Čo je ohňovzdornejšie? Uhlíkové vlákno VS. Aramid
Úvod
Pokiaľ ide o oblasť materiálového inžinierstva, existujú dva materiály, ktoré boli dôkladne preskúmané z hľadiska ich pevnostných a výkonnostných charakteristík; uhlíkové vlákno a aramid. Tieto dva materiály sa vo veľkej miere používajú v rôznych oblastiach, pričom sa vyznačujú pevnosťou, trvanlivosťou a odolnosťou voči všeobecnému opotrebovaniu. V poslednej dobe sa prejavil značný záujem o pochopenie ohňovzdornosti týchto materiálov a toho, ako sa im darí, keď sú podrobené prísnym testom. Aj keď sa zistilo, že oba materiály sú vysoko odolné voči ohňu, tento článok sa snaží komplexne preskúmať rozdiely medzi nimi, pokiaľ ide o ich vlastnosti požiarnej odolnosti a výkon uhlíkových vlákien a aramidu v rôznych situáciách.
Uhlíkové vlákno
Uhlíkové vlákno, tiež známe ako grafitové vlákno, je populárna látka široko používaná v leteckom priemysle, športovom vybavení, automobilovom a medicínskom priemysle, okrem iného vďaka svojej výnimočnej odolnosti a pevnosti (Wang, Gao, & Cheng, 2016). . Uhlíkové vlákna vznikajú polymerizáciou akrylonitrilu v závodoch, kde sa elektrostaticky zvlákňujú a skrúcajú do mikrofilamentov, ktoré následne podliehajú karbonizácii. Tento proces zahŕňa vystavenie vlákien extrémnym teplotám až do 2400 stupňov, čo vedie k produkcii čistých atómov uhlíka usporiadaných v kryštalickej mriežkovej štruktúre. Výsledkom je materiál, ktorý sa môže pochváliť vysokou pevnosťou v ťahu, nízkou tepelnou rozťažnosťou a vysokou odolnosťou voči chemickej korózii (Wang, Gao, & Cheng, 2016).
Okrem výnimočných mechanických vlastností je uhlíkové vlákno známe svojou schopnosťou znášať vysoké teploty. Vo vzduchu sa považuje za stabilný až do 400 stupňov a vo vákuu môže vydržať až 1,000 stupeň bez akýchkoľvek známok poškodenia (Abdallah et al., 2018). Po vystavení priamemu plameňu sa však uhlíkové vlákna rozpadnú, čo zvyčajne vedie k roztaveniu alebo vznieteniu. Je to preto, že pri teplotách nad 400 stupňov reagujú atómy uhlíka v uhlíkových vláknach so vzdušným kyslíkom za vzniku oxidu uhoľnatého a oxidu uhličitého, čo vedie k horeniu materiálu.
Aramid
Aramidové vlákna alebo aramidy sú vysokovýkonné syntetické vlákna používané vo veľkej miere v rôznych aplikáciách, ktoré vyžadujú vysokú pevnosť, trvanlivosť a odolnosť voči vonkajším prvkom. Najbežnejším typom aramidu je poly-p-fenyléntereftalamid, známy skôr ako Kevlar, predstavený v roku 1971 spoločnosťou DuPont. aramidové vlákna sa vyrábajú polymerizáciou molekúl pomocou dvojstupňovej reakcie, ktorá zahŕňa najprv vytvorenie kvapalného kryštalického polyméru rozpustením a neskôr zvlákňovaním do formy vlákna. Hotové vlákna sa vyznačujú vysokou pevnosťou v ťahu, nízkym predĺžením pri pretrhnutí a odolnosťou voči oderu a nárazu (Zhou et al., 2018). Vlákna sú známe svojou výnimočnou tepelnou stabilitou a bez poškodenia vydržia teploty až 300 stupňov.
Na rozdiel od uhlíkových vlákien je aramidové vlákno tiež spomaľujúce horenie, čo je vlastnosť, ktorá ho stavia pred ostatné materiály z hľadiska požiarnej odolnosti. Keď sa aramidové vlákna dostanú do kontaktu so zdrojom tepla, podstúpia proces známy ako endotermická degradácia, ktorá spôsobí, že sa vlákna rozložia bez uvoľnenia akýchkoľvek horľavých plynov (Zhou et al., 2018). V dôsledku absencie horľavých plynov je rýchlosť prenosu tepla do substrátu pri požiari aramidových vlákien nízka, čo má za následok zníženú intenzitu a menšie poškodenie.
Porovnanie: uhlíkové vlákno a aramid v požiarnej odolnosti
Hoci uhlíkové a aramidové vlákna sú známe svojou pevnosťou, trvanlivosťou a odolnosťou voči vonkajším prvkom, líšia sa, pokiaľ ide o požiarnu odolnosť. Uhlíkové vlákno je náchylné na roztavenie alebo vznietenie, keď je vystavené ohňu, zatiaľ čo aramidové vlákno toleruje teplo a plameň, čo z neho robí ideálny materiál pre aplikácie zahŕňajúce vysoké vystavenie teplu (Jeong, Lee a Kim, 2018). Okrem toho, aramidové vlákno vykazuje výnimočné mechanické vlastnosti aj v najtvrdších tepelných prostrediach, čo z neho robí preferovaný materiál pri výrobe ochranných pomôcok vo vojenskom, priemyselnom a hasičskom priemysle.
Pri hodnotení ohňovzdornosti materiálov štúdie ukazujú, že aramidové vlákna sú na tom lepšie ako uhlíkové vlákna v situáciách, ktoré vyžadujú ochranu pred ohňom. V štúdii, ktorú uskutočnil Li a spolupracovníci (2019), výskumníci podrobili uhlíkové aj aramidové vlákna rôznym úrovniam tepla, aby určili účinky vystavenia teplu na materiály. Štúdia zistila, že zatiaľ čo aramidové vlákna nezaznamenali žiadne významné zmeny pri vystavení teplotám až 600 stupňov, uhlíkové vlákna vykazovali významné povrchové tavenie, praskanie a expanziu. Podobne v inej štúdii Jeong a spolupracovníci (2018) skúmali ohňovzdorné vlastnosti dvoch materiálov s uhlíkovými vláknami oproti kompozitom z aramidových vlákien. Vedci zistili, že kompozit z aramidových vlákien má lepšiu odolnosť voči ohňu v porovnaní s kompozitom z uhlíkových vlákien.
Okrem toho sú aramidové vlákna z hľadiska dizajnu inovatívnejšie ako uhlíkové vlákna. Keďže aramidové vlákna sú vo svojej podstate nehorľavé, materiál je veľmi žiadaný v textilnom priemysle na rôzne aplikácie, vrátane hasičského vybavenia, priemyselných osobných ochranných prostriedkov (OOP), vonkajšieho oblečenia a stanov, medzi inými. Uhlíkové vlákna nie sú prirodzene ohňovzdorné a akékoľvek aplikácie vyžadujúce požiarnu odolnosť, ako sú komponenty motora, vyžadujú pridanie matríc na dosiahnutie ohňovzdornosti.
Záver
Celkovo sú uhlíkové vlákna aj aramidové vlákna výnimočné materiály známe svojou pevnosťou, odolnosťou a vynikajúcimi výkonnostnými charakteristikami. Zatiaľ čo uhlíkové vlákno je chválené pre svoje výnimočné mechanické vlastnosti, jeho ohňovzdorné vlastnosti nie sú na rovnakej úrovni s tým, čo ponúka aramidové vlákno. Aramidové vlákno je známe svojou výnimočnou tepelnou stabilitou, nehorľavosťou a vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami, vďaka ktorým je ideálne na použitie v náročných tepelných prostrediach. Preto v aplikáciách vyžadujúcich vysoký výkon v prostredí s vysokými teplotami je preferovanejšou voľbou aramidové vlákno.
Referencie
