Технический прогресс прошлого столетия в определяющей степени был связан с созданием и широким применением композиционных материалов на основе стеклянных, углеродных, керамических и химических волокон. Сегодня эти материалы и изделия из них окружают нас повсюду. Вместе с тем, производство этих волокон и материалов является экологически опасным как для природы, так и для людей, и требует серьезной защиты.

По этим причинам уже сегодня во многих странах мира запрещено производство и использование канцерогенного асбеста, считавшегося ранее незаменимым, а также строительных материалов на основе металлургических шлаков.

Последнее обстоятельство обусловило крайне осторожную и длительную по времени (около 30 лет) работу ученых и специалистов по созданию новых альтернативных дешевых материалов и экологически чистых изделий на их основе, способных заменить как «вредные», так и дорогостоящие волокна и изделия на их основе в реально возможных областях применения.

Наиболее приемлемым сырьем для получения нового класса волокон с уникальными свойствами показали себя горные породы - базальты. Базальты - это высокостабильные по химическому и минералогическому составу экструзивные магматические горные породы, запасы которых в мире практически не ограничены и составляют от 25 до 38% площади, занимаемой на Земле всеми магматическими породами. Они являются продуктами вулканической деятельности третичного и четвертичного периода и реже - юрского и мелового. Более древние, разрушенные и измененные процессами хлоритизации «палеотипные» базальты выделяются под названием диабазов (Урал, Карелия, Кавказ). Хлорит придает им зеленоватую окраску, вследствие чего они носят название зеленокаменных толщ. Известен также амфиболит, образующийся за счет средних и основных магматических пород ряда габбро-базальтов (Урал, Казахстан, Кавказ, Кольский полуостров, Восточная Сибирь, Украина и т. д.). Также может быть использован более легкоплавкий порфирит. Следует отметить, что все эти горные породы применялись и применяются в основном в строительстве, в виде щебня при подсыпке автомобильных и железных дорог, в качестве наполнителя при получении бутобетона и т. п.

Базальтовые волокна получают из однокомпонентного дешевого сырья (базальта) при одностадийном технологическом процессе, что обуславливает их более низкую (на 15 - 20%) себестоимость по сравнению, например, со стекловолокнами и во много раз более низкую по сравнению с другими перечисленными выше волокнами, производимыми по многостадийным технологическим схемам. При этом из 1 кг базальтового сырья получается практически тот же 1 кг готового базальтового высококачественного волокна. Сами установки для производства базальтовых волокон являются экологически чистыми, компактными и в процессе работы не выделяют никаких промышленных отходов; в атмосферу уходят только продукты полного сгорания природного газа, прошедшие предварительное охлаждение в рекуператорах и очистку в фильтрах.

Качество получаемого базальтового волокна определяется точным составом многокомпонентной шихты, который является коммерческой тайной любого производителя. Дело в том, что базальт не имеет более-менее определенного минералогического состава, а, следовательно, ему не присущи и определенные физические характеристики. Так, плотность базальтов колеблется ориентировочно от 2800 до 3200 кг/м3, а прочность на сжатие - от 110 до 500 МПа.

Базальтовые волокна обладают уникальными свойствами: высоким уровнем физико-механических и химических свойств, повышенной стойкостью в агрессивных средах и к вибрациям, долговечностью (не менее 100 лет), стабильностью свойств при длительной эксплуатации в различных условиях, хорошей адгезией к различным связующим, что, в свою очередь, определяет их как перспективный материал для получения новых композиционных материалов - базальтопластиков и изделий из них различного назначения.

Эти волокна работоспособны в широком диапазоне температур от -260 до +700°С, при которых разрушаются углеродные (+600...800°С) и стеклянные (ниже -60°С и выше +500°С) волокна. Базальтовые волокна экологичны, не выделяют опасных для здоровья людей веществ в воздушной и водяной средах, негорючи, взрывобезопасны. Они полностью заменили канцерогенный асбест во всех областях его применения, превосходя его по всем свойствам, в том числе по теплоизоляционным более чем в 3 раза. Базальтовые волокна уверенно и объективно вытесняют из подавляющего большинства сегментов рынка и стеклянные волокна. Основным и практически единственным сдерживающим фактором широкого применения и распространения базальтовых волокон и изделий сегодня является крайне низкий объем их реального промышленного производства в России и на Украине. Только эти два государства бывшего СССР в полной мере обладают секретами ключевых «базальтовых» технологий, имеют собственные промышленные производства, внутренний и внешний рынки. За последние годы разработчиками этих технологий выполнен ряд существенных научно-исследовательских работ по оптимизации существующих и наработке новых технологий, как в области производства волокон, так и в области их дальнейшего использования для создания «чисто» базальтоволокнистых и базальтокомпозиционных и гибридных материалов и изделий.

Материалы и изделия на основе базальтовых волокон обладают высокими конструкционными, теплозвукоизоляционными, диэлектрическими и другими свойствами, позволяющими широко использовать их в различных отраслях промышленности: космической, авиа-, судо-, автомобилестроении, химической, нефтеперерабатывающей и газовой, радиоэлектронной и электротехнической, сельском хозяйстве и транспорте, металлургии и строительстве, в коммунальном хозяйстве мегаполисов и малых городов. Эти материалы успешно конкурируют с металлом, угле- и стеклопластиком, керамикой и другими материалами большой химии.

Ведущие ученые различных стран по праву считают базальтовые волокна основой материаловедения XXI века и прочат им самое большое будущее в дальнейшем развитии мирового технического прогресса. В ряде развитых стран это научно-техническое направление включено в категорию приоритетных. Базальтоволокнистые композиционные и гибридные материалы и технологии фигурируют в разделе «Новые материалы и химические продукты» «Перечня приоритетных направлений развития науки и техники и критических технологий Федерального уровня», утвержденного Правительственной комиссией по научно-технической политике Российской Федерации.

Базальтовые волокна (т.е. волокна из горной породы «базальт») делятся на две большие группы: непрерывные волокна и дискретные волокна (вата), называемые еще базальтовыми супертонкими волокнами (БСТВ). Они имеют, соответственно, и различное назначение, выступают в роли товара для непосредственного применения или исходного материала для последующих переделов.

Непрерывные волокна - толщина элементарного волокна - от 7 до 24 мкм.

Назначение:

При толщине 7-15 мкм применяется как армирующий наполнитель при производстве композитов (базальтопластиков) и изделий на их основе с полимерными и неорганическими матрицами.

При толщине 15-24 мкм используется как армирующий наполнитель композитов с органическим и минеральным связующим (бетоном, асфальтом, гипсом и т. п.).

Как исходный материал применяется для производства тканей различного назначения (для фильтров, огнезащитной одежды, противопожарных кошм и т. п.), рукавов (армирование труб, защита кабелей и т. д.).

Базальтовое волокно получают в одну стадию по следующей схеме: базальтовый щебень с определенной крупностью порционно загружается в малогабаритную плавильную установку, где он плавится при температуре 1460-

1500°С. Далее расплав гомогенизируется и под действием своего веса выдавливается через платинородиевую фильеру, имеющую от 200 до 400 калиброванных отверстий малого диаметра, образуя капли. Из этих постоянно висящих капель вытягиваются элементарные волокна диаметром 9 мкм со скоростью 50 м/с. Эти 200-400 волокон складываются в одну комплексную нить, на нее наносится замасливатель, который предотвращает распушение нити и обеспечивает необходимые свойства ее поверхности при дальнейшей технологической переработке. Затем нить наматывается на бобины или шпули. Установка работает круглосуточно и непрерывно 350 дней в году с плановой остановкой и профилактикой 1 раз в год сроком от 7 до 15 дней. Съем готового волокна с одного фильерного отверстия (а их может быть 200 и 400) составляет 1 кг в сутки. В реальном производстве в настоящее время работают установки с плавильным агрегатом в виде ванной печи на газовом, мазутном топливе и с электронагревом производительностью 100, 260 и 500 т волокна в год.

С установки волокно передается на участок трощения и перемотки, где в случае необходимости осуществляется перемотка и получение крученых нитей. Эта и последующие операции производятся уже с использованием стандартного оборудования, применяемого для переработки стекловолокна: ткацкого, намоточного, пултрузионного и др.

Учитывая, что базальтовое волокно хорошо совместимо с углеродным, открываются широкие перспективы создания гибридных материалов. Модуль упругости базальтового волокна составляет около 11000 кгс/мм2, а углеродного - 22000-56000 кгс/мм2. Если в базальтовое волокно добавить расчетное количество углеродного, то модуль упругости и ряд других свойств полученного гибрида будут существенно превышать уровень свойств базальта, но ввиду малого количества углеродного волокна на стоимости гибрида все это отразится вполне допустимо. Таким образом, конструируя новые композиционные материалы и изделия, существует возможность управлять не только уровнем свойств, но и стоимостью товара, делая его конкурентоспособным и по ценовым показателям.

Комплексная базальтовая нить (или иначе - ровинг) - это пучок параллельно уложенных элементарных волокон, скрепленных замасливателем. Ровинг является исходным материалом для:

- намотки тел вращения (труб диаметром от 5 до 2000 мм при внутреннем давлении от 0 до 400 атм. для транспорта нефти и газа, горячей и холодной воды, химически агрессивных жидкостей, сыпучих тел, кабельной канализации; баллонов низкого и высокого давления);

- производства арматуры, стержней, профилей (уголок, тавр и т. д.) методом пултрузии для строительства дорог, домов, портовых coopyжений, особенно для сейсмоопасных зон;

- ровингового долгоживущего препрега для производства деталей машин, корпусов сложной формы методами литья под давлением, прессования и т. п.;

- рубленого волокна для трехмерного армирования бетонов;

- асфальтовых покрытий, при строительстве дорог, взлетно-посадочных полос (ВПП) аэродромов; для получения объемно- армированных базальтопластиков различного назначения;

- производства сеток с различными размерами ячеи для двухмерного армирования рабочих и несущих покрытий дорог, ВПП, закрепления осыпей и оползней и других строительных технологий;

- производства широкой номенклатуры крученых базальтовых нитей как исходного материала для ткачества;

- производства тканей различного назначения: конструкционных, фильтровальных, огнезащитных,
электротехнических, кровельных и др.;

- производства термохимических и радиационных тканевых препрегов для получения базальтокомпозитов и
широкой номенклатуры изделий на их основе для машиностроения, авиации, судостроения, строительства и др.; ремонта
строительных конструкций (стен зданий и сооружений, тоннелей, мостов, трубопроводов, несущих колонн и др.).

Базальтовое дискретное волокно (БСТВ) - толщина элементарного волокна 3-9 мкм, длина 40-60 мм. Используется:

- для производства энергоэффективных теплозвукоизоляционных экологически чистых материалов и изделий для производства звукопоглощающих материалов и изделий;

- для криогенной техники;

- для гидропоники;

- как наполнитель объемно армированных базальтовых композиционных материалов и изделий с различными связующими;

- широко применяется в судо-, авиа-, автомобилестроении, строительстве, акустике, а также для повышения
огнестойкости и пожарной безопасности объектов.

БСТВ работоспособно в широком диапазоне температур (от -260 до +700°С), вибростойко, сохраняет свою первоначальную форму при эксплуатации, химически инертно, негорюче и вообще повышает огнестойкость объекта, где оно применено. По комплексу свойств превосходит аналогичные материалы из стекловаты, минеральной ваты, шлаковаты и природных теплоизоляционных материалов (мох сфагнум, широко используемый в деревенском и коттеджном строительстве). При эксплуатации в течение 100 лет сохраняет свои свойства и не выделяет вредных для людей и природы химических соединений под воздействием окружающей среды (кислотные дожди и т. п.), поглощает шум и значительно ослабляет радиацию (в частности, альфа- и бета-излучение).

Производится БСТВ по так называемому «дуплекс-способу». Суть его заключается в следующем: в плавильный агрегат малогабаритной установки производства БСТВ дозатором порционно загружается мелкофракционный базальтовый щебень строго определенной крупности. Базальт расплавляется, гомогенизируется и под действием собственного веса продавливается (проливается) через фильерные пластины из жаропрочной стали с калиброванными отверстиями сложной формы, образуя капли. Из этих капель вытягиваются элементарные волокна толщиной 300-350 мкм, которые на следующем этапе раздуваются высокотемпературной газовоздушной смесью, обдувающей волокно под углом 90°. Происходит оплавление первичного волокна и вытягивание высокоскоростным потоком раскаленного газа вторичных элементарных волокон толщиной 3-9 мкм и длиной 60 мм.

Более современной технологией получения волокна является сверхскоростной многовалковый центробежный метод. Распыление расплава осуществляется на валковых высокоскоростных (до 6500 оборотов в минуту) центрифугах. В процессе формирования волокна расправленное сырье проходит через электромагнитное поле (так называемая «эйфелевская» технология). В результате получается очень качественное волокно диаметром 3-4,5 мкм и длиной примерно 35-50 мм с весьма малым содержанием неволокнистых включений (не более 2 %).

Эти волокна потоком газа уносятся в камеру волокноосаждения, в которой осаждаются на движущийся сетчатый транспортер в виде ковра и, в конечном итоге, наматываются на приемный барабан. В зависимости от скорости транспортера получается базальтовый ковер определенной толщины. Этот ковер снимается с барабана и поступает для дальнейших технологических операций. Рулонный ковер - уже товар и поставляется для теплозвукоизоляции стен и перекрытий домов, изготовления кузовов рефрижераторов, холодильников, термоизоляции кухонных плит, стиральных машин, судов, самолетов и т. д. На этой вате по технологиям гидропоники выращиваются рассада, овощи и цветы, так как минеральный состав базальта содержит необходимые растениям химические вещества.

Ковер из базальтовой ваты хорошо сохраняет свою форму благодаря длинному элементарному волокну, что не характерно для волокон, полученных другими способами. Длинное волокно создает в ковре структуру «упругой путанки», и для сохранения формы при толщине 50-100 мм ему не нужно связующее.

Из этих ковров производят теплозвукоизоляционные (ТЗИ) маты, зашивая ковер в оболочку из базальтовой ткани, что облегчает его применение при монтаже и в строительных технологиях. По несколько более сложной схеме производятся звукопоглощающие маты. Если ковер пропитать минеральным, органическим или неорганическим связующим, подпрессовать, отбирая излишки этого связующего, просушить при температуре 90-150°С, то получится новое семейство материалов: мягкие и жесткие картоны (толщиной 5-8 мм), мягкие и жесткие плиты (толщиной от 10 до 25 мм), из которых могут набираться пакеты любой толщины в зависимости от назначения. Эти виды продукции являются самыми распространенными и, несмотря на сравнительно малую плотность (от 100 до 400 г/см3), экспортируются в зарубежные страны на значительные расстояния.

Картоны и плиты, изготовленные с применением в качестве связующего бентонитовой глины, приобретают способность работать при высоких температурах, достигающих 1000°С, и широко применяются в горячих производствах для термоизоляции агрегатов в металлургии и многих других отраслях.

Если ковер БСТВ порезать вдоль, получив при этом в сечении квадрат, затем оплести его сеткой из базальтового ровинга или нити, получают новый вид жаростойкого материала - базальтовые теплоизоляционные шнуры, надежные и удобные при использовании. Они предназначены для теплозвукоизоляции стыков панелей при панельном домостроении, изоляции криволинейных и сложных по конфигурации теплотрубопроводов, прокладки между бревнами при строительстве домов из бревен и бруса взамен пакли или мха. Кроме того, они широко применяются в судо-, авиа-, машиностроении и многих других отраслях промышленности

Назад к разделам