Aufbau einer Produktion für ein feintitriges Basalt Monofilament

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung von Fasern aus Basaltge-stein, sowie ihr Vergleich mit bereits bewährten kommerziellen Glasfasern. Bei Basalt handelt es sich um ein Vulkangestein, das aus mehreren Oxiden besteht. Die chemi-sche Zusammensetzung der Proben ist abhängig von ihrer Herkunft. Die unterschiedli-chen Oxide wirken sich auf die Viskosität und das Schmelzverhalten, sowie auf die Kristallisationsrate aus.<br />Im Laufe dieser Arbeit wurde eine Pilotanlage aufgebaut, mit der eine Herstellung von Monofilamenten aus verschiedenen Basaltrohstoffen möglich war. Sie bietet die Mög-lichkeit, die wichtigsten Prozessparameter - Temperatur und Spinngeschwindigkeit - über ein breites Spektrum zu verändern. Unterschiedliche Rohmaterialien konnten in einem Tiegel aus Platin/Rhodium in einem MoSi2 Ofen mit zwei Heizzonen bis 1500°C geschmolzen werden. Das Monofilament wurde auf einen industriellen Wickler aufge-wickelt, der über eine maximale Geschwindigkeit von 5000 m/min (oder 80 m/s) ver-fügt.<br />Die Faserherstellung war nur mit einem Siliziumdioxidgehalt zwischen 50 wt % und 59 wt % möglich. Bei höherem SiO2-Gehalt war die Viskosität zu hoch, woraus Schäden des Platintiegels resultierten. Auch bei niedrigerem SiO2-Gehalt kam kein stabiler Spinnprozess zustande, was höchstwahrscheinlich auf Kristallisationen zurückzuführen ist. Außerdem bot die Monofilamentanlage die Möglichkeit, CDF Simulationen zu vali-dieren. Dies stellt eine Voraussetzung für die Übertragung auf den industriellen Spinn-prozess dar.<br />Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes war der Vergleich von Basaltfasern mit indust-riellen Glasfasern in Bezug auf chemische und thermische Stabilität. Die Ergebnisse belegen, dass die Reißfestigkeit der Basaltfasern bei hohem pH-Wert besser ist als bei E-Glas. Eine ähnliche Überlegenheit der Basaltfasern wurde nach einer thermischen Behandlung bei 400°C festgestellt. Unter diesen Bedingungen verlor E-Glas seine Zug-festigkeit komplett, während Basalt ca. 50 % seines ursprünglichen Werts behielt.<br />Obwohl die Monofilamentanlage ein brauchbares Aggregat zur Untersuchung von Rohmaterialien und Spinngegebenheiten war, wurden verschiedene Mängel entdeckt. Einige unbeeinflussbare Faktoren, wie Staub und Erschütterungen im Labor, müssen für zukünftige Untersuchungen verhindert werden. Außerdem ist eine Neuplanung des Tiegels notwendig, um zu verhindern, dass kleine Gasblasen den Spinnprozess beein-trächtigen.<br />Abschließend ist erkennbar, dass Basaltfasern über ein großes Potential verfügen, einige Hindernisse aber noch aus dem Weg geräumt werden müssen. Eine überarbei-tete Monofilanlage ist der Schlüssel zu einer weiteren Optimierung des industriellen Herstellungsprozesses.

The purpose of this study was the production and the characterization of fiber from basaltic rocks as well as their comparison to well established commercial glass fibers. Basalt is a volcanic rock composed of several oxides. The chemical composition of samples varies depending on their origin. The different oxides affect viscosity and melt-ing behavior as well as crystallization rate.<br />In the course of this work a pilot plant for the production of basaltic fiber was built up to offer an effective set-up for the manufacture of a monofilament. It gave the opportunity to vary the most important process parameters, temperature and spinning velocity, over a broad range.<br />Different raw materials have been melted in a PtRh crucible positioned in a MoSi2 heated furnace with two heating zones up to 1500°C. The monofilament was wound up on an industrial winder which was able to realize a maximum speed of 5000 m/min (i.e. 80 m/s). Furthermore the monofilament facility offered the possibility for validation results of CFD which was a prerequisite for a scale-up. The production of fibers was possible just in a range of silicon dioxide between 50 wt % und 59 wt %. At higher SiO2 contents the viscosity was too high and damages of the platinum crucible occurred whereas at lower SiO2 contents a stable spinning process was not possible most likely due to crystallizations. Another focus of the project was a comparison of basalt fibers with commercial glass fibers in terms of chemical and thermal stability. The results proved that the resistance of basalt fibers at high pH-Wert is better than E glass. A similar superiority of basalt fibers was found after a thermal treatment at 400°C. At these conditions E glass lost its strength completely but basalt maintained about 50 % of it.<br />Although the monofilament unit was a useful tool for testing raw materials and spinning conditions different drawbacks have been determined. Several parameters which could not be influenced, such as dust and vibrations in the lab, must be avoided for future investigations. It is also necessary to re-design the crucible to circumvent the problem of small gas bubbles which interfere the drawing process.<br />In conclusion it is clear that basalt fibers could show a great potential but several ob-stacles have to be overcome. An improved monofilament device is a key for further optimizing the industrial manufacturing process.