Общая характеристика базальтовых волокон
Базальты по содержанию кремнезема и глинозема наиболее близки к Е-стеклу, из которого производят лучшие стеклянные нити. Но температурный интервал применения базальтовых волокон составляет от -270°С до +700-900°С, а стеклянных от -60°С до +450°С [1]. В зависимости от температуры и времени нагрева в них существенно изменяется содержание оксида железа. Переход FeO и Fe2О3, происходит при температуре выше 600°С. При нагреве базальтовых волокон до 450-500°С отмечается небольшое снижение массы, обусловленное потерей химически связанной воды, а при дальнейшем нагревании — увеличение массы, вызванное присоединением кислорода воздуха при окислении двухвалентного железа в трехвалентное [1,2]. Гигроскопичность базальтовых волокон менее 1%, стеклянных - до 10-20%. В целом базальтовые волокна превосходят стеклянные по термическим, физическим, электрическим и акустическим характеристикам, а также по химической стойкости (таблица 16.1).
Таблица 16.1 – Сравнительные свойства базальтовых и стеклянных волокон [2].
| Наименование волокон | Диаметр, мкм | Температурный интервал применения, °С | Температура спекания, °С | Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) | Коэффициент звукопоглощения | Коэффициент фильтрации | Водоустойчи вость, % | Кислотостойкость (2н HCI), % | Щелочестойкость, % | |
| 0,5н-NaOH | 2н NaOH | |||||||||
| БВ – микротонкие | <0,6 | -260-+700 | 0,03 | 0,99 | 0,9-1 | 95-95,3 | 29-31,5 | 84-85,3 | 37-42 | |
| БВ- льтрасупертонкие | 0,6-2 | -269-+700 | 0,033 | до 0,99 | 0,9-1 | 95-98,5 | 31-40,8 | 85-86,5 | 42-45 | |
| БВ - тонкие | 5-15 | -200- +650 | 0,035 | 0,95 | 0,9-1 | 98-99,8 | 56-78,2 | 90-97,4 | 79-85 | |
| БВ - толщенные | 15-25 | -200-+650 | 0,04 | 0,9 | 0,8-1 | 99-99,9 | 79-85 | 97-99 | 84-88 | |
| СВ | 2-12 | -60- +450 | 0,029-0,035 | 0,99 | 0,7-0,9 | 93-98,9 | 50-54 | 82-92,2 | 60-66,7 |
Примечание: БВ – базальтовые волокна; СВ – стеклянные волокна.
Плотность БВ составляет 2,8 г/см3, температура размягчения (Тразм) – 1100 – 1200°С, рабочая температура (Траб) – до 700°С, водопоглощение за 24 часа - 0,02%.
Химическая устойчивость термообработанных волокон типа БВРВ к воде и щелочам практически не изменяется, так как эти волокна и в исходном состоянии имеют высокую химическую устойчивость к указанным средам. Кислотоустойчивость термообработанных волокон БВРВ значительно возрастает при 800°С. После термообработки базальтовых волокон типа БСТВ отмечается резкое повышение щелоче- и кислотоустойчивости (в 2-2,5 раза). Влияние температуры на прочность непрерывных базальтовых волокон и стеклянных волокон алюмоборосиликатного состава приведены в таблице 16.2.
Прочность базальтовых волокон при нагреве до 400°С снижается незначительно (менее чем на 20%), тогда как стеклянного волокна – на 50%. Остаточная прочность базальтового и стеклянного волокна после термообработки при 700°С одинакова и составляет 20% [2,3].
Прочность базальтового непрерывного волокна практически не изменяется при 100%-ной относительной влажности в течение 64 суток, а прочность волокна алюмоборосиликатного состава уменьшается на 28 % (таблица 16.3).
Таблица 16.2 - Прочность непрерывных волокон при термической обработке [2].
| Температура обработки, °С | Прочность волокна, МПа | |||
| базальтового | алюмоборосиликатного стеклянного | |||
| sр | % сохран. | sр | % сохран. | |
| - | - | |||
| 94,5 | ||||
| 83,2 | ||||
| 81,9 | ||||
| 46,8 | ||||
| 22,4 | ||||
| 18,6 |
Базальтовые волокна подвергались трехчасовому воздействию различных кипящих агрессивных сред. Устойчивость волокон оценивалась по потерям в массе и по изменению прочности волокон на разрыв. Химическая устойчивость непрерывных базальтовых и стеклянных волокон приведена в таблице 16.4.
Таблица 16.3 - Прочность волокон при 100%-ой влажности [2].
| Время, сут. | Прочность волокна, % | Время, сут. | Прочность волокна, % | ||
| БВ | СВ | БВ | СВ | ||
| - | |||||
Таблица 16.4 - Химическая устойчивость непрерывных волокон [2].
| Волокно | Диаметр волокна, мкм | Содержание связующего, % | Н2О | 0,5н NaOH | 2н NaOH | HCl |
| Потеря массы, мг | ||||||
| Базальтовое волокно | 13,3 | 1,96 | 34,9 | 63,7 | ||
| Стеклянное волокно | 11,3 | 0,5 | 28,0 | 391,4 | 1753,8 |
Из этих данных следует, что непрерывное базальтовое волокно идентично алюмоборосиликатному волокну. Щелочестойкость в 0,5н и 2н растворах NaOH и особенно кислотостойкость базальтового непрерывного волокна значительно превосходят аналогичные характеристики стеклянного волокна алюмоборосиликатного состава [2-5].
Прочность базальтового волокна после трехчасового кипячения в воде практически не изменяется. Значительное снижение прочности наблюдается только после кипячения в 2н NaOH и 2н НС1 — на 66 и 59 % соответственно (таблица 16.5).
Таблица 16.5 - Влияние химических реагентов на прочность базальтового непрерывного волокна [2].
| Реагент | Диаметр, мкм | Прочность | |
| МПа | % сохр. | ||
| Исходное | 11,4 | ||
| Н2О | 11,7 | ||
| 0,5н Na OH | 11,3 | ||
| 2н Na OH | 13,4 | ||
| HCl | 11,4 |
Базальтовые непрерывные волокна характеризуются высокой прочностью на разрыв (при диаметре 13,0-20 мкм 1500-2000 МПа) и высоким модулем упругости — 11600 МПа. Прочность базальтовых волокон при нагреве до 400°С снижается незначительно (менее 20 %), тогда как стеклянного алюмоборосиликатного волокна — на 50 % [2].
Важнейшим преимуществом базальтовых волокон является то, что они формуются по упрощенной технологической схеме, исключающей приготовление шихты, которая в производстве стеклянного волокна включает более семи различных компонентов, усложняющих в значительной мере весь процесс получения волокна [2].
Отечественными учеными разработаны материалы, получаемые из расплавов базальтовых горных пород, и технология производства изделий из них. Основными преимуществами этих перспективных материалов являются:
· превосходство над широко используемыми другими видами по температуростойкости, теплозвукоизоляционным свойствам, виброустойчивости, долговечности;
· экологическая безопасность, негорючесть, взрывобезопасность;
· химическая инертность (не выделяет и не образует токсичных веществ в воздушной и химически активных средах);
· невысокая стоимость изделий из них по сравнению со стоимостью изделий из стеклянных волокон;
· неограниченность сырьевых запасов базальта (от 25 до 38% площади, занимаемой на Земле всеми магматическими породами).
Под этими материалами подразумевают базальтовые волокна (БВ), а также их текстильные формы. Сами же БВ, несмотря на общую научную классификацию, делятся на две большие группы: непрерывные волокна и дискретные (штапельные) волокна, называемые еще базальтовыми супертонкими волокнами (БСТВ) [2].