«Шуба» для дома и «каменная» удочка на век

№1-1,

химические науки

Во что мы одеваемся? Ткань, мех, шерсть, в общем, волокна. В них нам тепло и легко. Во что мы «одеваем» наши дома? В кирпич, бетон, металл и стекло!? Холодно и тяжеловесно. Нервы и мышцы тоже состоят из волокон. И их нам хватает на век. А удочка ломается каждый сезон. Что это за уникальный материал – волокна?

Похожие материалы

Во что мы одеваемся? Ткань, мех, шерсть, в общем, волокна. В них нам тепло и легко. Во что мы «одеваем» наши дома? В кирпич, бетон, металл и стекло!? Холодно и тяжеловесно.

Нервы и мышцы тоже состоят из волокон. И их нам хватает на век. А удочка ломается каждый сезон. Что это за уникальный материал – волокна?

Волокно – материал, длина частицы которого во много раз больше ее диаметра. Основное преимущество волокна над другими материалами – весьма интересное сочетание свойств сплошного твердого тела и среды с развитой межфазной поверхностью (Это сочетание дает постоянство формы и объема с пористостью до нескольких квадратных метров на грамм). Волокна могут быть как органического, так и неорганического происхождения (При этом органические волокна встречаются как в растительном, так и в животном мире). Всем известны материалы из хлопка, льна, пеньки и джута. Ни один искусственный материал не превосходит по качеству шерсть овцы или верблюда, а также шелк тутового шелкопряда. Уникальным примером использования свойств волокна природой является «шуба» белого медведя. По законам охоты «шуба» медведя должна быть белой – для маскировки. По законам физики – черной – для максимального обогрева тела животного. Как совместить несовместимое?

Секрет «шубы» белого медведя заключается в том, что она состоит из пустотелых волокон c шероховатой внутренней поверхностью. Видимый свет хорошо рассеивается неровностями внутри волосков, из которых состоит мех животного. Именно поэтому наблюдателю «шуба» медведя кажется белой. Однако важным в данной ситуации является не только это: под белым мехом у медведя скрыта черная кожа, очень хорошо поглощающая подводимую к ней пустотелыми волосками солнечную энергию. Природа разрешила противоречие – черная кожа, покрытая белой «шубой» (волокном с оптопроводными свойствами).

Волокна неорганического происхождения не так многообразны: к ним относятся минералы из асбеста и базальта. Теплоизоляционные волокна – это в первую очередь рыхлые материалы. В последнее время в сфере их производства идет соревнование между искусственными (преимущественно веществами органической химии) и минеральными (то есть природного происхождения) материалами. Соревнование это длительное и ведет к бескомпромиссной борьбе производителей. На стороне искусственных материалов: широкий ассортимент продукции и крупнотоннажный характер производства. Их недостатки: химические опасности и риски по всей производственной цепочке как для человека, так и для окружающей среды (Кроме того, немаловажным в данном случае является тот факт, что при пожарах часть пострадавших получают травмы не столько ожогового характера, сколько в виде отравления продуктами разложения полимерных отделочных материалов). В отличие от искусственных материалов основное преимущество каменной ваты состоит в том, что она выдерживает температуры нагревания до 700 оС, не выделяя при этом опасных для человека и окружающей среды продуктов разложения.

Разнообразно и широко применение асбестов в промышленности, строительстве и быту, в качестве изоляционного термостойкого материала. Недавно установлено, что асбестсодержащие материалы и асбестовые технологии отнесены к канцерогенам фиброгенного действия. Канцерогенные вещества – это химические вещества, запускающие механизм образования и роста раковых опухолей. Поэтому встал вопрос о замене хрупких асбестосодержащих материалов на эластичные и безопасные материалы на основе базальтового волокна.

Базальты – разновидность вулканических горных пород. Несмотря на то, что большая часть массы вещества земной коры находится в кристаллическом состоянии, в недрах планеты и на поверхности Земли в ходе вулканических извержений реализуются высокотемпературные процессы с участием практически аморфной выплавки природных алюмосиликатов (рис. 1). При остывании массивная часть лавового потока относительно быстро кристаллизуется, а малые частицы затвердевают в стеклообразном состоянии. В процессе вулканических извержений образуются, в том числе, и аморфные волокна.

Лавовый поток
Рис. 1. Лавовый поток

Специалистам хорошо известны так называемые «волосы Пеле» и «слезы Пеле», которые находят на берегах лавовых озер вулканов Гавайских островов (Пеле – имя гавайской богини огня). «Волосы Пеле» – это стеклянные нити длиной до двух метров, «слезы Пеле» – стеклянные капельки на концах нитей (или стеклянные гантели малых размеров). Они образуются при прохождении вулканических газов сквозь лавовый расплав. Этот процесс подобен технологическим схемам, реализуемым при производстве минеральной ваты. Стеклянные волокна также можно найти во внутренних порах рыхлых вулканических продуктов – тефры и пемз. Считается, что именно находки базальтовой (каменной) ваты на Гавайях навели ученых на мысль о промышленном получении волокон из горных пород.

Что же из себя представляют базальты? Базальты – многокомпонентная многофазная физико-химическая система. В природе они существуют в виде лавовых плато (рис. 2) и пепла после извержения вулканов (рис. 3). В составе базальтов преобладает кремний, ему сопутствуют кислород, алюминий, железо, магний, кальций, титан, натрий, калий и фосфор. Эти элементы являются породообразующими (определяющими минеральный состав породы). Следует отметить, что для получения каменной ваты пригодны любые горные породы базальтового состава.

Базальтовая столбчатая отдельность
Рис. 2. Базальтовая столбчатая отдельность
Вулканический пепел на склонах вулкана Тятя с автором на переднем плане
Рис. 3. Вулканический пепел на склонах вулкана Тятя с автором на переднем плане

Состав базальтовых пород может меняться в довольно широких пределах. Так, содержание оксида кремния и изменяется в базальтах от 40 до 55 %. Минеральный состав базальтов зависит от химического состава и условий кристаллизации базальтовой лавы. Он влияет на величину температуры и длительность технологического процесса плавки. Наличие тугоплавких минералов (магнетит, оливин) требуют более высоких температур плавления, и затрудняет достижения гомогенности базальтового раствора. Таким образом, многокомпонентность пород и ее вариации в широких пределах затрудняет выбор единых технологических параметров плавления для различных базальтов. Запасы базальтового сырья практически не ограниченны (хотя они и различаются по качеству) и составляют порядка 30% площади занятой магматическими породами.

Какое же место занимает каменное волокно среди известных материалов? Лучше всего представить характеристики материалов из базальтовых волокон читателям помогут гистограммы плотности, коэффициента теплопроводности, предела упругости и прочности на растяжение строительных материалов (рис. 4 – 6).

По плотности материалов можно судить об их массе, а также о затратах, которые возникают при строительстве зданий. Плотность минеральной (каменной) ваты в 200 раз меньше плотности стали, в 60 раз – плотности железобетона и в 45 раз – плотности кирпича (рис. 4). Таким образом, базальтоволоконный дом можно построить вручную, без применения подъемных механизмов. Помимо этого, важно следующее: из одного вагона базальтовой породы можно получить до 20 вагонов волокна!

Коэффициент теплопроводности ваты из него на два порядка меньше чем у железобетона и на порядок чем у кирпича (рис. 5). Необходимо иметь в виду, что применение 1 м3 базальтоволокнистого теплоизоляционного материала даст экономию в 1 тонну условного топлива в год. Развитие базальтоволоконных технологий актуально для России с ее неожиданно наступающими зимами.

Диаграмма прочности основных строительных материалов хорошо иллюстрирует преимущества базальтового волокна над другими материалами (рис. 6). Имея самый высокий показатель прочности на растяжение (2000 – 3000 МПа), и предел упругости, превышающий значения пределов упругости стали и титановых сплавов, дает возможность использовать базальтовое волокно взамен специальных сталей и фарфора в агрессивных и абразивных средах. В контакте с агрессивными средами базальтоволоконные материалы используются без капитального ремонта в течение 60-80 лет. А удочки из непрерывного базальтового волокна будут служить вечно. Такой спортивный снаряд не сломается под весом тайменя в двадцать килограммов. Надо отметить, что теплоизоляция космических челноков делается тоже из материала на основе силикатного волокна.

Диаграмма плотности строительных материалов
Рис. 4. Диаграмма плотности строительных материалов
Диаграмма коэффициента теплопроводности строительных материалов
Рис. 5. Диаграмма коэффициента теплопроводности строительных материалов
Диаграмма предела упругости и прочности на растяжение строительных материалов
Рис. 6. Диаграмма предела упругости и прочности на растяжение строительных материалов

Базальтоволоконный штапель можно использовать для изготовления несгораемой одежды. Перспективно применение базальтового трикотажа в качестве матриц для производства звукопоглощающих изделий, необходимых в авиационной и машиностроительной промышленности. Высокие акустические свойства тканей на основе базальта позволяют применять их для облицовки стен промышленных зданий с повышенной звуковой нагрузкой.

Однако, несмотря на высокие эксплуатационные свойства непрерывных базальтовых волокон, а также на привлекательность применения изделий из них в различных отраслях промышленности, рынок этих материалов заполнен только на 50 %.

Знакомство автора и его коллег с обширными материалами по базальтоволоконной тематике навело их на мысль, что в древности производство материалов в земной кислородной атмосфере пошло по ошибочному металлическому пути. В литосфере металлы находятся в основном в оксидной форме. Путем восстановления, затрачивая море энергии, человек производит чистые металлы и из них предметы потребления и, в большей, степени орудия уничтожения. Причина заключается в милитаристском пути развития цивилизации, хотя в начале человек пользовался каменными (оксидными) материалами. В то время как металлические предметы в процессе эксплуатации на треть уничтожаются коррозией, скребок или топор из кремня, пролежав в земле тысячи лет, пригодны для дальнейшего использования.

Не пора ли вернуться в КАМЕННЫЙ ВЕК? Одеть дома в «каменную» шерсть и ловить рыбку «каменными» удочками?

  1. Гигиенический норматив ГН 2.2.5. 1313-03 «ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны», введен 15.06.2003 г. Постановлением ГГСВ РФ от 30.04.2003 г.