ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АГРЕССИВНЫХ СРЕД НА КАЧЕСТВО НЕПРЕРЫВНЫХ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании были изучены и сопоставлены показатели прочности непрерывных базальтовых волокон в исходном состоянии, а также после выдерживания в агрессивных средах в течение определённого времени. Для этого непрерывные базальтовые волокна выдерживали в щелочном растворе (pH = 13) при температуре 25 °C в течение 72 часов. После этого образцы нейтрализовали и промывали дистиллированной водой. После высушивания была исследована их прочность на разрыв. Для сравнения использовались ассемблированные непрерывные базальтовые волокна (директ-ровинг) различных марок с линейной плотностью 1200 текс.

ABSTRACT

This study examined and compared the strength of continuous basalt fibers in their original state and after exposure to aggressive environments for a specified period of time. For this purpose, continuous basalt fibers were exposed to an alkaline solution (pH 13) at 25°C for 72 hours. The samples were then neutralized and rinsed with distilled water. After drying, their tensile strength was tested. Assembled continuous basalt fibers (direct roving) of various grades with a linear density of 1200 tex were used for comparison.

Ключевые слова: базальт, ровинг, волокна, линейная плотность, потери при прокаливании, прочность на разрыв, относительное удлинение.

Keywords: basalt, roving, fibers, linear density, loss on ignition, tensile strength, relative elongation.

Введение. В настоящее время в промышленности и строительстве растет потребность в высокопрочных, долговечных и экологически чистых материалах. Одним из таких современных материалов являются базальтовые волокна. Базальтовые волокна обладают следующими важными свойствами:

• высокая механическая прочность и износостойкость;

• применимость в диапазоне температур от −200 °C до +700 °C;

• хорошая химическая стойкость к кислотным и щелочным средам;

• огнестойкость и термостойкость;

• влаго- и коррозионная стойкость;

• электроизоляционные свойства [1].

Базальтовые волокна также более коррозионностойки, чем металлические и стеклянные волокна. Благодаря этим свойствам базальтовые волокна широко используются во многих областях. В частности, в строительстве – базальтовое армирование, базальтово-фибробетон, армирование дорожных и мостовых конструкций; в промышленности и энергетике – теплоизоляция, защита оборудования, работающего в агрессивных средах; в машиностроении и транспорте – при производстве легких и прочных композитных деталей; в химической промышленности – как материал, устойчивый к кислотам и щелочам [2 – 4].

Цель работы. Целью данной работы являлось исследование влияния агрессивной щелочной среды на физико-механические свойства непрерывных базальтовых волокон. В рамках исследования ставилась задача определить изменение прочности на разрыв и относительного удлинения базальтовых ровинговых волокон различных марок после выдерживания в щелочной среде с pH = 13 при температуре 25 °C в течение 72 часов, а также провести сравнительный анализ их щелочестойкости в зависимости от типа применяемого замасливателя [5,6].

С этой целью были приготовлены различные марки замасливателей из водных эмульсий на основе винилацетата и эпоксидно-диановых смол. Из этих замасливателей были получены непрерывные базальтовые волокна. Марки 1-3 представляют собой волокна на основе винилацетата, а марки 4-6 — волокна на основе эпоксидно-диановых смол.

Результаты и обсуждение. В ходе исследования были изучены показатели качества и физико-механические характеристики непрерывных базальтовых ровинговых волокон шести различных марок с линейной плотностью около 1200 текс.

Полученные результаты представлены в таблице 1 ниже.

Таблица 1.

Показатели качества базальтовых ровинговых волокон

Исходные данные показали, что все исследуемые образцы характеризуются близкими значениями линейной плотности, низким влагосодержанием и допустимыми потерями при прокаливании, что свидетельствует о стабильности их структуры и пригодности для сравнительных испытаний.

Затем определены физико-механические параметры каждого волокна ровинга.

Таблица 2.

Физико-механические параметры базальтовых ровинговых волокон

Анализ исходных физико-механических характеристик показал, что средние значения относительной прочности на разрыв варьируются в диапазоне 602,9–640,0 мН/текс, а относительное удлинение составляет 3,4–3,7 %, что соответствует требованиям, предъявляемым к непрерывным базальтовым волокнам для армирующих и композитных материалов.

В нашей следующей работе были определены показатели прочности на разрыв ровинга после хранения в течение 72 часов в щелочной среде с рН=13. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Физико-механические показатели базальтовых ровинговых волокон после 72 часов хранения в щелочной среде.

Рисунок 1. Параметры прочности базальтовых ровинговых волокон до и после хранения в щелочной среде

После выдерживания волокон в щелочной среде с pH = 13 в течение 72 часов наблюдалось снижение прочностных характеристик у всех исследуемых марок. Средние значения относительной прочности на разрыв уменьшились до 361,6–469,8 мН/текс, а относительное удлинение — до 2,1–2,8 %. Это свидетельствует о деструктивном воздействии щелочной среды на поверхностный слой волокон и ослаблении межфиламентных связей.

В то же время степень снижения прочности была различной для разных марок волокон. Наиболее устойчивыми к воздействию щелочной среды оказались Марка 1 и Марка 5, которые сохранили более высокие значения прочности и относительного удлинения по сравнению с другими образцами. Данный факт, вероятно, связан с особенностями химического состава и защитными свойствами используемых замасливателей на основе винилацетата и эпоксидно-диановых смол, обеспечивающих лучшую защиту поверхности волокон в агрессивных условиях.

Заключение. В результате проведённого исследования установлено, что воздействие щелочной среды с pH = 13 приводит к заметному снижению прочности на разрыв и относительного удлинения непрерывных базальтовых ровинговых волокон. Несмотря на общее ухудшение физико-механических характеристик, степень деградации волокон существенно зависит от их марки и типа применяемого замасливателя. Марка 1 и Марка 5 продемонстрировали высокую щелочестойкость, что позволяет рекомендовать использование базальтовых волокон этого типа в строительных и промышленных композитах, работающих в агрессивных щелочных средах. Полученные результаты могут быть использованы при выборе базальтовых волокон для армирования бетонных конструкций и разработки новых композиционных материалов с повышенной долговечностью.

Список литературы:

1. Singha K. A short review on basalt fiber //International Journal of Textile Science. – 2012. – Т. 1. – №. 4. – С. 19-28.
2. Fiore V. et al. A review on basalt fibre and its composites //Composites Part B: Engineering. – 2015. – Т. 74. – С. 74-94.
3. Lebedev M. P., Startsev O. V., Kychkin A. K. The effects of aggressive environments on the mechanical properties of basalt plastics //Heliyon. – 2020. – Т. 6. – №. 3.
4. Сарайкина К. А., Голубев В. А., Семкова Е. Н. Щелочестойкость базальтового волокна и способы ее повышения //Construction and Geotechnics. – 2012. – №. 1. – С. 185-192.
5. Voylokov, I.A. Basalt fiber concrete. Historical excursion / I.A. Voylokov, S.F. Kanayev // Engineering and construction journal. – 2009. – № 4. – Р. 26–31.
6. Левчук, Н.В. Физико-химические и технологические аспекты применения базальтовой фибры / Н.В. Левчук, Е.И. Шляхова // Вестн. Брестского гос. техн. ун-та. Сер. Стр-во и архитектура. – 2017. – № 1. – С. 135–138.