پشم معدنی

پشم معدنی عنوانی عمومی برای مواد فیبری است که با تنیدن مواد معدنی یا سنگ مذاب مثل گدازه آتشفشانی یا سرامیک ساخته می­شوند.

کاربردهای پشم معدنی شامل عایق­کاری حرارتی (هم به عنوان عایق­کاری سازه و هم لوله، با این حال مثل پشم عایق­کاری در دمای بالا مقابل آتش­سوزی مقاوم نیست)، فیلترکردن، عایق صدا و محیط رشد بدون خاک است.

عناوین

• نامگذاری
• تاریخچه
• پشم معدنی با دمای بالا
• تعاریف
• انواع HTMW
• پشم قلیایی زمینی سیلیکات (پشم AES)
• پشم آلومینوسیلیکات (ASW)
• پشم پلی­کریستالین (PCW)
• پشم کائولن
• تولید
• استفاده
• در کشاورزی بدون خاک
• پشم معدنی با دمای بالا
• ایمنی ماده
• گرد و غبار فیبری
• سیلیس بلوری
• پیوست
• منابع
• لینک­های خارجی

نامگذاری

پشم معدنی با نام­های فیبر معدنی، کتان معدنی، فیبر معدنی ساخت انسان (MMMF) و فیبر شیشه­ای ساخت انسان (MMVF) شناخته می­شود.

عبارات اختصاری این محصولات از حرف اولیه نام ماده و آوردن کلمه پشم بعد از آن است. محصولات مهم پشم معدنی پشم سنگ و پشم مذاب آتشفشانی می­باشد. اروپا پشم شیشه را نیز شامل این محصولات می­داند، که با فیبر سرامیکی، جزء فیبرهای ساخت انسان هستند.

تاریخچه

فیبر گدازه آتشفشانی اولین بار توسط ادوارد پری در ولز ساخته شد، « اما به نظر می­رسد هیچ اقدامی برای محدود کردن پشم بعد از تولید صورت نگرفت؛ در نتیجه با کوچکترین نسیم روی کار شناور می­گشت که باعث خطرات زیاد و ادامه ندادن کار توسط نیروها گشت». روشی برای ساخت پشم معدنی در ایالات متحده به سال 1870 توسط جان پلیر ثبت و اولین بار بصورت تجاری در سال 1871 در اسنبروک آلمان تولید گشت. این فرآیند شامل دمیدن جریان شدیدی از هوا در امتداد گدازه­های آهنی در حال پایین آمدن است، درست شبیه رخداد طبیعی مسیرهای گدازه آتشفشانی از آتشفشان کیلائو که موهای پله نامیده می­شوند و در اثر بادهای شدید وزنده روی گدازه حین فوران بوجود آمده­اند.

مهندس شیمی آمریکایی چارلز کریدن هال به سال 1897 تکنولوژی جدیدی جهت تبدیل سنگ آهک به فیبر را توسعه داد و صنعت پشم سنگ را در آمریکا ایجاد کرد.

بنا­به گفته تولید کنندگان پشم معدنی، اولین پشم معدنی برای کاربردهای با دمای بالا در ایالات متحده در سال 1942 اختراع شد، اما تا حدود سال 1953 تجاری نگشت. شکل­های بیشتری از پشم معدنی در دهه­های 70 و 80 میلادی در دسترس قرار گرفت.

پشم معدنی دما بالا

شکل: کوره صنعتی مجهز به ماژول HTMW

شکل: کوره صنعتی مجهز به HTMW حین کار

پشم معدنی دما بالا (HTMW) گونه­ای از پشم معدنی تولید شده برای استفاده عایق­کاری در دماهای بالا می­باشد، معمولا در کوره­ها و کارخانه­های ریخته­گری استفاده می­شود، و عموما مقاوم در مقابل دماهای بالای 1000 درجه سانتیگراد است.

به دلیل هزینه بالای تولید و دسترس­پذیری محدود در مقایسه با پشم­های معدنی مرسوم، محصولات HTMW به طور منحصر به فرد در کابردهای صنعتی و فرآیندهای دما بالا استفاده می­شود.

تعاریف

دمای طبقه­بندی بصورت دمایی که آبرفتن خطی مقداری مشخص از ماده (معمولا 2 تا 4 درصد) بعد از 24 ساعت عملیات حرارتی در کوره گرمایی الکتریکی آزمایشگاه و اتمسفر خنثی افزایش پیدا نکند تعریف می­شود. بر حسب نوع محصول، این مقدار از محدوده­هایی که در ادامه می­آید بیشتر نمی­شود: 2 درصد برای تخته و محصولات شکل­دهی شده، 4 درصد برای حصیر و کاغذ.

دمای طبقه­بندی بصورت پله­های 50 درجه­ای تعریف شده است (با شروع از 850 درجه سانتیگراد تا 1600 درجه). دمای طبقه­بندی بدین معنا نسیت که از محصول بتوان به طور مداوم در آن دما استفاده کرد. در هنگام کار، دمای مداوم کاری آمورف HTMW (AES و ASW) معمولا 100 تا 150 درجه سانتیگراد زیر دمای طبقه­بندی است. محصولات ساخته شده از پشم پلی­کریستالین را عموما می­توان تا دمای طبقه­بندی بکار گرفت.

انواع HTMW

گونه­های مختلفی از HTMW از مواد معدنی مختلف، با خواص و دماهای قابل تحمل گوناگون ساخته شده­اند. در ادامه به بعضی از مدل­های متداول می­پردازیم:

پشم قلیایی زمینی سیلیکات (پشم AES)

پشم AES شامل فیبرهای شیشه­ای آمورف است، که با ذوب ترکیبی از CaO-, MgO-, Si  بدست می­آید. محصولاتی که از AES ساخته شده­اند عموما در تجهیزاتی که به طور مداوم در حال کارند و مصارف خانگی استفاده می­شوند. پشم AES به طور طبیعی حل شدنی است؛ در صورت تنفس به مدت چند هفته در بدن می­ماند، و احتمال  پایینی برای ابتلا به سیلیکوزیس وجود دارد.

پشم آلومینوسیلیکات (ASW)

پشم آلومینوسیلیکات که به نام «فیبر سرامیکی نسوز» (RCF) نیز شناخته می­شود، فیبری آمورف است که با ذوب ترکیبی از  و Si ، معمولا با نرخ وزنی 50:50 تولید می­گردد (VDI3469 قسمت یک و پنج، و همینطور TRGS521 را ببینید). محصولاتی که از پشم آلومیناسیلیکات ساخته شده­اند عموما در دماهای بالای 900 درجه سانتیگراد و در تجهیزاتی که  غیردائمی کار می­کنند و در شرایط بحرانی قرار دارند استفاده  می­شوند (قوانین فنی TRGS619 را ببینید).

پشم پلی­کریستالین (PCW)

پشم پلی­کریستالین حاوی فیبرهای با درصد وزنی 70 درصد  می­باشد؛  که با «روش حل-ژل» از محلول­های آبی در حال چرخش تولید می­شود.

فیبرهای سبز قابل حل در آب به عنوان پیش ماده با روش­های حرارتی کریستالی می­شوند. پشم پلی­کریستالین معمولا در دماهای بالای 1300 درجه سانتیگراد  و در شرایط بحرانی فیزیکی و شیمیایی در دماهای پایین­تر کاربرد دارد.

پشم کائولن

پشم کائولن دسته­ای از HTMW است که ازکائولن معدنی ساخته می­شود. این دسته از اولین دسته­های HTMW تولیدی بوده و همچنان در قرن 21 از آن استفاده می­گردد. این ماده دماهای نزدیک به 3000 درجه فارنهایت (1649 درجه سانتیگراد) را تحمل می­کند.

تولید

پشم سنگ محصولی از سنگ ذوب شده در دمای 1660 درجه سانتیگراد است که جریان هوا از میان آن می­گذرد. روش­های پیشرفته­تر در تولید این ماده بر پایه دوران سنگ ذوب شده در دستگاه­های در حال چرخش با دور بالا، تقریبا شبیه روش به کار رفته در تولید پشمک می­باشد. محصول نهایی فیبری نرم و در هم تنیده با قطر متداول بین 2 تا 6 میکرومتر است. پشم سنگ ممکن است حاوی ماده­ای متصل­کننده، اغلب ترپلیمر، و روغن برای کاهش گرد و خاک باشد.

موارد مصرف

با اینکه فیبرها گرما را به خوبی منتقل می­کنند، اما زمانی که بصورت ورقه و رول در می­آیند، توانایی آنها در تفکیک هوا آنها را تبدیل به عایق­های حرارتی و صدای بسیارخوبی می­کند. مقاومت فایبرگلاس، پشم سنگ و فیبرهای سرامیکی در برابر آتش آنها را به مواد متداول در ساخت ساختمان زمانی که به روش­های غیرفعال برای محافظت در برابر آتش نیاز داریم تبدیل کرده، با وجود اینکه این عایق در برابر حریق بسیار گرم مقاوم نیست، و بصورت روش­هایی برای محافظت سازه­ها در برابر آتش، در حفره­های میان دیوار و پوشش پیکربندی­ها و مواد محافظت­کننده در موانع آتش استفاده می­شوند.

سایر کاربردهای آن در پانل­های رزین اندود، فیلر در ترکیبات گسکت­ها، لنت­های ترمز، پلاستک بکاررفته در صنایع خودروسازی، فیلتر، و محیط رشد برای کشت بدون خاک است.

فیبرهای معدنی نیز به همین روش و بدون مواد متصل­کننده تولید می­شود. فیبر نیز به دلیل استحکام بخشیدن به عنوان ماده خام در موارد مختلفی مثل مواد اصطکاکی، گسکت­ها، پلاستیک و اندود کاری مورد استفاده قرار می­گیرد.

جدول: مقاومت حراراتی پشم معدنی

دما(سانتیگراد)	ماده
230-260	پشم شیشه
700-850	پشم سنگ
1200	پشم فیبر سرامیکی

در کشت بدون خاک

محصولات پشم سنگ را می­توان به گونه­ای مهندسی کرد که توانایی نگهداری مقادیر زیادی از آب و هوا را داشته و منتج به رشد ریشه و جذب مواد مغذی در کشت بدون خاک گردد،؛ همینطور طبیعت فیبری آن ساختار مکانیکی مناسبی برای پایدار نگه داشتن گیاه بوجود می­آورد. پی اچ طبیعی بالای پشم معدنی در ابتدا آنها را به محیطی نامناسب برای کشت گیاه بدل ساخته و نیاز به «اصلاحاتی» جهت تولید پشم با پی اچ مناسب و پایدار می­باشد.

پشم معدنی با دمای بالا

پشم معدنی دما بالا در اصل برای عایق­کاری و پوشش کوره­ها و کارخانه­های ذوب فلزات به منظور بهبود راندمان و امنیت مورد استفاده قرار می­گیرد. همینطور از آن به عنوان حفاظی در برابر گسترش آتش استفاده می­گردد.

استفاده از HTMW در مقایسه با روش­های دیگر مثل آجر نسوز منجر به  ساخت سازه­های سبک­تری در کوره­ها و سایر تجهیزات صنعتی می­گردد و دلیل آن مقاومت حرارتی بالا در واحد وزن است، اما نسبت به سایر روش­ها هزینه بیشتری دارد.

امنیت ماده

آژانس بین­المللی تحقیقات سرطان (IARC) سرطان­زایی فیبرهای معدنی ساخته دست انسان را در اکتبر 2002 بررسی کرده است. نتایج تحقیقات IARC نشان داد تنها مواد مقاوم زیستی  به عنوان «احتمالا سرطان­زا برای انسان» دسته­بندی شده است (گروه 2B). این مواد شامل فیبرهای سرامیکی نسوز، که بصورت صنعتی به عنوان عایق در محیط­های دما بالا مثل کوره­های انفجاری استفاده می­شوند، و پشم شیشه­ با مصارف خاص که استفاده­ای بصورت عایق ندارند است. در مقابل، پشم­های فیبری روشنی که از سال 2002 به طور متداول مورد استفاده قرار می­گیرند، شامل پشم شیشه، پشم سنگ و پشم مواد مذاب به عنوان «غیر سرطان­زا در انسان» دسته­بندی شده­اند (گروه 3).

فیبرهایی با حلالیت بالای زیستی که به سلول­های انسان آسیب نمی­رسانند تولید شده­اند. سرطان­زا بودن این مواد جدید آزمایش شده و بیشتر آنها سرطان­زا نیستند. تصمیم IARC  بر این بوده تا ارزیابی کلی درباره مواد جدید توسعه داده شده­ای مثل پشم قلیایی زمینی سیلیکات یا پشم با سیلیکای پایین و آلومینای بالا که دارای مقاومت زیستی پایین­تری هستند انجام ندهد. دلایل این تصمیم این بود که اطلاعات انسانی در وجود نداشت، با وجود اینکه آزمایش این فیبرها روی موجودات آزمایشگاهی نشان داده دارای پتانسیل سرطان­زایی پایینی هستند، و اینکه گروه تحقیقاتی در دسته­بندی فیبرها در گروه­ها بصورت معنادار و بر پایه ترکیب شیمیایی آنها به مشکل خورد.

ضوابط اروپا (CE)  در دسته­بندی، برچسب زدن و بسته­بندی مواد و ترکیبات به روز شده با قانون (CE)  فیبرهای پشم معدنی را در صورتی که شاخص­های تعریف شده در پیوست Q را ارضاء کنند به عنوان ماده خطرناک دسته­بندی نمی­نماید.

هیئت مدیره صدور گواهینامه اروپا برای محصولات پشم معدنی، EUCEB، محصولات پشم معدنی ساخته شده از فیبرهایی که از پیوست Q تبعیت می­کنند و این اطمینان وجود دارد که دارای مواد زیستی مقاوم پایینی بوده و در نتیجه به سرعت از شش­ها دفع می­شوند را تضمین می­کند. این گواهینامه بر پایه پیشنهاد متخصصان مستقل و کنترل منظم ترکیب شیمیایی مواد است. www.euceb.org

محصولات حاوی پشم معدنی، بخاطر تاثیر مکانیکی فیبرها ممکن است باعث ایجاد خارش موقت پوست شوند. برای از بین بردن اثرات و پیشگیری از قرار گرفتن در معرض غبار پشم سنگ، اطلاعاتی بصورت مصور و جملات روی بسته­بندی محصولات پشم سنگ درج شده است. همینطور برگه­های راهنمای استفاده بی­خطر از این محصولات توسط هر تولید کننده­ای فراهم گردیده است. مانعی برای اینکه افراد در محیط کار در معرض فیبرهای پشم معدنی قرار نگیرند، مثلا آنها را تنفس کنند، یا تماس چشمی و پوستی ایجاد شود وجود ندارد. سازمان ایمنی و بهداشت شغلی (OSHA) حد قانونی قرار گرفتن در معرض فیبر پشم معدنی (حد مجاز قرار گرفتن در معرض) در محیط کار را به طور کلی برابر 15mg/  و برای دستگاه تنفسی 5mg/  در 8 ساعت کاری روزانه تعیین کرده است. موسسه ملی ایمنی و بهداشت شغلی (NISOH) محدوده توصیه شده قرار گرفتن در معرض (REL) این ماده را به طور کلی برابر  5mg/  و 3 فیبر در هر سانتیمتر مکعب در 8 ساعت کاری روزانه تعیین کرده است.

مجوز سنجش و محدودیت ثبت نام مواد شیمیایی (REACH) آئین­نامه­ای در اتحادیه اروپا به تاریخ 18 دسامبر 2006 است. REACH بر تولید و استفاده مواد شیمیایی، و تاثیرات احتمالی آنها بر سلامت انسان و طبیعت نظارت می­کند. انجمن تبادل اطلاعات مواد (SIEF) برای انواع مختلف پشم­های معدنی ایجاد شده است. AES، ASW، و PCW تا قبل از 1 دسامبر 2010 ثبت شده­اند و بنابراین در بازارهای اروپا قابل استفاده­اند.

• ASW/RCF به عنوان ماده سرطان­زا دسته 1B طبقه­بندی شده­اند.
• AES بر مبنای نتایج آزمایشات بیرون از بدن موجود زنده خارج از دسته مواد سرطان­زا قرار گرفته است.
• از آنجایی که پشم­های PCW خطرناک نیستند در هیچ دسته­بندی نیامده­اند.

در 13ژانویه 2010، بعضی از فیبرهای سرامیکی نسوز آلومینوسیلیکات و فیبرهای سرامیکی نسوز زیرکونیاآلومینوسیلیکات در لیست کاندید مواد خطرناک قرار گرفتند. در پاسخ به نگرانی­های ایجاد شده درباره توضیحات دو پرونده به وبسایت ECHA برای مشاوره ارسال شد و منجر به ثبت دو ماده جدید در لیست کاندید گردید. این وضعیت (وجود 4 پرونده برای ماده یا گروهی از مواد) در تضاد با فرآیند خواسته شده REACH است. گذشته از این وضعیت، نگرانی­ها در طی بازه زمانی مشاوره برای این دو ماده افزایش یافت.

 جدای از نگرانی­های ایجاد شده، قرار گرفتن یک ماده در لیست کاندید منجر به ایجاد موانع قانونی زیر برای تولید کنندگان، وارد کنندگان و مصرف­کنندگان محصولاتی می­گردد که حاوی این مواد با غلظت بالای 0.1 درصد می­باشند:

• آگاه ساختن – ECHA بنا به بند 7 قانون REACH
• تهیه کاغذ اطلاعات ایمنی- بنا به بند 31.1 قانون REACH
• موظف به ارائه اطلاعات در مورد مصرف ایمن و یا پاسخ به درخواست­های مشتری- بند 33 قانون REACH

غبار فیبری

بر پایه تجربیات کلی در مورد انسان­ها و یافته­های تحقیقات علمی (حیوانات، سلول­ها)، می­توان نتیجه گرفت ذرات دراز غبار از هر جنسی که باشند با توجه به اینکه به اندازه کافی دراز، باریک و دارای مقاومت زیستی هستند اصولا پتانسیل توسعه تومورها را دارا می­باشند. بر پایه یافته­های علمی ذرات غبار فیبری غیرارگانیک با نسبت طول به شعاع بالاتر از 3:1، طول بزرگتر از 5 میکرومتر و قطر کوچکتر از 3 میکرومتر (فیبرهای WHO) برای سلامتی بحران آفرین هستند.

HTMW به محصولاتی حاوی فیبر با قطرها و طول­های مختلف تبدیل می­شود. غبارهای فیبری ممکن است در هنگام کار با محصولات HTMW آزاد شود. این فیبرها ممکن است منطبق با فیبرهای WHO باشند. مقدار آن به اینکه چگونه با ماده کار کنیم بستگی دارد. معمولا غلظت­های زیاد موقع خارج کردن HTMW پس از مصرف و همینطور هنگام انجام کارهای مکانیکی پایانی روی آن و جاگذاری ماژول­ها وجود دارد. اگر کنترلی زمانی که محصولات فیبر بصورت مکانیکی توسط اره، سوهان یا ماشینکاری دستخوش تغییر می­شوند نباشد غلظت فیبرهای معلق در هوا بالا می­رود. بنابراین آزاد شدن غبار در هوا را می­توان از طریق شدت انرژی اعمال شده به ماده، مساحت سطحی که انرژی به آن اعمال شده است و مدل، مقدار و ابعاد موادی که روی آن کار شده اصلاح نمود. پراکندگی و غلظت غبار تولید شده به مقدار محدودیت­های منبع و مساحت محیط کار و همنیطور حضور و تاثیر تهویه بستگی دارد.

سیلیس بلوری

آمورف HTMW (AES و ASW) توسط جریان شیشه مذاب که جت هوایی با فشار بالا از آن عبور کرده یا پرت کردن جریان به سمت چرخ­های دوار تولید می­شود. قطرات به سمت فیبرها کشیده می­شوند؛ جرم فیبرها و قطرات باقیمانده به سرعت خنک شده و بنابراین فازهای کریستالی تشکیل نمی­شوند.

زمانی که آمورف HTMW برای کاربردهای با دمای بالا مثل کوره­های صنعتی نصب و استفاده می­شود، حداقل یک صفحه می­بایست در معرض شرایطی که باعث کریستالی شدن جزیی فیبر می­شود قرار گیرد. فازهای پایدار کریستالی متفاوتی بسته به ترکیب شیمیایی فیبر شیشه­ای و زمان و دمایی که ماده در معرض آن قرار گرفته است ممکن است تشکیل شود.

در سیلیس­های کریستالی HTMW استفاده شده کریستال­ها در ماتریسی متشکل از دیگر کریستال­ها و شیشه­ها محبوس شده­اند. نتایج آزمایشگاهی روی رفتار زیستی HTMW بعد از استفاده هیچگونه رفتار خطرناکی که ممکن است مرتبط با هر مدلی از سیلیکا که درترکیبات آن موجود است نشان نمی­دهد.