Новости

электронная версия

ООО ТД Уральский базальт

 

Сравнительные характеристики стеклянных, минеральных и базальтовых волокон.

            В настоящее время около 60% всей применяемой тепло- и звукоизоляции представлено волокнистыми материалами - стеклянной, минеральной и базальтовой ватой. Часто потенциальные инвесторы, оценивая планы организации производства различных видов утеплителя, не в полной мере представляют их недостатки и преимущества. Еще меньше такой информации имеет конечный потребитель. Поэтому те и другие не могут сделать правильный выбор в пользу лучшего материала. В конечном итоге все тратят деньги, которые можно сэкономить.

            В настоящем обзоре представлены характеристики стеклянных, минеральных и базальтовых волокон и некоторые примеры их применения.

Сырье и производство

            Все рассматриваемые волокна - неорганические, но делаются по-разному.

            Для стеклянных волокон смешивают песок, соду, известняки, некоторые химические добавки и получают шихту. Расплавленная шихта в процессе производства становится стеклом, из которого формуют шарики - сырье для производства стеклянной ваты. На следующем этапе шарики опять плавят, а расплав раздувают паром, воздухом, на центрифуге или другими методами, получая волокно.

Производимые из стекловолокна изделия: стеклохолст, стекломаты, стеклоткани.

            Для минеральных волокон - плавят доменные шлаки с добавками (шлаковата) или некоторые минеральные ископаемые (глины, доломиты и т.п.) в смеси (или без) с улучшающими добавками - горными породами (базальты, габбро, диабазы и пр.). Далее идет процесс раздува, аналогичный стеклянному производству.

Производимые из минваты изделия: минераловатные маты, плиты.

            Базальтовые волокна получают из расплава собственно базальта, а также некоторых близких к нему пород без каких либо дополнений в виде синтетических или минеральных веществ. Следовательно, по применяемому сырью рассматриваемые волокна можно расположить по степени их "ненатуральности" или, иными словами, отдаленности от природных материалов: - стекловолокно - по сути, результат химических технологий; - шлаковата - тоже самое; - минеральное волокно - фабрикуется на основе естественных материалов, но в смеси они представляют собой искусственно созданный минерал; - базальтоволокно - имеет природную формулу вулканических пород.

Производимые из базальтового волокна изделия: базальтохолст, базальтовые маты, ткани, плиты, картон.

            Номенклатура продукции примерно одинакова и решение в пользу того или иного утеплителя часто бывает не совсем правильным.

Механические характеристики

Таблица 1

Параметр (характеристика)

Стекловолокно

Минеральное

Базальтовое (БСТВ)

1

Механические

1.1

Кажущаяся плотность, кг/м3

12-25

25-40

15-23

1.2

Диаметр элементарного волокна, μкм

4-12

4-10

1-3

1.3

Длина волокон, мм

15-50

16

40-70

1.4

Модуль упругости, кгс/мм2

До 7200

5400…8000

9100…11000

1.5

Коэффициент уплотнения при эксплуатации (СНиП 2.04.14.80)

 1,6

1,8

1,2

1.6

Остаточная прочность при растяжении (после термообработки), % при температуре 20º С

100

100

100

200º С

92

95

98

400º С

52

60

85

600º С

спекание

20

76

Комментарии к Таблице 1


            Воздух - лучший изолятор. Он имеет самый низкий коэффициент теплопроводности, теоретически недостижимый в любых материалах (кроме более легких газов, вакуума в термосах и активной теплоизоляции). Но воздух подвижен, и перенос тепла в нем осуществляется, в основном, не теплопроводностью, а в результате массообмена (свободной или вынужденной конвекции). Конечно, это очень упрощенная модель, но в практически встречающихся случаях верная на 90 %. Для исключения массобмена воздушную прослойку надо разбить на маленькие ячейки, которые не допустят или существенно усложнят перенос горячего воздуха в холодную зону или наоборот. Иными словами, теплоизоляция - это "гранулированный" воздух. Чем меньше ячейки, тем лучше изолятор. И чем ближе изделие по плотности к воздуху, тем меньший у него коэффициент теплопроводности. С учетом сказанного понятно, что базальтовая вата имеет преимущества перед стеклянной и минеральной, так как у нее тоньше волокна и меньше плотность (строки 1.1 и 1.2 Таблицы 1 и строка 2.3 Таблицы 2).

Коэффициент уплотнения при эксплуатации - показывает на сколько тоньше (и тяжелее) становится изоляция с течением времени. Из таблицы видно, что минерального волокна нужно почти в два раза больше для сохранения изолирующих свойств (строка 1.5). Следующая характеристика - остаточная прочность при растяжении - показывает, что до 200 С все материалы мало меняют свои свойства, приемлемы для общестроительных целей и изоляции не слишком горячих трубопроводов. Однако, если действие температуры циклическое (нагрев-охлаждение), то возникает проблема усталостной термопрочности и, в конечном итоге, долговечности теплоизоляции.

Температурные характеристики

Таблица 2

Параметр (характеристика)

Стекловолокно

Минеральное

Базальтовое (БСТВ)

2.1

Диапазон температур применения, ºС

-60…+250

-180…+450

-250…+700

2.2

Коэффициент теплопроводности, Вт/мºС

0,038..0,042

0,04…0,047

0,031..0,034

2.3

Температура спекания, ºС

600

850

1100

Таблица 2 не требует особых комментариев.

            Следует отметить лишь то, что для стеклянного и минерального волокон приведены "лучшие" показатели. Они могут существенно отличаться от табличных в зависимости от марки стекла или состава шихты в минеральном волокне. Базальтовое волокно стабильно по составу и, соответственно, по температурным характеристикам. Кроме того, при оценке температурных характеристик необходимо учесть не только то, как волокно "держит" температуру, но и как меняется его прочность (Таблица 1, строка 1.6). Вывод очевиден в пользу базальтовых волокон.

Пример из жизни.

            На АЭС один раз в 6 месяцев проводится замена теплоизоляции паропроводов с температурой носителя 150-160 ºС. Стекловата за это время превращается в стеклянную пыль желтоватого цвета. Минеральные волокна вообще запрещено использовать. Базальтовое волокно за 3 года не претерпело видимых изменений.

Вибростойкость волокон

            Очень важный показатель, влияющий на долговечность изоляции. Вибрационным и акустическим нагрузкам подвергаются все конструкции - и строительные, и технологическое оборудование и, в особенности, транспортные средства. В Таблице 3 представлены данные, позволяющие оценить эту характеристику.

Таблица 3

Параметр (характеристика)

Стекловолокно

Минеральное

Базальтовое (БСТВ)

3.1

Виброустойчивость,

(потеря веса при вибровоздействии) % при температуре:

200 ºС

450 ºС

900ºС

(v=50 Гц, А=1мм, t=3 часа)




12

41

100




40

75

100




-

0,01

0,35

3.2

Акустическая характеристика

Коэффициент звукопоглощения

0,8…0,92

0,75…0,95

0,95…0,99

            Именно высокая вибростойкость базальтовых волокон определила их исторически первую область применения - аэрокосмический комплекс и судостроение. Кроме того, базальтовые волокна - эффективный звукоизолятор, который не только изолирует, но и не разрушается сам от звуковых колебаний.

Примеры из жизни.

- Во всех самолетах используется только изоляция из базальтового супертонкого и ультратонкого волокна - не "сыпется", не пылит, переносит частые теплосмены;

- Тепло-звукоизоляция глушителей японских автомобилей - из базальтовых материалов.

Химическая стойкость

Таблица 4

Параметр (характеристика)

Стекловолокно

Минеральное

Базальтовое (БСТВ)

4.1

Химическая устойчивость (потеря веса ) ,%

 

в воде

в щелочной среде

в кислотной среде

6.2
6,0
38,9

4.5
6,4
24,0

1,6
2,75
2,2

4.2

Водопоглощение

за 24 часа, %

1,7

0,95

0,02

            В теплоизолирущих материалах всегда присутствует некоторое количество влаги в виде пара или жидкости. При определенных условиях пар может конденсироваться внутри материала. Также в процессе эксплуатации через неплотности паро- и гидроизоляции влага может попадать из окружающей среды. Вода осадков имеет кислотную реакцию. Утверждать, что даже при технически идеальной защите волокно не будет контактировать с влагой нельзя.

            Как видно из Таблицы 4, стеклянные и минеральные волокна уступают по химической стойкости базальтовым в 2,5-3 раза для нормальных и щелочных сред и 8- 17 для кислотных. Водопоглощение базальта в 85 раз ниже, чем стекла. Следовательно, можно утверждать, что разрушение стеклянных и минеральных волокон будет протекать значительно быстрее чем базальтового.

Пример из жизни.

            Пруток диаметром 10 мм из композиции "стеклонить - эпоксидная смола", погруженный одним концом в дождевую воду, разрушается в течении 2-х лет. Такой же пруток с композицией "базальтовая нить - эпоксидная смола" не разрушился в течении 7 лет. Этот пример тем более показателен, что волокна были внешне защищены.

Экологическая чистота производства и применения

            Само производство волокон при использовании разных видов сырья практически не будет отличаться друг от друга по степени воздействия на окружающую среду. Если же учитывать производство сырья, то для базальтового волокна и минерального - это только добыча нерудных полезных ископаемых, производимая с низкими энергетическими затратами. Для стекловолокна - это комплекс сложных и энергоемких механических и химических процессов с использованием ряда реактивов, производимых другими предприятиями химической отрасли.

            Необходимо отметить следующее. Базальтовые волокна длинные и тонкие. В мате они спутываются и держатся без связующего. Для транспортировки и придания базальтовому материалу "товарного вида" маты иногда простегивают нитью или обшивают тканью. В изделиях из стекловаты и минерального волокна всегда используют связующие - для придания им формы, защиты от влаги, повышения механических характеристик, повышения биостойкости и т.п. (то есть для исправления свойств самих волокон). В качестве связующего в подавляющем большинстве случаев используются фенольные смолы (от 1,5 до 10% по массе изделия). Все производители минеральных и стеклянных теплозвукоизоляционных изделий на фенольной связке имеют соответствующие гигиенические сертификаты и разрешения. Вместе с тем открытым остается вопрос о экологичности (фенол признан канцерогеном) их производства, долговечности (и продуктах распада), их накоплении в помещениях (проблема "фенольных домов"), эксплуатации в особых условиях.

Пример из жизни.

            В парилке бани, утепленной волокном на фенольном связующем, предельно допустимая концентрация (ПДК) свободных фенолов была превышена в 32 раза. Утеплительные плиты были закрыты пароизоляцией (фольга). В мансардном помещении, также утепленном плитами с фенолом, ПДК было превышена в 6 раз.

            Общее в этих 2-х примерах то, что изоляционные плиты нагревались - в парилке от печи, в мансарде - от крыши, а помещения плохо проветривались.
В общем, помещения, утепленные материалами с фенольным связующим, должны быть холодными и чаще проветриваться.

Пример из жизни:

            В 2002 году в Европе принята программа "зеленого строительства", одним из элементов которого является использование материалов на основе природных базальтов в целях тепловой и акустической изоляции.

            Экологическая нагрузка всего комплекса технологических процессов по получению и эксплуатации базальтовых волокон будет несоизмеримо ниже, чем при производстве и использовании аналогичных стеклянных или минеральных материалов.

Экономический аспект производства волокнистых материалов

            Производство материалов из базальтовых волокон должно быть дешевле, чем производство аналогичных изделий из стекла в связи с тем, что стоимость сырья отличается 20-40 раз. При производстве базальтовых волокон используется однокомпонентное природное сырье - базальтоподобные горные породы, которые только дробятся и промываются. Для того чтобы получить сырье для стекловолокна необходимо произвести само стекло, что представляет собой сложный и энергоемкий процесс. Минеральные волокна будут дешевле базальтовых - температуры их выработки ниже, следовательно, ниже и энергозатраты.

            Причинами более высокой рыночной стоимости базальтовых волокон по сравнению со стеклянными и минеральными являются следующее:
- несоизмеримо более крупные объемы производства стеклянных и минеральных волокон, что снижает их себестоимость;

- большие по размерам и поэтому более эффективные печи для плавки последних;

- большее внедрение энергосберегающих технологий и приемов в стекольном и минераловатном производствах в связи с длительным сроком их существования и совершенствования;
- более высокая потребительская ценность базальтовых волокон в связи с их экологической чистотой и лучшими характеристиками.

            Материалы на базальтовой основе должны иметь себестоимость существенно более низкую, чем аналогичные на стеклянной и немного большую, чем минеральных.

            Достигается это в первую очередь возможно за счет организационно-технических мероприятий - создания достаточно крупного и энергетически эффективного производства.

Пример из жизни.

            В КНР создано крупное производство непрерывного базальтового волокна (НБВ) с максимальным использованием энергосберегающих технологий. Себестоимость НБВ оказалась на 35% ниже себестоимости стеклянного, производимого тем же предприятием.