Теплозвукоизоляционные материалы из базальтовых волокон, их особенности и физикомеханические свойства

ТЕПЛОЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН, ИХ ОСОБЕННОСТИ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

HEAT-INSULATING AND SOUNDPROOF MATERIALS FROM BASAL FIBERS, THEIR FEATURES AND PHYSICOMECHANICAL

PROPERTIES

B.B. Гурьев, М.В. Светляков

V.V. Gouriev, M.V. Svetlakov

ГУП мниитэп

Приведены результаты анализа различных технологических процессов производства теплозвукоизоляционных изделий из супертонких базальтовых волокон. Анализируются структуры базальтовых волокон и их физико-механические характеристики.

Here the results of the analysis of various technologicalprocesses of manufacture heat-insulting and soundproof products from superthin basalt fibres are given. Structures of basalt fibres and theirphysicomechanical characteristics are analyzed.

В последние годы все большее внимание в строительной индустрии и в других областях промышленности обращается на использование теплозвукоизоляционных материалов из супертонких волокон, полученных из расплавов горных пород (базальта, диабаза, габбро-диабаза и т.д.), что прежде всего связано с их хорошими эксплуатационными свойствами, экологической чистотой и достаточно низкой стоимостью таких материалов. Вместе с тем широкое использование этих материалов и повышение их физико-механических характеристик лимитируется особенностями технологий получения волокон из расплавов горных пород, характеризующимися достаточно высокими температурами плавления (более 1400°С) и значительной вязкостью расплава, оказывающей существенное влияние на процесс формирования элементарных волокон. В настоящее время промышленно используется ряд технологий получения волокон.

Получение супертонких волокон с использованием газовых печей и фильерных сосудов. В основу технологии положен известный способ получения штапельного стекловолокна путем раздува первичных волокон потоком раскаленных газов [1], так называемый "дуплекс-процесс". Недостатком данной технологии являются ограниченные температурные режимы газовых плавильных печей, препятствующие переработке широкого спектра горных пород, в том числе более тугоплавких, чем породы базальтовой группы.

Получение супертонких волокон с использованием плавильных агрегатов на основе индукционных тиглей с высокочастотным электронагревом. На базе специализированной установки типа "Кристалл" с прямым индукционным нагревом при плавлении оксидов в "холодных тиглях" (ИПХТ) [2] разработан способ производства базальтовых дискретных волокон. Серьезным недостатком этой технологии является применение высокочастотных генераторов, требующих особых условий соблюдения техники безопасности, необходимо-

сти использования умягченной воды для их охлаждения, что снижает надежность плавильных установок в целом. Кроме того, подобная технология не позволяет обеспечить высокую производительность процесса, которая ограничивается величиной 25 кг/ч.

Получение супертонких волокон с использованием технических решений индукционных плавильных агрегатов с теплообменными телами из тугоплавких материалов. Известны способы плавления высокотемпературных материалов индукционным нагревом токами существенно более низкой частоты (1-66 кГц) в графитовом тигле. Как показали опытные плавки, плавление силикатов в графитовом открытом тигле проходит очень бурно, с обильным выделением газов и выбросами расплава, что объясняется высокой восстановительной активностью углерода при высоких температурах и накоплением окиси углерода в плавильной полости до взрывообразующих концентраций [3].

Общим недостатком, присущим тигельным индукционным печам, является их неприспособленность к работе в режиме непрерывной выдачи расплава. Другим серьезным недостатком, связанным с особенностью индукционного нагрева, является наличие в жидкой ванне мощных электродинамических возмущений и конвективной вертикально замкнутой циркуляции с образованием по оси тигля гидравлической воронки, которая увлекает загружаемую шихту на дно, препятствуя тем самым должной выдаче расплава до полного проплава всего объема ванны. Еще одним недостатком является совмещение местоположения зоны охлаждения индуктора и зоны интенсивного нагрева тигля, что в равной степени снижает эффективность охлаждения индуктора и нагрева тигля.

В связи с этим наиболее рациональным является плавление силикатной шихты в индукционной печи с проводящим теплообменным тиглем в сбалансированном процессе загрузки шихты и непрерывной выдачи расплава. Поставленная задача решается таким образом, что в способе получения силикатного расплава путем контакта шихты с теплообменным телом, нагреваемым в индукционном электромагнитном поле, нагрев теплооб-менного тела осуществляется в диапазоне частот 1-66,0 кГц, причем расплав по мере образования непрерывно подают через дренажные каналы на выработку в виде сбалансированной с загрузкой струи. Для увеличения производительности индукционных плавильных агрегатов с теплообменными телами и повышения качества волокон путем обеспечения прохождения всех стадий плавления разработан способ комбинированного электрогазопламенного нагрева базальтовой породы [4].

Механические свойства базальтовых волокон. Испытаниям были подвергнуты моноволокна базальтовых изделий, полученные из расплава в газовых печах непрерывным (филь-ерным) способом (ровинг диаметром 9,5-10,5 мкм), фильерным способом с последующим раздувом воздухом при нормальной температуре (волокна диаметром до 13 мкм), из расплава, полученного в индукционных высокочастотных (до 1,76 МГц) электропечах (ТВЧ) с последующим раздувом воздухом при нормальной и повышенной (300-400 °С) температурах (волокна диаметром 3,8-15 мкм).

Для изучения особенностей механических свойств волокон, полученных непрерывным способом, было испытано три типа слабо кручёных волокон (ровинга). Выделение моноволокон из нити и последующее измерение их диаметра поперечного сечения осуществляли согласно ГОСТ 6943.2-79, а непосредственно испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 6943.5-79. Результаты представлены в табл. 1.

Статистические параметры распределения их упруго-прочностных и деформатив-ных характеристик находятся в тех же пределах, что и для углеродных моноволокон, обладающих заведомо однородным химическим составом и полученных непрерывным способом [5]. Для сравнения были также исследованы углеродные волокна типа УКН-5000 круглого поперечного сечения (табл.1).

Таблица 1

Механические свойства базальтовых волокон

Определяемые параметры волокон Вид волокна, способ его получения

Ровинг «Дуплекс-процесс» Раздув УКН -5000 углеродные волокна

РБН (б) 13-1200 РБ10-1000 РБК-600 горячим воздухом воздухом при нормальной температуре

Количество моноволокон 20 20 25 23 9 26

Среднее значение диаметра волокна С мкм 10,1 10,5 9,5 12,2 6,3 14,8 6,9

Коэффициент вариации Ус значений С % 9,1 13,5 19,2 37,7 47,6 48,0 8,1

Среднее значение прочности Q, МПа 2880,0 1760,0 3470,0 731,8 840,3 656,3 3841,9

Коэффициент вариации У0 значений Qi % 44,5 29,5 25,6 102,0 40,4 90,9 24,9

Среднее значение модуля упругости Е, ГПа 91,9 87,5 86,1 66,8 71,9 34,6 223,8

Коэффициент вариации УЕ значений Е| % 7,0 9,5 12,7 120,3 27,3 93,4 11,5

Среднее значение предельной деформации Е,ред% 3,29 2,13 4,36 1,12 1,17 1,90 1,7

Коэффициент вариаци УЕ значений епред% 44,2 32,7 24,3 26,8 29,8 29,5 23,9

Анализ полученных результатов показал, что такие статистические показатели стабильности свойств материалов, как коэффициенты вариации значений диаметров поперечного сечения (Ус) и модуля упругости (УЕ) для исследованного ровинга (табл. 1) и углеродных волокон (табл.1), имеют практически одни и те же относительно низкие значения.

Таким образом, непрерывный способ получения базальтового ровинга характеризуется последовательными, довольно продолжительными стадиями плавления и стек-лообразования, дегазации и гомогенизации, а также студки расплава [6], что обеспечивает постоянство геометрических размеров поперечного сечения волокна и величины его модуля упругости - упругой постоянной волокнистого материала. В зависимости от особенностей распределения объёмных и поверхностных дефектов прочность волокна может сильно меняться практически при постоянном модуле упругости (табл.1).

Дискретные базальтовые волокна, полученные с помощью "дуплекс-процесса", а также с использованием индукционных высокочастотных установок с раздувом воздухом при нормальной и повышенной температурах, сильно отличаются по всем параметрам от волокон, изготовленных непрерывным способом (см. табл. 1): их прочность в 2,1-5,3 раза уступает прочности ровинга, а модуль упругости - в 1,2-2,7 раза. При этом следует отметить четко выраженную зависимость прочности, модуля упругости и предельной деформации дискретных волокон от их диаметра. С уменьшением диаметра возрастает предел прочности, модуль упругости и предельная деформация. Для базальтового ровинга эта

зависимость менее ярко выражена. Данный факт, вероятно, обусловлен радиальным изменением структуры по сечению волокна [7].

Другой отличительной особенностью исследованных дискретных волокон является большая нестабильность величины диаметра их поперечного сечения и физико-механических свойств. Вариация значений диаметров поперечного сечения составляет Уд = (37,7-48,0)%. Высокая нестабильность размеров поперечного сечения моноволокон обусловлена их различием в деформационных свойствах (способности утоняться), которые возникают, вероятно, из-за неоднородности химического состава и структуры исходного базальтового расплава, проявляющихся в изменении цвета по длине моноволокна.

Различие в химическом составе неизбежно влечёт за собой и различие дискретных волокон не только в деформационно-прочностных свойствах, но и в их упругих показателях - величине модуля упругости, при этом проявляется весьма высокий разброс механических параметров (см. табл. 1).

Использование горячего воздуха при раздуве заметно снизило разброс упруго-прочностных свойств базальтовых волокон: по прочности - до 40,4% и, особенно сильно, по модулю упругости - до 27,3%. Использование при раздуве холодным воздухом приводит не только к большому разбросу упруго-прочностных характеристик, но и к снижению среднего уровня этих характеристик: прочность уменьшается в 1,3, а модуль упругости-2,1 раза. Но если в первом случае можно говорить только о тенденции к снижению, то во втором случае - о значительном снижении.

Исследованное углеродное волокно, несмотря на то, что получено по стандартной технологии и обладает хорошими упруго-прочностными свойствами, отличается от других углеродных волокон такого же типа по характеру масштабной зависимости механических свойств от диаметра поперечного сечения [8, 9].

Таким образом, увеличивая время плавления базальта до полного завершения процессов стеклообразования, дегазации и гомогенизации, возможно не только уменьшить разброс упруго-прочностных свойств дискретных волокон, но и повысить их средний уровень до уровня прочностных свойств непрерывных волокон. Применение горячего воздуха в процессе раздува приводит, вероятно, к уменьшению внутренних остаточных напряжений и к стабилизации структуры волокон что также может способствовать повышению их прочности и уменьшению разброса физико-механических свойств. Вполне реально при этом увеличение и модуля упругости дискретного волокна до значений, характерных для непрерывных базальтовых волокон (Е - 90 ГПа), поскольку полученные предварительные результаты показали, что имеющиеся различия в упругих свойствах дискретных и непрерывных волокон незначительны и статистически незначимы.

Плазменная технология получения теплозвукоизоляционных материалов из базальтовых волокон с высокой температурой плавления. Эффективным способом повышения температуры расплавов и их диспергирования с целью получения тонковолокнистых теплозвукоизоляционных изделий является использование высокотемпературных плазменных потоков [10]. Для этого был изготовлен специальный блок, включающий два плазмотрона для нагрева струи расплава и форсунку для последующего его раздува сжатым воздухом. Нагрев струи расплава осуществляется плазменными потоками со средней температурой 6000°С, вытекающими из двух плазмотронов, расположенных под углом к струе базальта. Мощность каждого плазмотрона - 20кВт.

Для проведения испытаний на действующей установке по технологии «дуплекс-процесса» филъерный блок был заменен на пластину с единственным отверстием диаметром 8 мм, соосно с которым был установлен плазмотронный блок. В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований было выявлено, что

плазменные потоки позволяют обеспечить перегрев расплава до температуры 1700°С-1800°С и диспергировать струю расплава холодным воздухом до элементарных волокон диаметром до 3 мкм и длиной 20-30 мм. Однако слишком высокая скорость охлаждения не позволяет получить более длинные волокна. Для получения волокон меньшего диаметра и большей длины необходимо раздувать струю расплава энергоносителем, имеющим температуру не менее температуры струи расплава. С этой целью была разработана плазменная установка на основе плазмотрона «Звезда» мощностью 200кВт. Струя плазмы с температурой 6000°С, вытекающая из плазмотрона, поступает в охлаждаемый тигель с базальтовой шихтой, который пристыкован непосредственно к плазмотрону. В тигле происходит расплавление базальта и перегрев расплава. Далее перегретый расплав потоком плазмы выталкивается через одно или несколько отверстий в тигле. Вследствие повышенного давления в тигле, равного давлению в плазмотроне, происходит выбрасывание расплава через отверстия и одновременно его расщепление на отдельные струи (волокна) высокотемпературной плазменной струей. Образующаяся при этом базальтовая вата из ультра- и микротонких волокон собирается на сетчатом фильтре. Температура газа, вытекающего через отверстия, всегда выше или равна температуре расплава, что позволяет формировать филаменты волокна большой длины. Средний диаметр филаментов составляет 0,95 мкм, а длина волокна превышает 500 мм. Следует отметить узкий диапазон изменения диаметра волокон, что свидетельствует об однородности условий их формирования.

Предлагаемая технология позволяет организовать производство волокнистых изделий широкой номенклатуры от супертонких до микротонких.

Эксперименты по плазменной технологии с использованием плазмотрона мощностью около 200 кВт показали, что удельные затраты электроэнергии на производство базальтового волокна выгоднее по сравнению с традиционной технологией.

Таким образом, результаты проведенных исследований показали эффективность разработанного способа для получения БСТВ, БУТВ и даже микротонких базальтовых волокон диаметром менее 0,6 мкм (БМТВ), а также, учитывая возможность существенного повышения температуры расплавов в плазменном потоке, получение волокон из других тугоплавких пород (диабаза, габбродиабаза, вермикулита и др.), что открывает широкие перспективы использования этих материалов, в том числе в нано-технологиях.

Список литературы

1. Китайгородский Н.И. Технология стекла. М.: Госстройиздат, 1961. 624 с.

2. Джигирис Д.Д., Махова М.Ф., Сергеев В.П. Базальтоволокнистые материалы / ВИНИТИ, серия 6, Промышленность полимерных, мягких кровельных и теплоизоляционных строительных материалов, вып. 3, М., 1989.

3. Индукционные плавильные печи. М: Энергия, 1967. С. 154- 217.

4. Тихонов Р.Д., Денисов Г.А., Гурьев В.В., Костиков В.И., Лесков СП. Способ получения силикатного расплава и устройство для его осуществления (решение о выда че патента на изобретение по заявке № 99107535/03 (008315)).

5. Кобец Л.П., Мостовой Г.Е., Тимошина Л.Н. К вопросу о термостабильности механических свойств углеродных волокон // Механика композиционных материалов, 1981, №3. С. 547-562.

6. Джигирис Д.Д., Волынский А.К., Козловский П.П., Демьяненко Ю.Н., Махова М.Ф., Лизогуб Г.М. Основы технологии получения базальтовых волокон и их свойства // Сборник научных трудов: Базальтоволокнистые композиционные материалы и конструкции. Киев: Наукова Думка, 1980.

7. Коикин A.A. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М.: Химия, 1974. 376 с.

8. Кобец Л.П. Исследование стабильности физико-механических свойств углерод ных волокон. 1. Зависимость модуля Юнга от площади поперечного сечения // Механи ка полимеров, 1975, № 3. С. 430-436.

9. Кобец Л.П. Исследование стабильности физико-механических свойств углерод ных волокон. 2. Зависимость прочности при растяжении от площади поперечного сече ния волокна // Механика полимеров, 1975, № 6. С. 1005-1010.

10. Гурьев В.В., Непрошин Е.И., Свирчук Ю.С., Полянский М.Н. Плазменная технология получения супертонких волокон для теплозвукоизоляционных изделий из горных пород с высокой температурой плавления. // Строительное материаловедение - теория и практика. М. Издательство СИП РИА 2006, С. 212-215.

Literature:

1. Kitaigorodskii N.I. Tehnologiya stekla. M.: Gosstroiizdat, 1961. 624 s.

2. Djigiris D.D., Mahova M.F., Sergeev V.P. Bazal'tovoloknistye materialy / VNIITI, seriya 6, Promysh-lennost' polimernyh, myagkih krovel'nyh i teploizolyaci-onnyh stroitel'nyh materialov, vyp. 3, M., 1989.

3. Indukcionnye plavil'nye pechi. M: Energiya, 1967. S. 154- 217.

4. Tihonov R.D., Denisov G.A., Gur'ev V.V., Kostikov V.I., Leskov SP. Sposob polucheniya silikatnogo rasplava i ustroistvo dlya ego osuschestvleniya (reshenie o vyda-che patenta na izobretenie po zayavke № 99107535/03 (008315)).

5. Kobec L.P., Mostovoi G.E., Timosbina L.N. K voprosu o termostabil'nosti mehanicheskih svoistv uglerodnyh volokon // Mehanika kompozicionnyh materialov, 1981, №3. S. 547-562.

6. Djigiris D.D., Volynskii A.K., Kozlovskii P.P., Dem'yanenko Yu.N., Mahova

M.F., Lizogub G.M. Osnovy tehnologii polucheniya bazal'tovyh volokon i ih svoistva // Sbor-nik nauch-nyh trudov: Bazal'tovoloknistye kompozicionnye materialy i konst-rukcii. Kiev: Naukova Dumka, 1980.

7. Koikin A.A. Uglerodnye i drugie jarostoikie voloknistye materialy. M.: Himiya, 1974. 376 s.

8. Kobec L.P. Issledovanie stabil'nosti fiziko-mebanicbeskib svoistv uglerodnyh volokon. 1. Zavisimost' modulya Yunga ot ploschadi poperechnogo secheniya // Mehani-ka polimerov, 1975, № 3. S. 430-436.

9. Kobec L.P. Issledovanie stabil'nosti fiziko-mel]anicheskih svoistv uglerodnyh volokon. 2. Zavisimost' prochnosti pri rastyajenii ot ploschadi poperechnogo secheniya volokna // Mehanika polimerov, 1975, № 6. S. 1005-1010.

10. Gur'ev V.V., Neproshin E.I., Svirchuk Yu.S., Polyanskii M.N. Plazmennaya tehnologiya polucheniya supertonkih volokon dlya teplozvukoizolyacionnyh izdelii iz gornyh porod s vysokoi temperaturoi plavleniya. // Stroitel'noe materialovedenie - teoriya i praktika. M. Izdatel'stvo SIP RIA 2006, S. 212-215.

e-mail авторов: niisf@ipc.ru