Hvort er eldfastara? Koltrefjar VS. Aramid
Kynning
Þegar kemur að sviði efnisverkfræði eru tvö efni sem hafa verið mikið rannsökuð fyrir styrkleika og frammistöðueiginleika; koltrefjar og aramíð. Þessi tvö efni eru mikið notuð á ýmsum sviðum og greina sig frá styrkleika, endingu og þol gegn almennu sliti. Á seinni tímum hefur verið mikill áhugi á því að skilja eldþolna frammistöðu þessara efna og hvernig þeim vegnar þegar þau eru sett í strangar prófanir. Þó að bæði efnin hafi reynst mjög ónæm fyrir eldi, leitast þessi grein við að skoða ítarlega muninn á þessu tvennu varðandi eldþolseiginleika þeirra og frammistöðu koltrefja og aramíðs við mismunandi aðstæður.
Koltrefjar
Koltrefjar, einnig þekktar sem grafíttrefjar, eru vinsælt efni sem notað er mikið í geimferðaiðnaði, íþróttabúnaði, bifreiðum og læknisfræði, meðal annars vegna einstakrar endingar og styrks (Wang, Gao og Cheng, 2016) . Koltrefjar eru búnar til með fjölliðun akrýlonítríls í plöntum þar sem það er rafspunnið og snúið í örþráða sem fara síðan í kolefni. Þetta ferli felur í sér að þræðir verða fyrir miklum hita upp að 2.400 gráðum, sem leiðir til framleiðslu á hreinum kolefnisatómum sem raðað er í kristallaða grindarbyggingu. Niðurstaðan er efni sem státar af miklum togstyrk, lítilli varmaþenslu og mikilli viðnám gegn efnatæringu (Wang, Gao og Cheng, 2016).
Fyrir utan einstaka vélræna eiginleika þess eru koltrefjar þekktar fyrir getu sína til að þola háan hita. Það er talið stöðugt allt að 400 gráður í lofti og þolir allt að 1,000 gráðu í lofttæmi án þess að sýna nein merki um skemmdir (Abdallah o.fl., 2018). Hins vegar, þegar þeir verða fyrir beinum loga, brotna koltrefjar niður, sem venjulega leiðir til bráðnunar eða íkveikju. Þetta er vegna þess að við hitastig yfir 400 gráður hvarfast kolefnisatómin í koltrefjum við súrefni í andrúmsloftinu til að framleiða kolmónoxíð og díoxíð, sem leiðir til brennslu efnisins.
Aramíð
Aramid trefjar eða aramíð eru afkastamikil gervi trefjar sem notuð eru mikið í ýmsum forritum sem krefjast mikils styrks, endingar og mótstöðu gegn ytri þáttum. Algengasta gerð aramíðs er pólý-p-fenýlen tereftalamíð, betur þekkt sem Kevlar, kynnt árið 1971 af DuPont. aramíðtrefjar eru framleiddar með því að fjölliða sameindir með því að nota tveggja þrepa viðbrögð sem felur fyrst í sér að búa til fljótandi kristallaða fjölliðu með því að leysa upp og snúast í trefjaform síðar. Fullunnar trefjar einkennast af miklum togstyrk, lítilli lenging við brot og viðnám gegn núningi og höggi (Zhou o.fl., 2018). Trefjarnar eru þekktar fyrir einstakan hitastöðugleika og þola allt að 300 gráðu hita án skemmda.
Ólíkt koltrefjum eru aramid trefjar einnig logavarnarefni, sem er eiginleiki sem setur það framar öðrum efnum hvað varðar eldþol. Þegar aramíðtrefjar komast í snertingu við hitagjafa fara þær í gegnum ferli sem kallast endothermic degradation, sem veldur því að trefjarnar brotna niður án þess að losa eldfimar lofttegundir (Zhou o.fl., 2018). Vegna skorts á eldfimum lofttegundum er hitaflutningshraði til undirlagsins lágur þegar aramid trefjar verða fyrir eldi, sem leiðir til minni styrkleika og minni skemmda.
Samanburður: Koltrefjar og aramid í brunaþoli
Þrátt fyrir að koltrefjar og aramíðtrefjar séu báðar þekktar fyrir styrkleika, endingu og viðnám gegn ytri þáttum, þá eru þau ólík þegar kemur að eldþol. Koltrefjar eru viðkvæmar fyrir því að bráðna eða kvikna þegar þær verða fyrir eldi, á meðan aramíðtrefjar þola hita og loga, sem gerir það tilvalið efni fyrir notkun sem felur í sér mikla hitaútsetningu (Jeong, Lee og Kim, 2018). Að auki sýna aramíð trefjar óvenjulega vélræna eiginleika, jafnvel í erfiðustu hitaumhverfi, sem gerir það að ákjósanlegu efni við framleiðslu á hlífðarbúnaði í her-, iðnaðar- og slökkviiðnaði.
Við mat á eldþolnu frammistöðu efnanna sýna rannsóknir að aramíðtrefjar farnast betur en koltrefjar við aðstæður sem krefjast eldvarnar. Í rannsókn sem gerð var af Li og félögum (2019), leggja vísindamennirnir bæði kolefnis- og aramíðtrefjar undir ýmsum hitastigum til að ákvarða áhrif hitaútsetningar á efnin. Rannsóknin leiddi í ljós að þó að aramíð trefjar hafi ekki orðið fyrir neinum marktækum breytingum þegar þær verða fyrir hitastigi allt að 600 gráður, sýndu koltrefjar verulega yfirborðsbráðnun, sprungur og þenslu. Á sama hátt, í annarri rannsókn, könnuðu Jeong og félagar (2018) eldþolna eiginleika efnanna tveggja með koltrefjum á móti samsettum aramíðtrefjum. Rannsakendur komust að því að aramíð trefjasamsetningin hafði yfirburða logaþol samanborið við koltrefjasamsetninguna.
Ennfremur eru aramíð trefjar nýstárlegri hvað varðar hönnunarnotkun en koltrefjar. Þar sem aramíðtrefjar eru í eðli sínu logavarnarefni er efnið mjög eftirsótt í textíliðnaðinum til ýmissa nota, þar á meðal slökkvibúnað, persónulegan hlífðarbúnað fyrir iðnað, útifatnað og tjöld, ásamt ýmsum öðrum. Koltrefjar eru náttúrulega ekki logaþolnar og hvers kyns forrit sem krefjast eldþols, eins og vélarhlutar, þurfa að bæta við fylki til að ná logaþol.
Niðurstaða
Á heildina litið eru bæði koltrefjar og aramíð trefjar einstök efni sem eru þekkt fyrir styrk, endingu og framúrskarandi frammistöðueiginleika. Þó að koltrefjar séu lofaðar fyrir einstaka vélræna eiginleika, eru eldþolnir eiginleikar þeirra ekki á sama stigi og það sem aramíð trefjar hafa upp á að bjóða. Aramid trefjar eru þekktir fyrir einstakan hitastöðugleika, logavarnarefni og framúrskarandi vélræna eiginleika sem gera það tilvalið til notkunar í erfiðu hitaumhverfi. Þess vegna, í forritum sem krefjast mikillar afkasta í umhverfi með miklum hita, eru aramíð trefjar ákjósanlegri kosturinn.
Heimildir
