Basalt ist ein weltweit vorkommendes vulkanisches Gestein, das traditionell für architektonische Anwendungen wie Fliesen und Platten sowie als Betonzuschlagstoff verwendet wird. Dieses Gestein ist fest, abriebfest und hochgradig hitzebeständig. Es wurde auf vielfältige Weise für industrielle und militärische Zwecke erforscht und eingesetzt, wobei seine Eignung für Kriegszwecke in der Nachkriegszeit des Zweiten Weltkriegs intensiv untersucht wurde.
Das erste Patent für die Herstellung von Basaltfasern wurde 1923 von dem Franzosen Paul Dhé erteilt und wird seither für industrielle Zwecke genutzt. Dieses robuste Material lässt sich zu dünnen Fasern verarbeiten, die zu Garnen versponnen werden, um die Festigkeit zu erhöhen und es für weitere Anwendungen vorzubereiten.
Produkte, die aus Basaltfasergarn gewebt werden – wie zum Beispiel Basaltärmel, Auspuffband, Basaltseil und Basalt-FensterkanaldichtungenSie sind sehr robust, flexibel, hitzebeständig und recycelbar und eignen sich daher als vielseitige Bauteile für Anwendungen mit hohen Temperaturen. Oft werden sie ähnlichen Materialien wie Glasfaser vorgezogen. Typische Anwendungsbereiche für Abgasisolierung sind Hitzeschutzbänder zur Reduzierung von Überhitzung in Pkw und Motorrädern sowie die Wärmedämmung zum Abdichten heißer Ofentüren.
Die Geschichte der Basaltfaser
Basaltfasern haben aufgrund ihrer militärischen und industriellen Anwendbarkeit eine bewegte Geschichte, die insbesondere während des Kalten Krieges relevant wurde, als sowohl Beamte der Vereinigten Staaten als auch der Sowjetunion begannen, die verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten von Basalt für militärische Ausrüstung zu untersuchen.
Große Basaltvorkommen konzentrierten sich im Nordwesten der USA. Dort forschte die Washington State University, um die chemischen Eigenschaften und den Gewinnungsprozess von Basaltfasern besser zu verstehen und deren Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern. Amerikanische Glasunternehmen wie Corning und Owens betrieben ebenfalls unabhängige Forschung und meldeten Patente im Bereich der Basaltfasern an. In den 1970er-Jahren wurde die Basaltfaserforschung jedoch zugunsten anderer Glasprodukte wie S-2-Glas oder E-Glas eingestellt.
In Osteuropa führten Gruppen in Moskau, Prag und anderen sowjetischen Städten nach dem Zweiten Weltkrieg eigene Forschungen durch, die vom Verteidigungsministerium der UdSSR verstaatlicht und in Kiew in der Ukraine konzentriert wurden, wo Basaltforschung und militärische Produkte entwickelt, getestet und hergestellt wurden.
Nach dem Zerfall der Sowjetunion im Jahr 1911 wurden Forschungsergebnisse freigegeben und der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Die Basaltfaserforschung beispielsweise war von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der Basaltbandtechnologie.
Wie werden Basaltfasern hergestellt?
Basaltfasern ähneln Glasfasern und weisen ähnliche Herstellungsverfahren auf, jedoch mit entscheidenden Unterschieden, die die Herstellung von Basaltfasern letztendlich einfacher machen als die von Glas.
Zunächst wird das Rohbasaltgestein zerkleinert, gewaschen, sortiert und in Schmelzbäder in Hochtemperatur-Gasöfen gegeben. Im Gegensatz zur Glasfaserproduktion, bei der neben Quarzsand als Hauptbestandteil zahlreiche weitere Komponenten verwendet werden, besteht Basaltfaser aus einem einzigen Basaltmaterial. Dies vereinfacht den Prozess der Materialzufuhr in den Ofen erheblich, da bei der Glasfaserproduktion jedes einzelne Material vor der Zugabe in den Ofen separat dosiert werden muss. Ein Nachteil der Basaltfaserproduktion besteht jedoch darin, dass die Hersteller weniger direkten Einfluss auf die Reinheit und Konsistenz des Rohbasalts haben. Daher ist die Beschaffung aus einem qualitativ hochwertigen Steinbruch unerlässlich.
Zerkleinertes Basaltgestein gelangt in den Ofen und wird bei einer Temperatur von 1500 °C verflüssigt. Im Gegensatz zu Glas, das transparent ist, absorbiert opaker Basalt Infrarotstrahlung, anstatt sie durchzulassen. Daher ist es für die in herkömmlichen Glasöfen verwendeten Gasbrenner schwieriger, die gesamte Basaltmischung gleichmäßig zu erhitzen. Bei der Gasbeheizung muss das geschmolzene Basaltgestein im Vergleich zu Glas deutlich länger im Behälter gehalten werden, um eine homogene Temperaturverteilung zu gewährleisten.
Anschließend werden Basaltfasern mithilfe von Platin-Rhodium-Buchsen geformt, ähnlich wie bei Glas. Während die Fasern abkühlen, wird ein Schlichtemittel aufgetragen und das Material zu einer geschwindigkeitsgesteuerten Faserstreckanlage und danach zu einer Wickelanlage transportiert, wo die Basaltfasern für die spätere Verwendung aufgewickelt werden.
Da Basaltfasern abrasiver sind als Glasfasern, müssen die Buchsen häufiger ausgetauscht werden und sind teurer. Moderne Buchsen für die Basaltfaserproduktion weisen jedoch eine ähnliche Lebensdauer wie die in der Glasproduktion verwendeten auf.
Nach der Faserherstellung wird die Faser in das Endprodukt eingearbeitet, beispielsweise in Abgasrohre aus Basaltfasern. Dies ist zwar die häufigste Anwendung für dieses verarbeitete Material, eine weitere gängige Verwendung findet sich jedoch im Bereich der Zuhause und Herd Industrie, wo Seile or Fensterkanaldichtungen genutzt werden.
Auch wenn die Herstellung von Basaltfasern in den letzten Phasen zeitaufwändiger und kostspieliger sein mag als die Herstellung von Glas, sind die für Basalt-Auspuffbänder und -schläuche verwendeten Fasern in Bezug auf Haltbarkeit, Festigkeit und Langlebigkeit in Verbundwerkstoffen und Anwendungen, die einen Schutz vor extremen Temperaturen erfordern, überlegen.
Welche Vorteile bietet Basaltfaser?
Basaltfasern bieten einige wesentliche Vorteile, die dieses Material für die industrielle Anwendung so vielseitig machen.
- Wärmewiderstand
- Korrosions- und Feuerbeständigkeit
- Geringe Wasseraufnahme
- Verhinderung der elektrischen Leitfähigkeit
- UV-Beständigkeit
- Widerstand gegen elektromagnetische Strahlung
- Säurebeständigkeit
Eine aktuelle Studie, die Epoxidglasfasern mit Basaltfasern aus demselben Herstellungsverfahren verglich, ergab, dass Basaltfasern ebenfalls folgende Eigenschaften aufweisen:
- Höherer Zugmodul
- Höhere Zugfestigkeit
- Höhere Zwischenschichtscherfestigkeit
- 40 % höhere spezifische Festigkeit
- 20 % höhere spezifische Steifigkeit
Die Schlagfestigkeit von Basaltfasern unterscheidet sie deutlich von Glas und Kohlenstoff. So wurde beispielsweise beobachtet, dass Basaltfasergarn eine um etwa 35 % höhere spezifische Energieabsorptionskapazität aufweist als ein ähnlich strukturiertes Glashybridmaterial und eine um 17 % höhere Kapazität als ein vergleichbares gewebtes Kohlenstoffhybridmaterial.
Basalt bietet Vorteile hinsichtlich Arbeitssicherheit und Luftqualität, da die Herstellung von Basaltfasern als vulkanisches Nebenprodukt umweltschonender ist als die von Glasfasern. Dadurch werden die bei der Faserherstellung freigesetzten Treibhausgase reduziert. Basalt ist zudem ein inertes, nicht brennbares Material, das natürlich auf der Erde vorkommt und daher besser recycelbar ist als andere Verstärkungsfasern – ein Faktor, der in der Automobilindustrie und anderen Branchen eine wichtige Rolle spielt.
Die Wahl zwischen Basalt und Glas
Leider sind Basaltfaserprodukte trotz moderner Fortschritte teurer als vergleichbare, aus Glasfasern hergestellte Alternativen wie E-Glas. Die Leistungsvorteile, beispielsweise bei Basalthülsen, rechtfertigen jedoch den höheren Preis und stellen eine lohnende Investition in die Produktleistung dar.
Die Vorteile von Basaltfasern gegenüber E-Glas liegen in ihrer höheren Festigkeit, Steifigkeit, Schlagfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Wasserbeständigkeit und Wärmebeständigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Schläuche, Auspuffbänder, Seile und andere Materialien aus Basaltfasern die bevorzugte Wahl für den Wärmeschutz.
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Quellen
