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.