Što je otpornije na vatru? Ugljična vlakna VS. Aramid

Uvod

 

Kada je riječ o području inženjerstva materijala, postoje dva materijala koji su opsežno istraženi u pogledu svojih svojstava čvrstoće i performansi; karbonskih vlakana i aramida. Ova dva materijala se intenzivno koriste u raznim sferama, a razlikuju se po svojoj čvrstoći, izdržljivosti i otpornosti na opće habanje. U novije vrijeme postoji izraženo zanimanje za razumijevanje vatrootpornosti ovih materijala i kako se ponašaju kada se podvrgnu rigoroznim ispitivanjima. Iako je utvrđeno da su oba materijala vrlo otporna na vatru, ovaj članak nastoji sveobuhvatno ispitati razlike između ta dva materijala u pogledu njihovih svojstava otpornosti na vatru i performansi karbonskih vlakana i aramida u različitim situacijama.

 

Karbonska vlakna

 

Ugljična vlakna, također poznata kao grafitna vlakna, popularna su tvar koja se naširoko koristi u zrakoplovnoj industriji, sportskoj opremi, automobilskoj industriji i medicinskim primjenama, među raznim drugim područjima zbog svoje iznimne izdržljivosti i čvrstoće (Wang, Gao i Cheng, 2016.) . Ugljična vlakna nastaju polimerizacijom akrilonitrila u biljkama gdje se elektroprede i uvija u mikrofilamente, koji se zatim podvrgavaju karbonizaciji. Ovaj proces uključuje podvrgavanje filamenata ekstremnim temperaturama do 2400 stupnjeva, što dovodi do proizvodnje čistih ugljikovih atoma raspoređenih u strukturu kristalne rešetke. Rezultat je materijal koji se može pohvaliti visokom vlačnom čvrstoćom, malim toplinskim širenjem i visokom otpornošću na kemijsku koroziju (Wang, Gao i Cheng, 2016.).

 

Osim po izuzetnim mehaničkim svojstvima, ugljična vlakna poznata su po svojoj sposobnosti podnošenja visokih temperatura. Smatra se stabilnim do 400 stupnjeva u zraku i može izdržati do 1,000 stupanj u vakuumu bez pokazivanja ikakvih znakova oštećenja (Abdallah et al., 2018). Međutim, jednom kada su izložena izravnom plamenu, ugljična vlakna se raspadaju, što obično rezultira taljenjem ili paljenjem. To je zato što na temperaturama iznad 400 stupnjeva atomi ugljika u ugljičnim vlaknima reagiraju s atmosferskim kisikom i proizvode ugljični monoksid i dioksid, što dovodi do izgaranja materijala.

 

Aramid

 

Aramidna vlakna ili aramidi su sintetička vlakna visokih performansi koja se intenzivno koriste u različitim primjenama koje zahtijevaju visoku čvrstoću, izdržljivost i otpornost na vanjske elemente. Najčešća vrsta aramida je poli-p-fenilen tereftalamid, poznatiji kao Kevlar, kojeg je DuPont predstavio 1971. godine. aramidna vlakna proizvode se polimerizacijom molekula pomoću reakcije u dva koraka koja prvo uključuje stvaranje tekućeg kristalnog polimera kroz solubilizaciju i predenje u obliku vlakana kasnije. Gotova vlakna odlikuju se visokom vlačnom čvrstoćom, malim istezanjem pri prekidu i otpornošću na abraziju i udarce (Zhou et al., 2018.). Vlakna su poznata po svojoj iznimnoj toplinskoj stabilnosti i mogu izdržati temperature do 300 stupnjeva bez oštećenja.

 

Za razliku od karbonskih vlakana, aramidna vlakna su također otporna na plamen, karakteristika koja ih stavlja ispred drugih materijala u smislu otpornosti na vatru. Kada aramidna vlakna dođu u dodir s izvorom topline, podvrgavaju se procesu poznatom kao endotermna degradacija, koja uzrokuje raspadanje vlakana bez oslobađanja zapaljivih plinova (Zhou et al., 2018.). Zbog odsutnosti zapaljivih plinova, brzina prijenosa topline na podlogu kada aramidna vlakna dožive vatru je niska, što rezultira smanjenim intenzitetom i manjim oštećenjima.

 

Usporedba: ugljična vlakna i aramid u otpornosti na vatru

 

Iako su ugljična i aramidna vlakna poznata po svojoj čvrstoći, 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 primjene koje uključuju visoko izlaganje toplini (Jeong, Lee i Kim, 2018.). Osim toga, aramidna vlakna pokazuju iznimna mehanička svojstva čak iu najsurovijim toplinskim okruženjima, što ga čini preferiranim materijalom u proizvodnji zaštitne opreme u vojnoj, industrijskoj i vatrogasnoj industriji.

 

U procjeni vatrootpornosti materijala, studije pokazuju da aramidna vlakna prolaze bolje od karbonskih vlakana u situacijama koje zahtijevaju zaštitu od požara. U studiji koju su proveli Li i suradnici (2019.), istraživači su izložili i karbonska i aramidna vlakna nizu razina topline kako bi odredili učinke izloženosti toplini na materijale. Studija je otkrila da dok aramidna vlakna nisu doživjela nikakve značajne promjene kada su bila izložena temperaturama do 600 stupnjeva, ugljična vlakna su pokazala značajno površinsko taljenje, pucanje i širenje. Slično, u drugoj studiji, Jeong i suradnici (2018.) istraživali su svojstva otpornosti na vatru dva materijala s ugljičnim vlaknima u odnosu na kompozite od aramidnih vlakana. Istraživači su otkrili da kompozit od aramidnih vlakana ima bolju otpornost na plamen u usporedbi s kompozitom od karbonskih vlakana.

 

Nadalje, aramidna vlakna su inovativnija u smislu dizajnerskih primjena od karbonskih vlakana. Budući da su aramidna vlakna sama po sebi otporna na plamen, materijal je vrlo tražen u tekstilnoj industriji za razne primjene, uključujući opremu za gašenje požara, industrijsku osobnu zaštitnu opremu (PPE), vanjsku odjeću i šatore, između ostalog. Ugljična vlakna nisu prirodno otporna na plamen, a sve primjene koje zahtijevaju otpornost na požar, kao što su komponente motora, zahtijevaju dodavanje matrica za postizanje otpornosti na plamen.

 

Zaključak

 

Sve u svemu, i ugljična i aramidna vlakna iznimni su materijali poznati po svojoj čvrstoći, izdržljivosti i izvanrednim karakteristikama izvedbe. Iako su karbonska vlakna hvaljena zbog svojih iznimnih mehaničkih svojstava, njihova svojstva otpornosti na vatru nisu na istoj razini s onim što aramidna vlakna mogu ponuditi. Aramidno vlakno poznato je po svojoj iznimnoj toplinskoj stabilnosti, otpornosti na plamen i izvanrednim mehaničkim svojstvima što ga čini idealnim za upotrebu u teškim toplinskim okruženjima. Stoga, u primjenama koje zahtijevaju visoke performanse u okruženjima visoke temperature, aramidna vlakna su poželjniji izbor.

 

Reference

 

Abdallah, S., Barakat, M., Abdel-Ghaffar, M., El-Khashab, F., Salah, NE, i El-Sayed, A. (2018.). Kompozit od karbonskih nanovlakana: izrada i primjena u području energije i okoliša. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 58, 1-14.

 

Jeong, GY, Lee, DH, Koo, JH, Kim, SS, i Kim, JG (2018.). Udarna i protupožarna svojstva kompozitnih ploča ojačanih aramidnim i ugljičnim vlaknima. Journal of Composite Materials, 52(30), 4167-4176.

 

Li, Y., Xu, S., Zhang, Y. i Zhang, J. (2019). Ispitivanje visokotemperaturnih mehaničkih svojstava karbonskih i aramidnih vlakana. Materijali danas: Zbornik radova, 9(12), 454-459.

 

Wang, K., Gao, X. i Cheng, H.-M. (2016). Mehanička svojstva kompozita ojačanih ugljikovim nanocjevčicama očvrsnutih iz taline. Ugljik, 100, 551-562.

 

Zhou, L., Cuan, X., Sun, H. i Lin, X. (2018). Učinak aramidnih vlakana na svojstva termoskupljajućih filmova na bazi LLDPE. Journal of Adhesion Science and Technology, 32(16), 1700-1709.