Асбестовые волокна: способ получения, свойства, применение

Асбест (от греч. «неразрушимый») — собирательное название группы тонковолокнистых минералов из класса силикатов. В природе это агрегаты, состоящие из тончайших гибких волокон.

Получение асбестовых волокон

Асбест залегает в породе в виде отдельных жил. Его добывают взрывным способом в основном в открытых карьерах. Добытая в карьере асбестовая руда подвергается механическому обогащению, т. е. пустую породу отделяют от асбестового волокна. В настоящее время разделение большей части асбестового волокна и отделение его от измельченной горной массы осуществляется механически с помощью барабанных сит в воздушной струе. Поскольку качество волокна при таком обогащении из-за перетирания снижается, в некоторых случаях куски длинноволокнистого асбеста отделяются из породы вручную.

Асбест с волокнами, не деформированными в процессе обработки и имеющими в поперечнике более 2 мм, называют кусковым, а имеющими менее 2 мм, – иголками. Асбест с перепутанными деформированными волокнами называют распушенным; частицы породы, сопутствующие асбесту и прошедшие через сито с ячейкой 0,25 мм, – пылью; частицы, прошедшие через сито с ячейкой 4,8 мм и оставшиеся на сите 0,4 мм, – галью. Асбестовое волокно в зависимости от длины делят на восемь групп – от нулевой до седьмой [5].

Обозначение марки асбеста состоит из буквенного выражения, первой цифры, показывающей группу, второй — массовую долю остатка на ситах (для асбеста 0-6 групп) и насыпную плотность в г/дм³ (для асбеста 7-й группы).

По химическому составу асбесты представляют собой водные силикаты магния, железа, отчасти кальция и натрия.

Крупнейшие месторождения минерала находятся в Канаде, ЮАР и России – на Урале (Баженовское и Киембаевское месторождения), в Восточном и Западном Саянах, а также на Северном Кавказе и в Туве (Ак-Довуракское), на севере Казахстана (Житикаринское), в Китае, США, Италии, Франции, Финляндии, в Японии, Австралии, на Кипре.

В таблице 5.1 отражены объемы мирового производства асбеста в 2007 году.

Таблица 5.1 – Производство асбеста в 2007 году

Свойства асбестовых волокон

Хризотиловый асбест обладает слабой кислотоустойчивостью и высокой щелочеустойчивостью. Средняя плотность асбеста зависит от степени распушки асбеста, уплотнения волокна и увеличивается с уменьшением длины волокна и с увеличением содержания пыли. Плотность асбеста 2,4-2,6 г/см³.

Амфиболовый асбест – сложный гидросиликат, сходен по физико-механическим свойствам с хризотил-асбестом. Отличается стойкостью к кислым средам, что препятствует его выведению из лёгочной ткани человека и способно вызвать серьёзные заболевания [5].

Асбест практически инертен и не растворяется в жидких средах организма, но обладает заметным канцерогенным эффектом. У людей, занятых на добыче и переработке асбеста, вероятность возникновения опухолей в несколько раз больше, чем у основного населения. Чаще всего вызывает рак лёгких, опухоли брюшины, желудка и матки. Фиброгенность и канцерогенность волокон разных видов асбеста очень различна и зависит от диаметра и типа волокон.

Помимо огнестойкости, устойчивости к воздействию кислот и щелочей и других свойств, промышленная ценность асбеста определяется длиной волокна и его прочностью. Так, по длине волокна хризотил-асбест подразделяется в нашей стране на 8 сортов (от 0 до 7). Для нулевого сорта длина волокна превышает 13 мм, а для седьмого — менее 1 мм. Близкая группировка хризотил-асбестового волокна принята в Канаде: 1 группа (крюд No 1) 18 мм и более; 2- (крюд No 2) 10–17 мм; 3 — (текстильное) 6–9 мм; 4 — (кровельное) 4–6 мм; 5 — (бумажное) 2–4 мм; 6 — (штукатурное) 1–2 мм; 7 — до 1 мм [5].

По прочностным свойствам асбест разделяется на нормальной или высокой прочности (прочность на растяжение около 300 кг/мм²), полуломкий или пониженной прочности и ломкий или слабой прочности (прочность на растяжение 110–220 кг/мм²). Хризотил-асбест пониженной прочности фиксируется в зоне выветривания; для него характерна белесая окраска, низкая распушиваемость, меньшая эластичность и некоторое снижение количества MgO. Ломкий асбест рассматривается в качестве продукта высокотемпературного преобразования нормального хризотил-асбеста; его отличают упругость, меньшая прочность на растяжение, небольшое снижение количества MgO и кристаллизационной воды, увеличение количества FeO.

Принято считать, что устойчивость асбеста в окружающей среде и его биологическое поведение регулируется такими его свойствами, как длина волокон и диаметр, площадь поверхности, химическая природа, свойства поверхности и устойчивость минерала в рамках биологического окружения.

Асбест представлен в виде двух основных групп минералов: серпентиновые и амбифоловые, различающиеся по типу кристаллической структуры.

Серпентиновые минералы обладают пластиночной или слоистой структурой, амфиболы — цепной.

Основными типами асбеста являются: серпентиновый — хризотил; амфиболовый — крокидолит, амозит, антофиллит, тремолит и актинолит.

Хризотил имеет преимущественно волнообразные, скрученные, узелковые волокна. Он может также существовать в виде прямых волокон и пучков, особенно коротких по длине. Концы волокон обычно скошены, пучки длинных тонких волокон могут загибаться под углом больше 90 °, без преломления вне зависимости от того, был ли материал раздроблен или получен непосредственно из серпентина. Короткие волокна могут быть относительно хрупкими по сравнению с длинными. Пучки волокон хризотила обычно распадаются на отдельные тонкие волокна.

Асбесты отличаются друг от друга окраской. Согласно этому критерию им присваиваются разные наименования: хризотил — белый асбест, крокидолит — голубой, амозит — коричневый. У отдельных видов цвет может меняться, за исключением крокидолита, который всегда имеет голубую окраску (в связи с ионами железа в поверхностном слое волокон).

При использовании асбеста наибольшую значимость представляют сведения о термостойкости волокон — температурах, при которых волокна распадаются, и температуре плавления остаточных материалов.

Температура распада колеблется от 40°С до 104°С, температура плавления остаточных материалов составляет выше 120°С. При нагревании выше 60°С хризотил утрачивает молекулы воды с кристаллической решетки и теряет гибкость. При температуре около 80°С структура волокон нарушается; происходит рекристаллизация хризотила на неволокнистый фостерит и кремень. Амфибол утрачивает молекулы воды и первоначальную структуру волокон при температуре выше 100°С [5].

У всех видов асбеста хорошая или очень хорошая сопротивляемость кислотам и основаниям, за исключением хризотила, который сравнительно быстро разлагается кислотами.

Применение асбестового волокна

Асбест обладает высокой огнестойкостью, поэтому применяется в составах и композициях, где необходимо сочетание гибкости и термостойкости [5].

Применяется в самых различных областях, например в строительстве, автомобильной промышленности и ракетостроении. Асбест входит в состав множества видов изделий в самых различных областях техники. Из волокнистого асбеста изготовляют ткани, картон, фильтры, брезенты, огнеупорные костюмы (для пожарных), бумагу, асбестоцементные строительные материалы (например, шифер) и др.

Первые сведения о применении асбестового сырья появляются в 70 гг. XIX столетия в Шотландии и Италии. Итальянские изделия были выставлены в 1878 г. на Всемирной выставке в Париже. В конце XIX столетия были открыты большие запасы асбестового сырья в Канаде, Родезии, Австралии и в России (месторождение Баженовское, там же в 1922 г. было заложено первое предприятие).

Пиком мировой добычи асбеста стали 60-80-е гг., когда уровень добычи с 2,2 млн т в 1960 г. возрос до 4,7 млн т в 1980 г. В этот период асбест применялся при производстве 3000 продуктов, в первую очередь при изготовлении асбестоцементных изделий, изоляционных материалов и различных прокладок. Наибольшую популярность асбестовые материалы завоевали в сфере строительства.Асбест хорошо адсорбирует (поглощает) воду вследствие развитой удельной поверхности. Эта способность асбеста используется для образования пористости у всех асбестсодержащих теплоизоляционных изделий.

В 1980 г. в результате получения сведений о негативном влиянии асбеста на здоровье людей различные неправительственные и государственные организации выступили за запрещение асбеста. Показатели добычи асбеста упали более чем на 400 тыс. т за период между 1980 и 1985 гг. и на 2 млн тонн ежегодно с 1985 по 1995 гг.. Согласно статистике, в 2000 г. добыча асбеста снизилась почти на 50%; на данный момент этот показатель составляет около 2 млн тонн ежегодно. В таких странах, как США, Австралия, Греция, Италия, Кипр, ЮАР, добыча асбеста запрещена. В других странах, например, в Канаде, добыча асбеста упала с 1,5 млн т в 1970 г. до 320 тыс. т в 2000 г. C 2005 года применение асбеста в Европейском союзе полностью запрещается.

С конца XX века была начата кампания по замене асбеста на более безопасные материалы. Пыль асбеста при попадании в дыхательные пути является канцерогенным веществом. Доказательств проканцерогенного действия при попадании асбеста с пищей нет.

По данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), хризотил-асбест, который использовался в 95% строительных конструкций в США и производится в России, является опасным канцерогенным видом асбеста наряду с другими видами асбеста [6].

Международное агентство по изучению рака отнесло асбест к первой, наиболее опасной категории списка канцерогенов, для которых существуют достоверные сведения о канцерогенности их для человека. В группу риска попадают преподаватели, студенты, школьники и учителя, а также - люди, живущие в домах, построенных с применением асбеста [6].