Čedičové vlákno se vyrábí z čedičových hornin jejich tavením a přeměnou taveniny na vlákna.
Čediče jsou horniny vyvřelého původu, přírodní suroviny. Hlavní energetickou náročností přípravy čedičových surovin pro výrobu vláken je obohacování a prvotní tavení čedičových surovin, které vznikly v přírodních podmínkách, což však nezaručuje jeho bezpečnost a nekarcinogenitu.
Vyrábějí se a používají se čedičová kontinuální vlákna, střižová krátká vlákna a superjemná vlákna.
Účel čedičových vláken: kontinuální vlákna - výroba výztužných a kompozitních materiálů a výrobků, tkanin a netkaných materiálů; staplová krátká vlákna - výroba tepelně izolačních materiálů, rohoží a desek; superjemná vlákna - výroba tepelně a zvukově izolačních materiálů vysoké kvality (plátna, rohože, desky, lepenka), materiály pro filtry.
Výroba čedičových vláken je založena na výběru čedičových hornin vhodných pro výrobu vláken („dlouhé“ čediče) [1, 2], tavení čedičových surovin a výrobu vláken z taveniny pomocí spunbond feeder, resp. formovací zařízení [3].
Použití čedičových surovin, jejichž prvotní tavení a příprava probíhá v přírodních podmínkách, umožňuje vyrábět čedičová vlákna s nízkou spotřebou energie.
Výroba čedičových nekonečných vláken (BCF) se provádí na modulárních a dávkovacích pecích a zařízeních [4]. Tažení čedičových nekonečných vláken z taveniny se provádí platino-rhodiovými zvlákňovacími tryskami navíjecími vřetenovými stroji. Další zpracování BCF na výztužné, kompozitní materiály, tkaniny a netkané materiály se provádí pomocí „studených technologií“ s nízkou spotřebou energie.
V současné době jsou vyvinuty průmyslové technologie a zařízení na výrobu BCF, jsou založeny BCF závody a výroba BCF materiálů [4].
Výroba supertenkých vláken probíhá dvoustupňovou technologií - tavením čedičů, tažením primárních vláken z taveniny a vyfukováním primárních vláken do supertenkých vysokoteplotním paprskem horkých plynů z dmýchací komory.
Výroba střižových tenkých vláken se provádí tavením čedičových hornin v tavicích pecích typu lázeň nebo kuplovna, přiváděním taveniny do zařízení pro tvorbu vláken - válců nebo foukacích hlavic.
Technologie výroby BCF je jednostupňová: tavení, homogenizace čediče a tažení vláken. Čedič se zahřívá pouze jednou, což umožňuje získat požadovaný produkt - BCF. Další zpracování BCF na materiály se provádí pomocí „studených technologií“ s nízkou spotřebou energie.
Čedičová kontinuální vlákna (BCF). Čedičová kontinuální vlákna se vyrábí o průměrech 8 - 11 mikronů (mk), 12 - 14 mikronů, 16 - 20 mikronů, délka vláken je 25 - 50 kilometrů i více.
Sešívejte krátká vlákna. Průměry elementárních vláken jsou 6 - 12 mikronů, délka 5 - 12 mm.
Čedičová supertenká vlákna (BSTV). Průměry elementárních 0,5 - 3 mikrony, délka 10 - 50 mm.
Čedičová vlákna se vyrábějí z vyvřelých čedičových hornin. To určuje vysokou chemickou odolnost vláken vůči účinkům zásad, kyselin a chemicky aktivních médií; možnost dlouhodobého provozu vláken pod vlivem prostředí, vlhkosti a mořské vody; nehořlavost a vysoká tepelná odolnost vláken.
V procesu tažení získávají kontinuální vlákna z čedičových tavenin dostatečně vysoké pevnostní charakteristiky. Pevnost v tahu čedičových nekonečných vláken se pohybuje od 2800 do 4800 MPa.
Čedičová krátká a zejména supertenká vlákna mají dobré tepelné a zvukové izolační vlastnosti. Teplotní rozsah dlouhodobého použití čedičových vláken je od -200 do +600 0 С. Čedičová vlákna z kyselých čedičových hornin mají vyšší aplikační teploty až + 750, .... + 800 0 С.
Kombinace vlastností a charakteristik čedičových vláken poskytuje možnost výroby celé řady materiálů a jejich široké uplatnění ve stavebnictví, silničním stavitelství, průmyslu a energetice.
Čedičová vlákna jsou vysoce odolná vůči chemicky aktivním médiím (kyseliny, zásady, roztoky solí), vysokým teplotám a otevřenému ohni. Odolnost čedičových vláken vůči vodě a mořské vodě je 100 %, vůči zásadám 96 % a vůči kyselinám 94 % [5, 6, 7]. Chemická odolnost čedičových vláken umožňuje jejich použití pro armování betonu a asfaltového betonu, pro výrobu trubek, kontejnerů pro chemický a petrochemický průmysl a kompozitů pro vodní stavby, pobřežní a offshore stavby.
Teplotní rozsah dlouhodobého použití čedičových vláken je od -200 0 C do + 600 0 C. Čedičová vlákna jsou nehořlavá a ohnivzdorná, Hygroskopicita čedičových vláken je 6x nižší než u skleněných vláken. V leteckém a lodním průmyslu se používají pouze tepelně a zvukově izolační materiály na bázi supertenkých čedičových vláken, protože neakumulují přebytečnou vlhkost, nehoří, nekouří v ohni, jsou vysokoteplotní a ohnivzdorné.
Čedičová vlákna jsou dielektrikum, propustné pro elektromagnetické záření, rádiové paprsky a magnetická pole, jsou základem pro výrobu elektroizolačních materiálů, ale i radarových a anténních krytů.
Tyto vlastnosti určují výhody čedičových vláken ve srovnání s minerálními, skleněnými, uhlíkovými a chemickými vlákny z hlediska odolnosti provozu pod vlivem prostředí, mořské vody a chemicky aktivních médií.
Čedičová kontinuální vlákna (BCF) mají dostatečně vysoké pevnostní charakteristiky a modul pružnosti a také potenciálně nízké výrobní náklady (protože čedič je hotová surovina, jejíž hlavní energetické náklady na její přípravu jsou vyrobeny v přírodních podmínkách).
Charakteristiky BCF jsou z 65 - 70 % určovány výchozími čedičovými surovinami a v souladu s tím z 35 - 30 % výrobními technologiemi, provozem procesního zařízení a použitými mazivy (povlaky na povrchu vláken).
BNV je relativně nový typ vlákna, jehož první průmyslová výroba vznikla v ukrajinské SSR v roce 1985. Pro zlepšení pevnostních charakteristik BCF a snížení nákladů na jejich výrobu probíhají práce na výběru čedičových hornin nejvhodnějších pro výrobu vláken [2], zlepšení technologií a zařízení pro výrobu BCF. K dnešnímu dni byly vytvořeny čtyři generace procesních zařízení vyráběných BCF [4]. Provedená práce umožnila dosáhnout určitých charakteristik a ukazatelů CCF, výrazně snížit náklady na výrobu. Tabulka ukazuje charakteristiky BCF ve srovnání se skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny.
| BNV | E-sklo | S-sklo | Uhlíkové vlákno | |
| Pevnost v tahu, M Pa | 3000~4840 | 3100~3800 | 4020~4650 | 3500~6000 |
| Modul pružnosti, G Pa | 79,3-93,0 | 72,5-75,5 | 83~86 | 250~450 |
| Prodloužení po přetržení, % | 1,5 - 2,1 | 4.7 | 5.3 | 1,5~2,0 |
| Průměr primárního vlákna, mikron | 6-21 | 6-21 | 6-21 | 5-15 |
| (hmotnost rovingu v gramech) | 60–4200 | 40–4200 | 40–4200 | 60–2400 |
| Aplikační teplota, °С | -260 + 600 | -50 + 350 | -50 + 300 | -50 + 400 |
| * Náklady na průmyslovou výrobu produkce USD/kg | 0,9 - 1,2 | 1,1 - 1,5 | 2,5 - 3,0 | 15–25 |
| Prodejní hodnota, USD/kg | 2,6 - 3,0 | 1,5 - 2,0 | 3.5 | 25 - 50 |
*Náklady na průmyslovou výrobu BCF jsou dány nízkou cenou čedičových surovin a použitím energeticky úsporných technologických zařízení třetí a čtvrté generace.
Pevnostní charakteristiky BCF převyšují charakteristiky E-skelného vlákna, blíží se speciálním a uhlíkovým vláknům a zároveň mají nízké výrobní náklady. Z hlediska pevnostních charakteristik zaujímá BCF střední pozici mezi skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny. S přihlédnutím k celé řadě charakteristik má BCF řadu výhod ve srovnání se skleněnými, uhlíkovými a chemickými vlákny a také lepší poměr výkon/cena.
Čedičová vlákna vytvořená z hornin magmatického původu, na rozdíl od umělých skleněných, uhlíkových, minerálních vláken, jsou jediná vlákna, která jsou vyráběna z přírodních surovin magmatického původu.
Teoretické základy výroby BCF, nashromážděné zkušenosti, laboratorní vybavení, pilotní zařízení BCF a metody provádění výzkumu čedičových ložisek umožňují posoudit míru jejich vhodnosti pro průmyslovou výrobu BCF a stanovit technologické parametry tavení a charakteristiky tavenin. , získat primární kontinuální vlákna a vyhodnotit jejich vlastnosti .
Charakteristiky BCF jsou velmi zajímavé z trhu výztužných a kompozitních materiálů.
Hlavní výhody.
• Čedičová vlákna mají zvýšenou přirozenou odolnost vůči okolním a agresivním médiím, plameni a vysokým teplotám, odolnost vůči vibracím. Vlákna jsou odolná vůči plísním a dalším mikroorganismům. To určuje trvanlivost použití čedičových vláken a materiálů na nich založených ve stavebnictví, v automobilovém a leteckém průmyslu, stavbě lodí a energetice.
• Dobré elektrické a tepelně izolační vlastnosti, dlouhá životnost. Tato vlastnost umožňuje použití čedičových vláken pro výrobu žáruvzdorných materiálů a také materiálů zpomalujících hoření a hašení.
• Zvýšená chemická odolnost v kyselém a alkalickém prostředí, v mořské vodě ve srovnání s E-skly. Tato vlastnost čedičových vláken otevírá široké možnosti jejich použití pro konstrukce vystavené vlhkosti, solným roztokům, chemickým a alkalickým médiím. Umožňuje spotřebitelům nahradit kovové konstrukce a díly, které podléhají korozi vlivem chemicky aktivního prostředí, za lehké, pevné a korozi odolné materiály z čedičového vlákna. BNV lze použít pro vyztužení betonu při výstavbě offshore konstrukcí. V površích vozovek nasekané čedičové vlákno zvyšuje pevnost betonu a asfaltového betonu, chrání beton a výztuž před pronikáním protinámrazových solí a agresivních látek, zvyšuje zbytkovou pevnost a odolnost proti mrazu a tání.
Chemická odolnost čedičového vlákna je jednou z určujících konkurenčních výhod pro výrobu filtrů pro chemický a hutnický průmysl, pro výrobu nádob a potrubí pro chemický průmysl a utility.
• Ekologická čistota materiálu. Plná shoda s programem REACH. Hotový výrobek neobsahuje škodlivé látky a plně vyhovuje protokolu REACH a všem hygienickým normám.
• Vysoká odolnost. Životnost materiálů je 50 let. Použití takových materiálů umožňuje úspory díky trvanlivosti a zvyšuje bezpečnost průmyslových zařízení.
• Nízká cena ve srovnání s náklady na speciální sklolaminát [4,5].
Čedičová vlákna jsou široce používána pro tepelnou a zvukovou izolaci, ohnivzdorné materiály a protipožární systémy, filtry, výrobu technických tkanin a netkaných materiálů, výztužné, kompozitní materiály a výrobky. Čedičová krátká vlákna se používají k výrobě tepelně izolačních rohoží a desek, materiálu pro filtry plynných emisí se zvýšenou teplotou a chemicky aktivních kapalných médií, pro hydroponii v zemědělství.
Aplikace čedičových supertenkých vláken (BSTV): výroba tepelně a zvukově izolačních materiálů vysoké kvality - plátna, rohože, desky, lepenka pro stavbu lodí a letectví; materiály pro tenké filtry; ohnivzdorné a protipožární materiály a systémy pro kritická zařízení jaderných elektráren, ropných rafinérií, čerpacích stanic plynu, veřejných a výškových budov.
Čedičová kontinuální vlákna (BCF) se používají pro výrobu široké škály materiálů a výrobků: výztužné materiály - sekaná vlákna pro rozptýlené objemové vyztužení betonu a asfaltového betonu, kompozitní výztuže, výztužné sítě, stavební a silniční sítě a výztužné pásky [7 ], technické tkaniny různých vazeb a hustoty, netkané materiály - čedičový papír, plátna, sekaná vlákna a vpichovaná plátna. Kompozitní materiály a výrobky - profily, trubky středních a velkých průměrů, nádrže, nádrže, vysokotlaké válce, mostní podpěry a stropy, výrobky pro strojírenství, díly pro automobily, lodě a letadla. Elektroizolační materiály a výrobky - nosná jádra vodičů elektrického vedení a kabelů z optických vláken, elektrické izolační a ochranné pláště silových kabelů, podpěry, traverzy a izolátory vedení elektrického vedení, materiály a výrobky pro trafostanice.
Oblasti použití čedičových vláken: stavebnictví, zemětřesení odolné, hydraulické a pobřežní stavby, silniční stavby automobilových a vysokorychlostních železničních tratí, inženýrské sítě, strojírenství, automobilový, letecký a lodní průmysl, energetika, zemědělství.
Německá inženýrská kancelář EDAG vyvinula koncepční vůz, který byl použit při výrobě čedičových vláken. Jak bylo uvedeno, "materiál se vyznačuje lehkostí, pevností a šetrností k životnímu prostředí, navíc při výrobě bude stát méně než hliník nebo uhlíková vlákna" [1]
Vyztužení železobetonových konstrukcí čedičovým vláknem bude stát méně než uhlíkové vlákno, první testy provedl Výzkumný ústav ozbrojených sil INTER / TEK v Jekatěrinburgu na základě institutu UralNIAS.
Materiály na bázi čedičového vlákna mají tyto důležité vlastnosti: pórovitost, teplotní odolnost, paropropustnost a chemickou odolnost.
Díky těmto vlastnostem se dnes čedičové vlákno a materiály na něm založené stále častěji používají pro takové účely, jako jsou:
SMU 19 Mosmetrostroy použil jako ostění tunelu stříkaný beton vyztužený čedičovým vláknem.
Výzkumná a výrobní společnost „Basalt fiber & kompozitní materiály technology development co., LTD“ („BF&CM TD“), která se zabývá vývojem a vývojem technologií, výrobou procesních zařízení a organizací průmyslové výroby čedičových kontinuálních vláken (BCF), dokončila návrh a rekonstrukci ohřívacích pecí a tepelných zařízení s využitím výsledků této práce.
Čedičové vlákno (z lat. fibra - vlákno) - krátké kusy čedičového vlákna určené k rozptýlené výztuži pojivových směsí, např. betonu . Průměr vlákna je od 20 do 500 mikronů. Délka vlákna - od 1 do 150 mm. Čedičové vlákno se vyrábí z taveniny hornin, jako je čedič, při teplotách nad 1400 °C.
Rozptýlená výztuž čedičovým vláknem zvyšuje následující ukazatele produktu:
Čedičové vlákno zvyšuje 3x odolnost proti praskání, 2x pevnost proti štěpení, 5x rázovou houževnatost, což umožňuje jeho efektivní využití při stavbě konstrukcí odolných proti zemětřesení , nevýbušných zařízení a vojenských opevnění . Vlastnosti čedičového vlákna umožňují jeho použití pro stavbu radiotransparentních struktur složitého tvaru. V průmyslu se odlévání čediče používá jako povlak, aby se zabránilo abrazivnímu opotřebení . Mechanismus působení vlákna v průmyslových podlahách je podobný, vlákno zabraňuje abrazivnímu opotřebení. Odolnost proti oděru se zvýší minimálně třikrát a životnost podlah se tak ztrojnásobí. Velmi důležitým ukazatelem pro podlahy je rázové zatížení. Čedičové vlákno umožňuje zvýšit nárazové zatížení více než 5krát. Jsou splněny všechny požadavky na kvalitu průmyslových podlah: vysoká odolnost vůči různým druhům zatížení (statické, nárazové, dynamické, abrazivní), dobrá odolnost vůči teplotním extrémům, velmi vysoká odolnost vůči chemickému napadení. Mezi výhody podlah vyrobených na bázi čedičového vlákna patří nízká spotřeba oceli a betonu, krátká doba a nízká pracnost lití, zamezení praskání již ve fázi tvrdnutí výrobků, získání objemové výztuže, trojrozměrná struktura, výrazné snížení tloušťky betonové podlahy při zachování pevnostních charakteristik.
Hlavní výhody hydraulických konstrukcí vyrobených z čedičových vláken:
Rozdíl mezi čedičovým vláknem a kovovým vláknem je v tom, že čedičové vlákno nemá ve výrobcích negativní katodický účinek a také nepodléhá korozi . Při stejné hmotnosti koreluje objem kovového vlákna a čedičového vlákna 1:600 a povrchová plocha čedičového vlákna je 25krát větší než plocha kovového vlákna. Měrná hmotnost kovového vlákna je 7,8 t/m³ a čedičového vlákna je 2,8 t/m³. To znamená, že na hmotnost je potřeba 2,7krát méně vlákniny a výrobek na bázi čedičového vlákna je lehčí. Výrobky na bázi čedičového vlákna jsou rádiově transparentní a nemají efekt transformátoru. Kvůli slabé adhezi kovu a cementové matrice se kovová vlákna pro zvýšení ukotvení vyrábějí v různých konfiguracích: zvlněná, se zploštělými a ohnutými konci. Čedičové vlákno ve výrobcích má vysokou přilnavost k cementovému kameni a nevyžaduje další změny v konfiguraci vláken. Cementová a čedičová vlákna mají na rozdíl od kovových vláken stejný koeficient tepelné roztažnosti . Disperzní výztuž čedičovým vláknem zvyšuje plasticitu betonové hmoty a omezuje vznik smršťovacích trhlin a na rozdíl od ocelové sítě, která je hodnotná až po prasknutí betonu, vlákno zabraňuje vzniku trhlin v betonu i ve fázi, kdy je v plastovém stavu.
Dne 18. října 2017 SP 297.1325800.2017 „Vláknobetonové konstrukce s nekovovým vláknem. Design Rules“, která odstranila právní vakuum ohledně navrhování čedičem vyztuženého vláknobetonu. Podle článku 1.1. Norma platí pro všechny typy nekovových vláken (polymery, polypropylen, sklo, čedič a uhlík). Při porovnávání různých vláken lze poznamenat, že polymerní vlákna jsou z hlediska pevnosti horší než minerální vlákna, ale jejich použití zlepšuje vlastnosti stavebních kompozitů.
1. Ablesimov N. E., Zemtsov A. N. Relaxační účinky v nerovnovážných kondenzovaných systémech. Čediče: od erupce k vláknu. Moskva, ITiG FEB RAN, 2010. 400 s.
2. Osnos S.P. Osnos M.S. Výzkum a výběr čedičových hornin pro výrobu souvislých vláken. Složený svět. 2018 č. 1, str. 56-62.
3. Dzhigiris D.D., Makhova M.F. Základy výroby čedičových vláken a výrobků. Monografie. - M.: Teploenergetik, 2002. -416s.
4. Osnos M. S. Osnos S. P. Čedičové spojité vlákno - včera, dnes a zítra. Vývoj technologií a zařízení, průmyslová výroba a marketing. Složený svět. 2015 č. 2, str. 24-30.
5. Zvlněné materiály z ukrajinských čedičů. Přehled článků. Technika. Kyjev. 1971 84 s.
6. Osnos S.P. O vlastnostech čedičových vláken a jejich aplikacích. "Složený svět" №3. 2010.
7. Negmatullaev S.Kh., Osnos S.P., Stepanova V.F. Čedičově-plastické vlastnosti výztuže, výroba, použití. Technologie betonu č. 3-4. S. 50-57.
8. Osnos M.S., Osnos S.P. Zkoumání procesů tavení čedičových hornin při výrobě nekonečných vláken. "Složený svět". 2018 č. 2, str. 70–75.