Durante muchos años, el basalto se ha utilizado en procesos de fundición para hacer baldosas y losas para aplicaciones arquitectónicas. Además, los revestimientos de basalto fundido para tubos de acero exhiben una resistencia a la abrasión muy alta en aplicaciones industriales. En forma triturada, el basalto también se utiliza como agregado en el hormigón.
Más recientemente, se han investigado fibras continuas extruidas a partir de basalto naturalmente resistente al fuego como un reemplazo de las fibras de amianto, en casi todas sus aplicaciones. En la última década, el basalto se ha convertido en un competidor en el refuerzo de fibras de materiales compuestos. Los defensores de este recién llegado afirman que sus productos ofrecen un rendimiento similar al de las fibras de vidrio S-2 a un precio entre el vidrio S-2 y el vidrio E, y pueden ofrecer a los fabricantes una alternativa menos costosa a la fibra de carbono para productos en los que este último representa sobre ingeniería.
Ideas y estrategias
Paul Dhé de París, Francia, fue el primero en tener la idea de extruir fibras de basalto. Se le concedió una patente estadounidense en 1923. Alrededor de 1960, tanto los EE. UU. Como la ex Unión Soviética (URSS) comenzaron a investigar las aplicaciones de la fibra de basalto, particularmente en hardware militar, como misiles.
En el noroeste de EE. UU., donde se concentran grandes formaciones de basalto, el profesor RV Subramanian de la Universidad Estatal de Washington (Pullman, Washington) realizó una investigación que correlacionó la composición química del basalto con las condiciones para la extrusión y las características fisicoquímicas de la fibra resultante. Owens Corning y varias otras empresas de vidrio llevaron a cabo programas de investigación independientes, que dieron como resultado varias patentes estadounidenses. Alrededor de 1970, sin embargo, las empresas estadounidenses de vidrio abandonaron la investigación de la fibra de basalto por estrategias que favorecían su producto principal. El resultado fue una mejor fibra de vidrio, incluido el desarrollo exitoso de la fibra de vidrio S-2 por Owens Corning.
Durante el mismo período, la investigación en Europa del Este, que había sido llevada a cabo en la década de 1950 por grupos independientes en Moscú, Praga y otros lugares, fue nacionalizada por el Ministerio de Defensa de la URSS y se concentró en Kiev (Ucrania), donde posteriormente se desarrolló tecnología en países herméticos. Después de la desintegración de la Unión Soviética en 1991, los resultados de la investigación soviética fueron desclasificados y puestos a disposición para aplicaciones civiles. Sobretodo, desarrollaron una industria que convierten la fibra de basalto en formas de refuerzo tejidas y no tejidas para los mercados europeos y norteamericanos.
Fibra de Basalto
La fibra de basalto se produce en un proceso continuo similar en muchos aspectos al utilizado para fabricar fibras de vidrio. La roca de basalto extraída primero se tritura, luego se lava y se carga en un recipiente conectado a alimentadores que mueven el material a baños de fusión en hornos calentados por gas. Aquí, el proceso es realmente más simple que el procesamiento de fibra de vidrio porque la fibra de basalto tiene una composición menos compleja. El vidrio es típicamente 50 por ciento de arena de sílice en combinación con óxidos de boro, aluminio y / o varios otros minerales, materiales que deben introducirse de forma independiente en un sistema de medición antes de ingresar al horno. A diferencia del vidrio, las fibras de basalto no presentan materiales secundarios. El proceso requiere solo una línea de alimentación para transportar la roca de basalto triturada al horno de fusión. Por otra parte, los fabricantes de fibra de basalto tienen menos control directo sobre la pureza y consistencia de la piedra de basalto en bruto. Si bien el basalto y el vidrio son silicatos, el vidrio fundido, cuando se enfría, forma un sólido no cristalino. El basalto, sin embargo, tiene una estructura cristalina que varía según las condiciones específicas durante el flujo de lava en cada ubicación geográfica. El basalto combina tres minerales de silicato: plagioclasa, piroxeno y olivino.
La plagioclasa describe una serie de feldespatos triclínicos que consisten en silicatos de sodio y calcio.
Los piroxenos son un grupo de silicatos cristalinos que contienen dos o tres óxidos metálicos, magnesio, hierro o calcio.
La olivina es un silicato que combina magnesio y hierro – (Mg, Fe) sin embargo, tiene una estructura cristalina que varía según las condiciones específicas durante el flujo de lava en cada ubicación geográfica.
Este potencial de variedad composicional significa que los niveles de minerales y la composición química de las formaciones de basalto pueden diferir significativamente de un lugar a otro. Además, la velocidad de enfriamiento, cuando el flujo original alcanzó la superficie de la tierra, también influyó en la estructura cristalina.
Roca a Fibra
Cuando el basalto triturado entra en el horno, el material se licúa a una temperatura de 1500 ° C / 2732 ° F (el punto de fusión del vidrio varía entre 1400 ° C y 1600 ° C). A diferencia del vidrio, que es transparente, el basalto opaco absorbe en lugar de transmitir energía infrarroja.
Con gas de cabeza, el basalto derretido debe mantenerse en el depósito durante períodos de tiempo prolongados, hasta varias horas, para garantizar una temperatura homogénea. Los productores de basalto han empleado varias estrategias para promover un calentamiento uniforme, incluida la inmersión de electrodos en el baño. Alguna empresa prefiere la calefacción de gas a la eléctrica, por razones de calidad, a pesar del aumento de los costes de fabricación. Finalmente, se emplea un esquema de calefacción de dos etapas, con zonas separadas equipadas con sistemas de calefacción controlados independientemente. Solo el sistema de control de temperatura en la zona de salida del horno, que alimenta los casquillos de extrusión, requiere una gran precisión, por lo que se puede utilizar un sistema de control menos sofisticado en la zona de calentamiento inicial.
Al igual que los filamentos de vidrio, los filamentos de basalto están formados por casquillos de platino-rodio. A medida que se enfrían, se aplica un agente de apresto y los filamentos se mueven a un equipo de estiramiento de fibra con velocidad controlada y luego al equipo de bobinado, donde se enrolla la fibra.
Fibras de vidrio versus Fibras de basalto
En general, estas diferencias en el procesamiento y mantenimiento conducen a costos operativos generales que superan los del procesamiento de fibra de vidrio E, pero los defensores de la fibra de basalto dicen que su producto supera claramente al vidrio E en compuestos. En las formas de tejido de estera cortada, mecha y unidireccional, las fibras de basalto exhiben una carga de rotura más alta y un módulo de Young (una medida de la rigidez de un material dado) más alto que el vidrio E. En un estudio de fibras de basalto y fibras de vidrio E, realizado por el profesor Ignaas Verpoest en el Departamento de Compuestos de la Universidad de Lovaina en Bélgica, se produjeron preimpregnados unidireccionales impregnando vidrio E y mechas de basalto con epoxi y enrollando cada uno en un mandril. A continuación, compactaron el laminado hasta lograr un curado completo. Se cortaron muestras de 135 mm por 15 mm (5,3 pulgadas por 0,6 pulgadas) y se midió el espesor. Luego, las piezas se sometieron a una prueba de flexión en tres puntos (ISO 178) y la prueba ILSS (ISO 14130) para probar la resistencia y la rigidez. Verpoest informa que cada muestra tenía una fracción de volumen de fibra del 40 por ciento, pero la resistencia de la muestra de basalto / epoxi probó un 13,7 por ciento más que la muestra de vidrio E y exhibió un 17,5 por ciento más de rigidez, aunque la muestra de basalto era un 3,6 por ciento más pesada que la muestra de vidrio E.
Además, las fibras de basalto son naturalmente resistentes a la radiación ultravioleta (UV) y electromagnética de alta energía, mantienen sus propiedades en temperaturas frías y proporcionan una mejor resistencia a los ácidos. Según se informa, el basalto también es superior en el ámbito de la seguridad del trabajador y la calidad del aire. Markuts señala que dado que el basalto es producto de la actividad volcánica, el proceso de fibrización es más seguro para el medio ambiente que el de la fibra de vidrio. Los gases de «efecto invernadero» que de otro modo podrían liberarse durante el procesamiento de la fibra, dice, fueron ventilados hace millones de años durante la erupción de magma. Además, el basalto es 100 por ciento inerte, es decir, no tiene reacción tóxica con el aire o el agua, es incombustible y a prueba de explosiones.
Fibra a Tela
Una vez que los productores dominaron la fabricación de fibras, se enfrentaron a desafíos adicionales a medida que el producto se convertía en formas de refuerzo útiles. Si bien la fibra de basalto todavía no se usa ampliamente, lentamente se está abriendo camino hacia los consumidores. Las fibras de basalto tienen propiedades similares al vidrio S. Un uso común es en el sector de la protección contra incendios debido a su alto punto de fusión. Las pruebas de bloqueo del fuego realizadas colocaron el tejido de basalto frente a un mechero Bunsen, colocando la punta amarilla de la llama en contacto directo con el tejido. La punta amarilla alcanza temperaturas de 1100 ° C a 1200 ° C (2012 ° F a 2192 ° F) y hace que la tela se ponga al rojo vivo, similar a una tela metálica. Cuando se expone a la llama, la fibra de basalto mantiene su integridad física durante períodos prolongados de tiempo, en cambio una tela hecha de vidrio E con la misma densidad puede ser perforada por la llama en cuestión de segundos.
Su resistencia a las quemaduras le ha valido a la fibra de basalto un papel como reemplazo del asbesto en aplicaciones de fricción, como las pastillas de freno compuestas, porque no se ablanda a temperaturas elevadas y no se deposita en su contraparte (ya sea el disco o el tambor de freno) en el frenado. sistema. Las fibras continuas de basalto también se utilizan como refuerzo en otras estructuras compuestas convencionales.
Las fibras de basalto se humedecen fácilmente y, por lo tanto, permiten una rápida impregnación de resina, lo que las hace adecuadas para el moldeo por transferencia de resina, moldeo por infusión y pultrusión.
Producción de mayor consumo
Las varillas de refuerzo de hormigón, pultruidas a partir de fibra de basalto unidireccional. Las varillas son un 89 por ciento más ligeras que las varillas de refuerzo de acero, tienen el mismo coeficiente de expansión térmica que el hormigón y son menos susceptibles a la degradación en un entorno alcalino. UNA tonelada de varillas de basalto puede proporcionar un refuerzo equivalente a 4 toneladas de varillas de acero.
