Рулонированные материалы на основе базальтовой ткани

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рулонированные материалы на основе базальтовой ткани

В настоящее время в России наблюдается резкое увеличение объемов капитального строительства. Строительство жилых, промышленных и гражданских зданий, подземных и гидротехнических сооружений, требует быстрого развития и постоянного технического совершенствования традицион ных высокозатратных технологий изоляции зданий и сооружений [1].

Более 40% повреждений зданий приходится на кровли. Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что один из путей решения проблем устройства и эксплуатации мягких кровель - повышение их надежности и долго вечности - может быть успешно осуществлен при использовании полимеров.

Кровли, выполненные из традиционных материалов с применением битума, сложны в устройстве. Из-за специфических свойств битумов работы по наклейке многослойного ковра выполняются сезонно. Они сложно поддаются механизации (уровень механизации не превышает 10-20%).

Наибольшее распространение найдут в ближайшее время гидроизоляционные материалы с применением полиэтилена. Полиэтиленовые пленки имеют перед традиционными битумными материалами преимущество в том, что они гнило-стойки и не разрушаются бактериями. Кроме того, полиэтиленовые пленки значительно эластичнее и тоньше рубероида, пергамина, гидроизола и поэтому гидроизоляция из них хорошо сочетается с основным материалом конструкции [2].

В последние годы к самым эффективным и перспективным волокнам для армирования полимерных композиционных материалов относят базальтовые волокна, полученные из природного минерала базальта. Россия обладает огромными запасами горных пород габбро-базальтовой группы. Разработаны технологии переработки базальта в высококачественные минеральные волокна, нити, ровинги, нетканые холсты, ткани и др. ассортимент.

Увеличивается количество предприятий, выпускающих базальтовую вату (~12). Базальтовую нить, ровинг, ткань на сегодняшний день в Российской Федерации производят в г.г. Красноярске, Брянске, Москве, Дубне, в то время как производство стеклянных волокон в РФ по разным причинам развивается слабо.

На кафедре Химической технологии СГТУ ведутся научно-исследовательские работы по созданию новой технологии кровельного и гидроизоляционного материала с применением ПЭ пленки и базальтовой ткани (БТ) [3]. Выбор базальтовой ткани (БТ) обусловлен возможностью создания на ее основе рулонированных материалов с большими прочностными свойствами и долговечностью в сравнении с битумными рулонными материалами на основе стеклоткани.

Для совмещения базальтовой ткани (БТ) и термопластичной матрицы ткань помещали между слоями ПЭ пленки (один или два слоя ПЭ с верхней и нижней сторон БТ) и про пускали сформованный пакет через нагретые валы каландра.

Для изучения возможности использования пленки из вторичного ПЭ образцы формовали следующего состава:

слой ПЭ +слой БТ + слой ПЭ. Применение одного слоя ПЭ с каждой стороны БТ обусловлено большей толщиной пленки из вторичного ПЭ (90 мкм), по сравнению с пленкой из первичного ПЭ (50 мкм).

Использование пленки из вторичного ПЭ не сопровождается снижением физико-механических свойств материала, что позволяет использовать ее в производстве рулонированных материалов и решать проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды.

С целью повышения активности к взаимодействию в системе ПЭ-БТ проводили модификацию БТ с применением ин фракрасного облучения (ИК-облучения), воздействия сверх высокими частотами (СВЧ), совместного воздействия СВЧ и олигооксипропиленгликоля (ООПГ), а также осуществляли отжиг замасливателя с поверхности ткани при 250°С в течение 30 мин. Проведенные исследования свидетельствуют (табл.1) о значительном повышении разрушающего напряжения при растяжении разработанного материала после удаления замасливателя, что связано с большим проникновением связующего в освободившийся объем БТ (в том числе и за счет повышения пористости БВ).

Обработки БТ ИК-облучением в тепловом модуле в течение 15с при температуре 50°С, а также воздействием СВЧ мощностью 750 Вт в течение 1 -3 мин малоэффективны (табл.1).

Для повышения прочности рулонированного БП проводили одновременно СВЧ обработку (мощностью 750 Вт в течение 3 мин) поверхности ткани с последующим нанесением на обработанную ткань 2-4% от массы ткани ООПГ с последующей сушкой БП при 250°С в течение 1 часа.

Как показывает анализ данных (табл.1), при одновременном воздействии СВЧ и ООПГ происходит повышение прочности на 28% относительно образца с немодифицированной БТ. Однако с учетом технико-экономических затрат более эффективным является метод отжига БТ при 250°С в течение 30 мин.

Таким образом, полученные данные позволяют считать целесообразным применение пленки как из первичного, так и вторичного ПЭ для получения рулонированного БП, имеющего существенно более высокие механические свойства, теплостойкость и гибкость (табл.1), чем стандартный битумный материал на основе стекловолокон, выпускаемый в соответствии с ГОСТ 30547-97.

Оценку термостойкости полученных материалов проводи ли методом термогравиметрического анализа (ДТА). Разработанные ПКМ характеризуются малыми потерями массы вплоть до 300°С (табл.2).

Данные ДТА свидетельствуют о том, что потери массы при 600°С меньше на 24% для рулонированного материала на основе модифицированной методом отжига БТ, чем немо-дифицированной.

При применении вторичного ПЭ для получения кровельного ПКМ потери массы, по данным ДТА, снижаются по сравнению с ПКМ на основе первичного ПЭ и составляю0 и 37% соответственно. Это свидетельствует о более глубоком взаимодействии и протекании процесса структурирования при переработке вторичного ПЭ, что обеспечивает более высокую термостойкость ПКМ. Это еще раз свидетельствует об эффективности и целесообразности применения вторичного ПЭ для формования многослойных пленочных материалов.

Учитывая, что БП представляют особый интерес как строи тельные материалы широкого спектра назначения, проводилиизучение их токсичности по выделению газообразных веществ в интервале температур 50-100°С методом ступенчатой газовой хроматографии на хроматографе "Кристалл".

При воздействии температур >140°С на ПЭ возможно вы деление формальдегида и ацетальдегида, содержание которых ГОСТом допускается в количестве 0,5 и 5 мг/м³ соответственно. При исследовании образцов, изготовленных из первичного и вторичного ПЭ выделения этих продуктов не обнаружено.

Рис.

Для испытания разработанного материала на долговечность образцы экспонировались в условиях внешних воз действий окружающей среды в течение 9 месяцев. Анализ данных показывает, что воздействие климатических факто ров незначительно снижает физико-механические характеристики разработанного материала (от 4,5 до 7%). Сравнительный анализ (табл. 3) свидетельствует, что, разработанный материал обладает более высокими физико-механическими и химическими свойствами и превосходит при меняемые в настоящее время отечественные кровельные материалы. Во второй главе рассмотрим базальтовые ткани.

Базальтовые ткани

Базальтовые волокна (БВ) производятся из базальтовых пород вулканического происхождения, обладающих высокими природными термическими свойствами, химической стойкостью, являются природным экологически чистым сырьем. Поэтому БВ обладают высокой исходной прочностью, стойкостью к воздействию агрессивных сред, имеют высокие термостойкость, тепло- и звукоизоляционные характеристики, низкую гигроскопичность.

Это определяет высокие эксплуатационные качества материалов из БВ: высокое качество, долговечность и стойкость при воздействии природных факторов, высоких температур, агрессивных сред, стойкость к воздействию вибраций, абсолютную негорючесть, что выгодно отличает эти материалы от стеклянных волокон и минеральных волокон. Кроме того, сырьевая база для производства материалов и изделий из базальта доступна и практически не ограничена. Благодаря сочетанию этих свойств и характеристик, материалы из БВ имеют большую (необычайно широкую) перспективу применения в различных отраслях промышленности.

К настоящему времени накоплен довольно большой опыт применения материалов из БВ в автомобильной промышленности и ряде смежных отраслей авиации, судостроении, вагоностроении. Возможности применения БВ в автомобилестроении в последние годы существенно расширились, что связано с рядом факторов.

1. Проведены комплексные испытания БВ и материалов на их основе. БВ обладают рядом характеристик, которые в сочетании со свойствами БВ позволяют создавать материалы с новыми характеристиками.

2. Анализ показывает, что БВ имеют наилучшее соотношение показателя «цены и качества» для неорганических волокон (стеклянных, углеродных).

3. Технологические разработки по производству БВ, выполненные в последние годы, позволили обеспечить стоимость производства базальтовых непрерывных волокон (БНВ) сравнимую по стоимости с производством стекловолокна.

4. Освоением технологий и организацией промышленного производства непрерывных и супертонких базальтовых волокон.

К настоящему времени на Украине, в России, Грузии и в Китае освоены технологии производства и запущены промышленные производства супертонких и непрерывных базальтовых волокон, которые находят применение в автомобильной промышленности, авиационной, судостроительной, энергетике и других отраслях промышленности. Комплексные исследования характеристик БВ и материалов на их основе позволили определить следующие основные преимущества базальтовых волокон пред другими типами волокон и материалов.

1. Относительно высокая удельная прочность волокон на разрыв, существенно превышающая эти показатели для металла (в 2 - 2.5 раза) и стекловолокна из Е-стекла (1.4 - 1.5 раза). В таблице 1 представлены данные по удельной прочности непрерывных базальтовых волокон на разрыв.

Таблица

В таблице 2 представлены данные по разрывным нагрузкам ровингов марки RB 10 из базальтового непрерывного волокна.

Таблица

2. Высокая коррозионная и химическая стойкость к воздействию агрессивных сред: растворов солей, кислот, щелочей. В таблице 3 представлены данные по химической стойкости базальтовых волокон.

Таблица

Как видно из таблицы базальтовые волокна обладают уникальной химической стойкостью в растворах щелочей. Это свойство базальтовых волокон открывает широкие перспективы их применения для конструкций работающих при воздействии влаги, растворов солей, химических и щелочных сред. Это позволяет базальтопластиками заменять металлические конструкции и детали, которые под воздействием химически активных сред подвержены коррозии.

3. Высокая термическая стойкость базальтовых волокон. В таблице 4. представлены данные по термической стойкости базальтовых волокон.

Таблица

Таким образом, на основе БВ можно изготавливать материалы, которые могут работать под воздействием высоких температур. Теплоизоляционные изделия из базальтовых волокон на основе неорганических связок могут применяться при температурах от - 200°С до 700°С.

4. Высокие термо- и звукоизоляционные характеристики.

Данные по теплопроводности материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1 - 3 мкм представлены в таблице 5.

Звукоизоляционные базальтовые материалы широко применяются в авиации, судостроении, машиностроении. Кроме того, представляется возможным создание широкого спектра композиционных материалов, совмещающих конструкционные и термо-звукоизоляционные свойства. При этом эти материалы абсолютно не горючи, при нагреве не выделяют вредных выделений и могут быть применены на температуры до 600 - 700іС.

6. 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 удельная масса и гигроскопичность таких материалов.

5. 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.

7. Высокая совместимость с другими материалами: металлами, пластмассами, пластиками. Это открывает широкую перспективу производства целого ряда новых композиционных материалов: металлокомпозитных материалов, сотовых конструкций, армированных волокном пластмасс, защитных покрытий и др.

8. Высокие эксплуатационные качества материалов и изделий из базальтовых волокон: высокая стойкость к воздействию окружающей среды и агрессивных сред, долговечность, удельные прочностные и весовые показатели, красивый внешний вид (без применения лакокрасочных покрытий), ремонтопригодность.

9. Возможность производства материалов и изделий с применением различных технологий: формовки, холодной штамповки, напыления, вытяжки и других технологий, не требующих значительных затрат энергоресурсов, так называемых «холодных технологий».

10. При промышленном производстве базальтовых волокон на основе новых технологий их стоимость равна и даже менее стоимости стекловолокна. При этом соотношение качества, эксплуатационных характеристик и цены у базальтовых волокон самое высокое по сравнению со стекло и углеродными волокнами. Стекловолокно не обладает теми характеристиками, присущими БВ, а углеродные волокна во много раз более дорогие.

В автомобильной промышленности находят применение несколько типов волокнистых материалов.

1. Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей. Из этих материалов производятся: внешние детали автомобиля бамперы, обтекатели, спойлеры; элементы внутренней отделки салона автомобиля торпеда, декоративные панели салона, элементы защиты корпуса автомобиля, днища автомобиля, защита элементов конструкции автомобиля над колесами. Накоплен опыт производства крыльев автомобилей из волокнистых композиционных материалов. Кроме того, производились автомобили с кузовом полностью из волокнистых композиционных материалов.

2. Термо и звукоизоляционные материалы. Материалы для термо и звукоизоляции салона автомобиля, двигателя и глушителя выхлопных газов.

3. Материалы специального применения. Армирующие материалы для изготовления тормозных колодок и фрикционных дисков (дисков сцепления). Материалы для изготовления уплотняющих прокладок двигателя и глушителя.

4. Армирование непрерывными базальтовыми волокнами и лентами покрышек (скатов) автомобильных колес.

При разработке и изготовлении материалов из базальтовых волокон используются сочетания их характеристик и свойств. При этом необходимо использовать так сочетание этих свойств, чтобы добиться преимущества в применении именно БВ.

1. Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных базальтовых волокон и армирующих тканей.

Базальтовые волокна по сравнению со стекловолокном имеют более высокие показатели по удельной прочности, что позволяет изготавливать внешние детали автомобиля (бамперы, обтекатели, спойлеры) более прочными и легкими. Материалы из базальтовых волокон имеют высокие ударные прочность и вязкость, демпфирующие возможности. Эти показатели материалов БВ настолько высоки, что из базальтовых изготавливают бронежилеты. Это очень важно при изготовлении деталей автомобилей, обеспечивающих их безопасность при столкновениях.

Кроме того, внешние детали из базальтовых волокон выдерживают многолетнюю эксплуатацию при воздействии природных факторов: влаги, растворов солей, щелочи и кислот. Базальтовые волокна химически стойкие, что позволяет из них изготавливать композиционные материалы на основе неорганических связующих, имеющих, как правило, щелочную реакцию. Применение неорганических связующих позволяет изготавливать негорючие композиционные материалы на основе БВ. Применение таких материалов из БВ становится особенно актуально в связи с введением США новых стандартов на применение в автомобилестроении негорючих и нетоксичных материалов. Аналогичные стандарты будут приняты также и в странах Европы.

Сочетание характеристик и свойств базальтовых волокон открывают перспективу создания нового класса материалов для автомобильной промышленности - сотовых и объемных пластиковых конструкций. Это особо прочные материалы, которые при минимуме массы, обеспечивают высокую конструктивную прочность и имеют дополнительные тепло и звукоизоляционные свойства. Такие сотовые и объемные композиционные материалы и конструкции с высокими удельными прочностными показателями широко применяются в авиации. Даже обычные материалы из пластмасс армированные 1.5 - 2% рубленным базальтовым волокном увеличивают свою прочность на излом и на разрыв на 17 - 30%. Поэтому применение БВ для изготовления конструктивных композиционных материалов в автомобилестроении имеет большие перспективы.

2. Термо и звукоизоляционные материалы.

Материалы из БВ для термо и звукоизоляции двигателя сочетают в себе хорошие термо и звукоизоляционные характеристики, низкую гигроскопичность, стойкость к воздействию вибрации, негорючесть и долговечность. При этом, эти материалы также соответствуют требованиям новых американских стандартов на применение негорючих материалов для автомобилей.

Иглопробивные холсты из непрерывных базальтовых волокон применяются сейчас для термо и звукомзоляции глушителей пяти типов автомобилей «Тоyоtа». Необходимость использования именно БВ в глушителях связана с применения на новых моделях автомобилей «Тоyоtа» двигателей новых модификаций с дожигом отходящих газов. При этом температура газов, поступающих в глушитель возрастает. Стекловолокно, которое применялось ранее в глушителях, не выдерживает этих температур и разрушается. Кроме того, в глушителях проявляются другие положительные качества базальтовых волокон вибростойкость, термостойкость при частых теплосменах, что позволяет производить долговечные изделия высокого качества.

3. Материалы специального применения.

Армирующие материалы для изготовления тормозных колодок и фрикционных дисков (дисков сцепления). Рубленные базальтовые волокна являются лучшим материалом для армирования тормозных и фрикционных накладок. Так как выдерживают большие температуры без изменения своих физических характеристик, имеют хороший фрикционный контакт с металлом, но при этом не вырабатывая (не разрушая) его.

В материалах для изготовления уплотняющих термостойких прокладок двигателя и глушителя традиционно применяются БВ, которые являются заменителями концерогенных материалов из асбестовых волокон.

4. Непрерывное базальтовое волокно является отличным материалом для корда автомобильных покрышек, так как обладает высокой прочностью на разрыв, не вытягиваются под действием нагрузок, выдерживает долговременные знакопеременные нагрузки. Кроме того автопокрышки с базальтовым кордом достаточно просто утилизировать - измельчение и повторное использование резины.

Антикоррозионные покрытия на основе базальтовой чешуи.

Весьма перспективно применение базальтовой чешуи для антикоррозионных покрытий днищ автомобилей. Базальтовый чешуйчатый материал представляет собой элементарные чешуйки толщиной до 3 микрон площадью 1 - 3 ммІ. При нанесении лакокрасочных покрытий армированных базальтовыми чешуйками на металлические поверхности их прочность и химическая стойкость многократно возрастает. Имеется многолетний опыт применения лакокрасочных покрытий армированных базальтовой и стекло чешуей в химической промышленности и в судостроении, в том числе и для покраски судов ледокольного типа. При этом базальтовая чешуя обеспечивает высокие механические характеристики покрытий прочность и износостойкость, а также надежную защиту металла от воздействия солей и кислот.

Промышленное освоение производства базальтовых волокон и материалов на их основе позволяет широко применять их в автомобилестроении. Фирма «Toyota» уже широко применяет материалы из базальтовых волокон в глушителях своих автомобилей. Проработаны вопросы применения в автомобилях композиционных, термо и звукоизоляционных материалов, материалов специального применения, защитных антикоррозионных покрытий из базальтов.

Применение материалов и изделий на основе базальтовых волокон в автомобилестроении является перспективным направлением.

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

Звукоизоляционные базальтовые материалы широко применяются в авиации, судостроении, машиностроении. Кроме того, предоставляется возможность создания широкого спектра композиционных материалов, совмещающих конструкционные и термо-звукоизоляционные свойства. При этом используемые материалы абсолютно не горючи, при нагреве не возникает вредных выделений, и могут быть применены на температуры до 600 - 700°С, а в сочетании с другими материалами до 1000°С. Это противопожарные - брандмауэры, ограждающие и огнепреграждающие конструкции, двери, кабельные проходки и другие изделия для ответственных промышленных объектов и многоэтажных зданий.

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. БНВ не следует рассматривать 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. Именно в этих отраслях промышленности применение базальтовых волокон имеет особую перспективу.

Базальтовые породы и технологии их использования

Основные характеристики и преимущества базальтовых волокон

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

1. базальтовые волокна обладают характеристиками по многим показателям превышающими стеклянные волокна и не намного уступающие углеродным волокнам;

2. сырьевая база для производства базальтовых волокон доступна и практически не ограничена;

3. технологические достижения последних лет позволили существенно снизить себестоимость производства БНВ до уровня производства стеклянных волокон.

Стекловолокно имеет определенные ограпрочности, температуре применения, химической стойкости, особенно, в щелочных средах. При производстве стекловолокна используются химически чистые компоненты и особо дефицитный компонент - окись бора (В2О3). Углеродные волокна достаточно дороги для массового применения в промышленности и строительстве. БНВ по своим показателям занимают промежуточную позицию между этими типами волокон.

Базальтовые волокна являются наиболее оптимальными по показателю соотношения цены и качества. В некоторых областях применению базальтовых волокон нет альтернативы.

Производство базальтового непрерывного волокна

Технология производства базальтового непрерывного волокна (БНВ) при всей своей внешней кажущейся простоте представляют собой довольно сложные процессы. Ранее широкое применение БНВ сдерживалось сложностью промышленного оборудования и технологиями их производства.

Себестоимость производства БНВ была относительно высока и существенно превышала стоимость стекловолокна.

Технологии производства базальтовых волокон при всем внешнем подобии значительно отличаются от производства стеклянных волокон, что связано с рядом факторов:

1. химический состав базальтов существенно отличается от стекла;

2. расплавы базальтов непрозрачны для теплового излучения;

3. базальты - это уже готовое природное сырье, гомогенизированное по химическому составу;

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

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

Преимущества технологий БНВ:

· Для производства БНВ используется однокомпонентное, приготовленное природой, экологически чистое сырье - базальт.

· Стоимость базальтового сырья очень низкая и в себестоимости производства БНВ составляет менее 5%.

· Технология одностадийная - первичное обогащение, плавление и гомогенизацию базальта выполнила природа. Базальт нагревается только один раз, что позволяет получать требуемый продукт - БНВ.

· Дальнейшая переработка БНВ в материалы не связана с энергозатратами и производится с применением «холодных технологий».

Базальтовые и базальтопластиковые материалы и изделия. Ровинг базальтовый

Таблица

Рис.

рулонированный материал базальтовый

Таблица

Таблица. Базальтовые ткани