Базальтокомпозиты — универсальный материал для инновационных решений

Подбирая материал матричного и наполняющего компонентов, специалисты создают уникальные композиции, способные удовлетворить определённым, зачастую специфическим требованиям конкретного применения. И свойства, которые привнесёт каждое из составляющих композита, имеют решающее значение для характеристик конечного продукта.

Волокна из базальта

Первое базальтовое волокно получили достаточно давно, но интерес специалистов к нему сдерживался несовершенством технологий производства, которые не гарантировали стабильности характеристик полученного материала, что крайне важно для эксплуатации изделий, и достаточно высокой стоимостью полученного волокна. Но набор универсальных физико-механических и химических качеств, присущих базальтовому волокну, подталкивал к решению существующих проблем и разработке передовых методов его получения. Естественно, изначально такие разработки проводились в интересах стратегических и оборонных государственных секторов. Однако базальтокомпозиты уже давно покинули стены закрытых лабораторий и активно применяются во всех отраслях, где необходимы их особенные свойства, даже если условия эксплуатации нельзя назвать экстремальными.

Садовая мебель на основе базальтового волокна
от латышского дизайнера Raimonds Cirulis

Сырьём для производства волокна служит продукт вулканической деятельности — его база доступна и практически неограниченна. Первичное плавление базальтовых пород и их гомогенизация уже произведены самой природой. Это ощутимо снижает стоимость получаемого продукта. Доля в мировом потреблении базальтового волокна пока уступает стекло- и углеволокну, но эта ниша постоянно расширяется, формируя новые рынки и конкурируя за счёт невысокой стоимости при достойных характеристиках, которые позволяют успешно входить в различные сферы применения.

Компания Zion Market Reserch на основе проведённого исследования прогнозирует, что к 2021 году объем рынка непрерывного базальтового волокна достигнет 121,9 млн $. Среднегодовой темп роста превысит 1,7%. Основными потребителями продукции на основе НБВ будут строительная, автомобильная, судостроительная отрасли, а также предприятия из областей электроники и ветроэнергетики. Заметим, что уже в 2012 году строительная отрасль потребляла более 37% мирового рынка НБВ.

Производство базальтовых штапельных волокон: тонкого (БТВ) и супертонкого волокна (БСТВ) — отработаны производственниками несколько лучше, чем НБВ. Глобальный рынок отражает это. По данным экспертов из Zion Market Research в 2016 году рынок минваты оценивался в 9,85 млрд $, а по прогнозу до 2022 года вырастет в полтора раза, с совокупными темпами ежегодного роста 6,8%. Основная заслуга здесь — строительной и автомобильной индустрии, являющихся активными потребителями базальтовой ваты в качестве тепло- и звукоизолятора, а также огнезащитного материала.

В настоящее время практически ни одна из солидных международных выставок не проходит без присутствия решений для базальтокомпозитов: Techtextil, JEC World, «Композит Экспо», CAMX, ACCE. Экспоненты демонстрируют оборудование для изготовления базальтокомпозитов, базальтовое волокно и фибру, готовые изделия и решения для автоматизации процессов проектирования и производства композитов на основе базальтового волокна. Премией Inova Textil Award были отмечены огнеупорная базальтовая ткань от Olbo&Mehler (в 2015 году) и плетёная конструкция на основе базальтового волокна для изоляции конструкций в водной среде, представленная компанией Peterseim Strickwaren в 2017 году. Тем не менее, теоретические разработки и выставочные стенды — лишь стартовая площадка в реальную жизнь, в которую базальтовое волокно вошло прочно и уверенно. На практике его применяют для дисперсного армирования, для создания волокнистых и слоистых композиций.

Композиты на основе БСТВ

Высокая термостойкость базальтового волокна, открывающая широкие перспективы для применения в условиях критически высоких температур, успешно используется известными производителями. Компания Continental предлагает модульную систему с использованием базальтоволокна для линейки ленточных конвейеров ContiFlex Vulkan для транспортировки материалов, температура которых превышает 500°С. В металлургическом цехе завода «АрселорМиттал Кривой Рог» введён в эксплуатацию пратцен-кран, кабина которого сделана из шести слоев базальтового картона, что позволило изолировать оператора от действия высоких температур. Особые требования к негорючести теплоизоляционных материалов позволили базальтовой вате занять и удерживать лидирующие позиции на рынке, вытеснив стекловолокно. Этот материал применяют на современных морских судах военного и гражданского назначения, цилиндры из минеральной ваты служат изоляцией технологических трубопроводов и газопроводов.

Лента конвейра ContiFlex Vulkan от компании Continental на основе базальтового волокна, для транспортировки высокотемпературных материалов

Компания Mid-Mountain использует базальтовую вату как компонент продуктов из линейки CERMEX — теплоизоляционных покрытий, матов и бумаги с температурным режимом работы от 538 до 1260°C. Продукция компании широко используется в штампованных прокладках, изоляционных слоях печей и промышленных термокамер, изоляции в съемных экранах и щитках, теплоизоляции трубопроводов и решениях для автомобилей. Сейчас при поддержке JPML/NASA специалисты Mid-Mountain разрабатывают улучшенные ткани с защитным покрытием, которые смогут выдерживать очень высокие температуры и будут использоваться в системах тепловой защиты в аэрокосмических приложениях.

Армянские учёные из Национальной научной лаборатории имени Алиханяна (город Ереван) совместно с коллегами с Армянской АЭС разработали высокоэффективную фильтрующую систему для АЭС на основе супертонкого базальтового волокна. Опытные образцы с разной модификацией были созданы из местного сырья и испытаны в реальном режиме на пилотной экспериментальной установке параллельно с действующими фильтрами Петрянова. Результаты испытаний показали высокую эффективность (99,72%) новой фильтрующей системы для очистки радиоактивных аэрозольных газов. Полученные результаты полностью отвечают требованиям МАГАТЭ.

Коррозионная устойчивость в агрессивных средах

Стойкость к агрессивным средам, в том числе морской, при растущих масштабных проектах в сфере офшорной ветроэнергетики, заставляет проектировщиков обращаться к базальтовому волокну как компоненту долговечных конструкций с повышенными требованиями к прочности материалов. Один из примеров плавающей платформы с потенциально низкой ценой и большим сроком службы приведен на сайте Windpower Engineering. Шведская компания SF Pontona занимается строительством бетонных причалов и волнорезов с 20-х годов ХХ века.

Бетонный причал, армированный базальтовым волокном от шведской компании SF Pontona

В партнерстве с компанией ReforceTech она разработала и внедрила серию понтонов Prodock из армобетона с базальтоволокном, которые стали устойчивой к коррозии, легковесной, долговечной и более дешёвой альтернативой бетонным понтонам повышенной прочности.

Проект технологического института Аахенского университета (ITA) по армированию бетона базальтовым волокном BasFlair стал частью немецкой климатической инициативы. Авторы проекта заменили базальтовым волокном более дорогое и энергоёмкое углеволокно в текстильном бетоне — альтернативе обычному бетону, который разрабатывается в Аахене с 1990-х годов. Введение в бетонный раствор углеволокна и стекловолокна повышает предел прочности хрупкого бетона подобно стальному армированию. Однако за счет того, что волокно для текстильного бетона на 75% тоньше, готовая конструкция имеет меньший вес при той же прочности, что и армированная металлом и, соответственно, снижаются транспортные расходы и производственные выбросы углекислого газа.

Бетонный «цветок» проекта BasFlair

Все методы хороши

Немаловажной характеристикой базальтового волокна является его прекрасная совместимость со всевозможными матричными материалами: полимерными, керамическими, металлическими, цементными, углеродными — и различными волокнами для получения гибридных композиционных материалов. Для изготовления базальтокомпозитов применимы практически все известные методы: намотка, пултрузия, формование, напыление, литьё и прессование. Ведущие производители оборудования для создания композиционных материалов включились в разработку мощных промышленных машин и комплексов, позволяющих выпускать высококачественную продукцию в промышленных масштабах, чтобы удовлетворить растущий спрос целого ряда индустрий. Композиционные материалы на основе базальтового волокна используются для производства профильных стержней и арматуры, пултрузионных профилей, труб и ёмкостей (методом намотки), фильтровальных тканей, армирующих ровинговых тканей для производства базальтопластиков, геотекстильных материалов в виде сетки и полотна, кровельных и облицовочных материалов, спортивного инвентаря.

Технология, которую компания Automated Dynamics разработала в сотрудничестве с Bartell Machinery, позволяет изготавливать из непрерывного базальтового волокна трубы длиной в несколько километров. Для этого применяется лента из однонаправленных волокон с высокой анизотропностью, из которой с помощью вращающегося оборудования Bartell Machinery производятся бесшовные трубы.

Многослойная труба Fiber Basalt OXY от чешской компании Wavin Ecoplastik

Wavin Ekoplastik (Чехия) продолжает работу над развитием успешного проекта инновационных многослойных труб Fiber Basalt OXY, который финансируется совместно с Европейским Союзом по программе Европейского фонда регионального развития. Fiber Basalt OXY состоит из четырёх слоёв, включая внутренний слой из армированного базальтоволокном PP-RCT и кислородного барьера. Такая конструкция не дает проникать внутрь трубы кислороду, отличается высокими гидравлическими и эксплуатационными характеристиками и рекомендуется для систем высокотемпературного отопления.

Американская Infinite Composites Technologies занимается развитием технологии производства криогенных композитных многослойных баллонов из базальтового волокна для хранения и транспортировки сжиженного топлива при низких температурах. Глава и сооснователь компании Мэтт Вилларил утверждает, что потенциальные покупатели начали проявлять огромный интерес к их продукции, как только был представлен первый образец баллона под названием MagmaCel. Некоторые клиенты были готовы приобрести сразу 10 000 подобных емкостей для перевозок.

Универсальность базальтокомпозитов востребована

Базальтокомпозиты — универсальный материал, который находит применение в сегментах, далёких от тяжёлой промышленности, но играющих немаловажную роль в жизни человека. Так, американская протезно-ортопедическая компания Coyote Design использует базальтовую ткань в качестве основного армирующего материала при изготовлении протезов. Coyote Design разработала свой собственный базальтовый композит под названием Coyote Composite. Он отлично работает с обычными смолами, применяемыми при изготовлении протезных гильз, но пропитывается намного лучше, чем карбон. Обладает большей гибкостью и упругостью, не вызывает такого раздражения кожи, как углеволокно, и значительно дешевле. Из Coyote Composite компания производит плетеную ленту, ткань и канат — все эти материалы используют для армирования различных частей изделий.

Лента из базальтового волокна от компании Coyote Composite

Компания Soulspin поставляет на рынок ракетки из базальтоволокна, а PACIFIC обеспечивает ракетками с непрерывным базальтовым волокном элиту большого тенниса. Одними из первых игроков, взявших в руки инновационные ракетки Pacific BX2, стали победители Большого Шлема Михаэль Штих и Евгений Кафельников.

Теннисная ракетка Pacific BX2

Инновационная куртка Atelier Course Jkt от французской компании Rossignol, армированная тканью из карбоновых и базальтовых волокон, стала победителем ISPO Award 2017 в категории «Товары для лыжного спорта».

Известные производители снаряжения для зимних видов спорта: Fischer и Rossignol — создают для энтузиастов горнолыжного спорта модели лыж с базальтоволокном. Изготовитель экологических сноубордов — молодая инновационная компания Niche создала первый в мире полностью утилизируемый сноуборд на основе базальтового волокна.

Канадская компания Nova Craft разработала и испытала каноэ из композитного материала с использованием базальтовой ткани и специальных пластиков. Новый суперэластичный материал получил название TuffStuff, а видео с испытаниями каноэ из этого материала мгновенно стало вирусным.

Для судостроительной отрасли базальтовое волокно представляет особый интерес, и постепенно появляется все больше разработок, которые делают ставку на преимущества базальтокомпозитов. На страницах портала Basalt.Today рассказывали о яхте Open 16 Fipofix, которая дважды пересекла Атлантический океан, и про тримаран от французской верфи Sardine Run, в конструкциях которых использовано базальтовое волокно.

Итальянская компания GS4C srl в настоящее время строит парусную экояхту Loop 650 из обогащенного базальтового волокна производства компании Isomatex и продолжает работу над запатентованной технологией производства волоконно-металлического слоистого материала (Fiber Metal Laminate) на основе базальтоволокна. FML широко используется в авиакосмической индустрии, но считается слишком дорогим для других секторов промышленности, и команда компании разработала решение, которое позволит значительно уменьшить производственные затраты и обеспечить большую свободу при конструировании. Сама же Isomatex недавно передала заказчикам свой первый дрон Vulcano One, полностью изготовленный из базальтокомпозита на основе обогащенного базальтоволокна. Рабочий образец был изготовлен при участии партнеров — компании Ant-Arctic-Lab.

И в заключение: всё только начинается

Технологические решения, позволившие снизить затраты на производство базальтового волокна, открыли путь к его применению в широкой гамме самых разных приложений. Его свойства столь необычны, что разработчики инновационных решений каждый раз удивляют своими проектами, подбирая гибридные композиции и варианты матриц. Даже для случаев, когда неуместна его диэлектричность, находится решение. Например, исследовательская группа из Синьцзянского технического института физики и химии Китайской академии наук провела работы по осаждению наночастиц на основе углерода на поверхность базальтового волокна, добившись прогресса в разработке проводящего базальтового волокна, предназначенного для сенсоров.

Во всем мире сейчас полным ходом идёт разработка новых композиций с базальтовым волокном и ключевых технологий их получения, взят вектор на крупномасштабное производство и широкое применение базальтокомпозитов, использование в аддитивных технологиях. В свете активного интереса к экологичным и перерабатываемым, а также лёгким конструкционным материалам можно резюмировать, что для базальтокомпозитной индустрии период роста только начинается.

Статья была опубликована в номере 6 (75) 2017.