной компанией “Basalt fiber & composite materials technology development co., LTD” («BF&CM TD»), занимающейся разработкой и развитием технологий, изготовлением технологического оборудования и организацией промышленного производства базальтовых непрерывных волокон (БНВ) выполнен проект и реконструкции нагревательных печей и термического оборудования с применением результатов данной работы.

• гидротехнические сооружения;
• сооружения, работающие в агрессивных средах;
• строительство в сейсмоопасных регионах;
• автодороги с интенсивным движением;
• мосты;
• атомные станции и хранилища радиоактивных отходов;
• наливные полы, бетонные трубы и др.
• спортивный инвентарь (сноуборды, лыжи и тд.)

Базальтовая фибра повышает трещиностойкость в 3 раза, прочность на раскалывание — в 2 раза, ударную прочность — в 5 раз, что даёт возможность эффективно использовать её при возведении сейсмостойких сооружений, взрывобезопасных объектов и военных укреплений. Характеристики базальтовой фибры позволяют использовать её для сооружения радиопрозрачных конструкций сложной формы. В промышленности в качестве покрытия с целью предотвращения абразивного износа применяется базальтовое литьё. Механизм действия фибры в промышленных полах аналогичен, волокно препятствует абразивному износу. Стойкость к истираемости повышается минимум в три раза и, соответственно, срок эксплуатации полов утраивается. Очень важным показателем для полов является ударная нагрузка. Базальтовая фибра позволяет повысить ударную нагрузку более чем в 5 раз. Соблюдаются все требования к качеству промышленных полов: высокая устойчивость к разным видам нагрузок (статическим, ударным, динамическим, абразивным), хорошая устойчивость к перепаду температур, очень высокая стойкость к химическим воздействиям. К преимуществам полов, выполненных на основе базальтовой фибры, можно отнести низкий расход стали и бетона, малое время и низкую трудоёмкость работ по заливке, предотвращение трещинообразования уже на стадии твердения изделий, получение объёмного армирования, трёхмерной структуры, существенное уменьшение толщины бетонного пола при сохранении прочностных характеристик.

Основные преимущества гидросооружений, изготовленных с применением базальтовой фибры:

• долговечность;
• высокое сопротивление истираемости;
• высокая ударная стойкость;
• высокая морозостойкость;
• высокая коррозионная стойкость;
• повышенная водонепроницаемость.

Отличие базальтовой фибры от металлической состоит в том, что, прежде всего, базальтовая фибра не имеет в изделиях негативного катодного эффекта, также она не подвержена какой-либо коррозии. При одинаковой массе объем металлической фибры и базальтовой фибры соотносится как 1:600 соответственно, а площадь поверхности у базальтовой фибры больше в 25 раз, чем у металлической. Удельный вес металлической фибры 7,8 т/м³, а базальтовой — 2,8 т/м³. Это значит, что по массе фибры требуется в 2,7 раза меньше и изделие на основе базальтового волокна легче. Изделия на основе базальтового волокна радиопрозрачны и не имеют эффекта трансформатора. В связи со слабой адгезией металла и цементной матрицы, металлическую фибру для увеличения анкерности выпускают разной конфигурации: волнистую, с расплющенными и загнутыми концами. Базальтовая фибра в изделиях имеет высокую адгезию с цементным камнем, и ей не требуется дополнительных изменений конфигурации волокна. Цементный камень и базальтовая фибра имеют один коэффициент температурного расширения, в отличие от фибры металлической. Дисперсионное армирование базальтовой фиброй повышает пластичность бетонной массы и уменьшает образование усадочных трещин, и в отличие от стальной сетки, которая имеет ценность только после того, как бетон треснул, фибра предотвращает появление трещин в бетоне ещё на стадии, когда он пребывает в пластическом состоянии.