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#Neues aus der Industrie
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Das noch versprochene Potenzial von Basaltfaserverbundwerkstoffen
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Obwohl der lang erwartete Marktschub bei Basaltfaserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen auch in Zukunft weitgehend bestehen bleibt, machen die Basaltfaserhersteller Fortschritte bei der Überwindung der technischen und marktbedingten Hürden für die Großanwendung.
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Wenn Sie Gestein abbauen, das ursprünglich aus der schnellen Abkühlung von magnesium- und eisenhaltiger Lava entstanden ist, und einen Weg finden, aus diesem Gestein Fasern herzustellen, sollte es nicht verwundern, dass die Faser hervorragende Wärmedämm- und Brandschutzeigenschaften sowie sehr hohe Gebrauchstemperaturen aufweist. Diese wichtigen Eigenschaften haben die Basaltfaser zu einem Standardmaterial für Isolationsprodukte in Hochtemperaturanwendungen wie Industrieofenauskleidung und feuerfestes Seil gemacht. So liefert der Basaltfaserproduzent Kamenny Vek (Dubna, Russland) einen großen Teil seines Produkts an die US-amerikanische Automobilindustrie zur Isolierung von Abgassystemen sowie an Hersteller von hitzebeständigen Materialien für industrielle Anwendungen.
Neben ihren thermischen Eigenschaften hat die Kombination aus Festigkeit, Schlagfestigkeit und chemischer Inertheit die Basaltfaser auch zu einem attraktiven Kandidaten für Composites-Anwendungen gemacht. Die Frage bleibt also offen: Wann werden Basaltfaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe (BFRP) eine signifikante Marktdurchdringung aufweisen?
Der Insider-Witz, berichtet James Streetman, Manager bei Advanced Filament Technologies (Houston, Texas, USA), ist, dass BFRP-Anwendungen "in den letzten 15 Jahren fünf Jahre von einem großen Durchbruch entfernt waren" Advanced Filament Technologies bietet die geschützte Basaltfaser Sudaglass an, die ursprünglich in Sudogda, Russland, hergestellt wurde und nun von GBF Basalt Fiber Co. produziert wird. (Zhejiang, China). Abgesehen davon kann vorsichtiger Optimismus die Stimmung von Streetman am besten beschreiben - und ganz allgemein die Stimmung vieler BFRP-Stakeholder. Nick Gencarelle, Principal bei Smarter Building Systems (Newport, R.I., USA), beschreibt den BFRP-Markt beispielsweise als "sehr langsam, flach - aber in den letzten zwei Jahren haben sich die Dinge etwas geöffnet. Die Statiker beginnen, die Notwendigkeit von BFRP besser zu verstehen."
Ein deutliches Zeichen dafür, dass BFRP für das Wachstum gerüstet sein könnte, sind die jüngsten Investitionen in Höhe von 20 Millionen US-Dollar für den Bau der ersten Produktionsstätte für Basaltfasern in den USA. Der relative Newcomer Mafic (Kells, County Meath, Irland) baut die Anlage in Shelby, North Carolina, und erwartet, dass sie im dritten Quartal 2019 "heiß wird", berichtet Jeffrey Thompson, Mafic Marketing Manager.
Es scheint, dass die Attraktivität der Leistungsmerkmale der Basaltfaser und das Potenzial für eine beträchtliche Marktdurchdringung von BFRP stark sind. Die Basaltfaserhersteller verfolgen diesen Markt daher konsequent weiter und klären die technischen und marktwirtschaftlichen Fragen, die den Durchbruch bisher verhindert haben.
Die Attraktivität von Basalt
Der Begriff der Herstellung von Fasern aus Basalt ist nicht neu; das erste Patent für die Herstellung von Basaltfasern wurde 1923 erteilt, und die Anwendung auf militärische Hardware wurde in den 1950er und 1960er Jahren umfassend erforscht. Selbst große Glasfaserproduzenten erkundeten das Potenzial von Basalt, obwohl sie diesen Fokus in den 1970er Jahren aufgaben, um ihre F&E-Aktivitäten auf leistungsfähigere Glasfasern, einschließlich S-2-Glas, zu konzentrieren. Das Interesse an der Entwicklung von Basaltfaserverbundwerkstoffen ist in diesen Jahrzehnten zwar gestiegen und gesunken, hat sich aber in den letzten Jahren fortgesetzt und verstärkt.
In einem Bericht vom Juni 2015 MarketsandMarkets Research (Pune, Indien) wird das kurzfristige Gesamtwachstum des Basaltfasermarktes, einschließlich Composite- und Non-Composite-Anwendungen, als erheblich eingeschätzt. Dem Bericht zufolge wird der Weltmarkt für Basaltfasern im Jahr 2020 200 Millionen US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 13,1 Prozent zwischen 2015 und 2020. "Wir sind dabei, unsere bestehende Studie über den Basaltfasermarkt zu aktualisieren", sagt Pankaj Kumar Tiwari, Associate Manager von MarketsandMarkets, "da wir im Jahr 2018 bedeutende Veränderungen in diesem Markt erlebt haben." Als Mitwirkende an der Marktveränderung nennt er den zunehmenden Einsatz von Basaltfasern in Hybrid-Composites, eine steigende Nachfrage aus dem Automobilmarkt und die Attraktivität der Recyclingfähigkeit von Basalt in Kombination mit seiner Stärke (die größer sein soll als die von E-Glas). Tiwari erwähnt auch zwei spezifische Ereignisse. Im Jahr 2018 erwarb Owens Corning (Toledo, Ohio, USA) die Paroc Group (Helsinki, Finnland), einen Hersteller von Basalt-Isolierfasern; außerdem kündigte der Hersteller von Mafic und Faserschlichten Michelman (Cincinnati, Ohio, USA) eine Partnerschaft mit Schwerpunkt auf Basaltfaserverbundwerkstoffen an.
Die thermischen Eigenschaften der Basaltfaser sind über die Anwendung von Isolierungen aus Verbundwerkstoffen hinaus von Interesse. BFRP eröffnet sich in Anwendungen, die hohe und/oder weitreichende Einsatztemperaturen erfordern. Eine weitere Eigenschaft, die Schlagfestigkeit, unterscheidet die Basaltfaser deutlich von Glas und Kohle. Eine Vorstudie des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau und des Instituts für Textiltechnik der RWTH (Aachen, Deutschland) ergab beispielsweise ein um rund 35 Prozent höheres spezifisches Energieaufnahmevermögen eines Basalt-Hybridbahngewebes (HYWF) mit Polyamid-6-Harz im Vergleich zu Glas HYWF/Polyamid 6 und 17 Prozent mehr als bei Kohlenstoff HYWF/Polyamid 6.
Eisen- und Aluminiumoxide des Basaltgesteins schaffen weitere vorteilhafte Eigenschaften. So bietet beispielsweise die Basaltfaser eine bessere Korrosions- und Feuerbeständigkeit als E-Glas. Darüber hinaus bestätigte eine aktuelle Studie von Mafic in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Project Center (London, Ontario, Kanada) einen höheren Zugmodul, eine höhere Zugfestigkeit und interlaminare Scherfestigkeit, eine 40 Prozent höhere spezifische Festigkeit und eine 20 Prozent höhere spezifische Steifigkeit für Basaltfaser/Epoxid-Testpaneele im Vergleich zu E-Glas/Epoxid-Paneele, die mit demselben Harz und Herstellungsverfahren hergestellt wurden. Kamenny Vek berichtet von ähnlichen Ergebnissen.
Basaltfasern zeichnen sich durch eine geringe Wasseraufnahme aus, was für Bau- und Rohranwendungen wichtig ist. Basaltfasern sind elektrisch nicht leitfähig. Als natürlich vorkommendes Material ist es zudem von Natur aus besser recycelbar als andere Verstärkungsfasern, ein Faktor, den die Automobilindustrie und andere Branchen berücksichtigen. Zusammenfassend bezieht sich Gencarelle auf Basaltfasern als "schlanker, grüner und mittelmäßiger" und schlagfester als andere Verstärkungen. Diese Eigenschaften deuten auf einen Sweet Spot für BFRPs im Leistungsfenster zwischen E-Glas und Kohlefaserverbundwerkstoffen hin. Wie Thompson ausdrückt: "Wir sehen uns dabei, die Kosten- und Leistungslücke zwischen Kohle- und Glasfaser zu schließen. Dieses Marktsegment war hungrig nach einem Produkt, das diesen Raum ausfüllt."
Ein Wechsel von der Kohlefaser zum Basalt ist Berichten zufolge ein einfacherer Business Case als ein Wechsel von E-Glas zum Basalt, aber beide Fälle können gemacht werden. Bei der Kohlefaser sind Kosteneinsparungen in der Regel die Hauptgründe für den Wechsel zu BFRP; Anwendungen, bei denen die Leistungsanforderungen an Kohlefasern überschritten werden, können an dem von Basalt angebotenen Preis-Leistungs-Punkt bedient werden. Ebenfalls wichtig in einigen Anwendungen sind die unterschiedlichen Versagensmodi von Kohlenstoff und Basalt. Während Kohlefaser bei Beschädigung katastrophal und manchmal an mehreren Stellen "zerbricht", erlebt die Basaltfaser etwas, was als sanfterer Ausfallmodus bezeichnet werden kann. Streetman veranschaulicht: "Wenn eine Carbon-Verbundprothese versagt, fällt der Benutzer hin, bei einer Basaltverbundprothese setzt sich der Benutzer hin."
Während die relativen Kosten der Basaltfaser mit zunehmender Effizienz der Produktionsmethoden gesunken sind, ist sie immer noch teurer als E-Glas - bei großvolumigen Anwendungen sogar doppelt so teuer -, so dass eine Anwendung, um diese Kostensteigerung zu absorbieren, durch Verbesserungen der anwendungskritischen Leistungsmerkmale ausreichend ausgeglichen werden muss. Zu den Merkmalen, die ins Spiel kommen können, gehören zusätzliche mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit, Stoß-, Chemikalien-, Korrosions- und Wasserbeständigkeit sowie ein Unterschied im Versagensmodus im Vergleich zu Glas, das eher zu Splittern neigt als Basalt.
Die Hürden für Basalt
Die grundlegende Herstellungsmethode für Basaltfasern ist einfach genug: Ähnlich wie bei der Glasfaserherstellung wird die Basaltfaser aus dem geschmolzenen Rohstoff zu Filamenten extrudiert, in diesem Fall zu geförderten Basaltgesteinen. Die Materialeffizienz der Basaltfaser wird dadurch erhöht, dass keine Sekundärmaterialien benötigt werden, um die Faser herzustellen, oder wie Gencarelle es ausdrückt: "Ein Pfund Gestein wird zu einem Pfund Faser" Der Schmelzpunkt für Basalt von 1.500°C ist auch mit Glas vergleichbar, bei dem der Schmelzpunkt von 1.400 bis 1.600°C liegt. Da Basalt undurchsichtig ist, ist es schwieriger, gleichmäßig zu erwärmen als Glas, und dies hat zur Folge, dass Produktionsverbesserungen erforderlich sind, wie z.B. das Aufbewahren des geschmolzenen Produkts in einem Behälter für einen längeren Zeitraum, das Eintauchen von Elektroden in das Bad oder ein zweistufiges Heizschema. Diese Fortschritte wurden gemacht und sind eine etablierte Technologie in Basaltfaseranlagen.
Die Tatsache, dass der Rohstoff für Basaltfasern in der Natur vorkommt, führt zu einer großen technischen Hürde: uneinheitlichen Rohstoffeigenschaften. Das heißt, das von verschiedenen Standorten geförderte Gestein variiert in den spezifischen Mengen an Eisen, Magnesium und anderen Bestandteilen. Die wichtigsten Parameter haben sich um bis zu 10 Prozent verändert. Streetman berichtet, dass Glasfaser in Bezug auf die Rohstoffvariation vor der gleichen Herausforderung steht: "Wir haben Fortschritte bei der Bereitstellung eines standardisierten Produkts gemacht"
In den vergangenen Jahren wirkte sich die Variation der Basaltfasereigenschaften negativ auf mögliche Anwendungen aus. "Wenn sich gezeigt hat, dass Basalt die beste Faser für die Anwendung ist", erklärt Thompson, "bedeutete die Unfähigkeit des Kunden, sich auf Materialverfügbarkeit, Qualität und Konsistenz zu verlassen, dass die Anwendung zu diesem Zeitpunkt nicht kommerzialisiert werden würde" Bei der Überwindung dieser Schwankungen ist "der Rohstoff gleichzeitig der wichtigste und der unwichtigste Aspekt unseres Prozesses", erklärt Thompson. "Sobald man eine konsistente Quelle identifiziert hat, ist es kein Problem mehr." Mafic nutzt eine europäische Quelle für seine irische Niederlassung. Es wird dieselbe Quelle verwenden, wenn es mit der Produktion in den USA beginnt, aber das Unternehmen strebt auch eine nicht offenbarte US-Quelle für die zukünftige Lieferung an das US-Werk an. Alle Faserhersteller wählen das Ausgangserz sorgfältig aus und qualifizieren es vor, was zusammen mit der Verbesserung des Produktionsprozesses zu einer höheren Konsistenz geführt hat.
In der Vergangenheit wurde die Herstellung von Basaltfasern manuell gesteuert, aber die Faserhersteller verbessern die Qualität und Konsistenz ihrer Produkte durch automatisierte Kontrollen. Gencarelle berichtet, dass die von ihm vertretene Basaltfaserfabrik nach ISO 9000 zertifiziert ist. "Sie legen Wert auf die Qualitätskontrolle von den Rohstoffen bis hin zum Prozess", sagt er. Er glaubt, dass die untere Schwankungsgrenze bei etwa 3 Prozent liegt, was zugegebenermaßen für strukturelle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt zu hoch sein kann. Aber es gibt auch andere Marktchancen, darunter Anwendungen in der Sportartikel-, Prothesen-, Kryogenie- und Energieindustrie.
Was den Markt betrifft, so berichten die Basaltfaserhersteller, dass die größte Hürde heute die Regulierung ist. "Viele Bereiche der Bauindustrie", erklärt Streetman, "können nur Materialien verwenden, die in den Code aufgenommen wurden." Er erwähnt das Florida Department of Transportation als eine Einrichtung, die "zukunftsorientierter" war und sich den Standards für die Akzeptanz von Basaltverbundwerkstoffen nähert. Gencarelle weist auch darauf hin, dass das American Concrete Institute anerkannt hat, dass Basaltbewehrung die Anforderungen des Instituts für Betonstahlanwendungen erfüllt. Dennoch liegen die Arbeiten noch vor uns, bis die Bau- und andere Industrien eine breite Code-Akzeptanz für Basalt-Composites erreichen.
Schließlich, und vielleicht am wichtigsten, befinden sich die Basaltfaserhersteller in einem Markt "Catch-22", insbesondere in Bezug auf aktuelle E-Glas-Anwendungen. Das große Volumen vieler solcher Anwendungen bedeutet, dass der aktuelle Faserverbrauch größer ist als die aktuelle Kapazität, die die Basaltfaser-Produktionsanlagen zu erreichen beginnen könnten. Auch wenn Basaltfasern technisch am besten für eine Anwendung geeignet sind, wollen sich die Verbundwerkstoffhersteller nicht auf ein BFK-Design festlegen, es sei denn, sie wissen, dass sie genügend Produkte erhalten können. Da die Inbetriebnahme einer großen Basaltfaseranlage zwei bis vier Jahre dauert, wollen Basaltinvestoren dagegen die Gewissheit, dass die Marktnachfrage da ist, wenn die Anlage ans Netz geht.
BFRP-Aktivität
Wenn Basaltfaseranbieter auf eine Anwendung verweisen können, die für das Wachstum von BFRP besonders gut geeignet ist, wäre es Betonstahl. Wie Glasfaserbewehrungen ist auch Basaltbewehrungen deutlich leichter als herkömmliche Stahlbewehrungen, "über 70 Prozent leichter", sagt Gencarelle. "Eine Person kann eine 100 Meter lange Spule aus 10 Millimeter Basaltstahl leicht anheben." Zu den Vorteilen gegenüber Glasbewehrungsstäben gehört die natürliche Beständigkeit des Basalts gegen Rost und korrosive Flüssigkeiten und Chemikalien, fährt er fort. Dadurch ist es gut geeignet für Marineanwendungen, Chemieanlagen und andere potenziell korrosive Umgebungen. "Außerdem splittert die Feuchtigkeitseindringung aus Beton nicht ab, so dass sie keine spezielle Beschichtung wie Glasfaserstäbe benötigt", fügt er hinzu. Gencarelle hebt auch die Übereinstimmung zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Basaltbewehrung und Beton hervor. Die Tatsache, dass er nicht leitfähig ist, macht Basaltbewehrungen zu einer guten Option für Gebäude, die MRTs oder datenintensive Operationen beherbergen.
Gencarelle berichtet, dass einige Arbeiten unternommen wurden, um Fabriken für die Herstellung von Basaltbewehrungen in die Vereinigten Staaten zu bringen, und stellt fest, dass ein solcher Schritt dazu beitragen würde, den Marktanteil von Basalt zu erhöhen, indem er Zölle vermeidet und es diesen Fabriken ermöglicht, um Projekte zu konkurrieren, die US-Bewehrungsstäbe spezifizieren.
Die Arbeiten an der Regulierungsseite werden fortgesetzt. Basaltbewehrungen sind in den nationalen Bauvorschriften enthalten und werden in der Bauindustrie von Ländern wie Russland, der Ukraine und China weit verbreitet. "In einigen anderen Ländern, wie den Vereinigten Staaten, Kanada, dem Vereinigten Königreich, Italien und Polen, wird Basaltstahl häufig in Anwendungen verwendet, in denen eine Zertifizierung nicht erforderlich ist, wie z.B. in Schwimmbädern und Gartenwegen", sagt Oleg Kuzyakin, kaufmännischer Direktor von Kamenny Vek. In diesen Ländern laufen derzeit große Zertifizierungsbemühungen für Basaltbewehrungen. "In einigen europäischen Ländern wie Deutschland und Frankreich ist dieser Prozess teurer, lang und kompliziert als in anderen", fügt Kuzyakin hinzu, "aber wir sehen auch in diesen Ländern ein steigendes Interesse an Basaltbewehrungen."
Eine sporadischere Aktivität kennzeichnet andere Anwendungen und Marktsegmente. Streetman bemerkt zum Beispiel, dass Automobilunternehmen BFK-Paneele aus geschnittener Faser und thermoplastischer Matrix eingesetzt haben, um die Schlag- und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Diese Programme sind jedoch zu Ende gegangen, und Streetman ist sich keiner der aktuellen BFRP-Arbeiten in der Automobilproduktion bewusst. Kuzyakin bestätigt: "Die Kunden wollen unsere Fasern für die Herstellung verschiedener Arten von Paneelen für Lastkraftwagen und für Autoteile aus Polypropylen- oder Polyamidharz verwenden, aber das sind noch keine kommerziellen Projekte"
In Indien, Russland und Korea wird die gehackte Basaltfaser von Kamenny Vek zur Herstellung von Bremsbelägen verwendet. Das Unternehmen berichtet auch, dass ein bedeutender Teil seiner Fasern in Druckgasflaschen (CNG) für Busse und Lastkraftwagen sowie für Haushaltsanwendungen verwendet wird.
Ein weiteres wachsendes Anwendungsgebiet sind Verbundrohre. Wavin Ekoplastik (Kostelec nad Labem, Tschechien) hat ein Polypropylen-(PP)-Rohr mit einer mit Basaltfasern verstärkten Schicht entwickelt, das im Vergleich zum Glasfaser/PP-Rohr eine um bis zu 50 Prozent verbesserte Druckfestigkeit bei hohen Temperaturen und eine um 20 Prozent verbesserte Durchflussrate aufweist.
Der australische Partner von Kamenny Vek, Basalt Fiber Tech (Melbourne, Australien), liefert Basaltgewebe für Marineanwendungen, und zahlreiche Sportartikelanwendungen verwenden ebenfalls die Faser des Unternehmens, obwohl Kuzyakin feststellt, dass es sich hierbei derzeit nicht um Volumenmärkte handelt. "Größeres Potenzial in Bezug auf das Volumen haben Windenergieanwendungen", berichtet Kuzyakin. "Wind ist eine der wichtigsten Anwendungen. Wir halten es für strategisch wichtig, aber aufgrund der sehr langen, komplizierten und kostspieligen Verfahren der Zertifizierung und Qualifizierung langfristig."
Prothesen und Orthesen, wie bereits erwähnt, profitieren von dem größeren "Geben" der Basaltfaser Eine CW-Geschichte vom November 2018 berichtete über eine solche Anwendung von Coyote Designs (Boise, Idaho, USA). Einige Kunden des Unternehmens empfanden Kohlefaser-Polymer-Verbundwerkstoffe als unangenehm steif, und die Prothetik litt unter einer hohen Rate von Rissbildungsfehlern. Interessanterweise war ein weiterer Faktor, der die Umstellung auf Basalt attraktiv machte, dass im Gegensatz zur Herstellung mit Basaltfaser die Herstellung mit Kohlefaser Masken, Schutzkleidung und Entstaubungssysteme für Gesundheit und Sicherheit umfasste. BFRP verbesserte die Biegeeigenschaften der Prothese und reduzierte die Ausfallrate deutlich.
In Sportartikeln wird oft eine hybride Kohlenstoff-Basalt-Konstruktion verwendet, um die Vorteile der einzelnen Fasertypen zu nutzen. Das digitale Magazin Basalt Today ist vollgepackt mit Beispielen, darunter Wilson (Chicago, Ill., U.S.) Badmintonschläger, Niche (Holladay, Utah, U.S.) Snowboards und Nimbus Paddles (Heriot Bay, B.C., Kanada) Kajakpaddel.
Die Zukunft scheint nahe zu sein
Obwohl ein substanzieller Durchbruch bei BFRP noch nicht erfolgt ist, scheinen Fortschritte an allen notwendigen Fronten zu erfolgen: Effizienz und Kapazität der Fertigung, globale Präsenz, Produktdesign und -entwicklung sowie regulatorische Aktivitäten. "Wir denken, dass wir heute an einem fantastischen Ort sind", erklärt Thompson, "und unsere Kunden haben uns gezeigt, dass sie es auch glauben, durch ihre Investitionen und ihren Wunsch, dass unsere US-Niederlassung online geht."
Thompson geht von signifikanten Entwicklungen in den nächsten 12 bis 24 Monaten aus und kommt zu dem Schluss: "Wir freuen uns, ein zusätzliches Composite-Tool im Toolkit zu sein"
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