1. Анализ существующих технологий и технических средств для переработки базальтовых волокнистых отходов
1.1 Технологические линии для производства теплоизоляционных материалов и изделий из базальтовых волокнистых отходов
В связи с жилищным строительством проявляются повышенная потребность в эффективных теплоизоляционных материалов, обеспечивающих: энергоэффективность, долговечность, пожаробезопасность и экологическая безупречность — основные критерии, которым должны отвечать современные здания и сооружения. Базальтовые плиты легкие гидрофобизированые, теплоизоляционные плиты, изготовленные из базальтовой ваты на основе расплава горных пород базальтовой группы. Теплоизоляционные плиты используются в качестве теплоизоляции легких стен, сэндвич панели, межэтажных перекрытий, мансард и кровельных конструкций при новом строительстве и реконструкции зданий и сооружений различного назначения.
Сразу же заметим, что вата минеральная в России изготавливается на основе множества материалов – доломита, базальта, диабаза, шлаковый материал получают за счёт шлакового отхода, идущего из доменной металлургии (рис. 1). Несмотря на тот факт, что внешне минеральная вата от разных производителей абсолютно идентична, на самом деле технология производства всё же имеет определённые различия. Состав данного материала учитывает его эксплуатационные и технические параметры, теплоизоляционные данные, повышенную сопротивляемость нагрузкам динамического характера. На качество материала важное значение оказывает его химическая формула, а также толщина получаемого волокна – чем оно тоньше, тем лучше теплоизоляционные характеристики у базальтовой ваты.
Производство каменной ваты – это сложный, многоступенчатый технологический процесс.
Рис. 1 - Технологическая схема производства теплоизоляционных матов из базальтового волокна с использованием вагранки
В промышленных масштабах производство волокнистых теплоизоляционных материалов выглядит следующим образом (рис. 2).
На начальной стадии производства минеральной ваты является расплав сырьевых компонентов. Подготовленная смесь и загружается в плавильные печи или вагранки. Температура плавления колеблется в диапазоне от 14000 до 15000 С.
От вязкости расплава зависит толщина и длина волокон, а также теплоизоляционные и динамические свойства получаемого материала.
Рис. 2 - Технологическая схема производства волокнистых теплоизоляционных материалов
После этого, доведенный до определенной вязкости расплав загружается в центрифуги, где вращаются валки (? = 7000 об/мин) и разрывают расплавленную массу на мириады волокон. Внутри камеры центрифуги эти волокна покрываются синтетическими связующими компонентами. Обычно для этих целей применяются смолы. Обеспечивается мощный поток воздуха, который переносит волокна в камеру охлаждения, где формируется ковер.
Далее волокна поступают на гофрировочную или ламельную машину, где ковер из волокон становится заданной формы и объема. После этого ковер из базальтовой ваты помещают в термокамеру. Под высокими температурами органическое связующее вещество проходит полимеризацию, при этом базальтовой вате придают окончательную форму, размер и объем. Прочностные свойства формируются при финишной термообработке. На этом этапе важно соблюдать особые температурные режимы.
На конечном этапе полимеризованную базальтовую вату разрезают на блоки определенных размеров и упаковывают. Данный утеплитель обеспечивает теплоизоляцию, звукоизоляцию стен, полов, чердаков зданий и сооружений как в жилищном так и в промышленном строительстве.[4-6]
1.2. Физико-механические характеристики базальтовых волокнистых отходов
Особенностью базальтового волокна, отличающей его от других типов неорганических волокон, является сложность и вариантность состава. Химический состав базальтового волокна составляют минералы: основной плагиоклаз (лабрадор (K0,1Na0,54Ca0,36(Si,Al) 4O8), битовнит (K0,1Na0,72Ca0,18(Si,Al)4O8), авгит ([Ca(Mg,Fe(II))(Al,Fe(III),Ti){(Si,Al)2O6}]), оливин ([(Mg,Fe)2{SiO4}]), а также не полностью кристаллизованная стеклообразная фаза. Главными породообразующими оксидами являются SiO2 (43-58% (масс.)), Al2O3 (11-20%), CaO (7-13%), FeO + Fe2O3 (8-16%) и MgO (4-12%). Кроме того, в состав базальта входят Na2O, K2O и TiO2 (до 4%). Состав базальтовых пород может меняться не только от одного месторождения к другому, но и в пределах одного и того же месторождения.
Основываясь на данных состава базальтового волокна, его можно характеризовать как многокомпонентное, алюмосиликатное и железосодержащее волокно с низким содержанием щелочных металлов. Состав волокна может быть неоднородным по длине нити. Из-за окисления железа Fe2+ до Fe3+ при термообработке (300 ?C и выше) в кислородной атмосфере базальтовое волокно теряет однородность своего состава по диаметру. При 800 ?C на поверхности базальтового волокна образуются шпинельная фаза (Mg,Fe)3O4, которая сопровождается перераспределением элементов Na, K, Ca и Mg по диаметру волокна. При более высокой температуре начинают кристаллизоваться фазы плагиоклаза, авгита, анортита и пр. Согласно литературным данным, исходное непрерывное волокно имеет гладкую и ровную поверхность, без крупных дефектов (рис 1.2).
В таблицах 1, 2 приведены сравнительные характеристики различных типов волокон.
Таблица 1
Физико-механические характеристики свойств различных типов волокон
Таблица 2
Физико-механические характеристики свойств различных типов волокон
Показатель Материалы
Базальто-вая фибра Поли-пропи-лено-вая фибра Стекловолоконная фибра Стальная (металлическая) фибра
Прочность на растяжение, МПа 3500 150-600 1500 - 3500 600 - 1500
Диаметр волокна 13 -17 мкм 10 -25 мкм 13 -15 мкм 0,5 -1,2 мм
Длина волокна 3,2 -15,7 мм 6 – 18 мм 4,5 – 18 мм 30 – 50 мм
Модуль упругости, ГПа Не менее 75 35 75 190
Коэффициент удлинения, % 3,2 20 - 150 4,5 3 – 4
Температура плавления, 0С 1450 160 860 1550
Стойкость к щелочам Высокая Высокая Низкая Низкая
Плотность, г/см3 2,6 0,91 2,6 7,8
Базальтовое волокно имеет среднюю плотность, высокую прочность на растяжение, сравнимую с стекло- и углеродным волокном. Обладает более высокой термической и химической устойчивостью к агрессивным кислотным и щелочным средам, чем стекловолокно. Характерен широкий температурный диапазон применения. С повышением температуры механическая прочность на разрыв базальтовых и стеклянных волокон падает, в отличие, например, от углеродного волокна. Это связано с аморфной природой базальтового волокна и присутствием двух форм железа в его составе. При повышении температуры начинаются процессы кристаллизации, сопровождаемые диффузией Fe2+к поверхности волокна и его дальнейшим окислением до Fe3+.
Результатом этих процессов является формирование концентраторов напряжений на поверхности волокон, соизмеримых с размерами опасных микродефектов и микротрещин, что приводит к снижению прочности волокна на разрыв.[6-12]
1.3. Использование базальтовых волокнистых отходов при производстве тепло-огнестойких материалов, композиционных смесей и изделий.
1.3.1 Теплоизоляционные материалы и изделия из отходов базальтового волокна.
Необходимо отметить положительные аспекты воздействия на окружающую среду теплоизоляционных материалов из базальтового волокна. При производстве используется значительно меньше энергоресурсов, чем при выпуске строительных материалов таких как бетон и кирпич, снижается количество выбросов в атмосферу. Позволяет экономить на отоплении, так как теплоизоляция обеспечивает высокий уровень теплозащиты. Следовательно, выбросы при производстве отопительной энергии уменьшаются.
В течение срока службы (до 50 лет) типовой изоляционный продукт на основе базальтового волокна IZOVOL и IZOBEL сберегает более чем в 100 раз больше энергии, затраченной на его производство, транспортировку и утилизацию. Баланс СО2 и энергии становится положительным через несколько месяцев после установки материала.
Насыпная (задувная, набивная) вата – относительно новый удобный и экономичный базальтовый теплоизоляционный материал, получаемый при дезагломерации (измельчении) базальто-ватных плит и отходов производства ваты в специальной установке (патент РФ №2 692624 Вибро-центробежный агрегат комбинированного действия). [12 -182]
Область применения:
Утепление строительных конструкций: чердаков, перекрытий, полов. Вата базальтовая насыпная плотность 200-260 кг/м3
Методы утепления:
1. Автоматизированный - характеризуется способом укладки теплоизоляционного слоя, при котором используется специализированное компрессорно-шнековое оборудование, подающее утеплитель на строительные конструкции.
2. Механический – характеризуется укладкой материала вручную.
Технология утепления.
Утепление чердаков, потолочного пространства и пола: при теплоизоляции чердачного пространства вся горизонтальная поверхность чердака покрывается ровным слоем ваты, которая обволакивает также вентиляционные трубы, заполняя малейшие зазоры. В случае если на чердаке, не предполагается устройство дополнительной теплоизоляции, задувную вату рекомендуется наносить слоем 15-25 см. Относительно кирпичной кладки, слой задувной ваты в 20 см равен 2,5 кирпичам.
Характеристики задувной (насыпной) ваты:
- является негорючим материалом (группа горючести НГ);
- длительный период разложения (50 лет);
- химическая стойкость;
- теплопроводность (0,038 Вт/(м*К));
- водопоглощение (не более 2 %);
- плотность 200-260 кг/м3. [3]
Теплоизоляционные свойства. Состоит из тончайших волокон, хаотично соединенных между собой и образующих ячейки, заполненные воздухом.
Противопожарные свойства. В отличие от эковаты, материалы из базальтовой ваты эффективно препятствуют распространению пламени и могут использоваться в качестве противопожарной изоляции и огнезащиты.
Гидрофобные свойства. При производстве изделий из базальтовой ваты, применяются специальные добавки для усиления их водоотталкивающих свойств.
Высокая паропроницаемость. При повышенной влажности и проникновении влаги в волокно, после прекращения такого воздействия влага из нее испарится. Пропуская водяной пар, базальтовая вата практически всегда остается сухой, сохраняя внутренний температурный режим помещения.
Безопасность и экологичность. Базальтовое волокно безопасно для экологии и здоровья человека. Нетоксично, не подвергается биологическому разложению, не имеет запаха.
Насыпная вата является «дышащим материалом», который защищает от появления грибков и плесени в тех местах, где теплоизоляция соприкасается с конструкциями здания.
Преимущества применения:
-обладает эластичностью и легкостью;
-обладает малой усадкой и не аккумулирует влагу;
-легкость монтажа в труднодоступных местах, позволяет заполнить все имеющие пустоты и трещины строительных конструкций;
-позволяет создать ровный, плотный непрерывный слой теплоизоляции, гарантирует отсутствие «мостиков холода» и гарантирует сокращение энергорасходов на отопление;
- возможность повторного использования.
1.3.2. Огнестойкие материалы из базальтовых волокон, используемые при пожаротушении
Покрытие из базальтового волокна используют для защиты различных конструкций от воздействия открытого огня. Оно обладает широким спектром возможностей, способствует увеличению уровня пожарной безопасности объектов с разными параметрами.
Волокно сможет устоять под воздействием высоких температур. Возможно длительный сроком эксплуатации, имеет толщину до 10 см. Такие характеристики делают материал востребованным на рынке товаров, предназначенных для обеспечения пожарной безопасности.
При изготовлении базальтовой ваты для огнезащитных изделий обычно не используют никаких связующих компонентов. Материал сворачивают в рулоны и покрывают сверху алюминиевой защитной плёнкой.
Противопожарный материал из базальтовой ваты в виде плит или рулонов по структуре очень похож на вату из хлопка. В толще материала, между мельчайшими ворсинками, есть большое количество воздушных пузырьков, которые наделяют изделие высоким уровнем термического сопротивления (рис.3).
Рис. 3 Огнестойкая базальто-волокнистая изоляция
Базальтовые волокна относятся к категории минеральных ват. К ней же принадлежат такие материалы, как шлаковата (в её основу положен доменный шлак) и стекловата (формируется из расплавленного стекла). Среди всех разновидностей минеральной ваты, именно изделия из базальта считаются самыми качественными и надёжными. Базальт обладает большей экологической чистотой в сравнении, например, со шлаковатой. Этот материал не так колется, как стекловата. С такой огнезащитой легко работать.
Из базальтовых волокон производитель формирует рулон теплоизоляционного материала с противопожарными свойствами, или же прессованный материал в виде матов.
Огнезащита базальтовыми матами применяется чаще на стенах и потолке, а рулоны базальтового материала подходят для защиты вентиляционных каналов. Огнезащита из базальта в рулонах представлена несколькими вариациями:
• без покрытия;
• на одной из сторон материала есть подкладка из стеклоткани;
• с покрытием в виде фольги;
• обе стороны базальтового рулона покрыты подкладкой из стекловолокна.
Каждая из названных разновидностей базальтовой рулонной огнезащиты имеет свою маркировку:
• МБОР-5 — противопожарный материал без покрытия;
• МБОР-5Ф - изделие покрыто фольгой;
• МБОР-5С - покрытие стеклотканью с одной стороны;
• МБОР-5С2 - двустороннее покрытие стеклотканевым материалом.
