الیاف بازالت- خصویات و مواد کاربرد آن در صنعت

الیاف بازالت

در طی چند دهه اخیر با توجه به گسترش کاربردهای صنعتی الیاف مصنوعی، توجه به سمت فرایندهای تولید الیاف ویژه و صنعتی نظیر کربن، شیشه، کولار و … افزایش چشمگیری داشته است و هم اکنون در ایران علاوه بر مرکز تحقیق و توسعه الیاف پیشرفته که بر روی گسترش کاربردهای نظامی الیاف تمرکز نموده است چندین شرکت خصوصی نیز فعالیتهایی را در این زمینه آغاز نموده اند.

یکی از جدیدترین الیاف مصنوعی با کاربردهای صنعتی و ویژه، الیاف بازالت (Basalt) می باشد که توانسته است به خوبی جایگاه ویژه ای در بین الیاف صنعتی شیشه و کربن پیدا کند. تولید صنعتی این الیاف در ابتدا در انحصار اتحاد جماهیر شوروی و پس از فروپاشی آن کشورهای روسیه و اوکراین بود، اما در طی چند سال اخیر با توجه به قیمت نسبتاً پایین در مقایسه با خصوصیات بسیار جالب توجه آن کارخانجات جدیدی در کشورهای اروپای غربی نیز به سمت تولید این الیاف گرایش پیدا نموده اند.

بازالت

بازالت یک نوع سنگ سخت، سیاه و ریزدانه آتشفشانی است که از جامد شدن مواد مذاب ماگمای (Magma)  خروجی از لایه های زیرین پوسته کره زمین در سطح رویی و یا بستر دریاها شکل می گیرد. با توجه به حجم بسیار زیاد سطوح آتشفشانی بر روی قسمتهای خاکی کره زمین و سواحل، این سنگ از پراکندگی بسیار خوبی در نقاط مختلف کره زمین برخوردار است. همچنین با توجه به سرعت جامد شدن این سنگ، میزان رشد بلورینگی در این سنگ نسبت به سایر سنگهای موجود بسیار کمتر می باشد.

هرچند که میزان و نوع ترکیب مواد ساختاری سنگ بازالت به ناحیه شکل گیری آن وابسته است و در نقاط مختلف کره زمین سنگ های بازالت با ترکیبات مختلفی یافت می شوند، اما به طور کلی سنگ بازالت دارای ۴۵ الی ۵۲ درصد اکسید سیلیس، ۱۲ الی ۱۶ درصد اکسید آلومینیوم، ۶ الی ۱۸ درصد اکسید آهن، ۱۰ الی ۲۰ درصد فلزات قلیایی خاکی و ۲ الی ۸ درصد سایر فلزات قلیایی می باشد. ساختار بلوری بازالت نیز عمدتاً از پلاجیوکلاز (Plagioclase) (مانند آلبیت (Albite) و آنورتیت (Anorthite) و پیروکسن (Pyroxene)  عمدتاً اوگیت (Augite) تشکیل شده است.

ذوبریسیالیافبازالت

هرچند که اولین حق ثبت (Patent) مربوط به فرایند تولید الیاف بازالت مربوط به سال ۱۹۲۳ توسط فردی فرانسوی به نام پاول دهه (Paul Dhe) در آمریکا می باشد، اما نزدیک به ۳۵ سال هیچگونه فعالیت صنعتی خاصی جهت تولید این الیاف صورت نپذیرفت تا اینکه در سال ۱۹۵۸ اولین کارخانه صنعتی تولید این الیاف با ظرافت ۹ میکرون در کشور اوکراین که در آن زمان یکی از جمهوری های کشور اتحاد جماهیر شوروی بود آغاز شد. به دنبال آن در دهه ۱۹۶۰ میلادی این کشور بودجه تحقیقاتی وسیعی را جهت گسترش کاربرد این الیاف در صنایع نظامی اختصاص داد و منجر به رشد و توسعه فرایند تولید این الیاف گردید.

هرچند دانش این فرایند تا فروپاشی حکومت کمونیستی به صورت انحصاری و مخفیانه بود، اما از سال ۱۹۹۱ با تجزیه اتحاد جماهیر شوروی شرکتهای خصوصی بدون محدودیت شروع به تولید این الیاف نمودند و فرایند تولید آن آشکار گردید، اما با این وجود تا مدت زیادی تنها شرکت های روسی و اوکراینی در این زمینه فعال بودند.

به طور کلی فرآیند تولید الیاف شیشه و بازالت بسیار شبیه یکدیگر است. در هر دوی این فرایندها، در ابتدا مواد کانی با حرارت بسیار زیاد ذوب شده و توسط کانالهای انتقال دهنده به قسمت ذوب ریسی و صفحات رشته ساز که در این صنعت به جای اسپینرت، به نام بوشینگ (Bushing) شناخته می شوند منتقل می شوند و با عبور از منافذ آنها و جامد شدن در هوای سرد به صورت رشته های لیفی در می آیند. معمولاً بوشینگ ها از آلیاژهای ویژه پلاتین و رودیوم ساخته می شوند که در مقابل عبور مواد مذاب با فشار و تنش بسیار زیاد از منافذ آنها مقاوم باشند. رشته الیاف سرد و جامد شده پس از عبور از کانال کوئنچ ابتدا روغن خورده و سپس بر روی وایندر پیچیده می شود.

برخلاف الیاف شیشه، الیاف بازالت به طور مستقیم و طبیعی از یک نوع سنگ تولید می شوند و به همین دلیل ترکیب اصلی آن وابسته به منبع تهیه آن سنگ می باشد و امکان دخالت در ترکیبات آن بسیار کم می باشد. ترکیب شیمیایی این سنگ مهمترین پارامتر موثر بر فرایند بوده و تاثیر مستقیمی بر ویسکوزیته مذاب و دمای فرایند دارد. از طرف دیگر خصوصیات مکانیکی و همچنین پایداری شیمیایی الیاف به ترکیب ساختاری و شیمایی آن بستگی دارد.

بطور کلی ویسکوزیته مذاب به نسبت مولی اکسیدهای اصلی سازنده سنگ بستگی دارد و طبق فرمول زیر محاسبه می شود:

Mv = (XSiO2 + XAl2O3) / (2XFe2O3 + XFeO + XCaO + XMgO + XK2O + XNa2O)

برطبق این فرمول افزایش میزان اکسید سیلیس و اکسید آلومینیوم منجر به افزایش ویسکوزیته مذاب و در نقطه مقابل افزایش میزان اکسید آهن، اکسید کلسیم، اکسید منیزیم، اکسید پتاسیوم و اکسید سدیم منجر به کاهش ویسکوزیته مذاب می شود.

هرچند که فرایند تولید و حوزه های کاربرد الیاف بازالت و شیشه بسیار نزدیک به هم می باشد، اما سابقه و میزان تحقیقات صورت گرفته بر روی الیاف بازالت بسیار ناچیز و جدید می باشد.

مهمترین ویژگی الیاف بازالت سهم بسیار زیاد اکسید آهن (Fe2O3 و FeO) در ترکیب آن می باشد که منجر به تیره بودن مذاب بازالت می شود. با توجه به اینکه فرایند ذوب کردن در کوره های القایی و با اشعه مادون قرمز صورت می گیرد، به دلیل تیره بودن مذاب میزان عبور اشعه مادون قرمز از آن کاهش یافته و در نتیجه همگنی و یکنواختی توزیع حرارتی در مذاب بسیار سخت می باشد. از طرف دیگر وجود اکسیدهای آهن در مذاب منجر به ایجاد فرایند بلورینگی در محدوده دمایی ۷۲۰ الی ۱۰۵۰ درجه سانتیگراد شده که تاثیر مستقیمی بر افت خصوصیات مکانیکی الیاف بازالت دارد.

دمای ذوب الیاف بازالت درحدود ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد است که البته دمای دقیق آن شدیداً تحت تاثیر نوع ترکیبات شیمیایی موجود در سنگ بازالت است.

هرچند این دما تقریباً ۳۰۰ درجه سانتیگراد بیشتر از دمای ذوب الیاف شیشه نوع E می باشد، اما با توجه به تاثیر مستقیم دمای مذاب بر روی ویسکوزیته آن، محدوده دمایی فرایند ذوب ریسی این الیاف بسیار محدود می باشد و باید کنترل دقیقی بر روی یکنواختی حرارتی منافذ صفحه رشته ساز بوشینگ آن صورت پذیرد.

رفتار متقابل ویسکوزیته – دما در مورد الیاف شیشه نوع E سبب می شود که در فرایند تولید آنها بتوان از بوشینگ هایی با ۵۰۰۰ منفذ نیز استفاده نمود، در حالیکه در مورد ذوب ریسی الیاف بازالت معمولاً تعداد منافذ بوشینگ در حدود ۴۰۰-۲۰۰ عدد می باشد و به ندرت در موارد خاصی تعداد آنها به ۱۰۰۰ عدد نزدیک می شود.

سنگ های بازالت مورد استفاده در فرایند تولید الیاف بازالت بایستی از ترکیب ساختاری ثابتی برخوردار باشند و پس از ذوب شدن نبایستی باقیمانده بلوری جامدی در آنها وجود داشته باشد، اما در طرف مقابل در فرایند تولید الیاف شیشه می توان مواد اولیه را با درجه خلوص بالا و به نسبت دلخواه با یکدیگر ترکیب نمود و از آلیاژ ایده آل و دلخواه حاصله جهت تولید الیاف شیشه استفاده نمود.

مواردکاربرد

الیاف بازالت را می توان جایگزین الیاف شیشه نوع E با خصوصیات مکانیکی، حرارتی و شیمیایی بسیار بهتر نسبت به آن عنوان نمود. به همین دلیل کاربردهای این الیاف تقریباً با یکدیگر مشابه می باشد.

از الیاف بازالت به صورت رووینگ (فتیله) و نخ در ساخت پره توربین های بادی، مخازن تحت فشار و با استحکام بالا (صنایع نفت و گاز)، لوله های انتقال مواد شیمیایی و هم چنین مخازن نگهداری مواد شیمیایی، استفاده میگردد. از پارچه های با بافت های مختلف (ساده، ساتین و …) در تولید بدنه خودروها، قایق، کشتی و … نیز استفاده می شود. ریسمان و طنابهای بازالتی تهیه شده از نخهای بافته شده، از مقاومت حرارتی عالی و ضریب حرارتی کم و انعطاف پذیری بالا برخوردار بوده و به همین دلیل در پانلهای بتونی و لوله نیروگاهها و همچنین صنایع شیمیایی، هوایی و کشتی سازی بکار برده میشوند. نمدهای بازالتی با جذب بالای صدا و انرژی صوتی، با پوشش پارچه ای به عنوان عایق صوتی بسیار مناسب در کارخانجات تولیدی، هواپیماها، توربین ها و … بکار برده می شوند

مهمترین برتری الیاف شیشه نسبت به الیاف بازالت قابلیت تغییر و اصلاح در میزان ترکیبات تشکیل دهنده آن می باشد که تاثیر مستقیمی در بهینه سازی خصوصیات الیاف نهایی و تطبیق آنها با نیاز مصرف کننده دارد. به همین دلیل تاکنون انواع مختلفی از الیاف شیشه ابداع شده اند که هرکدام از آنها جهت کاربرد ویژه ای مناسب هستند. به عنوان مثال بیشتر بودن میزان اکسید سیلیس و اکسید آلومینیوم در شیشه نوع S منجر به بهبود ثبات حرارتی و مدول یانگ آن و بیشتر بودن اکسید روی در شیشه نوع AR منجر به کاهش حساسیت این الیاف نسبت به محیط های قلیایی گشته است.

خصوصیاتالیافبازالت

دسته بندی خصوصیات الیاف بازالت بسیار سخت و پیچیده می باشد و با توجه به محل تامین سنگ اولیه، خصوصیات این الیاف می تواند بسیار متنوع باشد و حتی در بعضی موارد معادن مختلف یک محل نیز سنگهایی با ترکیبات ساختاری متفاوت دارند.

به طور کلی زیاد بودن میزان اکسید آلومینیوم و اکسید سیلیس منجر به افزایش استحکام کششی و مدول یانگ می شود و افزایش میزان اکسید آهن منجر به بهبود مقاومت حرارتی و هدایت الکتریکی خواهد شد.

همچنین زیاد بودن اکسیدهای فلزی نظیر سدیم، منیزیم، آلومینیوم، پتاسیم، کلسیم و آهن منجر به کاهش مقاومت در محیط اسیدی می شود و جهت بهبود مقاومت در محیط قلیایی معمولاً بایستی یه میزان اکسید سیلیس افزود.

هرچند که به دلیل عدم توانایی جهت انتخاب میزان ترکیبات تشکیل دهنده الیاف بازالت با محدودیت مواجه هستیم، اما هم چنان می توان گفت که از لحاظ تجاری این الیاف نسبت به الیاف شیشه دارای برتری های بالقوه قابل ملاحظه ای هستند.

در حال حاضر الیاف شیشه با وجود خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی پایین تر نسبت به الیاف بازالت بیش از ۹۵% بازار تولید مواد کامپوزیتی را در اختیار دارند که با گسترش فعالیتهای تحقیقاتی بر روی الیاف بازالت و به دلیل ارزانی مواد اولیه آن پیش بینی می شود در آینده ای نزدیک این روند تغییر یابد.

در طی چند سال اخیر بسیاری از شرکتهای صاحب نام به سمت تولید الیاف معدنی گرایش پیدا نموده اند و در حال حاضر ۸ شرکت در دنیا الیاف بازالت و معدنی تولید می نمایند که عبارتند از شرکت های:

– آسامر بازالتیک فایبر…….       در اولسدورف – اطریش،

– دویچه بازالت فاسر……..       در سانگرس هائوسن – آلمان،

– ایزوماتکس………………..       در گمبلوکس – بلژیک،

– کامنی وک     ………………..   در دوبنا – اوکراین،

– تکنوبازالت اینوست……         در کیف – اوکراین،

– ولکان………………………..در پرم – روسیه،

– پاسیا فایبر اند کامپوزیت…….. در تونگ ژیانگ – چین،

– ژجیانگ جی بی اف…………… در هانگژو – چین.

الیافبازالتدرایران

با توجه به گستردگی معادن سنگ بازالت در ایران، در حال حاضر از سنگ بازالت در کف‌سازی پیاده‌روها، جدول خیابان‌ها و به ‌صورت چرمی یا ساییده برای نمای ساختمان‌ها، به عنوان پشم سنگ، لنت ترمز وسایل نقلیه، عایق حرارتى و استفاده می شود. اما همان گونه که عنوان گردید از تمام انواع سنگ بازالت نمی توان جهت تولید الیاف استفاده نمود. از جمله معادنی که سنگ استحصالی از آنها جهت تولید الیاف بسیار مناسب می باشد می توان به معدن ماکو در آذربایجان غربی اشاره نمود که از این لحاظ حتی برای تولید الیاف بازالت ظریف مناسب می باشد.

بررسی ها نشان می دهد که در حال حاضر چندین طرح جهت تولید الیاف بازالت در استانهای زنجان، خراسان جنوبی، لرستان و … به ثبت رسیده است که عمدتاً هدف آنها تولید الیاف بازالت با قطر ۹ الی ۱۷ میکرون به صورت رووینگ (فیتیله) با ظرافت ۵۴ الی ۳۳۰ تکس (چند لا شده با ظرافت تا حد ۴۸۰۰ تکس) و یا به صورت خرد شده (Chopped Strand) در طول ۶ الی ۸۳ میلیمتر می باشد.

جمعبندی

بررسی ها نشان می دهد که علاوه بر موانع فنی، میزان نفوذ الیاف بازالت در بازار کامپوزیت ها به عوامل دیگری نیز بستگی دارد. از یک طرف هنوز ظرفیت تولید شرکتهای عرضه کننده این الیاف بسیار محدود و مناسب بازارهای خاص می باشد و از طرف دیگر ماشین آلات تولید این الیاف نسبتاً پیچیده و گران قیمت می باشند.

در حال حاضر دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی متعددی در کشورهای اروپایی اطریش، بلژیک، جمهوری چک، مجارستان، آلمان، ایتالیا، اسپانیا، اوکراین و روسیه به طور خاص بر روی این حوزه تمرکز نموده اند و امیدوارند در آینده بتوانند با اصلاح خصوصیات این الیاف علاوه بر کاهش هزینه های تولید آن، بازار مصرف آنرا نیز گسترش دهند.

با توجه به رشد صنعت کامپوزیت در ایران و وجود منابع اولیه با کیفیت بالای این الیاف در کشور پیش بینی می شود در صورت اعمال حمایت های مناسب پتانسیل رشد بسیار مناسبی در این حوزه وجود داشته باشد.

ماخذ:

[۱]Pico, D., Wilms, Ch., Seide, G., Gries, Th., “Natural volcanic rock fibers”, Chemical Fibers International, 2/2011, pp. 90-91.

[۲]www.c-fibers.com

[۳] الیاف بازالت در کاربردهای پیشرفته، نشریه کامپوزیت، شماره ۳۱، پاییز ۱۳۸۷، صفحه ۲۳-۲۱

[۴] الیاف آتشفشانی (بازالت)، نشریه کامپوزیت، شماره ۲۷، پاییز ۱۳۸۶، صفحه ۲۷-۲۶

[۵] ویژه نامه الیاف بازالت، نشریه کامپوزیت، شماره ۲۵، بهار ۱۳۸۶، صفحه ۱۸-۴

{/access}

مهندس شاهین کاظمی

دانشجوی دکتری مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

 

ارسال مقالات و ترجه جهت انتشار در سایت : info@kohanjournal.com

جهت دریافت آخرین خبرها و به روز ترین نمایشگاه های نساجی و فرش ماشینی ایران و جهان در فرم زیر ثبت نام کنید

[instagram-feed]