Care este mai rezistent la foc? Fibră de carbon VS. Aramidă
Introducere
Când vine vorba de domeniul ingineriei materialelor, există două materiale care au fost cercetate pe larg pentru caracteristicile de rezistență și performanță; fibră de carbon și aramidă. Aceste două materiale sunt utilizate pe scară largă în diverse sfere, distingându-se prin rezistența, durabilitatea și rezistența la uzură generală. În ultima vreme, a existat un interes marcat pentru înțelegerea performanței rezistente la foc a acestor materiale și a modului în care se descurcă atunci când sunt supuse unor teste riguroase. În timp ce ambele materiale s-au dovedit a fi foarte rezistente la foc, acest articol încearcă să examineze cuprinzător diferențele dintre cele două în ceea ce privește proprietățile lor de rezistență la foc și performanța fibrei de carbon și a aramidei în diferite situații.
Fibra de carbon
Fibra de carbon, cunoscută și sub denumirea de fibră de grafit, este o substanță populară utilizată pe scară largă în industria aerospațială, echipamente sportive, auto și aplicații medicale, printre diverse alte domenii, datorită durabilității și rezistenței sale excepționale (Wang, Gao și Cheng, 2016) . Fibrele de carbon sunt create prin polimerizarea acrilonitrilului în plante unde este electrofilat și răsucit în microfilamente, care apoi sunt supuse carbonizării. Acest proces implică supunerea filamentelor la temperaturi extreme de până la 2.400 de grade, ceea ce duce la producerea de atomi de carbon pur dispuși într-o structură de rețea cristalină. Rezultatul este un material care se mândrește cu rezistență ridicată la tracțiune, expansiune termică scăzută și rezistență ridicată la coroziune chimică (Wang, Gao și Cheng, 2016).
Pe lângă proprietățile sale mecanice excepționale, fibra de carbon este cunoscută pentru capacitatea sa de a tolera temperaturile ridicate. Este considerat stabil până la 400 de grade în aer și poate rezista până la 1,000 grad în vid fără a prezenta semne de deteriorare (Abdallah et al., 2018). Cu toate acestea, odată expuse la o flacără directă, fibrele de carbon se descompun, ducând de obicei la topire sau aprindere. Acest lucru se datorează faptului că la temperaturi de peste 400 de grade, atomii de carbon din fibrele de carbon reacționează cu oxigenul atmosferic pentru a produce monoxid și dioxid de carbon, ceea ce duce la arderea materialului.
Aramidă
Fibrele de aramidă sau aramidele sunt fibre sintetice de înaltă performanță utilizate pe scară largă în diverse aplicații care necesită rezistență ridicată, durabilitate și rezistență la elementele externe. Cel mai comun tip de aramidă este poli-p-fenilen tereftalamidă, cunoscută mai bine sub numele de Kevlar, introdusă în 1971 de DuPont. Fibrele de aramidă sunt produse prin polimerizarea moleculelor folosind o reacție în două etape care include mai întâi crearea unui polimer cristalin lichid prin solubilizare și filare în formă de fibre mai târziu. Fibrele finite se disting prin rezistența lor mare la tracțiune, alungirea redusă la rupere și rezistența la abraziune și impact (Zhou et al., 2018). Fibrele sunt cunoscute pentru stabilitatea lor termică excepțională și pot rezista la temperaturi de până la 300 de grade fără deteriorare.
Spre deosebire de fibra de carbon, fibra de aramidă este, de asemenea, ignifugă, o caracteristică care o plasează înaintea altor materiale în ceea ce privește rezistența la foc. Atunci când fibrele aramide intră în contact cu o sursă de căldură, ele suferă un proces cunoscut sub numele de degradare endotermă, care face ca fibrele să se descompună fără a elibera gaze combustibile (Zhou et al., 2018). Datorită absenței gazelor combustibile, viteza de transfer de căldură către substrat atunci când fibrele de aramid se confruntă cu focul este scăzută, rezultând o intensitate redusă și o deteriorare mai mică.
Comparație: Fibră de carbon și aramidă în rezistență la foc
Deși fibra de carbon și fibra de aramidă sunt ambele cunoscute pentru rezistența, durabilitatea și rezistența la elementele externe, ele diferă când vine vorba de rezistența la foc. Fibra de carbon este predispusă la topire sau aprindere atunci când este expusă la foc, în timp ce fibra de aramid tolerează căldura și flacăra, ceea ce o face un material ideal pentru aplicații care implică expunere ridicată la căldură (Jeong, Lee, & Kim, 2018). În plus, fibra de aramidă prezintă proprietăți mecanice excepționale chiar și în cele mai dure medii de căldură, ceea ce o face materialul preferat în fabricarea echipamentului de protecție în industriile militară, industrială și de stingere a incendiilor.
În evaluarea performanței de rezistență la foc a materialelor, studiile arată că fibrele aramide se descurcă mai bine decât fibrele de carbon în situații care necesită protecție împotriva incendiului. Într-un studiu realizat de Li și colegii de muncă (2019), cercetătorii supun atât fibrele de carbon, cât și fibrele de aramidă la o serie de niveluri de căldură pentru a determina efectele expunerii la căldură asupra materialelor. Studiul a constatat că, în timp ce fibrele de aramidă nu au suferit modificări semnificative atunci când au fost expuse la temperaturi de până la 600 de grade, fibrele de carbon au prezentat topire, fisurare și expansiune semnificative la suprafață. În mod similar, într-un alt studiu, Jeong și colegii (2018) au investigat proprietățile rezistente la foc ale celor două materiale cu fibră de carbon față de compozite din fibre de aramid. Cercetătorii au descoperit că compozitul din fibră de aramidă a avut o rezistență superioară la flacără în comparație cu compozitul din fibră de carbon.
În plus, fibrele de aramidă sunt mai inovatoare în ceea ce privește aplicațiile de design decât fibra de carbon. Deoarece fibrele de aramidă sunt în mod inerent ignifuge, materialul este foarte căutat în industria textilă pentru diverse aplicații, inclusiv echipament de stingere a incendiilor, echipament industrial de protecție personală (EIP), îmbrăcăminte de exterior și corturi, printre diverse altele. Fibrele de carbon nu sunt în mod natural rezistente la flacără și orice aplicație care necesită rezistență la foc, cum ar fi componentele motorului, necesită adăugarea de matrice pentru a obține rezistența la flacără.
Concluzie
În general, atât fibra de carbon, cât și fibra de aramidă sunt materiale excepționale, renumite pentru rezistența, durabilitatea și caracteristicile de performanță remarcabile. În timp ce fibra de carbon este lăudată pentru proprietățile sale mecanice excepționale, proprietățile sale rezistente la foc nu sunt la același nivel cu ceea ce are de oferit fibra aramidă. Fibra de aramidă este cunoscută pentru stabilitatea sa termică excepțională, ignifugarea și proprietățile mecanice remarcabile, care o fac ideală pentru utilizare în medii cu căldură dure. Prin urmare, în aplicațiile care necesită performanțe ridicate în medii cu căldură ridicată, fibra de aramidă este alegerea mai preferată.
Referințe
