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 sợi Basalt Kháiniệm : Sợi basalt chế tạo từ đá bazan (đơn nguyên) cách kéo thổi sợi từ đá bazan nóng chảy, sợi biến đổi cho phù hợp với ứng dụng cụ thể Lịch sử hình thành: -Người nghĩ ý tưởng kéo sợi từ bazan Paul Dhé Năm1923 ,ông cấp sáng chế Mỹ -Năm 1960, Mỹ Liên Xô Cũ bắt đầu nghiêncứu , ứng dụng sợi bazan đặc biệt ứng dụng quận , ví dụ tên lửa -Ở Tây Bắc Mỹ, sau công trình nghiên cứu Owens corning, nhiều công ty thủy tinh ,và nhiều nhà khoa học khác sợi thủy tinh cấp sáng chế Mỹ Tuy nhiên, đến năm 1970, công ty thủy tinh Mỹ từ bỏ nghiên cứu sợi bazan , mà tập trung vào chiến lược phát triển sản phẩm mạnh sợi thủy tinh -Trong thời gian năm 1970, nghiên cứu ĐôngÂu, vốn thực vào năm 1950 Moscow, Prage nhiều nơi khác Bộ quốc phòng Liên Xô tập trung Kiev, Ukraine -Sau tan rã Liên Xô năm 1991, đến năm 1995 , nghiên cứu sợi bazan ứng dụng lĩnh vực dân -Ngày nay, sợi bazan thương mại hóa sản xuất rộng rãi Nhiều công ty kinh doanh sản xuất sợi bazan :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) Thành phần hóa học sợi Bazalt: - Đá Bazalt, nguồn nguyên liệu sản xuất sợi bazalt, kết hợp ba loại khoáng vật sau đây: • Glagioclase loại khoáng vật silicate quan trọng họ với tràng thạch, với công thức từ NaAlSi3O8 đến CaAl2Si2O8 (trong nguyên tử natri canxi thay lẫn cấu trúc tinh thể) • Pyroxenes nhóm khoáng vật silicate tạo đá tiềm thấy đá biến chất hay đá magma Chúng tồn cấu trúc tứ diện silicat mạch kết tinh theo hệ nghiêng hệ trực thoiCông thứ c chung nhóm vật chất XY(Si,Al)2O6 (trong X Ca, Na, Fe+2, Mg gặp Zn, Mn Li, Y ion có kích thước nhỏ Cr, Al, Fe+3, Mg, Mn, Sc, Ti, V có Fe+2) Cấu trúc silicat mạch khoáng vật nhóm pyroxen làm cho chúng linh động việc liên kết với cation khác • Olivin (đá quý gọi peridot) khoáng vật sắt magiê silicat có công thức cấu tạo chung (Mg,Fe)2SiO4, kết tinh theo hệ trực thoi gồm tứ diện silicat, olivin thuộc nhóm silicat đảo Olivin khoáng vật phổ biến Trái Đất Nguồn nguyên liệu đạt tiêu chuẩn để sản xuất sợi bazalt lấy từ nhiều vùng địa lý, điều kiện, thời điểm khác nên có dao động tỉ lệ loại khoáng Vì nguyên nhân này, sản xuất thực tế khó đảm bảo đồng tuyệt đối thành phần hóa học, pha có sợi bazalt Hình: Bề mặt sợi bazalt - Thành phần hóa học sợi Bazalt thành phẩm: Thành phần % SiO2 Al2O3 CaO MgO 51.6 - 59.3 14.6 - 18.3 5.9 - 9.4 3.0 - 5.3 Na2O + K2O TiO2 Fe2O3 + FeO Khác (BaO, MnO, SO3, P2O5) 3.6 - 5.2 0.8 - 2.25 9.0 - 14.0 0.09 - 0.13 Nguồn nguyên liệu Đối với nguyên vật liệu cao cấp – sợi bazan – từ vật liệu thô đá Basalt - phổ biến mảnh vụn đá núi lửa lớn cứng giòn Đá basalts sử dụng việc xây dựng Gần đây, khuông đá bazan sử dụng thành công cho công nghiệp sản xuất thiết bị kháng acid, đường ống, vật liệu bề mặt Các quặng Basalt Uzbekistan tìm thấy đỉnh núi Kuramin, Chatkal, Ghissar Bắc-Nurata, dự toán vượt 32 000000 m3 Nguồn đá bazan Ghavasai đỉnh Kuramin thuộc vùng Namangan có đặc thù không đồng thành phần hóa chất khoáng sản, cấu trúc porphyry với nhiều thành phần khác thủy tinh núi lửa, bazan dolerit dạng phi tinh thể khoáng diaba Xuất thung lũng sông Asmansai sông Lakchisay thuộc đỉnh BắcNurata rơm, đá bazan có thành phần đá bazan đen chứa không nhiều 42% silica khoáng plagiocla Trên sở nghiên cứu lâu dài việc dùng basalts nguyên liệu thô cho việc chế tạo loại sợi thực sở khoa học Uzbekistan, Ukraina Liên bang Nga, đá nóng chảy phân loại theo độ nhớt chúng, có bốn nhóm phân biệt: Nhớt cao: 1450° С: η > 150 ∂Pа.с, 1300° С: > 1000 ∂Pа.с Nhớt: 1450° С: η = 50 -150 ∂Pа.с, 1300° С: η = 200-1000 ∂Pа.с Dùng cho việc sản xuất sợi liên tục Nhớt trung bình: 1450° С: η=30-50 ∂Pа.с, 1300° С: η=100-200 ∂Pа.с Dùng chủ yếu để sản xuất sợi siêu mỏng Nhớt thấp: 1450° С: η< 30 ∂Pа.с, 1300° С: η< 100 ∂Pа.с Dùng sản xuất Spun fibre Có nhiều núi bazan Trung quốc: Sichuan, Yunnan, Hunan, Heilongjiang, Liaoning, Hebei, Shanxi, Jiangsu, Anhui, Zhejiang, tỉnh Guangdong.basalt Đài Loan có cấu trúc hóa học thích hợp để tạo sợi basalt Trong số thí điểm ,CBF xử lý từ bazan Trung hoa Dưới thỏa thuận hợp đồng chuyên gia công ty làm cho phân tích chọn lựa sơ nguyên liệu bazan tốt (cho) sản xuất (của) CBF, STBF, Bscale Thành phần hóa học tảng đá, mà thích hợp cho sản xuất sợi bazan Chemical compound Minimum % Maximum % SiO2 Al2O3 Fe2O3, FeO CaO MgO TiO2 Na2O, Other K2O admixtures 45 12 3.0 0.9 2.5 2.0 60 19 15 12 2.0 6.0 3.5 Mỏ đá basalt nghiền đá basalt Giới hạn độ nhớt cho loại sợi cụ thể có liên quan tới cách thức sản xuất nhiệt độ gần 1300 ° С xác định Sự chảy sợi liên tục nên có nhiệt độ thuộc giới hạn kết tinh - không nhiều 1250 ° С, độ nhớt nhiệt độ 1300 ° С: 300-1100 Pа.с., nhiệt độ gian sản xuất không nhỏ 70 ° С II/ Quy trình sản xuất Đá basalt thiên nhiên có nhiều loại khác nhau, chí có đá có đường kính khoảng đến 24 microns sử dụng làm sợi liên tục Thành phần SiO2 khoảng 46%( acid basalt) đá basalt thích hợp làm sợi basalt Sợi Basalt sản xuất quy trình liên tục sợi thủy tinh Dù sử dụng phương pháp đá basalt sau khai thác nghiền, rữa định lượng vào thùng gắn thêm vào phần cấp liệu, vật liệu vận chuyển đến bồn nóng chảy lò đốt ga Quá trình sản xuất sợi basalt đơn giản sợi thủy tinh chổ thành phần phức tạp Sợi thủy tinh điển hình chứa đựng 50% Silica bao gồm Boron Oxide, Aluminum nhiều khoáng khác Quá trình yêu cầu dây truyền nhập liệu đơn để mang đá basalt nghiền vào lò nóng chảy Khi sử dụng đá basalt tự nhiên làm nguyên liệu trình có kiểm soát độ tinh khiết đông vật liệu thô Mức độ khoáng thành phần hóa sợi basalt hình thành khác nhiều giửa khu vực khu vực khác Sợi basalt sợi thủy tinh vật liệu silicate, nóng chảy thủy tinh, làm lạnh, hình thành vật liệu rắn vô định hình, tốc độ làm lạnh ảnh hưởng đến cấu trúc vùng kết tinh Đá basalt nghiền đưa vào lò, vật liệu nóng chảy nhiệt độ 15000C ( thủy tinh nóng chảy khoảng nhiệt độ 14000C đến 16000C) Sợi basalt đục hấp thụ lượng ánh sáng hồng ngoại, khác với sợi thủy tinh suốt Sử dụng lò đốt ga thông thường sử dụng cho sợi thủy tinh không đảm bảo đốt nóng đồng toàn hỗn hợp đá basalt Với lò khí không, Basalt nóng chảy phải hầm khoảng thời gian, nhiều giờ, để đảm bảo đồng nhiệt độ Sản xuất sợi basalt sử dụng nhiều phương pháp khác để tăng đông nhiệt độ, bao gồm ngâm điện cưc bồn Cuối cùng, phương pháp đung nóng gian đoạn sử dụng, gôm có khu riêng biệt trang bị với hệ thống gia nhiệt điều khiển độc lập Chỉ có hệ thống điều khiển nhiệt độ năm lò, nơi cấp lót cho đùn, yêu cầu xác lớn, hệ thống điều khiển phức tạp sử dụng khu vục đâu gia nhiệt Sợi basalt thường sản xuất công nghệ khác Đó thổi ly tâm đùn nóng chảy c để sản xuất sợi basalt trình đùn nóng chảy đùn Phương pháp thổi ly tâm Basalt nóng chảy rót vào phân ly tâm Bộ phận thổi Bộ phân ly tâm Giọt basalt 5-7: trình hình thành sợi Sợi Đầu sợi Công nghệ thổi xylanh ly tâm sử dụng để sản xuất sợi giá rẻ với 60-100 mm độ dài, 8-20µm đường kính, chủ yếu sử dụng vật liệu cách nhiệt công nghiệp xây dưng ô tô Đây công nghệ gian đoạn Sợi BF sử dụng nhựa nhiệt dẻo nhiệt rắn composite sản xuất công nghệ Các bước phương pháp thổi ly tâm: Bước 1: Sợi basalt nóng chảy nhiệt độ gần đến 15800C Bước 2: sau nhấp liệu vò máy quay trục ngang Ở có đầu ly tâm bao gồm đầu ly tâm, phân tăng tốc xilanh tạo sợi Bước 3: Sau máy quay ly tâm sợi hình thành kết lực ly tâm thổi bay với áp suất cao mô tả hình vẽ Bước 4: Sợi ngắn với chiều dài cụ thể kết dính với Ưu điểm phương pháp: - Giá thành rẻ - Sợi ứng dụng nhiều lĩnh vực - Sợi có đường kính nhỏ - Sợi chất lượng Nhược điểm phương pháp - Đầu tư cao tranh thiết bị đắt tiền - Quá trình gián đoạn nên nâng suất không cao Bộ phận nghiền đá - Chỉ làm sợi MAT Bộ phận định lượng Phương pháp đùn nóng chảy Hệ thông vận chuyển Trạm thu nguyên liệu Bộ phận gia nhiệt Bộ phân điều khiển nhiệt thứ cấp Hình thành sợi đơn Bộ phân điều chình kích thước Hình thành sợi 10 11 Quấn Vì đáp ứng nhiều yêu cầu ứng dụng khác sợi basalt, phương pháp kéo sử dụng, dựa phương pháp kéo sợi từ nguyên liệu nóng chảy, giống phương pháp truyền thống sản xuất sợi thủy tinh Những sợi basalt có đường kính 10-14 µm đạt sợi thô có nhiều thành phần sợi khác Sợi ngắn sản xuất trực tiếp từ đá basalt nghiền công nghệ đơn giản sợi có giá thành rẻ chúng có tính chất lý tương đối thấp không đồng điều Một 10 ứng dụng quan trọng khác sợi bsalt thay sợi amiăng, ví dụ làm phanh xe chịu nhiệt độ cao Các bước phương pháp đùn nóng chảy Bước 1: Đá nguyên liệu nghiền để đạt kích thươc thích hợp cho quy trình sản xuất Bước 2: Đá nghiền đến phận định lượng, để định lượng khối lượng cho mẻ Bước 3: Đá nghiền phân vận chuyển, chuyển lên lò nung nóng chảy Bước 4: Đá gia nhiệt để nóng chảy sau chuyên bồn thứ để giữ nhiệt đông điều Bước 5: Từ lò, basalt nóng chảy cung cấp đến sổ cấp liệu truyền đạt với thu hồi Bộ phận nhập liệu có sổ với mặt bích kết nối với lổ ông lót gia nhiệt lò Dòng nóng chảy qua đâu gia nhiệt băng platinum/rhodium ống lót với khoàng 200 lổ( 500 lổ có thể) Sợi hình thành băng áp lực thủy tĩnh làm lạnh để có sợi cứng Silane sử dụng để biến tính bề mặt sợi làm tăng khả tương hợp với vợi làm chất bơi trơn Bước 6: Sợi hình thành băng áp lực thủy tĩnh làm lạnh để có sợi cứng Silane sử dụng để biến tính bề mặt sợi làm tăng khả tương hợp với vợi làm chất bơi trơn Sợi đơn đươc gôm lại chuyển đến thiết bị cắt Chỉ xoắn basalt sản xuất phận quấn sợi basalt Sợi liên tục cắt ngắn với chiều dài cụ thể kết dính với Hợi ẩm chứa sợi cuối phải nhỏ 1% với kích thước thêm vào khoảng từ 1%-2% Phương pháp sản xuất BF theo phương pháp Junkers tốt rẻ có nhược điểm Ưu điểm phương pháp: - Giá thành rẻ - Sợi ứng dụng nhiều lĩnh vực - Sợi có đường kính nhỏ - Có thể làm nhiều sản phẩm khác - Nâng suất cao trình liên tục Nhược điểm phương pháp - Sợi không đông điều, tính chất không tốt III Tính chất sợi Basalt Tính chất lý - Basalt có độ cứng tốt, độ cứng dao động khoảng 5-9 Mohr’s scale Do đó, chứng có khả kháng mài mòn tốt 11 - Sợi basalt có tỷ trọng thấp, khoảng 2,7g/cc Sợi basalt nhẹ sợi thép có tỷ trọng sấp xỉ sợi thủy tinh sợi cacbon - Độ bền sợi basalt tương đương với sợi thủy tinh Nhưng giá thành thấp nên sợi basalt lựa cho tốt để thay sợi thủy tinh Dưới bảng so sánh số tính chất lý sợi Basalt so với số loại sợi khác: Tính chất nhiệt Sợi basalt có tính chất nhiệt tốt so với E-glass, trì nhiệt độ 1100-1200oC nhiều liên tiếp điều kiện tác dụng lực học Basalt sử dụng khoảng nhiệt độ rộng từ -260/-200 đến 650/800 o C ( E-glass từ -60 đến 450/460oC) Ứng suất dư ( sau xử lý nhiệt) cao E-glass * Số liệu cho thấy từ kết kiểm tra ứng suất ( loại roving B2 G1) sau xử lý nhiệt ( 2h): ( Giá trị ban đầu 100%) - Sợi basalt trì tính chất khoảng nhiệt độ lớn so với sợi thủy tinh Tại nhiệt độ 400500, trở nên yếu so với glass, sợi basalt giữ tính nguyên vẹn vã có khả kháng nhiệt ?? Hóa tính Sợi basalt có khả kháng lại hoạt động vi khuẩn vi sinh Độ hút ẩm khoảng 1% Ưu điểm lớn sợi Basalt bền môi trường kiềm mạnh.Tuy nhiên, chúng lại yếu môi trường acid manh so với sợi thủy tinh Môi trường nước sôi làm khối lượng sợi basalt bị giảm đáng kể 12 Basalt bền môi trường pH 13-14 có độ ổn định tương đối môi trường acid mạnh Nó trì 92% khối lượng dung dịch NaOH 2N khoảng 75% môi trường acid HCl 2N Kết luận: Basalt loại sợi có tính chất tốt: độ bền ứng suất cao, kháng môi trường base acid tốt, tính chất điện tốt, kháng ăn mòn, độ bền nhiệt cao… 13