Co jest bardziej ognioodporne? Włókno węglowe VS. Aramid
Wstęp
Jeśli chodzi o inżynierię materiałową, istnieją dwa materiały, które zostały szeroko zbadane pod kątem ich wytrzymałości i właściwości użytkowych; włókno węglowe i aramid. Te dwa materiały są szeroko stosowane w różnych dziedzinach, wyróżniając się wytrzymałością, trwałością i odpornością na ogólne zużycie. W ostatnim czasie wzrosło duże zainteresowanie poznaniem ognioodporności tych materiałów i ich odporności na rygorystyczne testy. Chociaż stwierdzono, że oba materiały są wysoce odporne na ogień, w tym artykule podjęto próbę kompleksowego zbadania różnic między nimi w zakresie ich właściwości ognioodpornych oraz wydajności włókna węglowego i aramidu w różnych sytuacjach.
Włókno węglowe
Włókno węglowe, znane również jako włókno grafitowe, jest popularną substancją szeroko stosowaną w przemyśle lotniczym, sprzęcie sportowym, motoryzacyjnym i medycznym, a także w wielu innych dziedzinach, ze względu na jego wyjątkową trwałość i wytrzymałość (Wang, Gao i Cheng, 2016). . Włókna węglowe powstają w wyniku polimeryzacji akrylonitrylu w roślinach, gdzie jest on elektroprzędzony i skręcany w mikrofilamenty, które następnie ulegają karbonizacji. Proces ten polega na poddawaniu włókien działaniu ekstremalnych temperatur dochodzących do 2400 stopni, co prowadzi do wytworzenia czystych atomów węgla ułożonych w strukturę sieci krystalicznej. W rezultacie powstał materiał charakteryzujący się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, niską rozszerzalnością cieplną i wysoką odpornością na korozję chemiczną (Wang, Gao i Cheng, 2016).
Oprócz wyjątkowych właściwości mechanicznych, włókno węglowe znane jest ze swojej zdolności do tolerowania wysokich temperatur. Uważa się, że jest stabilny do 400 stopni w powietrzu i może wytrzymać do 1,000 stopnia w próżni, nie wykazując żadnych oznak uszkodzenia (Abdallah i in., 2018). Jednakże włókna węglowe po wystawieniu na działanie bezpośredniego płomienia ulegają rozkładowi, co zazwyczaj powoduje stopienie lub zapłon. Dzieje się tak, ponieważ w temperaturach powyżej 400 stopni atomy węgla we włóknach węglowych reagują z tlenem atmosferycznym, tworząc tlenek i dwutlenek węgla, co prowadzi do spalania materiału.
Aramidowe
Włókna aramidowe lub aramidy to wysokowydajne włókna syntetyczne szeroko stosowane w różnych zastosowaniach, które wymagają wysokiej wytrzymałości, trwałości i odporności na elementy zewnętrzne. Najpopularniejszym typem aramidu jest poli-p-fenylenotereftalamid, znany lepiej jako Kevlar, wprowadzony na rynek w 1971 roku przez firmę DuPont. włókna aramidowe są wytwarzane przez polimeryzację cząsteczek w dwuetapowej reakcji, która obejmuje najpierw utworzenie ciekłokrystalicznego polimeru poprzez solubilizację i późniejsze przędzenie do postaci włókna. Gotowe włókna wyróżniają się dużą wytrzymałością na rozciąganie, niskim wydłużeniem przy zerwaniu oraz odpornością na ścieranie i uderzenia (Zhou i in., 2018). Włókna są znane ze swojej wyjątkowej stabilności termicznej i wytrzymują bez uszkodzeń temperatury do 300 stopni.
W przeciwieństwie do włókna węglowego, włókno aramidowe jest również ognioodporne, a to cecha, która plasuje je przed innymi materiałami pod względem odporności ogniowej. Kiedy włókna aramidowe wchodzą w kontakt ze źródłem ciepła, ulegają procesowi zwanemu degradacją endotermiczną, który powoduje rozkład włókien bez wydzielania jakichkolwiek palnych gazów (Zhou i in., 2018). Ze względu na brak gazów palnych, szybkość przenikania ciepła do podłoża w przypadku pożaru włókien aramidowych jest niska, co skutkuje zmniejszoną intensywnością i mniejszymi uszkodzeniami.
Porównanie: włókno węglowe i aramid pod względem odporności ogniowej
Chociaż włókno węglowe i włókno aramidowe są znane ze swojej wytrzymałości, trwałości i odporności na czynniki zewnętrzne, różnią się one pod względem odporności ogniowej. Włókno węglowe jest podatne na topienie lub zapłon pod wpływem ognia, natomiast włókno aramidowe toleruje ciepło i płomień, co czyni go idealnym materiałem do zastosowań wymagających ekspozycji na wysoką temperaturę (Jeong, Lee i Kim, 2018). Dodatkowo włókno aramidowe wykazuje wyjątkowe właściwości mechaniczne nawet w najtrudniejszych warunkach cieplnych, co czyni go preferowanym materiałem do produkcji sprzętu ochronnego w przemyśle wojskowym, przemysłowym i strażackim.
Badania dotyczące ognioodporności materiałów wykazały, że włókna aramidowe radzą sobie lepiej niż włókna węglowe w sytuacjach wymagających ochrony przed ogniem. W badaniu przeprowadzonym przez Li i współpracowników (2019) badacze poddali zarówno włókna węglowe, jak i aramidowe działaniu różnych poziomów ciepła, aby określić wpływ ekspozycji na ciepło na materiały. Badanie wykazało, że podczas gdy włókna aramidowe nie doświadczyły żadnych znaczących zmian pod wpływem temperatur do 600 stopni, włókna węglowe wykazywały znaczne topienie powierzchniowe, pękanie i rozszerzanie. Podobnie w innym badaniu Jeong i współpracownicy (2018) zbadali właściwości ognioodporne dwóch materiałów zawierających włókno węglowe w porównaniu z kompozytami z włókna aramidowego. Naukowcy odkryli, że kompozyt z włókna aramidowego miał lepszą odporność na płomienie w porównaniu z kompozytem z włókna węglowego.
Co więcej, włókna aramidowe są bardziej innowacyjne pod względem zastosowań konstrukcyjnych niż włókna węglowe. Ponieważ włókna aramidowe są z natury ognioodporne, materiał ten jest bardzo poszukiwany w przemyśle tekstylnym do różnych zastosowań, w tym między innymi w sprzęcie strażackim, przemysłowym sprzęcie ochrony osobistej (PPE), odzieży wierzchniej i namiotach. Włókna węglowe nie są naturalnie ognioodporne, a wszelkie zastosowania wymagające odporności ogniowej, takie jak elementy silnika, wymagają dodatku matryc w celu uzyskania odporności na płomienie.
Wniosek
Ogólnie rzecz biorąc, zarówno włókno węglowe, jak i włókno aramidowe to wyjątkowe materiały znane ze swojej wytrzymałości, trwałości i wyjątkowych właściwości użytkowych. Chociaż włókno węglowe jest chwalone za wyjątkowe właściwości mechaniczne, jego właściwości ognioodporne nie są na tym samym poziomie, co włókno aramidowe. Włókno aramidowe znane jest z wyjątkowej stabilności termicznej, ognioodporności i wyjątkowych właściwości mechanicznych, dzięki czemu idealnie nadaje się do stosowania w trudnych warunkach cieplnych. Dlatego w zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności w środowiskach o wysokiej temperaturze bardziej preferowanym wyborem jest włókno aramidowe.
Bibliografia
