ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БАЗАЛЬТОВЫХ ТКАНЕЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты исследований по разработке и внедрению базальтовых огнестойких тканей для применения в строительстве и противопожарной защите зданий. Проведен сравнительный анализ свойств базальтовых тканей, стеклотканей и арамидных материалов. Показаны высокие эксплуатационные характеристики базальтовых тканей: термостойкость до 700–800 °C, высокая прочность, устойчивость к агрессивным средам и экологичность. Предложены области применения: противопожарные перегородки, кабельные каналы, воздуховоды, фасадные покрытия, спецодежда. Сделан вывод о высокой практической значимости разработки для повышения уровня пожарной безопасности.

ABSTRACT

This paper presents the results of research on the development and implementation of basalt fire-resistant fabrics for use in construction and fire protection of buildings. A comparative analysis of the properties of basalt fabrics, fiberglass fabrics, and aramid materials is conducted. The high performance characteristics of basalt fabrics are demonstrated: heat resistance up to 700–800°C, high strength, resistance to aggressive environments, and environmental friendliness. Suggested areas of application include fire partitions, cable ducts, air ducts, façade coverings, and workwear. It is concluded that this development has significant practical significance for improving fire safety.

Ключевые слова: базальт, минеральный камень, основа, уток, функциональный, станок, бердо.

Keywords: basalt, mineral stone, warp, weft, functional, loom, reed.

Введение

В настоящее время активно обсуждаются меры по решению нарастающих проблем в текстильной и лёгкой промышленности Узбекистана. Отрасль привлекает внимание как специалистов, так и представителей государственных структур. Основные трудности связаны с физическим износом технологического оборудования, недостаточной конкурентоспособностью отечественных предприятий, ростом зависимости от импорта готовой продукции, ограниченной экспортной активностью, а также низким уровнем развития современных форматов торговли и распространением недобросовестных методов конкуренции.

В последние годы значительная доля инноваций приходится на сегменты технического текстиля.  Современные требования к строительным и техническим материалам всё в большей степени ориентированы на обеспечение комплексной пожарной безопасности зданий и сооружений. С каждым годом ужесточаются нормативные требования, направленные на предотвращение возгораний и снижение последствий чрезвычайных ситуаций. В связи с этим актуальной научно-практической задачей является разработка новых текстильных материалов, способных выдерживать высокие температуры, сохранять прочность и долговечность, а также обеспечивать экологическую безопасность эксплуатации.

Традиционно применяемые материалы — стеклоткани и арамидные волокна — имеют ряд ограничений. Стеклоткани характеризуются невысокой гибкостью и склонностью к разрушению при циклических деформациях. Арамидные волокна, несмотря на их прочность, отличаются высокой стоимостью и недостаточной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению.

На этом фоне особый интерес представляют базальтовые волокна — экологически чистый материал природного происхождения, получаемый путём плавления базальтовых горных пород. Базальтовые ткани сочетают уникальные свойства: высокую термостойкость (до 800 °C), прочность, стойкость к агрессивным средам, а также биостойкость. Благодаря этому они рассматриваются как перспективное направление для применения в строительстве, транспорте, энергетике и, особенно, в производстве средств индивидуальной защиты для сотрудников экстренных служб.

Обзор литературы

По данным научных публикаций [1-5], базальтовые волокна рассматриваются как конкурентная альтернатива стекловолокну и арамидным волокнам. Ученые такие как, Sim, J., Park, C., & Moon, D. Y.  отмечают, что базальтовые волокна имеют высокую устойчивость к высоким температурам и агрессивным химическим средам, что делает их эффективными в огнезащите. В работах Sim и др.  исследованы перспективность базальтовых материалов для армирования строительных конструкций благодаря их прочностным характеристикам. Militký и др. обосновали, что после термообработки базальтовые волокна сохраняют до 80 % прочности. По данным европейских производителей, изделия из базальта на 20–30 % дешевле арамидных аналогов при сходных характеристиках.

Анализ научных источников показывает, что традиционно для огнезащитных решений применяются стекловолокно и арамидные волокна. Однако стекловолокно обладает низкой термостойкостью (до 550 °C), а арамиды – высокой стоимостью. Базальтовые ткани демонстрируют более высокую огнестойкость (до 1000 °C) при доступной себестоимости.

В последние годы появились исследования, посвященные использованию базальтовых материалов в строительстве, включая применение для теплоизоляции, звукоизоляции, армирования бетона, а также создания огнестойких покрытий. Таким образом, использование базальтовых тканей является стратегически перспективным направлением в противопожарной защите зданий. На основе полученных аналитических исследований поставлена задача разработки ткани нового поколения на основе базальтовых волокон для комплексной защиты зданий[6-9].

Материалы и методы исследования

Для решения поставленной задачи разработана огнестойкая ткань нового поколения на основе базальтовых волокон, предназначенная для комплексной защиты зданий и сооружений от воздействия высоких температур и открытого пламени. Для получения технических тканей на ткацких станках Somet Thema Super Excel-190 были выработаны опытные образцы по совершенствованной технологии в научной лаборатории кафедры «Технология текстильных полотен» Ташкентского института текстильной и легкой промышленности[10-12].

В качестве опытного образца для эксперимента использовалась заправка станков c использованием непрерывных базальтовых ровниговых нитей основы и утка с полотняным переплетением.

Выбор базальтовых волокон обусловлен их природным происхождением, экологичностью и уникальными физико-химическими свойствами — высокой термостойкостью (до 800°C), низкой теплопроводностью, стойкостью к агрессивным средам и биостойкостью.

Для оценки эксплуатационных характеристик проведен сравнительный анализ свойств базальтовых тканей и аналогов (стеклоткань, арамид). Изучены возможности применения базальтовых тканей в строительстве и противопожарной защите.

В исследовании рассматривались три группы тканей: базальтовая ткань (из ровинга), стеклоткань, арамидная ткань. Исследования проводились в лаборатории производства «Узбекистан-Базальт». Для оценки эксплуатационных характеристик образцов тканей применялись следующие методы испытания. Определение прочности на разрыв по ГОСТ 8976-75 (ГОСТ 3813–72), с использованием разрывной машины Instron-5567.  Испытания проводились на полосках испытуемых образцов ткани шириной 50мм при скорости разрыва 100мм/мин.

Методы исследования испытания определение устойчивости к изгибу и истиранию по ГОСТ 8976–75, с использованием прибора Martidale. Оценка термостойкости, осуществлялась в муфельной печи при температурном диапазоне 300-800 ⁰С с шагом 100 ⁰С. Теплопроводность измерялась методом стационарного теплового потока на приборе Laser Comp Fox 50.

Для анализа изменения структуры образцов тканей после термообработки использовалась оптическая микроскопия на микроскопе Olumpus BX51 и сканируюўая электронная микроскопия СЭМ для оценки изменения поверхности волокон, а также наличия трещин и степени плавления на поверхности образцов. Все измерения проводились в трехкратной повторности и получены средние значения испытания характеристик.

Результаты и обсуждение

Исследование показало, что базальтовые опытные ткани демонстрируют устойчивость к воздействию высоких температур до 1000 ⁰С, сохраняя до 85% исходной прочности после нагрева до 800 ⁰С, тогда как арамидные теряли до 40% прочности при нагреве 400 ⁰С, а стеклоткани становились хрупкими при нагреве 500 ⁰С.

Полученные результаты комплексных исследований характеристик защитных тканей приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты комплексных исследований характеристик защитных тканей

Рисунок 1. Сравнение предела термостойкости тканей

Рис.1 отражает динамику изменения предела термостойкости 3 образцов тканей. Видно, что базальтовая ткань сохраняет механическую стабильность при температурах, а арамиды и стекловолокно теряют эксплуатационные свойства.

Рисунок 2. Сравнительный график прочности

Рис.2 демонстрирует сравнительный график прочности при растяжении, где базальтовые образцы показывают стабильное поведение при 800 ⁰С, тогда как арамидных образцах прочность снижается на 15% при 400 ⁰С, а в образцах стеклоткани прочность резко снижается на 29% после 500 ⁰С.

Рисунок 3. Диаграмма поверхностной плотности образцов тканей

Рис.3 иллюстрирует различия в поверхностной плотности исследуемых образцов ткани, где базальтовая ткань имеет оптимальное сочетание массы и прочности, обеспечивая равновесие между функциональными, защитными и технологическими характеристиками.

Выводы

Проведенные исследования показали, что базальтовые огнестойкие ткани нового поколения обладают комплексом уникальных свойств: высокой термостойкостью, прочностью, экологичностью и долговечностью. Их внедрение в строительные конструкции и системы противопожарной защиты позволит повысить безопасность зданий, снизить затраты на материалы и обеспечить экологическую устойчивость.

Разработанные базальтовые ткани могут быть использованы в строительстве зданий и сооружений в качестве огнезащитных покрытий для кабелей, воздуховодов, перегородок и фасадов. Кроме того, они могут применяться при производстве брезентов и защитной спецодежды для работников МЧС, и пожарных подразделений.

Список литературы:

1. Sim, J., Park, C., & Moon, D. Y. (2005). Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures. Composites Part B: Engineering, 36(6–7), 504–512.
2. Fiore, V., Scalici, T., Di Bella, G., & Valenza, A. (2015). A review on basalt fibre and its composites. Composites Part B: Engineering, 74, 74–94.
3. Militký, J., Kovačič, V., & Rubnerová, J. (2002). Influence of thermal treatment on tensile failure of basalt fibers. Engineering Fracture Mechanics, 69(9), 1025–1033.
4. Lee, S. H., & Wang, S. (2006). Biodegradable polymers/bamboo fiber biocomposite with bio-based coupling agent. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 37(1), 80–91.
5. Артемьев, А. Н. (2020). Применение базальтовых тканей в строительстве. Строительные материалы, №7, 15–21.
6. Расулов Х.Ю., Рахимходжаев С.С. Натяжение нитей основы по мере срабатывания ткацкого навоя // Universum: технические науки. Электронный научный журнал. – 2024. – № 7(124). – URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17886 
7. Расулов Х.Ю., Рахимходжаев С.С. Системы отвода ткани и подачи нитей основы. - Монография. - Ташкент, 2022. – 139 с.
8. Кадирова Д.Н , Рахимходжаев С. С. Новые методы измерения параметров процесса ткачества Журнал Проблемы Текстилья, 2002, №3 11-14.
9. Xamrayeva, S., Kadirova, D., & Raximxodjayev, S. (2024). Study of the parameters of functional bed linen. AIP Conference Proceedings, 3045, 030021. https://doi.org/10.1063/5.0198814
10. Xamrayeva, S., Daminov, A., & Kadirova, D. (2024). Study of the influence of polyurethane thread on technological parameters and physical-mechanical properties of elastic fabric. AIP Conference Proceedings, 3045, 030020. https://doi.org/10.1063/5.0198813
11. Исследование параметров функционального постельного белья С.Б Хамраева, ДН Кадирова, СС Рахимходжаев - Results of National Scientific Research International, 2023.
12. Kadirova, D. N. (2018). Research of structure of fabrics. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology.