Il potenziale ancora promesso dei compositi in fibra di basalto

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Se si estrae la roccia originariamente formata dal rapido raffreddamento della lava ricca di magnesio e ferro, e si trova un modo per produrre fibre da questa roccia, non deve sorprendere che la fibra avrebbe eccellenti proprietà di isolamento termico e resistenza al fuoco, così come temperature di servizio molto elevate. Queste proprietà chiave hanno reso la fibra di basalto un materiale standard per i prodotti isolanti in applicazioni ad alta temperatura, come il rivestimento di forni industriali e la corda ignifuga. Il produttore di fibre di basalto Kamenny Vek (Dubna, Russia), ad esempio, fornisce una grande quantità del suo prodotto all'industria automobilistica statunitense per l'isolamento dei sistemi di scarico e anche ai produttori di materiali resistenti al calore per applicazioni industriali.

Oltre alle sue proprietà termiche, la combinazione di resistenza, resistenza agli urti e inerzia chimica della fibra di basalto ne hanno fatto anche un candidato attraente per le applicazioni dei compositi. Quindi la domanda rimane: Quando i compositi polimerici rinforzati con fibre di basalto (BFRP) godranno di una significativa penetrazione sul mercato?

Lo scherzo interno, riferisce James Streetman, manager di Advanced Filament Technologies (Houston, Texas, Stati Uniti), è che le applicazioni BFRP "sono stati cinque anni di distanza da un importante passo avanti negli ultimi 15 anni" Advanced Filament Technologies offre la fibra di basalto Sudaglass, originariamente prodotta a Sudogda, Russia, e ora prodotta da GBF Basalt Fiber Fiber Co. (Zhejiang, Cina). Scherzi a parte, un cauto ottimismo può descrivere al meglio l'umore di Streetman - e più in generale, l'umore di molti stakeholder del BFRP. Ad esempio, Nick Gencarelle, direttore di Smarter Building Systems (Newport, R.I., USA), descrive il mercato del BFRP come "molto lento, piatto - ma negli ultimi due anni, le cose hanno iniziato ad aprirsi un po'. Gli ingegneri strutturali stanno iniziando a comprendere meglio la necessità di una BFRP."

Un chiaro segno che la BFRP potrebbe essere pronta per la crescita è il recente investimento di 20 milioni di dollari per costruire il primo impianto di produzione di fibre di basalto negli Stati Uniti. Il nuovo arrivato relativo Mafic (Kells, County Meath, Irlanda) sta costruendo la struttura a Shelby, North Carolina, e prevede di "andare a caldo" nel terzo trimestre del 2019, riferisce Jeffrey Thompson, marketing manager di Mafic.

Sembrerebbe che l'attrattiva delle caratteristiche prestazionali della fibra di basalto e il potenziale di notevole penetrazione nel mercato della BFRP siano forti. Di conseguenza, i produttori di fibre di basalto continuano a perseguire con determinazione questo mercato e stanno risolvendo i problemi tecnici e di mercato che finora hanno impedito che si verificassero i progressi.

L'idea di creare fibra di basalto non è nuova; il primo brevetto per la produzione di fibra di basalto è stato rilasciato nel 1923, e l'applicazione ad hardware militare è stata ampiamente studiata negli anni Cinquanta e Sessanta. Anche i maggiori produttori di fibra di vetro hanno esplorato il potenziale del basalto, anche se negli anni '70 hanno abbandonato questo obiettivo per concentrare gli sforzi di ricerca e sviluppo sulla fibra di vetro dalle migliori prestazioni, compreso il vetro S-2. Mentre l'interesse per lo sviluppo di compositi rinforzati con fibre di basalto si è cerato e scemato nel corso di questi decenni, negli ultimi anni ha continuato a crescere.

Un rapporto MarketsandMarkets Research (Pune, India) del giugno 2015 stima che la crescita complessiva a breve termine del mercato delle fibre di basalto, comprese le applicazioni composite e non composite, sia sostanziale. Secondo il rapporto, il mercato globale della fibra di basalto nel 2020 raggiungerà 200 milioni di dollari, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 13,1% tra il 2015 e il 2020. "Stiamo aggiornando il nostro studio esistente sul mercato della fibra di basalto", afferma Pankaj Kumar Tiwari, manager associato di MarketsandMarkets, "in quanto abbiamo assistito a cambiamenti significativi in questo mercato nel 2018" Contribuendo al cambiamento del mercato, cita il crescente utilizzo della fibra di basalto nei compositi ibridi, la crescente domanda del mercato automobilistico e l'attrattiva della riciclabilità del basalto unita alla sua resistenza (che si ritiene maggiore di quella del vetro E). Tiwari cita anche due eventi specifici. Nel 2018, Owens Corning (Toledo, Ohio, Stati Uniti) ha acquisito Paroc Group (Helsinki, Finlandia), produttore di fibre isolanti in basalto, e Michelman (Cincinnati, Ohio, Stati Uniti), produttore di materiali compositi in fibra di basalto.

Le proprietà termiche della fibra di basalto sono interessanti al di là delle applicazioni di isolamento non composito. Le opportunità offerte dalla BFRP si stanno aprendo in applicazioni che richiedono temperature di servizio elevate e/o di ampia portata. Un'altra proprietà, la resistenza agli urti, differenzia significativamente la fibra di basalto da vetro e carbonio. Uno studio preliminare dell'Aachen Center for Integrative Lightweight Construction e dell'Institut für Textiltechnik der RWTH (Aquisgrana, Germania), ad esempio, ha dimostrato una capacità di assorbimento energetico specifico di un tessuto ibrido di basalto (HYWF) con resina poliammide 6 rispetto al vetro HYWF/poliammide 6, e del 17 per cento in più rispetto al carbonio HYWF/poliammide 6.

Gli ossidi di ferro e di alluminio della roccia basaltica creano altre caratteristiche favorevoli. Ad esempio, la fibra di basalto offre una migliore resistenza alla corrosione e al fuoco rispetto a quella fornita dal vetro E. Inoltre, un recente studio di Mafic in collaborazione con il Fraunhofer Project Center (Londra, Ontario, Canada) ha confermato un modulo di trazione, una resistenza alla trazione e al taglio interlaminare più elevati, una resistenza specifica del 40% superiore e una rigidità specifica del 20% superiore per i pannelli di prova in fibra di basalto/epoxy rispetto ai pannelli E-glass/epoxy realizzati con la stessa resina e lo stesso processo di fabbricazione. Kamenny Vek riporta risultati simili.

La fibra di basalto è caratterizzata da un basso assorbimento d'acqua, importante nelle costruzioni e nelle applicazioni di tubazioni. La fibra di basalto è elettricamente non conduttiva. Essendo un materiale naturale, è anche intrinsecamente più riciclabile di altre fibre di rinforzo, un fattore che l'industria automobilistica e altre industrie prendono in considerazione. In sintesi, Gencarelle si riferisce alla fibra di basalto come "più magra, più verde e più media" e più resistente agli urti rispetto ad altre scelte di rinforzo. Queste caratteristiche indicano un punto di forza per i BFRP nella finestra di prestazioni tra E-glass e compositi in fibra di carbonio. Come afferma Thompson: "Ci troviamo a colmare il divario in termini di costi e prestazioni tra carbonio e fibra di vetro. "Quel segmento di mercato aveva fame di un prodotto per riempire quello spazio."

Un passaggio dalla fibra di carbonio al basalto è apparentemente un caso commerciale più facile da realizzare che un passaggio dal vetro E al basalto, ma entrambi i casi possono essere effettuati. Per quanto riguarda la fibra di carbonio, i risparmi sui costi sono in genere la giustificazione primaria per il passaggio alla BFRP; applicazioni per le quali i requisiti prestazionali della fibra di carbonio possono essere soddisfatti al costo-prestazioni offerte dal basalto. In alcune applicazioni sono importanti anche le diverse modalità di guasto del carbonio e del basalto. Mentre la fibra di carbonio, se danneggiata, tende a "frantumarsi" catastroficamente e talvolta in più di un luogo, la fibra di basalto sperimenta quella che potrebbe essere definita come una modalità di guasto più delicata. Streetman illustra: "Quando una protesi in composito di carbonio si rompe, l'utente cade a terra; con una protesi in composito di basalto, l'utente si sedeva a terra"

Mentre il costo relativo della fibra di basalto è diminuito man mano che i metodi di produzione sono diventati più efficienti, è comunque più costoso del vetro E - fino a raddoppiare il prezzo nelle applicazioni di grandi volumi - quindi perché un'applicazione possa assorbire questo aumento di costo, deve essere adeguatamente controbilanciato da miglioramenti delle caratteristiche prestazionali critiche per l'applicazione. Le caratteristiche che possono entrare in gioco includono prestazioni meccaniche aggiuntive come rigidità e resistenza, resistenza agli urti, agli agenti chimici, alla corrosione e all'acqua, nonché una differenza nella modalità di guasto rispetto al vetro, che tende a scheggiarsi più del basalto.

Il metodo di produzione di base della fibra di basalto è abbastanza semplice: Proprio come la produzione di fibra di vetro, la fibra di basalto viene estrusa in filamenti dalla materia prima fusa, in questo caso rocce basaltiche estratte. L'efficienza dei materiali per la fibra di basalto è migliorata dal fatto che non sono necessari materiali secondari per creare la fibra, o, come dice Gencarelle, "Una libbra di roccia diventa una libbra di fibra" Anche il punto di fusione del basalto di 1.500°C è paragonabile al vetro, per il quale il punto di fusione varia da 1.400 a 1.600°C. Poiché il basalto è opaco, è più difficile da riscaldare uniformemente di quanto lo sia il vetro e questo ha creato la necessità di migliorare la produzione, come il mantenimento del prodotto fuso in un serbatoio per un periodo prolungato, l'immersione degli elettrodi nel bagno o uno schema di riscaldamento a due fasi. Questi progressi sono stati fatti e sono una tecnologia consolidata nelle piante in fibra di basalto.

Il fatto che la materia prima per la fibra di basalto è naturalmente presente in natura porta ad un grande ostacolo tecnico: le proprietà incoerenti della materia prima. Cioè, la roccia estratta da diverse località varia nelle specifiche quantità di ferro, magnesio e altri componenti. I parametri chiave sono variati fino al 10%. Sottolineando che la fibra di vetro ha affrontato la stessa sfida per quanto riguarda la variazione delle materie prime, riferisce Streetman, "Abbiamo fatto progressi nella fornitura di un prodotto standardizzato"

Negli anni passati, la variazione delle proprietà della fibra di basalto ha rappresentato una battuta d'arresto per potenziali applicazioni. "Quando il basalto ha dimostrato di essere la fibra migliore per l'applicazione", spiega Thompson, "l'incapacità del cliente di fare affidamento sulla disponibilità, la qualità e la coerenza del materiale significava che l'applicazione non sarebbe stata commercializzata in quel momento" Per superare questa variazione, "la materia prima è contemporaneamente l'aspetto più importante e meno importante del nostro processo", dichiara Thompson. "Una volta identificata una fonte coerente, non è più un problema." Mafic utilizza una fonte europea per il suo impianto irlandese. Utilizzerà questa stessa fonte quando inizierà la produzione statunitense, ma l'azienda punta anche ad una fonte statunitense non rivelata per la futura fornitura all'impianto statunitense. Tutti i produttori di fibre selezionano attentamente il minerale di origine e lo prequalificano, e questo, insieme ai miglioramenti del processo di produzione, ha portato ad una maggiore coerenza.

Storicamente, la produzione di fibre di basalto è stata controllata manualmente, ma i produttori di fibre stanno migliorando la qualità e la coerenza dei loro prodotti con l'aggiunta di controlli automatici. Gencarelle riferisce che la fabbrica di fibre di basalto che rappresenta è certificata ISO 9000. "Sottolineano il controllo di qualità dalle materie prime fino all'intero processo", osserva. Egli ritiene che il limite inferiore per la variazione è di circa il 3 per cento che, è vero, potrebbe essere troppo alto per le applicazioni strutturali aerospaziali. Ma altre opportunità di mercato abbondano, tra cui applicazioni nei settori degli articoli sportivi, della protesi, della criogenia e dell'energia.

In termini di mercato, i produttori di fibre di basalto riferiscono che l'ostacolo maggiore oggi è la regolamentazione. "Molti settori dell'industria delle costruzioni", spiega Streetman, "possono usare solo materiali che sono stati accettati nel codice" Egli cita il Florida Department of Transportation come un corpo che è stato "più lungimirante" e si sta avvicinando agli standard per l'accettazione dei compositi di basalto. Gencarelle sottolinea inoltre che l'American Concrete Institute ha riconosciuto che il tondo per cemento armato di basalto soddisfa i requisiti dell'istituto per le applicazioni del tondo per cemento armato. Tuttavia, il lavoro è ancora da fare prima che la costruzione e altre industrie raggiungano un'ampia accettazione del codice per i compositi di basalto.

Infine, e forse la cosa più significativa, i produttori di fibra di basalto si trovano in un mercato "Catch-22", soprattutto per quanto riguarda le attuali applicazioni del vetro elettronico. Il grande volume di molte di queste applicazioni significa che l'attuale utilizzo delle fibre è maggiore dell'attuale capacità che gli impianti di produzione delle fibre di basalto potrebbero iniziare a soddisfare. Anche se la fibra di basalto è tecnicamente la più adatta per un'applicazione, i produttori di compositi non vogliono impegnarsi in un progetto BFRP a meno che non sappiano di poter ottenere un prodotto sufficiente. Al contrario, poiché ci vogliono dai due ai quattro anni per commissionare un grande impianto di fibra di basalto, gli investitori vogliono garanzie che la domanda del mercato sia presente quando l'impianto sarà online.

Se i fornitori di fibra di basalto possono puntare a un'applicazione che fa presagire particolarmente bene per la crescita della BFRP, sarebbe l'armatura. Come l'armatura in fibra di vetro, l'armatura in basalto è notevolmente più leggera dell'armatura convenzionale in acciaio, "oltre il 70 per cento più leggera", dice Gencarelle. "Una persona puo' facilmente sollevare una bobina di 100 metri di tondo per cemento armato di basalto di 10 millimetri." I vantaggi rispetto alle armature di vetro includono la naturale resistenza del basalto alla ruggine e ai liquidi e prodotti chimici corrosivi, continua. Questo lo rende adatto ad applicazioni marine, impianti chimici e altri ambienti potenzialmente corrosivi. "Inoltre, la penetrazione dell'umidità dal calcestruzzo non si forma, quindi non ha bisogno di un rivestimento speciale come le barre in fibra di vetro", aggiunge. Gencarelle evidenzia anche la corrispondenza tra il coefficiente di dilatazione termica del tondino di basalto e del calcestruzzo. Il fatto che non è conduttivo rende le armature in basalto una buona opzione per gli edifici che ospitano risonanze magnetiche o operazioni ad alta intensità di dati.

Gencarelle riporta alcuni lavori in corso per portare le fabbriche di pultrusione di tondo per cemento armato di basalto negli Stati Uniti, osservando che una tale mossa aiuterebbe a far crescere la quota di mercato del basalto sia evitando le tariffe che permettendo a queste fabbriche di competere per progetti che specificano tondo per cemento armato prodotto negli Stati Uniti.

Proseguono i lavori sul fronte normativo. Il tondo per cemento armato di basalto è incluso nei codici edilizi nazionali ed è ampiamente utilizzato nell'industria edile di paesi come la Russia, l'Ucraina e la Cina. "In alcuni altri paesi, come gli Stati Uniti, il Canada, il Regno Unito, l'Italia e la Polonia, il tondino di basalto è ampiamente utilizzato in applicazioni dove non è richiesta la certificazione, come piscine e sentieri da giardino", afferma Oleg Kuzyakin, direttore commerciale di Kamenny Vek. In questi paesi sono in corso importanti sforzi per la certificazione dei tondini di basalto. "In alcuni paesi europei, come la Germania e la Francia, questo processo è più costoso, lungo e complicato che in altri", aggiunge Kuzyakin, "ma vediamo un crescente interesse per il tondo di basalto anche in questi paesi"

Un'attività più sporadica caratterizza altre applicazioni e segmenti di mercato. Streetman osserva, ad esempio, che le case automobilistiche hanno impiegato pannelli BFRP costituiti da fibre tagliate e matrice termoplastica per migliorare la resistenza agli urti e alla corrosione. Questi programmi sono giunti al termine, tuttavia, e Streetman non è a conoscenza di alcun lavoro BFRP attuale nelle applicazioni di produzione automobilistica. Kuzyakin conferma: "I clienti vogliono utilizzare la nostra fibra per la produzione di diversi tipi di pannelli per camion, e per le parti di automobili realizzate in polipropilene o resina poliammidica, ma questi non sono ancora progetti commerciali"

In India, Russia e Corea, la fibra di basalto tritato Kamenny Vek viene utilizzata per la produzione di pastiglie per freni. L'azienda riferisce inoltre che una quantità significativa della sua fibra viene utilizzata in bombole di gas naturale compresso (GNC) per autobus e camion, nonché per applicazioni residenziali.

Un altro campo di applicazione in crescita è quello dei tubi compositi. Wavin Ekoplastik (Kostelec nad Labem, Repubblica Ceca) ha sviluppato un tubo in polipropilene (PP) con uno strato di fibra di basalto rinforzato con fibre di basalto che presenta un miglioramento del 50% nella resistenza alla pressione alle alte temperature e del 20% nella portata rispetto al tubo in fibra di vetro/PP di base.

Il partner australiano di Kamenny Vek, Basalt Fiber Tech (Melbourne, Australia), fornisce tessuti di basalto per applicazioni marine, e numerose applicazioni di articoli sportivi utilizzano anche la fibra dell'azienda, anche se Kuzyakin osserva che questi non sono attualmente mercati ad alto volume. "Di maggiore potenziale in termini di volume sono le applicazioni dell'energia eolica", riferisce Kuzyakin. "Il vento è una delle applicazioni più importanti. Lo consideriamo strategicamente importante ma a lungo termine a causa delle procedure di certificazione e qualificazione molto lunghe, complicate e costose"

Protesi e ortesi, come accennato in precedenza, beneficiano del maggiore "dare" della fibra di basalto Una storia di CW del novembre 2018 ha riportato una di queste applicazioni di Coyote Designs (Boise, Idaho, Idaho, USA). Alcuni dei clienti dell'azienda hanno trovato che i compositi di polimeri in fibra di carbonio sono scomodo rigidi e la protesi ha sofferto di un alto tasso di rottura delle cricche. È interessante notare che un altro fattore che ha reso interessante il passaggio al basalto è stato che, a differenza della produzione con la fibra di basalto, la produzione con maschere in fibra di carbonio, dispositivi di protezione e sistemi di raccolta polveri per la salute e la sicurezza. Il BFRP ha migliorato le proprietà di flessione della protesi e ha ridotto significativamente il tasso di fallimento.

Negli articoli sportivi, spesso viene utilizzato un design ibrido carbonio-basalto per ottenere i vantaggi di ogni tipo di fibra. La rivista digitale Basalt Today è piena di esempi, tra cui le racchette da badminton Wilson (Chicago, Ill., U.S.), le racchette da badminton, le tavole da snowboard Niche (Holladay, Utah, U.S.) e le racchette da kayak Nimbus Paddles (Heriot Bay, B.C., Canada).

Sebbene non si sia ancora concretizzata una sostanziale innovazione del BFRP, sembra che si stiano compiendo progressi su tutti i fronti necessari: efficienza e capacità produttiva, presenza globale, progettazione e sviluppo del prodotto e attività di regolamentazione. "Pensiamo di essere in un posto fantastico oggi", dichiara Thompson, "e i nostri clienti ci hanno dimostrato che ci credono anche loro, grazie al loro livello di investimento e al loro desiderio di vedere il nostro impianto statunitense online"

Materiale di partenza in fibra di basalto