Європейський Союз визнав базальт матеріалом ХХІ століття, розуміючи величезний перелік різноманітних застосувань базальтових волокон (БВ). Від застосувань базальту в галузях оборонно-промислового комплексу до практично більшості напрямів будівництва.
Базальтові породи відносяться до копалин, які є стратегічним запасом країни, лежать під ногами і майже не використовуються в Україні. Базальт найпоширеніша порода земної кори. Це магма, яка вилилася з вулканів. Базальтові родовища є практично у всіх країнах, їхні запаси величезні. Але мало країн світу володіють складними технологіями виробництва виробів з базальту.
Базальт як камінь відомий давно, але виробляти з нього базальтове волокно запропонував Пол Де, який отримав патент США на винахід у 1923 році. Зацікавлених у винаході тоді не знайшлось. Але у 60-х роках 20 століття про нього згадали і почались активні розробки у цій сфері. Під грифом секретності США та СРСР почали досліджувати властивості та можливості застосування БВ, звісно, у цілях оборонної промисловості (ОП), яка належить до категорії високотехнологічних галузей виробництва. Центр розробок СРСР знаходився у Києві у Інституті проблем матеріалознавства НАН України. За результатами їх досліджень отримані перші промислові зразки БВ, а в середині 80-х років відпрацьовано технологію виробництво БВ та було запущено перше промислове виробництво, розроблені технічні умови на гірські породи, як однокомпонентну сировину для виробництва БВ. В 80-ті в Україні було створено і діяло близько 30 підприємств базальтової спрямованості.
Зараз одиниці, по утеплювачам тільки чотири. Навіть було побудовано завод у В’єтнамі. Фахівцями інституту була вивчена та узагальнена мінерально-сировинна база гірських порід України для виробництва БВ, яка є необмеженою для виробництва різних БВ. Дослідження мінерально-сировинної бази Закарпатської, Рівненської, Донецької, Дніпропетровської, Запорізької, Черкаської, Полтавської, Кіровоградської, Вінницької областей та Криму показали наявність на території України різноманітних гірських порід. Це – андезити, андезитобазальти, базальти, даяєрити, діабази, базальтові та діабазові порфірити, габро, амфіболіти та кристалічні сланці, які можуть бути використані для виробництва різних видів волокон. Найбільша кількість родовищ, припадає на Закарпаття. Вони представлені андезитами та андезитобазальтами. Базальти розвіданих родовищ Рівненської області, утворюючи в основному середньов'язкі розплави, придатні для отримання грубих, штапельних супертонких і тонких волокон. Раніше в основному використовувались базальти Берестовецького та Іваново-Долинського родовищ Рівненської області.
Технологія виробництва БВ базується на використанні однокомпонентної сировини – гірських порід, що суттєво спрощує технологічний процес. Базальт видобувається на кар'єрах за допомогою вибухових методів, після чого його дроблять на необхідні фракції. Далі виконується плавка і виробництво БВ. Існуючі технології виробництва БВ є досконалими. Плавку сировини при температурах 1400 – 1500° С проводять в тигельних печах індукційного типу, тигелі розміщують в соленоїдах і здійснюється круговий нагрів для однорідності розплаву і економії енергії. Піч розрахована на 10 років безвідмовної роботи. Це дозволяє зробити виробництво економічним. На виготовлення 1 кг БВ витрачається тільки 0,8 кВт/год. електроенергії. Головним, складним, дорогим і відносно недовговічним елементом виробництва є платино-родієві або платинові філь’єри з вартістю до 700 тис. Є, які витримують температури до 1500° С. Але вже зараз є наукові розробки по виготовленню філь’єр з інших матеріалів на базі графіту і в недалекому майбутньому пройде заміна платино-родієвих і платинових філь’єр на дешевші і довговічні.
Починаючи з 70-х років минулого століття БВ, завдяки своїм унікальним характеристикам, набули широкого використання, а саме: міцності, хімічній стійкості до впливу кислот і особливо лугів, термічній стійкості, негорючості, вібростійкості, зносостійкості, стійкості до різких перепадів температур. БВ широко використовуються для тепло і звукоізоляції, для виробництва вогнестійких матеріалів та забезпечення протипожежних систем, фільтрів, виробництва технічних тканин і нетканих матеріалів, армуючих, композитних матеріалів та виробів. Базальтові штапельні короткі волокна застосовують для виробництва теплоізоляційних матів і плит, матеріалів для фільтрів газоподібних викидів з підвищеною температурою і хімічних активних рідких середовищ, для гідропоніки в сільському господарстві. БВ застосовують для виробництва широкого спектру матеріалів і виробів: армуючих матеріалів для дисперсного об'ємного армування бетонів і асфальтобетонів, композитної арматури, арматурних решіток, будівельних і дорожніх сіток і армуючих стрічок, технічних тканин різних переплетень і щільності, нетканих матеріалів, композитних матеріалів і виробів - профілів, труб середніх і великих діаметрів, хімічно стійких труб, труб для промислової та стічної каналізацій, цистерн, ємностей, та ємностей для зберігання агресивних рідин, балонів високого тиску, опор і перекриттів мостів, систем кріплення шахт, виробів для машинобудування, деталей автомобілів, морських і повітряних суден; електроізоляційних матеріалів і виробів, для трансформаторних підстанцій.
Унікальні властивості БВ привели до його масового застосування в будівельній галузі, сейсмостійкому, гідротехнічному, прибережному, дорожньому будівництві, автомобільних і швидкісних залізничних магістралях, комунальному господарстві, машинобудуванні, автомобільній, авіаційній, суднобудівній промисловості, енергетиці, сільському господарстві. Тому що композитна базальтова арматура не схильна до корозії, довговічна в експлуатації в складних умовах, має вагу в 5-8 разів менше сталевої арматури, у 2,5 рази міцніше її на розрив, має однаковий термічний коефіцієнт розширення з бетоном, проникнення вологи не розшаровує бетон, легко ріжеться звичайними інструментами, не проводить електрику та не створює полів при впливі радіочастотної енергії, що відмінно підходить для будівель лікарень або центрів обробки даних, дає приблизно на 60% менше викидів CO2 у готових бетонних конструкціях, за рахунок оптимізації виробничого процесу, логістики та матеріалів. Кріплення та в'язання арматури проводиться пластиковими зав'язками, ровінгом БВ, або в'язальним дротом. Ціна базальтопластикової арматури нижче за сталеву при ряді інших переваг. Крім того БВ не старіють і представляють собою практично «вічний» матеріал, на відміну від металів, які кородують.
Всі ці унікальні якості базальту, призводять до суттєвого здешевлення будівництва, збільшення довговічності, зменшення геометричних розмірів будівель, підвищення екологічності. Вже зараз арматура широко використовується для зміцнення берегових ліній, причалів, портових споруд, мостів, тунелів, метро, шпал.
Базальтова фібра застосовується для: посилення монолітних споруд, конструкцій; зміцнення автодоріг; армування стяжок; зміцнення, стійких і водо-відбійних споруд; промислових підлог. Базальтова фібра, як армуючє волокно, широко застосовується при заливці стяжки підлоги, значно здешевлює її. Раніше стяжка армувалася сіткою з металу, а зараз в цементний розчин просто додається фібра, яка замінює сітку і не потребує в’язання. Тому в будівництві вже рекомендується застосовувати базальтову фібру. Далі можна очікувати введення обов’язкових вимог до використання фібри. Базальтова фібра дає можливість підвищувати ударне навантаження промислових підлог в 3-5 разів. При цьому дотримуються всі вимоги до їх якості: висока стійкість до різноманітних типів навантажень (абразивних, динамічних, статистичних, ударних), стійкість до впливів хімічних речовин, тертя поверхні і т. п. Використання базальтової фібри збільшує міцність на стиск на 20 відсотків, при згині – в 4-7 разів. Морозостійкість підвищується в 1,5-2 рази, підвищується тріщиностійкість. Використання фібри виключає появу усадочних тріщин. Стійкість до динамічних навантажень збільшується до 5 разів. Фібра застосовується у співвідношенні 1% на 1 т цементу, що призводить до покращення економіки.
Використання дорожніх та армуючих базальтових сіток призводить до зниження витрат на матеріали, збільшення міжремонтних термінів, вони мають більш високі хімічні властивості, укладання асфальтобетону за допомогою базальтової сітки може проходити при будь-якій температурі, збереження своїх властивостей навіть при низьких температурах, зменшення товщини асфальтобетонного покриття, збільшення міжремонтних термінів від 10 до 15%. Термін експлуатації покриття теж збільшується на 3-6 років.
Завдяки високій міцністі, вогнестійкісті, термостійкісті вище 1000° С, тканина з базальтового волокна використовується протягом тривалого часу при температурі 760° С. Це ідеальний матеріал для заміни шкідливих азбестів та тканин зі скловолокна. Завдяки таким параметрам з тканин на основі БВ виготовляють різні види одягу: пожежно-захисний, теплоізоляційний, протипожежний, захисний для сталеварів, електрозварювальний, робочий, вогнезахисний.
Найбільші світові виробники, такі як Airbus, Boing, BMW, GM і т.д., сьогодні масово переходять на застосування окремих базальтокомпозитних виробів, тому що при низькій собівартості вузлів та їх меншій вазі, це додає зносостійкість та вантажопідйомність. Базальтові вироби можуть широко використовуватись в залізничній галузі, при виготовленні вагонів з БВ, для зміцнення і полегшення, що призведе до суттєвої економії палива та перевезення додаткових вантажів. Китай планує виробляти морські контейнери із базальту, які на 60% легші, не схильні до зносу та корозії. Багато країн зміцнюють свої берегові лінії з використанням базальтових виробів і це є початком глобального переходу на екологічно чисті, ефективні та рентабельні базальтові технології.
Особливу увагу необхідно звернути на можливості використання БВ в ОП. Виготовлення оболонок снарядів і ракет з БВ, більш міцніших і легших за метал, дозволить збільшити їх дальність при тій же потужності заряду. А для військових ракет, літаків, дронів, суден, крім зменшення ваги, взагалі відкриваються фантастичні можливості стати невидимими завдяки властивостям базальту не віддзеркалювати хвилі в широкому частотному діапазоні: від гідроакустичних хвиль до частот радарів. БВ виступає матеріалом, який здатен забезпечити надійний захист від снарядів, але не приведе до обтяження броні, що важливо, оскільки не доведеться модернізувати ходову частину, розробляти нові силові агрегати, шукати способи збільшення швидкості і маневреності. Основне застосування жаростійких базальтокомпозитів – ракетна та аерокосмічна галузі. Над розробкою волоконно-армованих композитів активно працює Каліфорнійський університет, результати використання БВ як наповнювача для керамокомпозитів публікував Національний технологічний центр металів і матеріалів, який ще в 2011 р. запатентував композит для ракетних двигунів.
ЄС запустив проекти широкого впровадження композитів у суднобудуванні: RAMSSES, FIBRESHIP. Суднобудівники США, Індії, Сінгапуру та Італії звертають увагу на БВ внаслідок стійкості до корозії, негорючості, міцності та легкості. Далі всіх тут просунулись голландські суднобудівники. Група компаній Damen виробляє композитні судна з 1960-х років. Зараз Damen побудувало верф в Туреччині, де виготовляються суда довжиною до 25 м на основі БВ. Це переважно перехоплювачі. Damen планує створювати композитні кораблі на 45 і 75 м. Для протимінних суден важливо, що підводний магнітний слід менше металевого, що допоможе виявити міни перед тим, як вони виявлять його і незабаром передбачається заміна усіх протимінних суден голландських ВМФ на композитні. Бортове обладнання також виготовляється з немагнітних матеріалів, що дозволяє наблизитися до мін без їх спрацьовування. Легша вага композитної надбудови призводить до зниження центру ваги судна, знижує ризик перекидання судна.
Використання бетону з БВ для злітно-посадкових смуг аеродромів підвищує їх зносостійкість та коефіцієнт зчеплення з колесами шасі літаків. З БВ вже створені та використовуються протипожежні авіабомби для локалізації пожеж та при техногенних аваріях і катастрофах. Маскувальні системи для техніки і особового складу дозволяють зменшити дальність захоплення високоточною зброєю у 9 разів, значно знижують помітність в інфрачервоному та радіолокаційному діапазонах.
Якості БВ дозволяють робити унікальну тару для зберігання боєприпасів (надійну, легку, довговічну, пожежобезпечну) на заміну дорогої тари з деревини високої якості, яка при зберіганні на відкритих майданчиках недовговічна.
Окрім високої ефективності застосування матеріалів з БВ у складі військової техніки суттєво здешевлюється виробництво.
Якщо подивитись використання базальту по галузям господарства, то вже складно знайти галузі, де базальт не використовується. У машинобудуванні це композиційні, конструкційні та армуючі матеріали, теплоізоляція, обладнання тепломагістралей. У суднобудуванні – композиційні та конструкційні матеріали й вироби, тепло- та звукоізоляція обладнання, мале суднобудування – конструкції корпусів, надбудов. У авіаційній промисловості – композиційні та теплозвукоізолюючі матеріали. У вагонобудуванні – композиційні, електроізоляційні матеріали, тепло- та звукоізоляція, негорючі композиційні матеріали. В автомобільній промисловості – композиційні та теплозвукоізоляційні матеріали, армуючий матеріал для виробництва гальмівних колодок і дисків, негорючі композиційні матеріали, корд для автомобільних шин. У хімічній та нафтохімічній промисловості – хімічно стійкі труби, захисні покриття, негорючі композиційні матеріали, фільтри для очищення відхідних газів. В енергетиці – електроізоляційні матеріали, композиційні матеріали, несуча жила для високовольтних ліній електропередач. Теплоізоляція термічного обладнання парових котлів, турбін. Матеріали для атомної енергетики – негорючі теплоізоляційні та конструкційні матеріали, антирадіаційний захист. У комунальному господарстві – для фільтрів стічних вод та очисних споруд. У кріогенній техніці – теплоізоляційні матеріали для виробництва скраплених газів, рідкого кисню тощо. У металургії – теплоізоляційні матеріали для термічного обладнання, рекуператорів, трубопроводів, комунікацій.
Фільтри для очищення відхідних газів на гірничо-збагачувальних і металургійних комбінатах, фільтри для очищення стічних вод, антикорозійні покриття листового металу та прокату. У гідротехнічному будівництві – армуючі матеріали для будівництва гребель, матеріали для іригації земель. При будівництві портових споруд, морських платформ – армуючі та конструкційні матеріали з базальтопластиків, антикорозійні, захисні покриття. При виробництві будівельних матеріалів: будівельні конструкційні та облицювальні пластики; армуючі сітки; базальтопластикова арматура для будівництва мостів, тунелів, шпал залізниць, метро. Вогнестійкі матеріали – матеріали, що важко горять та негорючі. Застосування таких матеріалів особливо актуальне при будівництві відповідальних промислових об'єктів з підвищеною пожежною безпекою: атомних електростанцій, хімічних і нафтохімічних виробництв, висотних будівель.
Проблемою в умовах дефіциту енергоресурсів і їх високої вартості у всіх північних країнах є утеплення. В Україні житлово-комунальне господарство споживає до 20% всіх енергоресурсів. За рік українські багатоповерхові будинки споживають від 400 до 550 кВт/г (на 1 м²/рік), індивідуальні будинки – від 600 до 800 кВт/г (на 1 м²/рік). У Німеччині приватні будинки споживають в середньому близько 250 кВт/г (на 1 м²/рік), а в Швеції – 135 кВт/год (на 1 м²/рік). І це в умовах нашого більш теплого клімату. Втрати енергії напряму корелюють з станом утеплення. Споживання утеплювачів в різних країнах світу становить: Швеція – 60 кг/люд., США – 50 кг/люд., Фінляндія, Японія – 40 кг/люд., росія – 14 кг/люд., Україна – 9,0 кг/люд. Тобто серед країн, де необхідне утеплення, Україна займає останнє місце. Застосування майже вічних базальтових утеплювачів повністю вирішує проблему утеплення, замінюючи пінополістироли, пінопласти та скловату, як недовговічні теплоізолятори з шкідливими фенольними сполуками, які за найменшого нагрівання виділяють отруйні випаровування.
На сьогоднішній день потреба ринку в базальтовій продукції у багато разів більше обсягів його виробництва. Питання широкого застосування БВ визначаються двома основними факторами: характеристиками БВ, матеріалів на їх основі і вартісними показниками - собівартістю виробництва й ціною БВ. Якщо розглянути світовий ринок тільки теплоізоляційних матеріалів, то він грандіозний. В 2022 р. він склав 28,75 млрд дол. і за 10 років очікується зростання ринку в 1,7 рази. До майже 50 млрд дол. Український ринок теплоізоляційних матеріалів, поряд з ринками європейських країн, є одним з найбільш динамічно та інтенсивно зростаючих, а відновлення країни буде відбуватись на основі використання нових екологічно чистих матеріалів.
Географічно розподіл світового ринку споживання теплоізоляційних матеріалів виглядає так: Європа – 32%, далі Північна Америка та Азійсько-Тихоокеанський регіон. По споживанню не тільки теплоізоляції, а взагалі БВ та виробів з них, найбільшим світовим споживачем є США – 44%, далі йдуть Європа – 26%, Азія – 24%, країни Американського континенту – 3,4%, росія – 1,4%, інші країни СНД – 1,2%. У Європі основними споживачами БВ є Німеччина та Австрія – понад 30%, Італія – понад 20%, Франція – близько 18%.
Якщо розглядати 10 найбільших світових виробників БВ, то 4 знаходиться в Китаї, по 2 в США та Європі. Потреба у БВ сьогодні становить млн т на рік, а діючі підприємства задовольняють попит лише на кілька %.
Аналіз географії споживання і виробництва БВ показує гарні перспективи розвитку галузі в Україні, оскільки крім великих обсягів власної високоякісної сировини і технологій, недорогі, легкі і інколи об’ємні базальтові вироби, дорого транспортувати на далекі відстані.
Базальт не тільки екологічно чистий матеріал 21 століття з грандіозними можливостями застосування, а й конкурентоспроможна галузь нових матеріалів зі стійким та стрімким розвитком у світі і ринок з низьким конкурентним середовищем. Ті країни, які першими почнуть його масове виробництво, отримають великі конкурентні переваги.
До серйозних переваг базальту можна віднести надзвичайну легкість утилізації шляхом переплавки і можливість застосування знову як сировини та можливість локалізації виробництва всередині країни – починаючи з видобутку сировини, переробки, випуску готових виробів, що забезпечує виробництво за умов нестабільної економічної ситуації, чи навіть війни.
Взагалі найближчим часом можна очікувати «базальтовий бум» з масовим використанням БВ і повною заміною багатьох конструкцій на базальтомісткі.
Для розвитку базальтової індустрії Україна має все необхідне. І наукові розробки і світовий пріоритет створення БВ матеріалів, виробів з них та промислового впровадження технологій і обладнання, багато родовищ базальту, але зовсім не використовує цю перевагу. Регулярні дослідження перспектив використання базальту та можливих технологій не ведуться. Тобто Україна втратила свої конкурентні переваги.
Становлення в Україні індустрії виробництва БВ дозволить вирішити цілу низку проблем: ефективно використовувати свої природні багатства; створити високотехнологічні виробництва різноманітних матеріалів для ОП, будівництва, енергетики, видобувної промисловості, газової галузі, комунального господарства; знизити залежність України від імпорту аналогічних матеріалів та підвищити експортний потенціал країни за рахунок високотехнологічних матеріалів з високою доданою вартістю; поновити свої позиції серед виробників БВ світу.
Зараз країні просто необхідно створення високотехнологічної, високодохідної сучасної галузі виробництва базальтових матеріалів, базальтових композитів та виробів з них.
Володимир ХАУСТОВ, вчений секретар Державної установи
«Інститут економіки та прогнозування Національної академії наук України», заслужений економіст України
