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 (Т_разм) – 1100 – 1200°С, рабочая температура (Т_раб) – 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].