Što je otpornije na vatru? Carbon Fiber VS. Aramid
Uvod
Kada je u pitanju inženjerstvo materijala, postoje dva materijala koja su opsežno istražena u pogledu svoje snage i karakteristika performansi; karbonska vlakna i aramid. Ova dva materijala se intenzivno koriste u različitim sferama, ističući se svojom snagom, izdržljivošću i otpornošću na opće habanje. U novije vrijeme postoji izražen interes za razumijevanje otpornosti na vatru ovih materijala i kako se ponašaju kada se podvrgnu rigoroznom testiranju. Iako je utvrđeno da su oba materijala vrlo otporna na vatru, ovaj članak nastoji sveobuhvatno ispitati razlike između ova dva materijala u pogledu njihovih svojstava otpornosti na vatru i performansi karbonskih vlakana i aramida u različitim situacijama.
Ugljična vlakna
Ugljična vlakna, poznata i kao grafitna vlakna, popularna su supstanca koja se široko koristi u avio-svemirskoj industriji, sportskoj opremi, automobilskoj i medicinskoj primjeni, među raznim drugim poljima zbog svoje izuzetne izdržljivosti i snage (Wang, Gao, & Cheng, 2016.) . Ugljična vlakna nastaju polimerizacijom akrilonitrila u biljkama gdje se elektrosprenu i uvijaju u mikrofilamente, koji se zatim podvrgavaju karbonizaciji. Ovaj proces uključuje izlaganje filamenta ekstremnim temperaturama do 2400 stepeni, što dovodi do proizvodnje čistih atoma ugljenika raspoređenih u strukturu kristalne rešetke. Rezultat je materijal koji se može pohvaliti visokom zateznom čvrstoćom, niskim toplinskim širenjem i visokom otpornošću na kemijsku koroziju (Wang, Gao i Cheng, 2016.).
Osim po izuzetnim mehaničkim svojstvima, karbonska vlakna poznata su po svojoj sposobnosti da podnose visoke temperature. Smatra se stabilnim do 400 stepeni na zraku i može izdržati do 1,000 stepen u vakuumu bez ikakvih znakova oštećenja (Abdallah et al., 2018). Međutim, jednom izložena direktnom plamenu, karbonska vlakna se raspadaju, što obično rezultira topljenjem ili paljenjem. To je zato što na temperaturama iznad 400 stepeni, atomi ugljenika u ugljeničnim vlaknima reaguju sa atmosferskim kiseonikom i proizvode ugljen monoksid i dioksid, što dovodi do sagorevanja materijala.
Aramid
Aramidna vlakna ili aramidi su sintetička vlakna visokih performansi koja se intenzivno koriste u različitim aplikacijama koje zahtijevaju visoku čvrstoću, izdržljivost i otpornost na vanjske elemente. Najčešći tip aramida je poli-p-fenilen tereftalamid, poznatiji kao Kevlar, koji je 1971. uveo DuPont. aramidna vlakna se proizvode polimerizacijom molekula pomoću reakcije u dva koraka koja uključuje prvo stvaranje tekućeg kristalnog polimera kroz solubilizaciju i kasnije predenje u oblik vlakana. Gotova vlakna odlikuju se svojom visokom vlačnom čvrstoćom, niskim istezanjem pri prekidu i otpornošću na abraziju i udar (Zhou et al., 2018). Vlakna su poznata po izuzetnoj termičkoj stabilnosti i mogu izdržati temperature do 300 stepeni bez oštećenja.
Za razliku od karbonskih vlakana, aramidna vlakna su i otporna na vatru, što je karakteristika koja ih stavlja ispred ostalih materijala u pogledu otpornosti na vatru. Kada aramidna vlakna dođu u kontakt s izvorom topline, prolaze kroz proces poznatog kao endotermna degradacija, što uzrokuje da se vlakna razgrađuju bez oslobađanja zapaljivih plinova (Zhou et al., 2018). Zbog odsustva zapaljivih plinova, brzina prijenosa topline na podlogu kada aramidna vlakna iskuse vatru je niska, što rezultira smanjenim intenzitetom i manjim oštećenjima.
Poređenje: karbonska vlakna i aramid u otpornosti na vatru
Iako su karbonska i aramidna vlakna poznata po svojoj snazi, izdržljivosti i otpornosti na vanjske elemente, razlikuju se kada je u pitanju otpornost na vatru. Ugljična vlakna su sklona topljenju ili paljenju kada su izložena vatri, dok aramidna vlakna toleriraju toplinu i plamen, što ih čini idealnim materijalom za aplikacije koje uključuju visoko izlaganje toplini (Jeong, Lee, & Kim, 2018). Osim toga, aramidna vlakna pokazuju izuzetna mehanička svojstva čak iu najtežim toplinskim okruženjima, što ih čini poželjnim materijalom u proizvodnji zaštitne opreme u vojnoj, industrijskoj i vatrogasnoj industriji.
U procjeni otpornosti materijala na vatru, studije pokazuju da se aramidna vlakna bolje snalaze od karbonskih vlakana u situacijama koje zahtijevaju zaštitu od požara. U studiji koju su proveli Li i saradnici (2019), istraživači podvrgavaju i karbonska i aramidna vlakna nizu nivoa toplote kako bi odredili efekte izlaganja toploti na materijale. Studija je otkrila da dok aramidna vlakna nisu doživjela nikakve značajne promjene kada su izložena temperaturama do 600 stepeni, karbonska vlakna pokazuju značajno površinsko topljenje, pucanje i širenje. Slično tome, u drugoj studiji, Jeong i saradnici (2018) istraživali su svojstva otpornosti na vatru dva materijala s karbonskim vlaknima u odnosu na kompozite od aramidnih vlakana. Istraživači su otkrili da kompozit aramidnih vlakana ima bolju otpornost na plamen u poređenju sa kompozitom od karbonskih vlakana.
Nadalje, aramidna vlakna su inovativnija u smislu dizajnerskih aplikacija od karbonskih vlakana. Budući da su aramidna vlakna inherentno otporna na vatru, materijal je vrlo tražen u tekstilnoj industriji za različite primjene, uključujući opremu za gašenje požara, industrijsku ličnu zaštitnu opremu (PPE), odjeću na otvorenom i šatore, između raznih drugih. Ugljična vlakna nisu prirodno otporna na plamen, a sve primjene koje zahtijevaju otpornost na vatru, kao što su komponente motora, zahtijevaju dodavanje matrica kako bi se postigla otpornost na plamen.
Zaključak
Sve u svemu, i karbonska i aramidna vlakna su izuzetni materijali poznati po svojoj snazi, izdržljivosti i izvanrednim karakteristikama performansi. Iako se karbonska vlakna hvale zbog svojih izuzetnih mehaničkih svojstava, njihova svojstva otpornosti na vatru nisu na istom nivou sa onim što aramidna vlakna mogu ponuditi. Aramidna vlakna poznata su po svojoj izuzetnoj termičkoj stabilnosti, otpornosti na vatru i izvanrednim mehaničkim svojstvima koja ga čine idealnim za upotrebu u teškim toplinskim okruženjima. Stoga, u aplikacijama koje zahtijevaju visoke performanse pod visokim temperaturama, aramidna vlakna su poželjniji izbor.
Reference
