Włókno bazaltowe - Basalt fiber

Włókno bazaltowe to materiał wykonany z niezwykle cienkich włókien z bazaltu , który składa się z minerałów plagioklaz , piroksen i oliwinu . Jest podobny do włókna szklanego , ma lepsze właściwości fizykomechaniczne niż włókno szklane, ale jest znacznie tańszy niż włókno węglowe. Jest stosowany jako ognioodporny materiał tekstylny w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, a także jako kompozyt do produkcji produktów, takich jak statywy do aparatów fotograficznych .

Produkcja

Technologia produkcji ciągłego włókna bazaltowego (BCF) jest procesem jednoetapowym: topienie, homogenizacja bazaltu i ekstrakcja włókien. Bazalt jest podgrzewany tylko raz. Dalsze przetwarzanie BCF na materiały odbywa się przy użyciu „zimnych technologii” przy niskich kosztach energii.

Włókno bazaltowe jest wykonane z jednego materiału, kruszonego bazaltu, ze starannie dobranego źródła kamieniołomu. Bazalt o wysokiej kwasowości (ponad 46% zawartości krzemionki) i niskiej zawartości żelaza jest uważany za pożądany do produkcji włókna. W przeciwieństwie do innych kompozytów, takich jak włókno szklane, podczas jego produkcji zasadniczo nie dodaje się żadnych materiałów. Bazalt jest po prostu myty, a następnie topiony.

Produkcja włókna bazaltowego wymaga topienia pokruszonej i przemytej skały bazaltowej w temperaturze około 1500 °C (2730 °F). Stopiona skała jest następnie wytłaczana przez małe dysze w celu wytworzenia ciągłych włókien z włókna bazaltowego.

Włókna bazaltowe typowo mają średnicę pomiędzy 10 a 20 μm, co jest wystarczająco dużo powyżej granicy oddychania 5 μm, aby włókno bazaltowe mogło być odpowiednim zamiennikiem azbestu . Mają również wysoki moduł sprężystości , co skutkuje wysoką wytrzymałością właściwą — trzykrotnie wyższą od stali . Cienkie włókno jest zwykle używane do zastosowań tekstylnych, głównie do produkcji tkanin. Grubsze włókno jest używane do nawijania włókien, na przykład do produkcji butli lub rur na sprężony gaz ziemny (CNG). Najgrubsze włókno jest używane do pultruzji, geosiatek, tkanin jednokierunkowych, do produkcji tkanin wieloosiowych oraz w postaci ciętego pasma do zbrojenia betonu. Jednym z najbardziej perspektywicznych zastosowań ciągłego włókna bazaltowego i najnowocześniejszym obecnie trendem jest produkcja bazaltowych prętów zbrojeniowych, które coraz częściej zastępują tradycyjne stalowe pręty zbrojeniowe na rynku budowlanym.

Nieruchomości

Tabela odnosi się do konkretnego producenta ciągłych włókien bazaltowych. Dane od wszystkich producentów są różne, różnica czasami jest bardzo duża.

Nieruchomość Wartość
Wytrzymałość na rozciąganie 2,8-3,1 GPa
Moduł sprężystości 85-87 GPa
Wydłużenie przy zerwaniu 3,15%
Gęstość 2,67 g/cm³

Porównanie:

Materiał Gęstość
(g/cm³) 		Wytrzymałość na rozciąganie
(GPa) 		Specyficzna siła
Moduł sprężystości
(GPa) 		specyficzny
moduł
Stalowe pręty zbrojeniowe 7,85 0,5 0,0637 210 26,8
Szklanka 2,46 2,1 0,854 69 28
C-szkło 2,46 2,5 1,02 69 28
E-szkło 2,60 2,5 0,962 76 29,2
Szkło S-2 2,49 4,83 1,94 97 39
Krzem 2.16 0,206-0,412 0,0954-0,191
Kwarc 2.2 0,3438 0,156
Włókno węglowe (duże) 1,74 3.62 2,08 228 131
Włókno węglowe (średnie) 1.80 5.10 2.83 241 134
Włókno węglowe (małe) 1.80 6.21 3.45 297 165
Kevlar K-29 1,44 3.62 2,51 41,4 28,7
Kevlar K-149 1,47 3.48 2,37
Polipropylen 0,91 0,27-0,65 0,297-0,714 38 41,8
Poliakrylonitryl 1,18 0,50-0,91 0,424-0,771 75 63,6
Włókno bazaltowe 2,65 2,9-3,1 1.09-1.17 85-87 32,1-32,8

Typ materiału Moduł sprężystości Stres plonowania Wytrzymałość na rozciąganie
E (GPa) fy (MPa) fu (MPa)
Pręty stalowe o średnicy 13 mm 200 375 560
Pręty stalowe o średnicy 10 mm 200 360 550
Pręty stalowe o średnicy 6 mm 200 400 625
Pręty BFRP o średnicy 10 mm 48,1 - 1113
Pręty BFRP o średnicy 6 mm 47,5 - 1345
Arkusz BFRP 91 - 2100

Historia

Pierwsze próby wyprodukowania włókna bazaltowego zostały podjęte w Stanach Zjednoczonych w 1923 roku przez Paula Dhe, któremu przyznano patent US 1.462.446 . Zostały one dalej rozwinięte po II wojnie światowej przez naukowców z USA, Europy i Związku Radzieckiego, szczególnie do zastosowań wojskowych i kosmicznych. Od czasu odtajnienia w 1995 r. włókna bazaltowe są wykorzystywane w szerszym zakresie zastosowań cywilnych.

Szkoły

  1. Uniwersytet RWTH w Akwizgranie. Co dwa lata Institut für Textiltechnik Uniwersytetu RWTH w Aachen organizuje Międzynarodowe Sympozjum Włókien Szklanych, gdzie włóknom bazaltowym poświęcona jest osobna sekcja. Uczelnia prowadzi regularne badania w celu zbadania i poprawy właściwości włókien bazaltowych. Beton tekstylny jest również bardziej odporny na korozję i bardziej plastyczny niż beton konwencjonalny. Zastąpienie włókien węglowych włóknami bazaltowymi może znacznie zwiększyć obszary zastosowań innowacyjnego materiału kompozytowego, jakim jest beton tekstylny, mówi Andreas Koch.
  2. Instytut Lekkiej Konstrukcji na TU Berlin
  3. Instytut Nauki o Lekkich Materiałach Projektowych na Uniwersytecie w Hanowerze
  4. Niemiecki Instytut Tworzyw Sztucznych (DKI) w Darmstadt
  5. Uniwersytet Techniczny w Dreźnie przyczynił się do badań włókien bazaltowych. Zbrojenia tekstylne w konstrukcjach betonowych - badania podstawowe i zastosowania. Peter Offermann obejmuje zakres od początku badań podstawowych na TU Dresden we wczesnych latach 90. do chwili obecnej. Pomysł, że tekstylne struktury kratowe wykonane z wysokowydajnych nici do wzmocnienia konstrukcyjnego mogą otworzyć zupełnie nowe możliwości w budownictwie, był punktem wyjścia dla dzisiejszej dużej sieci badawczej. Zbrojenia tekstylne w konstrukcjach betonowych - badania podstawowe i zastosowania. Jako nowość zgłaszane są równoległe zastosowania do badań z wymaganymi aprobatami w indywidualnych przypadkach, takich jak pierwsze na świecie mosty z betonu zbrojonego tekstyliami oraz uszlachetnianie konstrukcji powłokowych najcieńszymi warstwami betonu tekstylnego.
  6. Wyższa Szkoła Zawodowa w Ratyzbonie, Wydział Inżynierii Mechanicznej. Charakterystyka mechaniczna tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem bazaltowym z różnymi wzmocnieniami tkaninowymi – Testy rozciągania i obliczenia FE z reprezentatywnymi elementami objętości (RVE). Marco Romano, Ingo Ehrlich.

Zastosowania

  • Ochrona przed ciepłem
  • Materiały cierne
  • Łopaty wiatraka
  • Słupy oświetleniowe
  • Kadłuby statków
  • Nadwozia samochodowe
  • Wyposażenie sportowe
  • Stożki głośnikowe
  • Opaski ścienne wnęki
  • Zbrojenie
  • Profile nośne
  • Butle i rury CNG
  • Pochłaniacz wycieków oleju
  • Cięte pasmo do zbrojenia betonu
  • Zbiorniki wysokociśnieniowe (np. zbiorniki i butle gazowe)
  • Pultrudowane pręty zbrojeniowe do zbrojenia betonu (np. mostów i budynków)

Kody projektowe

Rosja

Od 18 października 2017 r. do eksploatacji oddano JV 297.1325800.2017 „Konstrukcje włóknobetonowe z włóknem niemetalicznym. Zasady projektowania”, które wyeliminowały próżnię prawną przy projektowaniu żelbetu zbrojonego włóknem bazaltowym. Zgodnie z pkt 1.1. norma obejmuje wszystkie rodzaje włókien niemetalicznych (polimery, polipropylen, szkło, bazalt i węgiel). Porównując różne włókna można zauważyć, że włókna polimerowe są gorsze od wytrzymałości mineralnej, ale ich zastosowanie pozwala na poprawę właściwości kompozytów budowlanych.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

  • E. Lauterborn, Dokumentation Ultraschalluntersuchung Eingangsprüfung, Raport wewnętrzny wiweb Erding, Erding, październik (2011).
  • K. Moser, Faser-Kunststoff-Verbund – Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen. VDI-Verlag, Düsseldorf, (1992).
  • NK Naik, Kompozyty Tkaninowe. Technomic Publishing Co., Lancaster (PA), (1994).
  • Bericht 2004-1535 – Prüfung eines Sitzes nach BS 5852:1990 sekcja 5 – Igniton source crib 7, für die Fa. Franz Kiel GmbH&Co. KG. Siemens AG, A&D SP, Frankfurt nad Menem, (2004).
  • DIN EN 2559 – Luft- und Raumfahrt – Kohlenstoffaser-Prepregs – Bestimmung des Harz- und Fasermasseanteils und der flächenbezogenen Fasermasse. Normenstelle Luftfahrt (NL) w DIN Deutsches Institut für Normung eV, Beuth Verlag, Berlin, (1997).
  • Epoxidharz L, Härter L – Technische Daten. Karta techniczna R&G, (2011).
  • Świadectwa Jakości dla Tkanin i Rowingów. Incotology Ltd., Bonn, styczeń (2012).
  • Nolf, Jean Marie (2003). „Włókna bazaltowe-tkaniny blokujące ogień”. Tekstylia do użytku technicznego . 49 (3): 38–42.
  • Ozgen, Banu; Gong, Hugh (maj 2011). „Geometria przędzy w tkaninach”. Dziennik Badań Tekstylnych . 81 (7): 738-745. doi : 10.1177/0040517510388550 . S2CID  138546738 .
  • L. Papula, Mathematische Formelsammlung für Naturwissenschaftler und Ingenieure. 10. Auflage, Vieweg+Teubner, Wiesbaden, (2009).
  • Saravanan, D. (2006). „Przędzenie włókien skalno-bazaltowych”. IE (I) Dziennik TX . 86 : 39–45.
  • Schmida, Wincentego; Jungbauera, Bastiana; Romano, Marco; Ehrlicha, Ingo; Gebbeken, Norbert (czerwiec 2012). Wpływ różnych rodzajów tkanin na zawartość objętościową i porowatość włókien w tworzywach zbrojonych włóknem bazaltowym . Konferencja Badań Stosowanych. s. 162-165.

Zewnętrzne linki