Слава базальтового волокна ещё не так громко звучит в мире, хотя оно обладает целым рядом конкурентных преимуществ.

Базальтовое волокно занимает всё больше ниш в применении благодаря своим свойствам, вытесняя где-то менее прочное стекловолокно, где-то более дорогое углеволокно. Высокая устойчивость к истиранию, малый вес, прекрасная механическая прочность, высокая сопротивляемость действию кислот, щелочей и соляных растворов, магнитная и электрическая инертность и ещё множество замечательных качеств наряду с широким распространением сырья для производства делает базальтоволокно действительно интересным материалом для целого ряда приложений.

 

Базальт

Наиболее распространённой породой в составе земной коры является базальт. По своей сути это магма, в расплавленном виде излившаяся из жерл вулканов. Вступив во взаимодействие с атмосферой, она несколько изменяет свои свойства, разливаясь лавовыми потоками, и постепенно остывает. Именно из окончательно застывшей лавы формируются базальты, их характеристики варьируются в зависимости от скорости остывания и местонахождения вулкана, но основу неизменно составляют три силикатных минерала – плагиоклаз, пироксен и оливин. Базальтовые месторождения есть практически во всех странах, их запасы огромны.

 

Базальтовое волокно. Начало

Базальт как камень использовался человечеством уже давно, но идея производить из него волокно пришла французу Полу Де, который получил патент на своё изобретение в 1923 году в США.  Особого ажиотажа изобретение в то время не вызвало, а катализатором для активных разработок в этой сфере стал период Холодной войны в 60-х годах прошлого века. Под грифом секретности США и СССР начали исследовать свойства и возможности применения базальтовых волокон. В первую очередь, конечно, в милитарных приложениях.

Центр разработок СССР базировался в Киеве, где в 80-х годах и был разработан промышленный способ производства базальтового волокна. Тем не менее, несовершенство технологий того времени затормозило исследования практически во всём мире и заставило вернуться к старым проверенным методам использования стекловолокна. Позже на арену выйдет углеродное волокно, весьма дорогостоящее в производстве из-за целого цикла обработок, но с полезными характеристиками для ВПК, что и стало основным толчком для его применения.

IMG_1581

Процесс производства

Изготовление базальтового волокна происходит в один этап: путём расплавления измельчённого базальта в плавильной печи при температуре 1500 ºС с последующим вытеканием через пластины с воронкообразными отверстиями (фильеры). В зависимости от модификации волокна оно может быть тонким или непрерывным.  Для получения тонких волокон вытекающий из фильер расплав раздувают потоком сжатого воздуха, реже применяют другой метод – разбрызгивают центробежными устройствами. Непрерывное волокно получают, вытягивая застывающий расплав из фильер в нити и наматывая их на катушки. Тонкие волокна осаждаются в виде отдельных супертонких ворсинок, непрерывное волокно — это нить. Стекловолокно изготавливается по аналогичной технологии, но из нескольких компонентов, для базальтового волокна о подготовке сырья и его гомогенизации позаботилась сама природа. Никаких химических добавок, ничего, кроме натурального неметаллического, неорганического сырья.

 

Базальтовое волокно в композиционных материалах

Высокие показатели устойчивости базальтового волокна к агрессивным средам, высокой температуре и ультрафиолету, негорючесть и электромагнитная инертность открывает широкие возможности для его использования в различных композиционных материалах. Композит – продукт из нескольких компонентов: матрицы (или связующего) и наполнителя. В качестве наполнителя применяются как собственно волокна (волокнистые композиты), так и ровинги, шнуры, ткани, холсты или ленты, полученные из непрерывного волокна (слоистые композиты). Базальтовое волокно в силу своих характеристик может служить наполнителем для широчайшего спектра матриц: металлических, полимерных, деревянных, керамических, бетонов, гипсов и асфальтов.

Варьируя материал связующего и наполнителя, получают продукты с максимально подходящими для конкретного применения свойствами. Термореактивные связующие, например, отвердевая под действием специальных отверждающих добавок, образуют неплавящиеся и нерастворяющиеся полимеры с высокими параметрами упругости, твёрдости, теплостойкости и усталостной прочности. Термопластичные связующие переходят из твёрдого состояния в вязкотекущее под действием повышенной температуры. Композиты на основе термопластов обладают отличными показателями трещиностойкости, ударной вязкости и легко поддаются переработке под действием высоких температур.

Процесс производства композитов с термореактивной матрицей дольше, чем для термопластичных из-за более долгого процесса формования и отвердения матрицы. Поэтому ведущие производители средств передвижения (автомобили, суда, самолёты) сосредоточились на разработке и усовершенствовании термопластов, чтобы в промышленных масштабах получать изделия с физико-механическими параметрами, не уступающие термореактивным композитам.

Для жаростойких композитов в качестве матричного материала используют керамику и металл. Основное применение таких материалов – ракетная и аэрокосмическая отрасли. Над разработкой усовершенствованных волоконно-армированных композитов с алюминиевой матрицей активно работает, например, Калифорнийский государственный политехнический университет в Помоне (США), успешные результаты исследования использования базальтового волокна в качестве наполнителя для керамической композиции публиковал Национальный технологический центр металлов и материалов в Таиланде, а НАСА ещё в 2011 году запатентовало керамо-базальтовый композит для ракетных двигателей (патент US 7,968,620 B2).

Наиболее широкое распространение в данный момент базальтовые продукты получили в строительной отрасли. Армированный базальтовой фиброй бетон демонстрирует более высокие параметры трещиностойкости, прочности на изгиб и растяжение. А ведь бетон – это и стены, и перекрытия, и мостовые конструкции, и подземные коммуникации, в том числе арочные. Базальтовое волокно прекрасно переносит как повышенную влажность гидротехнических сооружений, так и цикличные сезонные перепады температуры, действие агрессивных химических сред и солевых растворов.

Прекрасные результаты показали исследования учёных Школы науки и техники Университета Рейкьявика (Исландия) армирования клееных деревянных брусьев базальтовым текстилем. Из таких клееных брусьев создают цельные крупные структурные элементы: вертикальные колонны, горизонтальные балки и изогнутые арочные формы.

Арматура и кладочная сетка из базальтового волокна уже успешно применяются на стройках, повышая не только скорость и качество работ, но и долговечность объекта. Дорогоукладчики используют композитные ткани из базальтового волокна, геосетки и георешётки, укрепляя поверхности стен и грунтов, предотвращая их растрескивание и укрепляя для связки с последующими слоями: штукатурками или плиткой на стенах и слоями дорожной одежды на трассах.

Отлично зарекомендовала себя и минеральная вата из тонких базальтовых волокон — это прекрасная термо- и звукоизоляция, которая нашла применение как в жилищном строительстве, так и в промышленном. Кроме того, из нетканых базальтовых материалов производят высоскокачественные фильтры для химических и фармакологических лабораторий.

 

Базальт, который ездит, летает и плавает

Со словом “базальт” ассоциируется что-то тяжёлое, массивное, монументальное, и его применение в качестве строительного или облицовочного материала это подтверждает. Но волокно из базальта – лёгкое, прочное и эластичное одновременно.

Производители спортинвентаря высоко оценили качества базальтового волокна и на рынке появились предметы для спорта и отдыха с его применением. Например, знаменитый швейцарский теннисист Роджер Федерер с 2010 года и до конца карьеры играл ракетками компании Wilson, в составе которых использовано базальтовое волокно. Ракетки PACIFIC, созданные с непрерывным базальтовым волокном по технологии BasaltX, первыми взяли в руки  победители Большого Шлема Михаэль Штих и Евгений Кафельников. Компания Soulspin выпустила ракетки для настольного тенниса, в которых один из слоёв выполнен из базальтовой ткани, которая обеспечила прекрасную отдачу и низкую вибрацию.

Базальтовые ткани стали удачным открытием для производителей сноубордов. Инновационная компания Niche создала полностью утилизируемый сноуборд. Именитый мастер Мики Франко приурочил к 50-й годовщине горнолыжного курорта Jackson Hole Mountain Resort лимитированную линейку сноубордов, в том числе с базальтовым волокном. Любители волн также знакомы с достоинствами базальтовых композитов — ведущие производители досок по всему миру активно применяют его в своих изделиях.  Компания Fanatic с 2013 года производит линейки для серфинга Fanatic Hawk и Fanatic Gecko по технологии LTD, что комментирует на своём сайте так: «На базе LTD использована инновационная базальтовая ткань, которая не только технически превосходит многие другие ткани, но и более экологически чистая в использовании и утилизации».

Модели доски для кайтсерфинга 2016 года Naish Monarch от бренда Naish придаёт особенной прочности, легкости и упругости двойной слой базальтового волокна. Компания Cabrinha, производитель иконы вейкстайл-досок Custom, с 2013 года выпускает линейку Cabrinha Custom, созданную с базальтовым композитом, который гасит вибрацию и придает прочность, одновременно позволяя минимизировать вес. Всемирно известные производители лыж Fischer и Rossignol заменили стекловолокно базальтовым в своих продуктах, что позволило значительно снизить вес и обеспечить превосходного соотношения прочности, веса и гибкости. Компания Lib Tech Snowboards выпускает доски для серфинга, скейты, сноуборды исключительно с базальтовым волокном.

По данным исследовательской компании Markets and Markets, рынок композитов в спорте к 2021 году составит почти $4 млрд.

Судостроители обратили внимание на базальтовые композиты по ряду причин. Основная —  стойкость базальтового волокна к морской воде, негорючесть и прочность. Это позволяет разрабатывать модели современных судов различных размеров и назначения: от лёгких каноэ, как канадская компания Nova Craft, и катамаранов до яхт ледового класса типа STAR46 и военных кораблей. Для ВПК, кроме того, базальтовые композиты интересны из-за их радиопрозрачности, их используют и на подлодках. Хотя в таких стратегических сферах чаще применяют более дорогое углеволокно — на безопасности экономить не принято.

Мировой автопром также заинтересован в исследовании новых материалов, позволяющих продлить эксплуатацию автомобилей, снизить их вес и, следовательно, расход топлива. Благодаря таким технологиям автомобили на жидком топливе уменьшат выбросы в атмосферу, электромобили увеличат дальность пробега без подзарядки.

Из базальтового волокна изготовляют не только тормозные колодки, термоизоляцию на выхлопные трубы и прочие технические детали. Из базальтового композита тюнинг-ателье LARTE Design создало комплекты ультрасовременного тюнинга для электромобилей Tesla, Maserati Ghibli, Lexus, Mercedes, Range Rover,  премиальных внедорожников Infiniti. В базальтовый корпус одели свои автомобили немецкое инженерное бюро EDAG и команда Roller Team, разработавшая кемпинг-кар Trigano Group Triaca Concept 230.

Активно ведутся разработки цистерн и баллонов из непрерывного базальтового волокна, которые обещают стать идеальными ёмкостями для хранения и транспортировки химических жидкостей. Глава компании Infinite Composites Technologies, которая занимается производством криогенных баллонов (для сжиженного топлива при низких температурах), заявил, что потенциальные покупатели проявили огромный интерес к их первым образцам, которые они в настоящее время усовершенствуют. А нидерландская компания Tankwell уже представила композитную цистерну из непрерывного волокна, изготовленную методом намотки. В настоящее время такой метод используется для изготовления базальтопластиковых труб.

Аэрокосмическая отрасль пока относится к базальтовому волокну с некоторой осторожностью, чаще его применяют в поликомпозитах — вместе с углеволокном и стекловолокном, но это нормальная практика, позволяющая удачно совместить все лучшие характеристики используемых материалов для достижения максимально успешного результата.

Работы по совершенствованию технологий производства и применения базальтовых волокон ведутся постоянно в передовых исследовательских центрах всего мира, аддитивные технологии находятся только в начале своего развития. Тем не менее, именно технология 3D-печати из реголита и базальта для строительства исследовательских объектов на Марсе, Луне и других планетах из местных материалов стала победителем конкурса NASA. А в Университете Аахена (Германия) провели предварительные эксперименты по производству базальтовых керамических волокон с целью создать нанокристаллизированные волокна из обычных базальтовых для повышения их термостабильности.

 

Ирина Карпесьо,

главный редактор портала basalt.today