Bài thuyết trình về sợi basalt

Bài thuyết trình về sợi basalt

Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM



Môn học: Composite

Gvhd: TS HUỲNH ĐẠI PHÚ

MỤC LỤC

I Tổng quan về sợi Basalt

1 Kháiniệm :

Sợi basalt được chế tạo từ đá bazan (đơn nguyên) bằng cách kéo và thổi sợi từ đá bazan nóng chảy, tiếp theo đó sợi sẽ được biến đổi cho phù hợp với từng ứng dụng

cụ thể

2 Lịch sử hình thành:

-Người đầu tiên nghĩ ra ý tưởng kéo sợi từ bazan là Paul Dhé Năm1923 ,ông ấy được cấp bằng sáng chế tại Mỹ

-Năm 1960, Mỹ và Liên Xô Cũ bắt đầu nghiêncứu , ứng dụng của sợi bazan đặc biệt là ứng dụng trong quận sự , ví dụ như tên lửa

-Ở Tây Bắc Mỹ, sau những công trình nghiên cứu của Owens corning, nhiều công

ty thủy tinh ,và nhiều nhà khoa học khác về sợi thủy tinh được cấp bằng sáng chế của Mỹ Tuy nhiên, đến năm 1970, các công ty thủy tinh Mỹ từ bỏ nghiên cứu sợi bazan , mà tập trung vào chiến lược phát triển sản phẩm thế mạnh của mình là sợi thủy tinh

-Trong cùng thời gian năm 1970, nghiên cứu ở ĐôngÂu, vốn đã được thực hiện vào những năm 1950 tại Moscow, Prage và nhiều nơi khác đã được Bộ quốc phòng của Liên Xô tập trung ở Kiev, Ukraine

-Sau sự tan rã của Liên Xô năm 1991, đến năm 1995 , nghiên cứu sợi bazan được ứng dụng trong lĩnh vực dân sự

-Ngày nay, sợi bazan được thương mại hóa và được sản xuất rộng rãi Nhiều công

ty kinh doanh và sản xuất sợi bazan như :KamennyVek (Dubna, Russia),

Technobasalt (Kyiv, Ukraine), Hengdian Group Shanghai Russia & Gold Basalt Fibre Co (Shanghai, China), and OJSC Research Institute Glassplastics and Fiber (Bucha, Ukraine)

3 Thành phần hóa học của sợi Bazalt:

- Đá Bazalt, nguồn nguyên liệu sản xuất sợi bazalt, là sự kết hợp của ba loại khoáng vật sau đây:

• Glagioclase là một loại khoáng vật silicate

rất quan trọng cùng họ với tràng thạch, với

công thức từ NaAlSi3O8 đến CaAl2Si2O8

(trong đó các nguyên tử natri và canxi thay

thế lẫn nhau trong cấu trúc của tinh thể)

• Pyroxenes là một nhóm khoáng vật silicate tạo đá được tiềm thấy trong đá biến chất hay đá magma Chúng tồn tại ở cấu trúc tứ

diện silicat mạch và kết tinh theo hệ một nghiêng và hệ trực

thoiCông thứ c chung của nhóm vật chất này là XY(Si,Al)2O6 (trong

đó X là Ca, Na, Fe+2, Mg và ít gặp hơn là Zn, Mn và Li, còn Y là các ion có kích thước nhỏ hơn như Cr, Al, Fe+3, Mg, Mn, Sc, Ti, V đôi khi có Fe+2) Cấu trúc silicat mạch của các khoáng vật nhóm

pyroxen làm cho chúng rất linh động trong việc liên kết với

các cation khác nhau

• Olivin (đá quý gọi là peridot) là khoáng vật sắtmagiê silicat có công thức cấu tạo chung là (Mg,Fe)2Si O 4, kết tinh theo hệ trực thoi gồm các tứ diện silicat, do vậy olivin thuộc nhóm silicat đảo Olivin là một trong những khoáng vật phổ biến nhất trên Trái Đất

Nguồn nguyên liệu đạt tiêu chuẩn để sản xuất sợi bazalt được lấy từ rất nhiều vùng địa lý, điều kiện, thời điểm khác nhau nên có sự dao động về tỉ lệ của 3 loại

khoáng trên Vì nguyên nhân này, sản xuất thực tế rất khó đảm bảo sự đồng nhất tuyệt đối về thành phần hóa học, pha có trong sợi bazalt

Hình: Bề mặt sợi bazalt

- Thành phần hóa học của sợi Bazalt thành phẩm:

Na2O + K2O 3.6 - 5.2

5 Nguồn nguyên liệu

Đối với một trong các nguyên vật liệu cao cấp

– sợi bazan – từ vật liệu thô là đá Basalt - phổ biến

là những mảnh vụn đá núi lửa lớn cứng và giòn Đá

basalts được sử dụng trong việc xây dựng Gần đây,

những khuông đá bazan đã được sử dụng thành công

cho công nghiệp sản xuất thiết bị kháng acid, đường

ống, vật liệu bề mặt

Các quặng Basalt ở Uzbekistan được tìm thấy tại đỉnh của núi Kuramin, Chatkal, Ghissar và Bắc-Nurata, dự toán vượt quá 32 000000 m3

Nguồn đá bazan Ghavasai của đỉnh Kuramin thuộc vùng Namangan có đặc thù là không đồng bộ thành phần hóa chất và khoáng sản, cơ bản là cấu trúc porphyry với nhiều thành phần khác nhau như thủy tinh núi lửa, bazan dolerit dạng phi tinh thể và khoáng diaba

Xuất hiện trong thung lũng của sông Asmansai và sông Lakchisay thuộc đỉnh Bắc-Nurata cây rơm, đá bazan ở đây có thành phần cơ bản là đá bazan đen cơ bản chứa không nhiều hơn 42% silica và không có khoáng plagiocla

Trên cơ sở nghiên cứu lâu dài về việc dùng basalts như là nguyên liệu thô cho việc chế tạo các loại sợi thực hiện tại các cơ sở khoa học của Uzbekistan, Ukraina và Liên bang Nga, đá nóng chảy được phân loại theo độ nhớt của chúng, và cũng có bốn nhóm cơ bản được phân biệt:

Có nhiều núi bazan ở Trung quốc: Sichuan, Yunnan, Hunan, Heilongjiang,

Liaoning, Hebei, Shanxi, Jiangsu, Anhui, Zhejiang, những tỉnh Guangdong.basalt của Đài Loan thì có cấu trúc hóa học thích hợp nhất để tạo ra sợi basalt Trong một

số thí điểm ,CBF được xử lý từ bazan Trung hoa Dưới thỏa thuận bằng hợp đồng những chuyên gia công ty có thể làm cho sự phân tích và sự chọn lựa sơ bộ

là nguyên liệu bazan tốt nhất (cho) sự sản xuất (của) CBF, STBF, Bscale

Thành phần hóa học của những tảng đá, mà thích hợp cho sự sản xuất sợi bazan

Chemical

compound SiO2 Al2O3

Fe2O3, FeO CaO MgO TiO2

Na2O, K2O

Other admixtures

Minimum

Maximum

Nhớt cao: ở 1450° С: η > 150 ∂Pа.с,

ở 1300° С: > 1000 ∂Pа.с

Nhớt: ở 1450° С: η = 50 -150 ∂Pа.с,

ở 1300° С: η = 200-1000 ∂Pа.с Dùng

cho việc sản xuất sợi liên tục

Nhớt trung bình: ở 1450° С: η=30-50

∂Pа.с, và ở 1300° С: η=100-200 ∂Pа.с

Dùng chủ yếu để sản xuất sợi siêu

mỏng

Nhớt thấp:  ở 1450° С: η< 30 ∂Pа.с,

và ở 1300° С: η< 100 ∂Pа.с Dùng sản

xuất Spun fibre

Giới hạn độ nhớt cho một loại sợi cụ thể có liên quan tới cách thức sản xuất hiện

tại và nhiệt độ gần 1300 ° С hiện nay đã xác định Sự chảy sợi liên tục nên có nhiệt độ thuộc giới hạn trên của

sự kết tinh - không nhiều hơn 1250 ° С, độ nhớt ở nhiệt

độ 1300 ° С: 300-1100 Pа.с., nhiệt độ gian sản xuất - không nhỏ hơn 70 ° С

II/ Quy trình sản xuất

Đá basalt thiên nhiên có nhiều loại khác nhau, nhưng chí có đá có đường kính khoảng 9 đến 24 microns mới được sử dụng làm sợi liên tục Thành phần SiO2

khoảng 46%( acid basalt) trong đá basalt thì thích hợp làm sợi basalt Sợi Basalt

được sản xuất bằng quy trình liên tục như sợi thủy tinh Dù sử dụng phương pháp

nào đi nữa thì đá basalt sau khi được khai thác được nghiền, rữa và định lượng vào

trong 1 thùng được gắn thêm vào phần cấp liệu, ở đây vật liệu sẽ được vận chuyển

đến bồn nóng chảy trong lò đốt bằng ga Quá trình sản xuất sợi basalt thì đơn giản

hơn sợi thủy tinh ở chổ là ít các thành phần phức tạp hơn Sợi thủy tinh điển hình

chứa đựng 50% Silica và bao gồm Boron Oxide, Aluminum và nhiều khoáng

khác Quá trình yêu cầu một dây truyền nhập liệu đơn để mang đá basalt đã nghiền

vào lò nóng chảy Khi sử dụng đá basalt tự nhiên làm nguyên liệu thì quá trình ít

có sự kiểm soát về độ tinh khiết và đông nhất của vật liệu thô Mức độ khoáng và

thành phần hóa của sợi basalt hình thành có thể khác nhau nhiều giửa khu vực này

và khu vực khác

Sợi basalt và sợi thủy tinh đều là vật liệu silicate, nóng chảy thủy tinh, khi làm

lạnh, hình thành vật liệu rắn vô định hình, tốc độ làm lạnh cũng ảnh hưởng đến

cấu trúc của vùng kết tinh Đá basalt nghiền đưa vào lò, vật liệu sẽ được nóng

chảy ở nhiệt độ 15000C ( thủy tinh nóng chảy ở khoảng nhiệt độ 14000C đến

16000C) Sợi basalt thì đục và hấp thụ năng lượng ánh sáng hồng ngoại, khác với

sợi thủy tinh là trong suốt Sử dụng lò đốt ga thông thường sử dụng cho sợi thủy

tinh thì không đảm bảo sự đốt nóng đồng nhất toàn bộ hỗn hợp đá basalt Với lò

khí trên không, Basalt nóng chảy phải được giữa trong 1 cái hầm trong một

khoảng thời gian, có thể là nhiều giờ, để đảm bảo sự đồng nhất của nhiệt độ Sản

xuất sợi basalt được sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để tăng sự đông nhất

nhiệt độ, bao gồm cả ngâm điện cưc trong bồn Cuối cùng, một phương pháp đung

nóng 2 gian đoạn được sử dụng, gôm có 1 khu riêng biệt được trang bị với một hệ

thống gia nhiệt điều khiển độc lập Chỉ có hệ thống điều khiển nhiệt độ mới năm ở

của ra của lò, nơi cấp tấm lót cho sự đùn, yêu cầu sự chính xác lớn, vì thế một hệ

thống điều khiển ít phức tạp sẽ được sử dụng trong khu vục đâu gia nhiệt Sợi

basalt thường sản xuất bởi 2 công nghệ khác nhau Đó là thổi ly tâm và đùn nóng

chảy c để sản xuất sợi basalt là bằng quá trình đùn nóng chảy đùn

1 Phương pháp thổi ly tâm

Công nghệ thổi xylanh ly tâm được sử dụng để sản xuất sợi giá rẻ với 60-100 mm

độ dài, 8-20µm đường kính, chủ yếu được sử dụng như là vật liệu cách nhiệt trong

1 Basalt nóng chảy được rót vào bộ phân ly tâm

2 Bộ phận thổi

3 Bộ phân ly tâm

4 Giọt basalt

5 5-7: quá trình hình thành sợi

8 Sợi

9 Đầu sợi

công nghiệp xây dưng và ô tô Đây là công nghệ 2 gian đoạn Sợi BF sử dụng

trong nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn composite thì được sản xuất bằng công nghệ

này

 Các bước của phương pháp thổi ly tâm:

Bước 1: Sợi basalt nóng chảy khi nhiệt độ gần đến 15800C

Bước 2: sau đó được nhấp liệu vò một máy quay trục ngang Ở đó có 3 đầu ly tâm

và bao gồm 3 đầu ly tâm, 1 bộ phân tăng tốc và 2 xilanh tạo sợi

Bước 3: Sau đó máy sẽ quay ly tâm và sợi được hình thành như là kết quả của lực

ly tâm đã thổi bay với áp suất cao như mô tả hình vẽ

Bước 4: Sợi ngắn với chiều dài cụ thể và kết dính với nhau

 Ưu điểm của phương pháp:

- Giá thành rẻ

- Sợi ứng dụng nhiều lĩnh vực

- Sợi có đường kính nhỏ

- Sợi chất lượng

 Nhược điểm của phương pháp

- Đầu tư cao do tranh thiết bị đắt tiền

- Quá trình gián đoạn nên nâng suất không cao

- Chỉ làm được sợi MAT

2 Phương pháp đùn nóng chảy

Vì đáp ứng nhiều yêu cầu ứng dụng khác nhau của sợi basalt, phương pháp kéo được sử dụng, dựa trên phương pháp kéo sợi từ nguyên liệu nóng chảy, giống như phương pháp truyền thống sản xuất sợi thủy tinh Những sợi

basalt này thì có đường kính là 10-14 µm có thể đạt được sợi thô có nhiều thành phần sợi cơ bản khác nhau Sợi ngắn có thể được sản xuất trực tiếp từ

đá basalt nghiền và công nghệ rất đơn giản vì thế các sợi có giá thành rất rẻ nhưng chúng có tính chất cơ lý tương đối thấp và không đồng điều Một

1 Bộ phận nghiền đá

2 Bộ phận định lượng

3 Hệ thông vận chuyển

4 Trạm thu nguyên liệu

5 Bộ phận gia nhiệt đầu tiên

6 Bộ phân điều khiển nhiệt thứ cấp

7 Hình thành sợi đơn

8 Bộ phân điều chình kích thước

9 Hình thành sợi

10

11 Quấn

ứng dụng quan trọng khác của sợi bsalt này là thay thế sợi amiăng, ví dụ là làm phanh xe do sự chịu nhiệt độ cao của nó

Các bước của phương pháp đùn nóng chảy

Bước 1: Đá nguyên liệu được nghiền để đạt kích thươc thích hợp cho quy trình sản xuất

Bước 2: Đá được nghiền đến bộ phận định lượng, để định lượng khối lượng cho 1 mẻ

Bước 3: Đá được nghiền được bộ phân vận chuyển, chuyển lên lò nung nóng chảy

Bước 4: Đá được gia nhiệt để nóng chảy sau đó chuyên bồn thứ 2 để giữ nhiệt đông điều

Bước 5: Từ lò, basalt nóng chảy được cung cấp đến và của sổ cấp liệu truyền đạt với của thu hồi Bộ phận nhập liệu có một của sổ với mặt bích kết nối với lổ ông lót và được gia nhiệt bởi lò Dòng nóng chảy qua đâu gia nhiệt băng platinum/rhodium ống lót với khoàng 200 lổ( 500 lổ cũng có thể) Sợi được hình thành băng áp lực thủy tĩnh và làm lạnh để có được sợi cứng Silane được sử dụng để biến tính bề mặt sợi làm tăng khả năng tương hợp với vợi và làm chất bơi trơn

Bước 6: Sợi được hình thành băng áp lực thủy tĩnh và làm lạnh để có được sợi cứng Silane được sử dụng để biến tính bề mặt sợi làm tăng khả năng tương hợp với vợi và làm chất bơi trơn Sợi đơn đươc gôm lại và chuyển đến thiết bị cắt Chỉ xoắn basalt được sản xuất bằng bộ phận quấn sợi

basalt Sợi liên tục được cắt ngắn với chiều dài cụ thể và kết dính với nhau Hợi ẩm chứa trong sợi cuối cùng phải nhỏ hơn 1% với kích thước thêm vào trong khoảng từ 1%-2% Phương pháp sản xuất BF theo phương pháp Junkers thì tốt và rẻ nhưng cũng có nhược điểm đó

 Ưu điểm của phương pháp:

- Giá thành rẻ

- Sợi ứng dụng nhiều lĩnh vực

- Sợi có đường kính nhỏ

- Có thể làm ra nhiều sản phẩm khác nhau

- Nâng suất cao do quá trình liên tục

 Nhược điểm của phương pháp

- Sợi không đông điều, tính chất không tốt

III Tính chất của sợi Basalt.

1 Tính chất cơ lý.

- Basalt có độ cứng cực kì tốt, độ cứng dao động trong khoảng 5-9 Mohr’s scale Do đó, chứng có khả năng kháng mài mòn tốt

- Sợi basalt có tỷ trọng thấp, khoảng 2,7g/cc Sợi basalt nhẹ hơn sợi thép và

có tỷ trọng sấp xỉ bằng sợi thủy tinh và sợi cacbon

- Độ bền của sợi basalt tương đương với sợi thủy tinh Nhưng do giá thành thấp hơn nên sợi basalt là một trong sự lựa cho tốt nhất để thay thế sợi thủy tinh

Dưới đây là bảng so sánh một số tính chất cơ lý của sợi Basalt so với một

số loại sợi khác:

2 Tính chất nhiệt

Sợi basalt có tính chất nhiệt tốt hơn so với E-glass, nó có thể duy trì ở nhiệt

độ 1100-1200oC trong nhiều giờ liên tiếp dưới điều kiện không có tác dụng lực cơ học

Basalt có thể sử dụng trong khoảng nhiệt độ rộng từ -260/-200 đến 650/800

oC ( trong khi đó E-glass từ -60 đến 450/460oC)

Ứng suất dư ( sau khi xử lý nhiệt) cao hơn E-glass

* Số liệu cho thấy từ kết quả kiểm tra ứng suất ( loại

roving B2 và G1) sau khi xử lý nhiệt ( 2h): ( Giá trị

ban đầu là 100%)

- Sợi basalt có thể duy trì tính chất ở khoảng nhiệt

độ lớn hơn so với sợi thủy tinh Tại nhiệt độ

400-500, nó trở nên yếu hơn so với glass, nhưng sợi

basalt vẫn giữ được tính nguyên vẹn vã vẫn có khả

năng kháng nhiệt ??

3 Hóa tính

Sợi basalt có khả năng kháng lại hoạt động của vi

khuẩn và vi sinh

Độ hút ẩm khoảng 1%

Ưu điểm lớn nhất của sợi Basalt bền trong môi

trường kiềm mạnh.Tuy nhiên, chúng lại yếu hơn

trong môi trường acid manh so với sợi thủy tinh

Môi trường nước sôi cũng làm khối lượng của sợi basalt bị giảm đáng kể

Basalt có thể bền trong môi trường pH 13-14 và có độ ổn định tương đối trong môi trường acid mạnh Nó có thể duy trì 92% khối lượng trong dung dịch NaOH 2N và khoảng 75% trong môi trường acid HCl 2N

Kết luận:

Basalt là loại sợi có tính chất rất tốt: độ bền ứng suất cao, kháng môi trường base và acid tốt, tính chất điện tốt, kháng ăn mòn, độ bền nhiệt cao…