93
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ БАЗАЛЬТОВЫХ
СТЕКОЛ
Ю. Г. Павлюкевич, Л. Ф. Папко, Е. Е. Трусова
(e-mail:
pavliukevitch.yura@yandex.ru)
Белорусский государственный технологический университет, Минск, Беларусь
В настоящее время уделяется большое внимание фундаментальным исследованиям базальтовых
стекол и волокон, а также практическому применению базальтового волокна в качестве
армирующего материала в производстве композитов. Одним их эффективных способов
повышения эксплуатационных характеристик базальтовых волокон является модифицирование
их состава [1–5]. При производстве непрерывных базальтовых волокон фильерным способом
необходимо также решать ряд технологических проблем, которые обусловлены
нестабильностью химико-минерального состава базальтов и высокой поглощающей
способностью железосодержащего расплава.
В результате проведенных нами исследований установлены особенности влияния алюмо- и
борсодержащих модификаторов на технологические и механические свойства базальтовых
стекол и установлена возможность повышения их прочности на 15–25 % путем введения в
состав сырьевых композиций на основе андезитобазальта дистена и колеманита [6].
Целью настоящего этапа работы является исследование реологических свойств базальтовых
расплавов и стекол модифицированных составов. Реологические свойства стеклообразующих
расплавов, и в первую очередь вязкость, определяют условия плавления и получения
осветленного гомогенного расплава, температурный интервал формования волокна, а также
термостойкость – верхнюю температурную границу эксплуатации волокнистых материалов.
Составы опытных стекол приведены в табл. 1, при этом стекло состава 1 получено при п
лавлении андезитобазальта, составов 2 – 6 – при плавлении сырьевых композиций база
льт – модификатор.
Табл. 1. Химический состав опытных стекол
Высокотемпературная вязкость базальтовых расплавов определялась на вискозиметре RSV–1600
фирмы Orton. Установлено, что повышение содержания Al
2
O
3
в базальтовом расплаве (состав
2) приводит к повышению энергии активации вязкого течения (рис. 1). Введение В
2
О
3
в
сочетании с СаО в состав базальтовых стекол приводит к существенному снижению вязкости
расплава (составы 2, 3). Так, вязкость, составляющая 10 Па
с, для базальтового стекла
достигается при температуре 1440
о
С, для стекла, содержащего 4,4 мас.% В
2
О
3
,
– при
температуре 1385
о
С. При совместном введении в состав сырьевых композиций дистена и
колеманита (составы 5, 6) обеспечивает показатели реологических свойств на уровне
вязкости базальтового расплава базового состава либо ниже данных показателей.
В работе [7] показано, что рабочий интервал вязкости базальтовых расплавов при
формовании непрерывного базальтового волокна соответствует значениям 10 – 30 Па
с.
Сопоставление экспериментальных данных определения вязкости расплава базового состава
с данными по технологическим режимам вытягивания волокна позволяет считать
оптимальным интервал значений 30 – 50 Па·с (lg
составляет 1,45 – 1,7). При получении
комплексных нитей различной линейной плотности температурный интервал формования
№ сост
ава
Массовое содержание компонентов, %
SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
CaO
B
2
O
3
MgO
Na
2
O
K
2
O
TiO
2
1
53,0
17,22
12,33
8,28
–
4,07
2,52
1,50
1,08
2
50,98
20,35
11,83
7,98
–
3,94
2,51
1,44
0,96
3
49,09
14,66
12,01
10,63
4,40
4,26
2,37
1,46
1,11
4
50,92
15,29
12,53
9,54
2,29
4,28
2,47
1,52
1,16
5
48,61
19,81
11,96
9,11
2,19
4,09
2,36
1,45
1,11
6
47,33
21,24
11,65
8,87
2,13
3,98
2,30
1,42
1,08
94
базальтового волокна базового состава составляет 1300–1350
о
С. При введении в состав
базальтового стекла оксидов бора и кальция температура выработки волокна снижается на
30–50
о
С. По температурным зависимостям вязкости модифицированных стекол определены
технологические параметры формования волокна.
1–6 – номера составов стекол
Рис. 1. Температурная зависимость вязкости базальтовых стекол
Для определения показателей низкотемпературной вязкости использован дилатометрический
метод. По дилатометрической кривой определяется ряд характеристических температур,
соответствующих показателям низкотемпературной вязкости, в частности температура
стеклования, соответствующая вязкости 10
12,3
Па
с, а также дилатометрическая температура
размягчения (вязкость около 10
10
Па
с). Температура стеклования опытных стекол
изменяется от 645 до 684
о
С. Влияние модификаторов на показатели низкотемпературной
вязкости базальтовых стекол коррелирует с их влиянием на высокотемпературную вязкость.
Показатели температуры стеклования определяют термостойкость волокна.
Таким образом, экспериментальное исследование высокотемпературной вязкости
модифицированных базальтовых стекол позволяет выбрать технологичные составы стекол. К
ним относятся композиции базальт – колеманит, обеспечивающие введение комплексного
модификатора B
2
O
3
+ CaO. Снижение вязкости стекол при введении данного модификатора
обусловливает снижение температуры формования волокна и, соответственно, снижение
энергоемкости процесса, повышение срока службы фильерных питателей, изготавливаемых
из платинородиевого сплава. На основе композиций базальт – дистен – колеманит получены
модифицированные стекла с показателями реологических свойств на уровне показателей
исходного базальтового стекла.
Литература
1. Chen X., Zhang Y., Huo H., Wu Z. Study of high tensile strength of natural continuous basalt fibers //
Journal of Natural Fibers. 2020. V. 17, № 2. P. 214 – 222.
2. Липатов Я.В., Гутников С.И., Манылов М.С., Лазоряк Б.И. Влияние ZrO
2
на щелочестойкость и
механические свойства базальтовых волокон // Неорганические материалы. 2012. Т. 48. № 7. С. 858 – 864.
3. Liu J., Yang J., Chen M., Lei L., Wu Z. Effect of SiO
2
, Al
2
O
3
on heat resistance of basalt fiber //
Thermochimica Acta. 2018. V.660. P.56 – 60.
4. Lonnroth N., Yue Y.Z. Influence of chemical composition on the physical properties of basaltic
glasses // Glass Technol.: Eur. J. Glass Sci. Technol., Part A. 2009. V. 50. Nо. 3. Р. 165 – 173.
5. Meng Y., Liu J., Xia Y., Ran Q., Liang W., Ran Q., Xie Z. Preparation and characterization of continuous basalt
fibre with high tensile strength // Ceramics International. 2021. V. 47. Nо. 9. P. 12410 – 12415.
6. Paulıukevıch Yu.G., Pаpko L.F., Trusova E.E., Uvarov A.A. Оptimization of the basalt glass composition for
the continuous fiber production // Materials science and engineering. 2022. № 2. P.11 – 15.
7. Chen M., Liu J., Wu Z.
Zhishen Wu.
Effect of Fe
2
O
3
Concentration on the Properties of Basalt Glasses
//
Journal of
Natural Fibers. 2020, V.19 (1). P. 1 – 11.
2
6
1
5
4
3
lg
1000/T, K
–1
