玄武岩繊維
玄武岩繊維は、玄武岩を溶かして繊維状にすることで作られます。玄武岩は火成岩起源の岩石です。玄武岩繊維は3種類に分類されます。
製造工程
玄武岩連続繊維（BCF）の製造技術は、玄武岩の溶融、均質化、そして繊維の抽出という一段階のプロセスです。玄武岩は一度だけ加熱されます。BCFから材料への更なる加工は、エネルギーコストの低い「コールドテクノロジー」を用いて行われます。
玄武岩繊維は、厳選された採石場から採取された砕いた玄武岩という単一の原料から作られています。[1]繊維の製造には、酸性度が高く（シリカ含有量が46%以上[2] ）、鉄含有量が低い玄武岩が望ましいと考えられています。 [3]ガラス繊維などの他の複合材料とは異なり、製造中に実質的に材料が添加されることはありません。玄武岩は洗浄され、その後溶解されるだけです。[4]
玄武岩繊維の製造には、粉砕・洗浄された玄武岩を約1,500℃（2,730℉）で溶融する必要があります。溶融した玄武岩はその後、小さなノズルから押し出され、玄武岩繊維の連続フィラメントが生成されます。
玄武岩繊維のフィラメント径は通常 10～20 μmであり、これは呼吸限界の 5 μm をはるかに上回っているため、アスベストの適切な代替品となります。[5]また、弾性率も高いため、比強度が鋼鉄の 3 倍になります。[6] [7]細い繊維は通常、主に織物の製造のための繊維用途に使用されます。太い繊維は、例えば圧縮天然ガス(CNG) シリンダーまたはパイプの製造のためのフィラメントワインディングに使用されます。最も太い繊維は、プルトルージョン、ジオグリッド、一方向織物、多軸織物の製造に使用され、また、コンクリート補強用のチョップドストランドの形で使用されます。2018 年現在、連続玄武岩繊維の最も有望な用途の 1 つは、建設における従来の鉄筋の代替となる鉄筋の製造です。 [ 8]
プロパティ
この表は、連続玄武岩繊維の特定の製造業者に関するものです。各メーカーのデータは異なり、その差は非常に大きい場合もあります。
| 財産 | 価値[9] |
|---|---|
| 抗張力 | 2.8～3.1 GPa（410～450 ksi） |
| 弾性率 | 85 ～ 87 GPa (12,300 ～ 12,600 ksi) |
| 破断伸び | 3.15% |
| 密度 | 2.67 g/cm 3 (0.096 ポンド/立方インチ) |
比較：
| 材料 | 密度 （g/cm 3） | 引張強度 （GPa） | 比強度 | 弾性率 （GPa） | 比 弾性率 |
|---|---|---|---|---|---|
| 鉄筋 | 7.85 | 0.5 | 0.0637 | 210 | 26.8 |
| Aグラス | 2.46 | 2.1 | 0.854 | 69 | 28 |
| Cガラス | 2.46 | 2.5 | 1.02 | 69 | 28 |
| Eガラス | 2.60 | 2.5 | 0.962 | 76 | 29.2 |
| S-2ガラス | 2.49 | 4.83 | 1.94 | 97 | 39 |
| シリコン | 2.16 | 0.206-0.412 | 0.0954-0.191 | ||
| 石英 | 2.2 | 0.3438 | 0.156 | ||
| カーボンファイバー（大） | 1.74 | 3.62 | 2.08 | 228 | 131 |
| カーボンファイバー（中） | 1.80 | 5.10 | 2.83 | 241 | 134 |
| カーボンファイバー（小） | 1.80 | 6.21 | 3.45 | 297 | 165 |
| ケブラーK-29 | 1.44 | 3.62 | 2.51 | 41.4 | 28.7 |
| ケブラーK-149 | 1.47 | 3.48 | 2.37 | ||
| ポリプロピレン | 0.91 | 0.27～0.65 | 0.297-0.714 | 38 | 41.8 |
| ポリアクリロニトリル | 1.18 | 0.50～0.91 | 0.424-0.771 | 75 | 63.6 |
| 玄武岩繊維 | 2.65 | 2.9～3.1 | 1.09-1.17 | 85-87 | 32.1-32.8 |
[要引用]
| 材料の種類[10] | 弾性率（E） | 降伏応力（fy） | 引張強度（fu） |
|---|---|---|---|
| 直径13mmの鉄筋 | 200 GPa（29,000 ksi） | 375 MPa (54.4 ksi) | 560 MPa (81 ksi) |
| 直径10mmの鉄筋 | 200 GPa（29,000 ksi） | 360 MPa (52 ksi) | 550 MPa（80 ksi） |
| 直径6mmの鉄筋 | 200 GPa（29,000 ksi） | 400 MPa（58 ksi） | 625 MPa (90.6 ksi) |
| 直径10mmのBFRPバー | 48.1 GPa（6,980 ksi） | - | 1,113 MPa (161.4 ksi) |
| 直径6mmのBFRPバー | 47.5 GPa（6,890 ksi） | - | 1,345 MPa (195.1 ksi) |
| BFRPシート | 91 GPa（13,200 ksi） | - | 2,100 MPa (300 ksi) |
歴史
玄武岩繊維の製造は、 1923年にアメリカ合衆国でポール・デーによって初めて試みられ、彼は米国特許1,462,446を取得しました。第二次世界大戦後、米国、欧州、ソ連の研究者によって、特に軍事および航空宇宙用途向けに開発が進められました。1995年に機密解除されて以来、玄武岩繊維はより幅広い民生用途に利用されています。[11]
学校
- アーヘン工科大学。アーヘン工科大学の繊維技術研究所は2年に一度、国際ガラス繊維シンポジウムを開催し、玄武岩繊維を専門に扱うセクションを設けています。同大学は、玄武岩繊維の特性を研究・改良するための研究を定期的に行っています。テキスタイルコンクリートは、従来のコンクリートよりも耐食性と可鍛性に優れています。アンドレアス・コッホ氏は、「炭素繊維を玄武岩繊維に置き換えることで、革新的な複合材料であるテキスタイルコンクリートの応用分野を大幅に拡大することができます」と述べています。
- ハノーバー大学軽量設計材料科学研究所
- ダルムシュタットのドイツプラスチック研究所（DKI）[12]
- ドレスデン工科大学は、玄武岩繊維の研究に貢献してきました。コンクリート構造における繊維補強材 - 基礎研究と応用。ピーター・オッフェルマンは、1990年代初頭のドレスデン工科大学における基礎研究の開始から現在に至るまでを網羅しています。高性能糸で作られた繊維格子構造が構造補強材として全く新しい可能性を切り開くという発想は、今日の大規模な研究ネットワークの出発点となりました。コンクリート構造における繊維補強材 - 基礎研究と応用。新たな事例として、世界初の繊維補強コンクリート橋梁や、最薄層の繊維コンクリートを用いたシェル構造の改良など、個々のケースで必要な承認を得た上で、研究に並行して応用された事例が報告されています。
- レーゲンスブルク応用科学大学、機械工学部。異なる繊維強化材を用いた玄武岩繊維強化プラスチックの力学的特性評価 ― 引張試験と代表体積要素（RVE）を用いた有限要素法計算。マルコ・ロマーノ、インゴ・エールリッヒ。[13]
用途
- 熱保護[14]
- 摩擦材
- 風車の羽根
- 街灯柱
- 船体
- 車体
- スポーツ用品
- スピーカーコーン
- 空洞壁タイ
- 鉄筋[15] [16]
- 耐荷重プロファイル
- CNGシリンダーとパイプ
- 油流出吸収剤
- コンクリート補強用チョップドストランド
- 高圧容器（タンクやガスボンベなど）
- コンクリート補強用の引抜成形鉄筋（例：橋梁や建物用）
設計コード
ロシア
2017年10月18日より、JV 297.1325800.2017「非金属繊維を用いた繊維コンクリート構造」が運用開始されました。この設計規則は、玄武岩繊維強化コンクリートの設計における法的空白を解消しました。1.1項によると、この規格はあらゆる種類の非金属繊維（ポリマー、ポリプロピレン、ガラス、玄武岩、炭素）に適用されます。異なる繊維を比較すると、ポリマー繊維は鉱物繊維よりも強度が劣りますが、その使用により建築用複合材の特性を向上させることができます。
参照
参考文献
- ^ 「玄武岩採石場の調査調査 | Basalt Projects Inc. | 連続玄武岩繊維およびCBFベース複合材料のエンジニアリング」Basalt Projects Inc. 2017年12月10日閲覧。
- ^ De Fazio, Piero (2011). 「Basalt fibra: from earth an ancient material for innovative and modern application」(PDF) . Energia, Ambiente e Innovazione . 3 : 89– 96. 2021年9月18日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2021年9月8日閲覧。
- ^ Schut, Jan H. (2008年8月). 「複合材料：より高い特性、より低いコスト」www.ptonline.com . 2017年12月10日閲覧。
- ^ Ross, Anne (2006年8月). 「玄武岩繊維：ガラスの代替品か？」www.compositesworld.com . 2017年12月10日閲覧。
- ^ 「連続フィラメント玄武岩からの玄武岩繊維」basalt-fiber.com。
- ^ ソアレス、B.プレト、R.スーザ、L.レイス、L. (2016)。 「玄武岩-UP複合材料における玄武岩繊維の機械的挙動」。プロセディアの構造的完全性。1：82–89。土井：10.1016/j.prostr.2016.02.012。
- ^ Choi, Jeong-Il; Lee, Bang (2015年9月30日). 「玄武岩繊維の接着特性と繊維配向による強度低下」. Materials . 8 (10): 6719– 6727. Bibcode :2015Mate....8.6719C. doi : 10.3390/ma8105335 . PMC 5455386. PMID 28793595 .
- ^ 「連続玄武岩繊維の技術的プロセスのいくつかの側面」novitsky1.narod.ru . 2018年6月21日閲覧。
- ^ “Basalt Continuous Fiber”. 2009年11月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年12月29日閲覧。
- ^ Ibrahim, Arafa MA; Fahmy, Mohamed FM; Wu, Zhishen (2016). 「横荷重を受ける鋼および玄武岩FRP補強コンクリート角形橋脚の付着制御挙動の3D有限要素モデリング」『複合構造』143 : 33–52 . doi :10.1016/j.compstruct.2016.01.014.
- ^ 「玄武岩繊維」basfiber.com（ロシア語、英語、ドイツ語、韓国語、日本語） 。 2018年6月21日閲覧。
- ^ (主な著作はヘルムート・シュールマンの著書『Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden』)
- ^ B. Jungbauer、M. Romano、I. Ehrlich、学士論文、レーゲンスブルク応用科学大学、複合材料技術研究所、レーゲンスブルク、(2012)。
- ^ “Albarrie - BASALT FIBER”. 2016年8月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年8月10日閲覧。
- ^ ネウヴォカス
- ^ ヘンダーソン、トム（2016年12月10日）「Neuvokasが鉄筋製造の水準を引き上げる」Crain's Detroit Business . 2018年12月17日閲覧。
参考文献
- E. Lauterborn、Dokumentation Ultraschallunterschuung Eingangsprüfung、Internal Report wiweb Erding、Erding、b10 月 (2011 年)。
- K. モーザー、Faser-Kunststoff-Verbund – Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen。 VDI-Verlag、デュッセルドルフ、(1992)。
- NK Naik著『織物複合材料』Technomic Publishing Co., ランカスター（ペンシルベニア州）（1994年）。
- Bericht 2004-1535 – Prüfung eines Sitzes nach BS 5852:1990 セクション 5 – 発火源ベビーベッド 7、für die Fa。フランツ キール gmbh&Co. KG。シーメンス AG、A&D SP、フランクフルト・アム・マイン、(2004)。
- DIN EN 2559 – Luft- und Raumfahrt – Kohlenstoffaser-Prepregs – Bestimmung des Harz- und Fasermasseanteil und der flächenbezogenen Fasermasse。 Normenstelle Luftfahrt (NL) im DIN Deutsches Institut für Normung eV、Beuth Verlag、ベルリン、(1997)。
- Epoxyharz L、Härter L – Technische Daten。 R&G による技術データシート、(2011)。
- 織物およびロービングの品質証明書。Incotology Ltd.、ボン、1月（2012年）。
- ノルフ、ジャン・マリー (2003). 「玄武岩繊維 ― 防火繊維」.テクニカル・ユーセージ・テキスタイル. 49 (3): 38– 42.
- オズゲン、バヌ；ゴング、ヒュー（2011年5月）「織物における糸の形状」Textile Research Journal . 81 (7): 738– 745. doi :10.1177/0040517510388550. S2CID 138546738.
- L. パプラ、自然科学と創造のための数学的形式的研究。 10. オーフラージュ、Vieweg+Teubner、ヴィースバーデン、(2009)。
- サラヴァナン, D. (2006). 「岩石の紡ぎ方 - 玄武岩繊維」IE (I) Journal-TX . 86 : 39– 45.
- Schmid, Vinzent; Jungbauer, Bastian; Romano, Marco; Ehrlich, Ingo; Gebbeken, Norbert (2012年6月).玄武岩繊維強化プラスチックにおける繊維体積含有率と多孔度に対する異なる種類の織物の影響. 応用研究会議. pp. 162– 165.
• Osnos S, Osnos M, 「BCF：強化材および複合材料の工業生産の発展」。JEC Composites誌 / 第139号 2021年3月-4月号、p.19-24。
• Osnos S., Rozhkov I. 「自動車産業における玄武岩系材料の応用」JEC Composites誌 / 第147号、2022年、33～36頁。
外部リンク
- 玄武岩繊維の生産 ウズベキスタン国立科学委員会からの情報
- 玄武岩連続繊維 - 情報と特性
- 玄武岩ロービングドーム 玄武岩繊維で補強されたコンクリート構造のビデオデモンストレーション
- 連続玄武岩繊維第2世代 CBF製造に使用される技術の比較
- 玄武岩繊維強化複合材料の圧縮挙動
- Kamenny Vekが提供するBasfiber製品の製品範囲
- 押し出しアクリルシート - 優れた熱成形能力
- 連続玄武岩繊維CBFの技術プロセスのいくつかの側面
- カメニー・ヴェックにおける連続玄武岩繊維の生産のビデオデモンストレーション
