Прочность начинается с породы: кто и зачем производит базальтовое волокно

Фото: Shutterstock

Базальт обычно представляют в виде прочного камня или щебня. Но если породу расплавить и вытянуть в тонкие непрерывные нити, её можно использовать совсем иначе — спрятать внутри трубы, строительной сетки или детали машины. Снаружи камня уже не видно, однако волокна помогают изделию выдерживать нагрузку.

Для этого недостаточно просто получить нить. Нужно подобрать породу, удержать нужный режим в печи, нанести на волокно покрытие и проверить, как оно будет работать вместе с другими материалами. Проследим эту цепочку на примере челябинской компании «Русский базальт», выпускающей волокно под маркой Meltrock. О технологии и людях, которые за неё отвечают, рассказываем в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Для чего камню становиться нитью

У разных материалов есть сильные и слабые стороны. Бетон хорошо выдерживает сжатие, но при растяжении в нём могут появляться трещины. Полимер позволяет изготовить деталь нужной формы, однако без усиления ей может не хватать жёсткости. Если добавить волокна и расположить их там, где возникает нагрузка, получится композит — материал, в котором компоненты работают вместе.

Непрерывное базальтовое волокно подходит для такого армирования: его можно наматывать, превращать в ткань или сетку, пропитывать полимерным составом. Изделие при этом не получает свойства волокна автоматически. Важно, сколько нитей в нём находится, в каком направлении они уложены и насколько прочно соединены с окружающим материалом.

Здесь проходит граница между двумя продуктами, которые легко перепутать. Из коротких волокон базальта делают теплоизоляционные материалы: они удерживают воздух и помогают уменьшить потери тепла. Непрерывная нить нужна прежде всего там, где волокно должно принимать нагрузку. Генеральный директор «Русского базальта» Алексей Удиванов рассказывал, что до освоения непрерывного волокна команда выпускала тепло- и звукоизоляцию. Опыт работы с тем же сырьём оказался полезен, но новую технологию пришлось налаживать отдельно.

Почему нельзя расплавить любой базальт?

Производство нити начинается ещё до печи — с выбора породы. Базальт из разных месторождений отличается составом. Для изготовления щебня эта разница может быть не столь заметна, но при плавлении она влияет на поведение расплава. Если он течёт через оборудование иначе, сложнее поддерживать одинаковый диаметр нитей и избегать обрывов.

Поэтому сырьё сначала исследуют и проверяют. Специалистам нужно понять, подходит ли конкретная порода для вытяжки волокна и при каких условиях с ней работать. На «Русском базальте» проводят входной контроль материалов; анализ породы входит и в инжиниринговые задачи предприятия.

Дальше подготовленный базальт поступает в печь. Здесь важно не просто нагреть камень посильнее, а получить расплав с подходящими свойствами. Если представить очень густой сироп, который должен пройти через крошечное отверстие и вытянуться в тонкую струйку, становится понятна часть задачи технолога. Сравнение приблизительное, но принцип тот же: температура расплава, скорость его подачи и вытяжки должны быть согласованы. Изменение на одном участке линии отражается на следующем.

Что происходит между печью и катушкой

Расплавленный базальт проходит через фильерный питатель — устройство с множеством маленьких отверстий. На предприятии используют платино-родиевые фильеры. Из выходящих через них струек расплава вытягивают отдельные нити. Затем их собирают в пучок и наматывают на бобину.

Диаметр одной нити в ровинге Meltrock, согласно техническим характеристикам производителя, может составлять 10, 13 или 17 микрометров. Микрометр — тысячная доля миллиметра. Отдельное волокно очень тонкое, зато собранный из множества волокон пучок хорошо виден. Такой пучок непрерывных нитей и называют ровингом.

В его характеристиках встречается ещё одно непривычное слово — текс. Так обозначают линейную плотность: сколько граммов весят тысяча метров нити или пучка. Например, 600 текс — это 600 граммов на тысячу метров. Показатель помогает рассчитать, сколько волокна поступит в будущее изделие. Он не говорит сам по себе, какой получится прочность детали: для этого нужно учитывать свойства нитей, их расположение и результаты испытаний.

На производственной линии стабильность особенно важна. Катушка может продолжать наматывать пучок даже после обрыва одной из нитей, но состав ровинга уже изменится. Поэтому технолог следит за плавлением и вытяжкой, а лаборатория проверяет свойства полуфабрикатов и готовой продукции. Задача состоит в том, чтобы длинные партии волокна вели себя предсказуемо при дальнейшей переработке.

Зачем волокну невидимое покрытие

Перед намоткой на базальтовые нити наносят специальный состав — замасливатель. Название может создать впечатление, что волокно просто смазывают, чтобы оно легче скользило. На деле у покрытия больше задач: оно помогает защитить нити при переработке и влияет на их соединение со связующим веществом.

Представим композитный стержень: внутри него находятся прочные волокна, а вокруг — затвердевший полимер. Чтобы стержень выдерживал нагрузку, усилие должно передаваться от полимера к нитям. Если сцепление слабое, волокна не смогут полноценно работать в составе изделия, даже если сами по себе они прочны. Поэтому химический состав покрытия подбирают с учётом дальнейшего применения ровинга.

После намотки технологическая цепочка может разветвиться. Ровинг используют для изготовления композитных стержней, профилей, тканей и сеток. Если непрерывную нить разрезать на короткие отрезки, получится фибра — её можно распределять, например, в строительной смеси. Длинные и короткие волокна решают разные задачи: первые удобны, когда усилие нужно воспринимать преимущественно в выбранном направлении, вторые помогают армировать материал по его объёму. Результат в обоих случаях зависит от устройства и качества готового изделия.

Волокно нельзя просто поставить вместо стали?

Сравнение «базальт прочнее стали» звучит убедительно, пока не возникает вопрос: что именно сравнивают? Отдельную тонкую нить, пучок нитей, композитный стержень и бетон с добавлением фибры испытывают по-разному. У готовых изделий различаются условия работы, а значит, и требования к ним.

Например, композитная арматура не ржавеет так, как стальная. Но это не означает, что в проекте можно заменить один стержень другим того же диаметра. Инженеру придётся учесть жёсткость материала, сцепление с бетоном, поведение при нагревании и устройство соединений. Для трубы или детали машины перечень вопросов будет иным: здесь могут оказаться важны удар, влажность, направление нагрузки и возможность ремонта.

Особого внимания требует работа базальтового волокна в бетоне. Цементная смесь образует щелочную среду, а изделию предстоит служить в ней долго. Следовательно, нужно проверять не только первоначальную прочность нитей, но и то, как они сохраняют свойства при таком воздействии. Именно с этой задачей связана одна из разработок «Русского базальта».

Что меняет графеновое покрытие

Предприятие разработало материал, который называет карбобазальтом. Его основой остаётся базальтовое волокно; изменение касается покрытия нити. В состав замасливателя добавляют графеновый компонент — тонкие углеродные пластинки, которые распределяются по поверхности волокна.

По словам Алексея Удиванова, задача разработки заключалась в повышении стойкости к щелочной среде. Компания сообщает, что по сравнению с её обычным базальтовым ровингом этот показатель улучшился в четыре раза. Речь идёт о сравнении исследованных материалов. Из него нельзя напрямую вывести, что любое готовое изделие с новым волокном прослужит в четыре раза дольше: результат будет зависеть также от состава бетона или полимера, технологии изготовления и условий эксплуатации.

Этот пример показывает, насколько важна поверхность тонкой нити. Для улучшения свойств волокна не обязательно менять породу или всю производственную линию. Иногда существенное изменение происходит там, где волокно соприкасается с окружающим материалом. Но после разработки покрытия инженерам всё равно нужно проверить, равномерно ли оно наносится, сохраняются ли свойства при переработке и повторяется ли результат от партии к партии.

Кто отвечает за всю цепочку производства?

На пути от камня до композитного изделия работают специалисты разных профессий. Геологи и химики помогают оценить исходную породу. Технолог подбирает режимы плавления, вытяжки, нанесения покрытия и намотки. Сотрудники лаборатории измеряют характеристики волокна. Инженер, который создаёт конечную деталь, решает, как уложить нити и с каким материалом их соединить.

Эти задачи связаны: нестабильное сырьё осложнит работу печи, нарушение режима вытяжки скажется на ровинге, а неудачно подобранное покрытие — на свойствах композита. Поэтому хороший результат нельзя обеспечить проверкой только готовой катушки. Контроль начинается с породы и продолжается на каждом этапе производства.

Для школьника основой будущей профессии станут физика, химия и математика. Они помогают понять, почему расплав течёт, как измеряют тонкие волокна и куда в детали направлена нагрузка. В Челябинске материаловедов готовит Южно-Уральский государственный университет. Его лаборатория композиционных материалов занимается исследованиями, разработками для предприятий и обучением по программам повышения квалификации в области полимерных композитов. Это один из путей в профессию и для тех, кто уже получил образование в химии, машиностроении или другой смежной области.

В сухом остатке…

На готовой бобине не видно ни месторождения, ни работы печи, ни состава покрытия. Однако свойства волокна складываются именно на этих этапах. Базальт становится полезным для инженера тогда, когда его удаётся превратить в нить с предсказуемыми характеристиками, а затем правильно встроить в изделие, которому предстоит выдерживать нагрузку.