الشركة العربية للتعدين – الفجيرة
خصائص ألياف البازلت ومركباتها
الألياف البازلتية هي منتج صديقة للبيئة لا تسبب الضرر وذات إمكانات عالية وأهمية استراتيجية تحمل وعود كبيرة في مجالات واسعة على المستوى العسكري والمدني.
أظهرت النتائج أنه مقارنةً بالألياف الزجاجية وألياف الكربون وألياف الأراميد، تتميز ألياف البازلت بخصائص ميكانيكية جيدة ومقاومة الأحماض والقلويات وخصائص كهربائية ممتازة ونفاذية عالية، كما أنها غير موصلة وتمنح عزلاً صوتياً ممتازًا وأداء عزلٍ عاليًا. وبناءً على هذه المزايا، فإن الجمع بين ألياف البازلت والمادة الأساسية قد يعزز خصائص المواد. وقد يتمكن من تحويل ألياف البازلت ومركباته إلى ملابس واقية لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة ومواد لعزل الصوت المستخدمة في صناعة تقليل الصوت والعزل الحراري. بالإضافة لإمكانية استخدامها في الإنتاج في مجالات واسعة كمجالات الفرامل، والكهرباء، والكهرومغناطيسية، وغيرها.
المقدمة
تعتبر الألياف عالية التقنية ذات أهمية كبيرة لقطاع البناء وداعماً رئيسيًا في تطوير قطاع التكنولوجيا أيضًا [1]. في السنوات الأخيرة، أصبح طلب السوق على منتجات المواد المركبة المصنوعة من الألياف ذات التقنية العالية ينمو بشكل أسرع وأوسع بمتوسط سنوي يبلغ 30٪ في الصين لوحدها.
تحاول الدول في الوقت الحالي العمل على تطوير واستخدام نوع من الألياف يكون عالي التقنية ويمتاز بسعرٍ منخفض وأداءٍ مثالي وتمتلك الصين في ذلك حقوق ملكية فكرية مستقلة لتكون قادرة على تلبية حاجات المجتمع المتنامي بسرعة كبيرة. الألياف البازلتية هي مادة جديدة يتم تطبيقها على نطاق واسع في المجالات العسكرية والمدنية، مثل الفضاء والهندسة المعمارية والصناعات الكيماوية والطب والإلكترونيات والزراعة، حيث تُعرف باسم المادة الجديدة للقرن الحادي والعشرين [2،3].
إن من الصعب التحكم في سعر وجودة هذه الألياف، حيث تحتكر اليابان ألياف الكربون بشكل مطلق، كما أن الأبحاث حول ألياف الكربون وألياف الأراميد والألياف ذات الوزن الجزيئي العالي جداً في الولايات المتحدة هي أيضاً متقدمة على الصين. الألياف البازلتية هي مادة الألياف الخضراء والصحية الوحيدة الموجودة دون أي تلوث بيئي. إن التطور المستمر للاقتصاد الاجتماعي يُعمق فهم وتطبيق ألياف البازلت لدى الناس، ويتزايد طلب السوق على ألياف البازلت ومنتجاتها بشكل سريع.
لا تزال أبحاث الألياف البازلتية في المراحل الأولية، ودراسة أداء ألياف البازلت والمواد المركبة ليس فقط ذات أهمية نظرية وعلمية، ولكنها أيضاً ذات أهمية استراتيجية كبيرة.
٢- ألياف البازلت وعملية تصنيعها
٢-١ ألياف البازلت
يتطلب إنتاج ألياف البازلت صهر صخور البازلت المسحوقة والمغسولة عند حوالي 1400 درجة مئوية. يتم بعد ذلك بثق الصخور المنصهرة من خلال فوهات صغيرة لإنتاج خيوط مستمرة من ألياف البازلت، وهي ألياف جديدة لحماية البيئة تعرف باسم” حرير الصخر البركاني للقرن الحادي والعشرين“، وتسمى كذلك ب“الألياف الذهبية“ لأن لونها قريب من اللون البني الذهبي.
الشكل (١): ألياف البازلت
٢-٢ المعدات والتكنولوجيا لألياف البازلت
تنقسم مواد الخام والطاقة في إنتاج ألياف البازلت إلى صخر البازلت والغاز والكهرباء ومركب النقع.
أما المعدات فهي عبارة عن فرن سحب أسلاك يعمل بالغاز أو الكهرباء وجلبة سبائك الروديوم البلاتيني، الكسارة والقضيب ومكون النقع المركب، ومعدات النقل، وآلة اللف، والنول. ويوضح الشكل (٢) عملية التصنيع والشكل (٣) مخطط التدفق.
1-Bin, 2-Feeder, 3- Lift conveyor, 4- Quantitative feeder, 5- Primary melting zone of raw materials, 6- Natural gas nozzle, 7- second stage melting zone (front furnace), 8- Platinum rhodium alloy bushing, 9- impregnating compound configuration equipment, 10- buncher, 11- Fiber tensioner, 12- Automatic fiber winding machine.
الشكل ٢. عملية تصنيع الألياف البازلتية
٣– إنتاج ألياف البازلت
مقارنةً مع أنواع الألياف الأخرى، فإن ألياف البازلت المستمرة متقاربة في القوة عن غيرها من المواد كالراتنجات المختلفة والمواد الغير العضوية [4]. وبالتالي لديه أداء أفضل. حيث يمكن إدخال ألياف البازلت المستمرة في العديد من المواد المركبة ذات الخصائص التعزيزية الخاصة.
سواء للألياف المعالجة من غير طبقة سطحية أو بالألياف المعالجة بالسيليكون، فإن قوة الترابط لألياف البازلت وراتنج الإيبوكسي أعلى من تلك الموجودة في الألياف الزجاجية، وهي أيضاً أفضل من ألياف الكربون والألياف التي تحوي على نسبة عالية من الأكسجين والسيليكون [5-6].
٣-١ الأساس والإنتاج
(١) مركب مع مصفوفة لتعزيز وتحسين خصائص المادة [7]
تتميز ألياف البازلت المستمرة بمعامل مرونة عالي ومقاومة أفضل لدرجات الحرارة المختلفة، ومقاومة التأثيرات والاستقرار الكيميائي مقارنةً بالألياف الزجاجية، وبالتالي فإن المواد المركبة التي تتكون من أنواع مختلفة من الراتنجات تمتازُ بخصائص فيزيائية وكيميائية مثالية، كما يمكن تحويلها إلى أشكالٍ معقدةٍ للاستخدام طويل الأمد في بيئات تتعرض للضغط العالي وتكون عرضة أيضًا للتأثيرات الكيميائية والحرارية. وتتم مقارنة المركبات المعززة بألياف البازلت مع الألياف الزجاجية أو المركبات المعززة بألياف الأراميد على مستويات عدّة. حيث إن تكلفتها مماثلة أو أقل قليلاً من تكلفة الألياف الزجاجية. إن مؤشرات الأدء الرئيسية لألياف البازلت أفضل بكثير من الألياف الزجاجية المصنوعة من السيليكون والألمنيوم التقليدي، حتى أنها قريبةٌ من ألياف سيليكات المغنيسيوم باهظة الثمن، وبعض خصائصها قريبةٌ من ألياف الكربون.
١. قضبان ألياف البازلت المركبة المعززة
تتكون قضبان ألياف البازلت المعززة من ألياف البازلت ذات القوة العالية وراتنج الفينيل (راتنجات الايبوكسي) من خلال عملية الغزل واللف وطلاء السطح والقولبة المركبة. إنها مادة بناء جديدة تتميز بخصائص القوة العالية، ومقاومة الأحماض والقلويات الممتازة والمتانة. كما أن صلابته تبلغ ٣ أضعاف القضيب الفولاذي، وكثافته ربع تلك للقضيب الفولاذي. قد تحل ألياف البازلت في بعض جوانب الهندسة المدنية محل القضبان الفولاذية، لأنها مادة جديدة وخضراء وبيئية، كما أنها اقتصادية وعالية الأداء. يمكن استخدامه في شبكة التعزيز الأساسية في رصف الطرق أو الجسور والمراسي، والتعزيزات الخاصة تحت الطلب (محطة مراقبة الزلازل).
٢. ألياف البازلت القصيرة
ألياف البازلت القصيرة مصنوعة من ألياف البازلت المقطعة إلى أحجام محددة، حيث يمكن لهذا المنتج أن يعزز بشكل فعال من مقاومة الصدمات ومقاومة التآكل وانكماش درجة الحرارة ومقاومة ذوبان التجمد للخرسانة والملاط. يتم تطبيق ألياف البازلت القصيرة في الخرسانة الأسمنتية على الطرق والجسور ومدارج المطارات والسدود وغيرها من المشاريع.
(٢) امتصاص الصوت وتبديد الحرارة
يمكن للألياف البازلتية ذات النقاوة والكثافة المناسبة أن تخفض من التوصيل الحراري للألياف. كما يمكن أن تستخدم كمادة مركبة عازلة للحرارة [8-9]، ايضاً في المعدات والآلات المعرضة لدرجات حرارة عالية ومنخفضة جداً، بالإضافة للملابس الواقية التي تقوم بالتشغيل على درجة حرارة عالية وتكون ذات عزل حراري منخفض وذاك بسبب مجال الدرجات الحرارية ومقاومة التغير الحراري المفاجئ.
إن قدرة امتصاص الصوت لألياف البازلت جيدة بسبب الهيكل المسامي والترتيب غير المنتظم لألياف البازلت. كما أنها تعزز قابلية امتصاص ألياف البازلت كلما زادت سماكة الطبقة الليفية وقلت الكثافة. تدخل في تصنيع مركبات العزل الصوتي للطيران والسفن والتصنيع الميكانيكي والبناء كمواد عازلة للصوت.
١. نسيج ألياف البازلت
نسيج ألياف البازلت مصنوع من ألياف البازلت بحجم يتراوح ما بين 7-13 ميكرومتر كالقماش المنسوج ، والنسيج القطني التويل ، والقماش الساتان ، والقماش العادي. تتميز هذه الأقمشة بعدم قابليتها للاشتعال ، ومثبطة للنيران ولا تطلق دخان أو الغازات السامة، كما أنها مقاومة لدرجات الحرارة العالية، وعزل حراري جيد، وغير قابلة للانصهار أو الانجماد، كذلك تتميز بالقوة الفائقة ، وغير قابلة للانكماش الحراري ، وغيرها الكثير. يمكن ايضاً أن تطبق في معدات اللحام ومعدات الحماية من الغاز وجدار القماش المضاد للحريق وفي المنسوجات ، الكيماويات ، المعادن ، المسارح ، العمال العسكريين وغيرها من الإمدادات الواقية والمضادة للحريق( خوذات الحريق وأقمشة الرقبة).
٢. حقيبة ترشيح درجة الحرارة العالية من الألياف البازلتية
حقيبة مرشحة لدرجة الحرارة العالية من ألياف البازلت تمتاز بقوة شد عالية مع مقاومة درجات الحرارة العالية ، ومقاومة التآكل القلوي الحمضي ، ومقاومة الأكسدة والاستقرار الحجمي، حيث يمكن أن تلبي الظروف القاسية لعملية إزالة الغبار ، وتحسين كفاءة إزالة الغبار وإطالة عمر حقيبة الفلترة والترشيح. يمكن أن يتم تطبيقها على منتجات تجميع الغبار أو صناعة الحديد الصلب والصناعات الكيماوية والأسمنت والكربون الأسود وصناعة المواد الغذائية.
(٣) مضاد للاحتكاك
في الوقت الحاضر، تعتبر أكثر المواد المركبة المقاومة للاحتكاك شيوعاً هي الألياف الفولاذية والألياف الزجاجية وألياف الأراميد وألياف الكربون وألياف الأسبستوس. ولكن جميع هذه الألياف لها مزاياها وعيوبها. على سبيل المثال، تمتاز الألياف الفولاذية بالقوة العالية والاستقرار الحراري الجيد، ولكنها كثافتها عالية وسهلة الصدأ والتلف. أما الألياف الزجاجية فهي ذات قوة عالية ومنخفضة السعر وسهلة الذوبان عند درجات الحرارة العالية، ولكن سيؤدي إلى فقدان خصائص المواد وعدم استقرار خصائص الاحتكاك. أما أداء ألياف الأراميد وألياف الكربون يعتبر جيد جداً، إلا أن سعره باهظ الثمن. وأخيراً تتمتع مواد الأسبستوس بخصائص ممتازة مثل القوة العالية وتفاعل الجيد مع السطح الخارجي والاحتكاك الجيد وخصائص التآكل المتميزة والمزيج المنتظم والموحد، كن الأسبستوس يعتبر مادة مسرطنة تعرض صحة الإنسان للخطر، كما أن غبار الأسبستوس ملوث خطير للغاية.
الألياف البازلتية ذات قوة عالية واستقرار حراري جيد وصعوبة في إتلاف الازدواجية أو الثنائية وغير قابلة للتآكل والصدأ وذات معامل احتكاك مستقر، ولكن فوق كل ذلك تمتّع هذه الألياف بأسعار مناسبة جدًا ومنافسة لجميع أنواع الألياف الأخرى وهذا كله يجعلها الخيار الأول دائماً لدى أصحاب المشاريع العامة والخاصة.
تُستخدم مركبات احتكاك ألياف البازلت بشكلٍ أساسي في مواد احتكاك السيارات (وسادة الفرامل المركبة ).
(٤) المواد العازلة ومواد التدريع الكهرومغناطيسي
مُقارنة مع ألياف الكربون، تتمتع ألياف البازلت بخصائص مميزة حيث إنها غير موصلة وكهرومغناطيسية. ويمكن استخدامها على نطاق واسع في الطاقة والرادار وغيرها من الهندسة العسكرية والمدنية مثل عوازل ألياف البازلت ومعصم عربة ألياف البازلت ورادوم الألياف البازلتية.
٤- مقارنة مع الألياف المشتركة
(١) الخصائص الفيزيائية
الألياف البازلتية المستمرة ليست الأقوى من بين جميع الألياف من حيث بالأداء، ولكن إذا تمت مقارنته مع أداء جميع الألياف بشكل كامل وشامل، فلن يصل أي من الألياف لكفاءة الألياف البازلتية المستمرة.
(٢) الخصائص الكيميائية
لقد وجد أن ألياف البازلت والألياف الزجاجية تتمتع بمقاومة جيدة للماء كما موضح في الجدول (٢). حيث أنه بعد الغليان لمدة 3 ساعات في محلول قلوي قوي، فإن معدل فقدان الوزن لألياف البازلت المستمرة هو 5.5٪ ، بينما يصل معدل الألياف الزجاجية إلى 45٪.
بعد الغليان لمدة 3 ساعات في محلول حمضي، يكون معدل فقدان الوزن للألياف البازلتية المستمرة 8.1٪ فقط، أي أقل بكثير مقارنةً مع الألياف الزجاجية والتي بمعدل يصل إلى 25.3٪ .
ملحوظة: توضح البيانات أعلاه أن فقدان وزن الألياف بعد غليان 3 ساعات في وسط مختلف (٪)
في الوسط الحمضي، يتم ملاحظة أنه بعد ساعة واحدة من التآكل يظل معدل الاحتفاظ بالقوة للألياف البازلتية أعلى من 50٪. نظراً لأن المقاومة الحمضية للألياف الزجاجية جيدة نسبياً، حيث يتم الحفاظ على القوة بمعدل أعلى من 80٪ بعد ساعة واحدة من التآكل. أما في الحالة القلوية، بعد ساعة واحدة من التآكل ينخفض قدرة الحفاظ على القوة للألياف البازلتية إلى حوالي 20٪ وظهور هشاشة خطيرة. كانت الألياف مجزأة للغاية وانخفض معدل الاحتفاظ بالقوة تقريباً إلى الصفر بسبب حجمها دٌمرت نهائياً.
ملحوظة: توضح البيانات أعلاه أن فقدان الألياف لقوتها بعد الغليان لمدة ساعة في وسط مختلف (٪)
من منظور معدل انعدام الوزن ، تتمتع ألياف البازلت بمقاومة قلوية أفضل من الألياف الزجاجية. من منظور معدل الاحتفاظ بالقوة ، تتمتع ألياف البازلت بمقاومة قلوية أفضل من الألياف الزجاجية. بدمج العاملين نرى أن ألياف البازلت تتمتع بمقاومة أفضل للقلويات من بين باقي الألياف.
(٣) الخواص الكهربائية
يتقلب ثابت العزل الكهربائي للألياف البازلتية بالقرب من 2.61، ويتذبذب فقدان العزل الكهربائي فوق 0.005 ، مما يشير إلى أن الموجة الكهرومغناطيسية تمر عبر الألياف البازلتية. تعتبر الخسارة صغيرة جداً ولكن هذا يعني أن نفاذية الألياف البازلتية أصبحت أفضل.
مٌقارنة مع الأنواع الأخرى من الألياف، يكون ثابت العزل لألياف البازلت أقل من الألياف الأخرى. كما يكون الفقد (الخسارة) للعزل للألياف الزجاجية بنوعيها وألياف الكيفلار في نفس الترتيب من حيث الحجم كما هو مذكور أعلاه.
(٤) عزل الصوت والعزل الحراري
يمكن استخدام ألياف البازلت كمواد عزل حراري فعالة في تكنولوجيا منخفضة درجات الحرارة. يبلغ قطر الموصلية الحرارية للألياف البازلتية فائقة الرٌفع 1-3 ميكرومتر (140 كجم / م 3) 0.030 واط / (م · كلفن) على -96 درجة مئوية ، ولا تقل قوة الألياف بعد النقع في النيتروجين السائل. لذلك يُستخدم قسم إنتاج الأكسجين السائل في مصنع المعادن نظام الألياف البازلتية لفترة طويلة حيث يتم صنع مادة العزل الحراري.
تُستخدم مواد امتصاص الصوت من ألياف البازلت على نطاق واسع في مجال الطيران وبناء السفن وصناعة الآلات ، كما يمكن استخدام هذه الألياف في صنع المواد الهيكلية جنباً إلى جنب مع العزل وامتصاص الصوت. هذا النوع من المواد غير قابل للاحتراق كلياً ولا يتم إطلاق أي مادة أو غاز ضار عند التسخين. تكون درجة حرارة الاستخدام ما بين 600-700 درجة مئوية، أما إذا تم دمجها مع مواد أخرى قد تصل إلى 1000 درجة مئوية، مثل جدران الحماية المقاومة للحريق وأبواب الأمان من الحريق وهياكل الحماية من الحرائق وخطوط شماعات الكابلات وغيرها. كما تٌستخدم أيضاً في بعض منتجات المباني العالية أو الاستخدام المدني.
٥– الملخص
(١) خصائص ميكانيكية ممتازة: تتميز ألياف البازلت بمقاومة شد ممتازة ومعامل مرونة عالي، ويمكن تطبيقها على نطاق واسع على مركبات التعزيز.
(٢) مقاومة عالية للتآكل والاستقرار الكيميائي: تتمتع ألياف البازلت باستقرار كيميائي فريد في الظروف القاسية، كما يمكن استخدامها في العديد من الهياكل الخرسانية، مثل الجسور والأنفاق والسدود والأرضيات والهياكل الخرسانية الأخرى ( رصف الأسفلت الخرساني ، مدرج هبوط الطائرات ، وغيرها)، والتي غالباً أكثر عرضة للرطوبة العالية ، والأحماض ، والقلويات ، والوسط الملحي. إن التطبيقات على الهياكل الخرسانية اتاحت الفرصة لاستخدامها على آفاقٍ واسعة.
(٣) تتمتع الألياف البازلتية بعزل كهربائي أعلى من الألياف الزجاجية: يمكن استخدامه كمادة عازلة مقاومة للحرارة في مجال تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة في الصناعات الإلكترونية. كما أن نفاذية الموجات الكهرومغناطيسية عبرها جيدة جداً ، وفي حال إضافة قطعة قماش من الألياف البازلتية إلى جدار المبنى فيمكن أن تنتج درعاً جيدًا لجميع أنواع الموجات الكهرومغناطيسية.
(٤) الاستقرار والعزل الحراري والعزل الصوتي الفائق: تستخدم ألياف البازلت على نطاق واسع في العزل الحراري بسبب انخفاض الموصلية الحرارية، ومجال حرارت التشغيل كبير والأداء الزلزالي الجيد. بالإضافة إلى تميز الألياف البازلتية بهيكل مسامي وترتيب داخلي غير منتظم ولها خاصية امتصاص جيدة للصوت، لذلك يمكن استخدامها كمواد عزل صوتي لمعدات الإنتاج.
(٥) توافقُ جيد مع المعدن والبلاستيك وألياف الكربون والمواد الأخرى: مركب من ألياف البازلت المستمرة وأنواع مختلفة من الراتينج لديه قوة ربط أقوى من الألياف الزجاجية وألياف الكربون. حيث إن المركبات المنتجة من ألياف البازلت المستمرة تعادل الألياف الزجاجية في القوة لكن معامل المرونة له مزايا ظاهرة في جميع أنواع الألياف. إذا تمت إضافة كمية معينة من ألياف الكربون إلى ألياف البازلت وتم دمجها مع ألياف مختلفة فسيتم تحسين معامل المرونة وقوة الشد والخصائص الأخرى للمركبات بشكل كبير وبالتالي مٌقارنة مع مركبات ألياف الكربون النقية سيتم تقليل التكلفة بشكل هائل.
Acknowledgments
This paper is supported by the National Science Foundation of China. Grant No. 51178390
References
[1] Luo YF, Luo XM 2016 J. Great innovations of hi-tech fibers were coming. Hi-Tech Fiber&Application 41 1-13
[2] Lei J, Dang XA, Li JJ 2007 J. Characteristic, application and development of basalt fiber. New Chemical Materials 35 9-11
[3] Hu XQ, Sheng TN 2005 J. The Applications of the CBF in War Industry & Civil Fields. Hi-Tech Fiber&Application 30 7-13
[4] Sim Jongsung, Park Cheolwo, Moon Do Young 2005 J. Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures.Composites Part B Eng 36 504
[5] Schut JH 2004 J. Lava-based fibers reinforce composites. Plastics Technology
[6] K Zoltan, Sandor SJ, Tibor C 2004 J. Production and investigation of biologically degradable matrix polymer composites reinforced with basalt fiber. Muanyag Es Gumi/Plastics and
Rubber
[7] Hao YK, Xiao JY 2004 M. High performance composite materials. Chemical Industry Press
[8] Tatarintseva O S.Uglova T K,Igonin G S, et al 2004 J. Determination of operation times of basalt-
fiber thermal insulating materials.Stroitel’nye Materialy
[9] Takeuchi Kazuhiro, Osada Takeo 2004 P. Friction material. JPPat.2004331861
[10] Liu XH 2014 J. Comparison and characteristics of continuous basalt fiber, carbon fiber, aramid
fiber and glass fiber. Shanxi Science and Technology 29 87-90
[11] Huo WJ, Zhang ZG, Wang MC, et al 2007 J. Experimental study on acid and alkali resistance of
basalt fiber used for composites. Acta Materiae Compositae Sinica 24 77-82
[12] Shen QZ, Ji SH 2012 J. Effect of chemical corrosion on tensile properties of basalt fiber and
glass fiber[J]. Journal of China and Foreign Highway 32 239-243
[13] Yao Y, Xu P, Liu J, et al 2015 J. Comparative study on corrosion resistance of basalt fiber at
home and abroad[J]. China synthetic fiber industry 38 9-11
[14] Yao Y, He YC, Chen ZW 2016 J. Microwave dielectric properties of basalt fiber and Its
Composites[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites 5 65-67
الشركة العربية للتعدين – الفجيرة
تأسست الشركة العربية للتعدين – الفجيرة في عام 2018 كشركة ذات مسؤولية محدودة مع التركيز بشكل رئيسي على أنشطة التعدين في العالم العربي ، وهي مملوكة بالكامل للشركة العربية للتعدين ARMICO.
تابعنا على وسائل التواصل الإجتماعي
Terms | Privacy policy الشركة العربية للتعدين – الفجيرة
Arab Mining Company Fujairah © جميع الحقوق محفوظة 2022