Базальтопластики – полимерные композиционные материалы ХХI века

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

УДК 678.046.3

С.Е. Артеменко, Ю.А. Кадыкова, О.Г. Васильева

БАЗАЛЬТОПЛАСТИКИ - ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ ХХ! ВЕКА

Отражены механические и физико-химические характеристики разработанных по интеркаляционной технологии базальтопластиков и перспективность организации их производства в Саратовской области.

C.E. Artemenko, Y.A. Kadikova, O.G. Vasilieva

BASALT PLASTICS - POLYMER COMPOSITIONAL MATERIALS OF THE ХХI SENTURY

The work presents mechanical and physical-chemical characteristics of basalt plastics developed by intercalation technology and perspective of their production in Saratov region.

Базальтопластики (БП) обладают уникальными характеристиками, сочетая в себе высокую прочность, термо- и хемостойкость, экологическую чистоту, долговечность и пожаробезопасность.

Применяют их в качестве строительных (в том числе звуко- и теплоизоляционных) материалов, арматуры и конструкций, ответственных изделий в машино- и авиастроении, кровельных рулонированных материалов, магистральных трубопроводов и др.

В качестве армирующей основы в БП служат базальтовые нити (БН), ровинги, ткани, холсты, маты, а связующей матрицей - органические и неорганические полимеры.

Температурный интервал применения базальтовых волокон (БВ) составляет от -270 до +900оС, а близких им по химическому составу стеклянных волокон - от -60 до +450оС. Гигроскопичность БВ менее 1%, стеклянных - до 10-20%, по кислото-, щелоче- и пароустой-чивости БВ также превосходят стеклянные.

По своему химическому составу БН - это многокомпонентная система, содержащая (в % по массе): SiOi - 48-52, AI2O3 - 12-16,5, ТЮ2 - 2,5-3,0, FeiO3- 4,0-7,5, FeO - 7,5-10, MnO - 0,2-0,3, CaO - 8,0-12,0, MgO - 4,0-7,0, K2O - 0,3-0,6, NaiO - 2,4-2,6, SO3~0,2, P2O5 -0,3-0,5, различных примесей - 1,0-2,6.

Базальтовые нити характеризуются развитой активной поверхностью и являются эффективными сорбентами. Они обладают специфической гетероструктурой: пористостью с размером

о

пор d=7,8A, которые при нагреве расширяются, содержанием реакционноспособных окислов металлов более 36%, кристалличностью, шероховатой (кластерной) поверхностью.

Кафедрой химической технологии СГТУ разработана интеркаляционная технология ба-зальтопластиков, которая базируется на пропитке БН не готовой смолой, как предусматривает традиционный способ формирования полимерного композиционного материала, а исходными мономерами. Использовали отечественные, выпускаемые в крупном масштабе мономеры - фенол и формальдегид в соотношении 1:1,4, и 2% №ОН в качестве катализатора [1-6].

Схема включает 4 стадии: пропитка БН смесью мономеров, синтез фенолформальде-гидного олигомера при 90оС в течение 30 мин., сушка пресс-материала для удаления летучих и формование прямым способом изделий различного функционального назначения.

Благодаря высокой сорбционной способности и активности к химико-физическому взаимодействию с полимерным связующим формируется структура, придающая базальтопластикам значительно более высокие характеристики по сравнению с традиционными стеклопластиками (рис.1).

Нами разработаны различные методы модификации БП, которые еще в большей степени усиливают взаимодействие базальтовой нити с полимерным связующим. Так, введение в смесь мономеров активной низкомолекулярной добавки - 2%-го лапрола обеспечивает повышение прочности БП при изгибе (31 на 20%, удельной ударной вязкости на 25% и снижение водопоглощения при 2-часовом кипячении на 35%. При этом повышается и термостойкость материала - потеря массы при воздействии 800°С составляет всего 19%, в то время как термостойкость эпоксидного стеклопластика не превышает 3000С.

Весьма эффективно применение гибридной волокнистой системы для армирования БП. Например, при сочетании углеродных с 40% базальтовых нитей прочность при изгибе гибридного материала несколько снижается (с 840 до 700 МПа), зато стоимость материала уменьшается в несколько раз.

В повышении термостойкости разработанного БП важную роль играет не только высокая термостойкость базальтовой нити, но и углеродообразующая фенолформальдегидная матрица. Именно фенолформальдегидная смола, в отличие от эпоксидной, относится к такому классу смол, которые при температуре ~8000С превращаются в коксовую прослойку между нитями, обеспечивая тем самым «запас прочности» базальтопластикам.

2030

1650

- Базальтопластики

- Стеклопластики

700-740

420

26-30

45

206

15

15

355

0,21

0,38

Плотность, Оизг., МПа Ссд.,МПа Модуль упругости Твердость № при 2-часовом

кг/м при изгибе, ГПа по Бринеллю, кипении, %

МПа

Рис. 1. Сравнительные характеристики разработанного базальтопластика с традиционными стеклопластиками

В настоящее время базальтопластики находятся на начальной стадии развития, т.к. еще недостаточно сформированы мощности производств нити, ровинга и тканей, и не сложилась научно-техническая база БП. Доминирующее положение в нашей стране занимает выпуск базальтоволокнистой теплоизоляции - объем 100 тыс. м3 в год, производство которой стремительно развивается [7]. География размещения производств базальтовой ваты ориентирована на приближение их к источникам сырья - габбро-базальтовым магматическим горным породам (рис. 2), месторождения которых в России неограниченны. Наиболее разведанные запасы этих пород сосредоточены на севере европейской части России, на Урале, в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Саратовская область богата доломитом - проектная мощность двух Иргизских и Ершовского карьеров составляет более 2 млн. м3 в год. Доломит относится к местным материалам, крупные карьеры которого находятся во всех областях Поволжья, в том числе в Тверской, Самарской, Саратовской, Волгоградской и других областях. Его добавляют в качестве компонента в количестве 10-20% в базальтовую шихту.

Рис. 2. Массивы магматических горных пород - базальтов

Базальтовая вата характеризуется высоким коэффициентом звукопоглощения -

0,9-0,99, низкой теплопроводностью - А=0,02-0,045 Вт/м-К, пожаробезопасностью, неток-сичностью, широко применяется для энергосбережения в различных отраслях промышленности, строительстве, транспортных системах, теплотрассах и др.

Современное производство базальтовой ваты (например, в г. Волгограде фирмы «Термостепс») компактно, практически полностью автоматизировано, экономически эффективно.

Важное значение имеет организация производства базальтовых волокон и на их основе базальтопластиков, учитывая острую необходимость наращивания производственного потенциала в Саратовской области.

Для условий области, где имеются сырьевые и энергоресурсы, производственная база, квалифицированные рабочие и инженерные кадры, организация выпуска базальтовой ваты, нитей и базальтопластиков является в высшей степени прогрессивной и экономически выгодной, особенно с учетом будущего эффекта от применения базальтовой продукции. Создание производств и использование базальтовых волокон и базальтопластиков превращается в одно из важнейших направлений технического прогресса.

Развитие производств базальтовых волокон и на их основе базальтопластиков обусловлено сочетанием следующих определяющих факторов:

- высокий комплекс механических свойств, термостойкость, био- и хемостойкость, биоинертность, негорючесть и другие эксплуатационные характеристики обеспечивают им приоритет по сравнению со стеклянными и химическими волокнами, выпуск которых в России ограничен;

- базальтовые нити, благодаря высокой активности к взаимодействию с полимерным связующим, обеспечивают формирование структуры и свойств базальтопластиков широкого функционального назначения;

- наличие в разных регионах России неограниченных запасов сырья создает возможность выпуска и прогресса самой разнообразной конкурентоспособной продукции строительного и технического назначения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полимерные композиционные материалы на основе волокон различной химиче-

ской природы / Ю.А. Кадыкова, А.Н. Леонтьев, О.Г. Васильева, С.Е. Артеменко // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. № 6.

С. 10-11.

2. Сравнительные характеристики базальто-, стекло- и углепластиков, сформованных методом поликонденсационного наполнения / Ю.А. Кадыкова, О.Г. Васильева, С.Е. Арте-менко, А.Н. Леонтьев // Пластические массы. 2003. № 5. С. 37-38.

3. Артеменко С.Е. Базальтопластики. Структура и свойства / С.Е. Артеменко, О.Г. Васильева, Ю.А. Кадыкова, Ю.А. Соколова // Современные материалы и технологии в строительстве: материалы юбилейного 25-го Междунар. сб. науч. тр. Новосибирск, 2003. С. 161-164.

4. Структура и свойства базальто-, стекло- и углепластиков, сформированных по интеркаляционной технологии / С.Е. Артеменко, О.Г. Васильева, Ю.А. Кадыкова, А.Н. Леонтьев // Полимеры-2004: III Всерос. Каргинская конф. М., 2004. Т. 2. С. 162.

5. Кадыкова Ю.А. Физико-химические основы интеркаляционной технологии ба-зальто-, стекло- и углепластиков: дис. ... канд. техн. наук / Ю.А. Кадыкова. Саратов, 2003. 127 с.

6. Леонтьев А.Н. Физико-химические закономерности интеркаляционной технологии базальто- и стеклопластиков: дис. . канд. техн. наук / А.Н. Леонтьев. Саратов, 2004. 131 с.

7. Габбро-базальтовое сырье для производства минерального волокна // Промышленность строительных материалов: аналитический обзор. Москва - Пермь, 2003. 95 с.

Артеменко Серафима Ефимовна -

доктор химических наук, профессор кафедры «Химическая технология»

Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета

Кадыкова Юлия Александровна -

кандидат технических наук, ассистент кафедры «Химическая технология»

Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета

Васильева Ольга Германовна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы»

Московского института архитектуры и строительства