Kumb on tulekindlam? Süsinikkiud VS. Aramiid
Sissejuhatus
Materjalitehnoloogia valdkonnas on kaks materjali, mille tugevus- ja toimivusomadusi on põhjalikult uuritud; süsinikkiud ja aramiid. Neid kahte materjali kasutatakse laialdaselt erinevates sfäärides, eristuvad need tugevuse, vastupidavuse ja üldise kulumiskindluse poolest. Viimasel ajal on tekkinud märkimisväärne huvi mõista nende materjalide tulekindlaid omadusi ja seda, kuidas need ranged katsed läbivad. Kuigi on leitud, et mõlemad materjalid on väga tulekindlad, püütakse selles artiklis põhjalikult uurida nende kahe erinevusi nende tulepüsivusomaduste ning süsinikkiu ja aramiidi toimimise osas erinevates olukordades.
Süsinikkiud
Süsinikkiud, tuntud ka kui grafiitkiud, on oma erakordse vastupidavuse ja tugevuse tõttu populaarne aine, mida kasutatakse laialdaselt kosmosetööstuses, spordivarustuses, autotööstuses ja meditsiinilistes rakendustes. . Süsinikkiud tekivad akrüülnitriili polümeriseerimisel taimedes, kus see elektrokedratakse ja keeratakse mikrokiududeks, mis seejärel karboniseeritakse. See protsess hõlmab filamentide allutamist äärmuslikele temperatuuridele kuni 2400 kraadi, mille tulemuseks on puhaste süsinikuaatomite tootmine, mis on paigutatud kristallivõre struktuuri. Tulemuseks on materjal, millel on kõrge tõmbetugevus, madal soojuspaisumine ja kõrge vastupidavus keemilisele korrosioonile (Wang, Gao ja Cheng, 2016).
Lisaks erakordsetele mehaanilistele omadustele on süsinikkiud tuntud oma kõrgete temperatuuride taluvuse poolest. Seda peetakse stabiilseks õhus kuni 400 kraadini ja see võib taluda kuni 1,000 kraadi vaakumis ilma kahjustusteta (Abdallah et al., 2018). Otsese leegiga kokkupuutel süsinikkiud aga lagunevad, mille tulemuseks on tavaliselt sulamine või süttimine. Seda seetõttu, et temperatuuril üle 400 kraadi reageerivad süsinikkiudude süsinikuaatomid atmosfäärihapnikuga, tekitades süsinikmonooksiidi ja -dioksiidi, mis viib materjali põlemiseni.
Aramiid
Aramiidkiud ehk aramiidid on suure jõudlusega sünteetilised kiud, mida kasutatakse laialdaselt erinevates rakendustes, mis nõuavad suurt tugevust, vastupidavust ja vastupidavust välistele elementidele. Kõige tavalisem aramiidi tüüp on polü-p-fenüleentereftaalamiid, paremini tuntud kui Kevlar, mille tutvustas 1971. aastal DuPont. aramiidkiude toodetakse molekulide polümeriseerimisel kaheetapilise reaktsiooni abil, mis hõlmab esmalt vedelkristallilise polümeeri loomist lahustamise ja hiljem kiududeks ketramise teel. Valmis kiud eristuvad nende suure tõmbetugevuse, väikese katkemisvenimise ning kulumis- ja löögikindluse poolest (Zhou et al., 2018). Kiud on tuntud oma erakordse termilise stabiilsuse poolest ja taluvad kahjustusteta kuni 300 kraadist temperatuuri.
Erinevalt süsinikkiust on aramiidkiud ka leegiaeglustav, mis seab selle tulepüsivuse poolest teistest materjalidest ette. Kui aramiidkiud puutuvad kokku soojusallikaga, läbivad nad protsessi, mida nimetatakse endotermiliseks lagunemiseks, mis põhjustab kiudude lagunemise ilma põlevaid gaase vabastamata (Zhou et al., 2018). Põlevgaaside puudumise tõttu on aramiidkiudude tulekahju korral soojusülekande kiirus substraadile madal, mille tulemuseks on vähenenud intensiivsus ja väiksemad kahjustused.
Võrdlus: süsinikkiud ja aramiid tulekindluses
Kuigi süsinikkiud ja aramiidkiud on mõlemad tuntud oma tugevuse, vastupidavuse ja vastupidavuse poolest välistele elementidele, erinevad need tulekindluse poolest. Süsinikkiud on tulega kokkupuutel altid sulamisele või süttimisele, samas kui aramiidkiud talub kuumust ja leeki, mistõttu on see ideaalne materjal rakenduste jaoks, mis hõlmavad suurt kuumust (Jeong, Lee ja Kim, 2018). Lisaks on aramiidkiul erakordsed mehaanilised omadused isegi kõige karmimates kuumades keskkondades, mistõttu on see eelistatud materjal kaitsevarustuse valmistamisel sõja-, tööstus- ja tuletõrjetööstuses.
Materjalide tulekindluse hindamisel näitavad uuringud, et aramiidkiud toimivad tulekahju eest kaitsmist nõudvates olukordades paremini kui süsinikkiud. Li ja kaastöötajate (2019) läbiviidud uuringus allutasid teadlased nii süsinik- kui ka aramiidkiududele mitmesuguseid kuumuse tasemeid, et teha kindlaks kuumuse mõju materjalidele. Uuringus leiti, et kuigi aramiidkiududel ei toimunud kuni 600 kraadise temperatuuriga kokkupuutel olulisi muutusi, ilmnes süsinikkiudude pinna märkimisväärne sulamine, pragunemine ja paisumine. Samamoodi uurisid Jeong ja kolleegid (2018) teises uuringus kahe süsinikkiuga materjali tulekindlaid omadusi võrreldes aramiidkiudkomposiitidega. Uurijad leidsid, et aramiidkiudkomposiidil oli süsinikkiust komposiidiga võrreldes parem leegikindlus.
Lisaks on aramiidkiud disainirakenduste osas uuenduslikumad kui süsinikkiud. Kuna aramiidkiud on oma olemuselt leegiaeglustavad, on materjal tekstiilitööstuses väga ihaldatud mitmesuguste rakenduste jaoks, sealhulgas tulekustutusvarustus, tööstuslikud isikukaitsevahendid (PPE), välisriided ja telkid. Süsinikkiud ei ole loomulikult leegikindlad ja kõik tulekindlust nõudvad rakendused, näiteks mootorikomponendid, nõuavad leegikindluse saavutamiseks maatriksite lisamist.
Järeldus
Üldiselt on nii süsinikkiud kui ka aramiidkiud erakordsed materjalid, mis on tuntud oma tugevuse, vastupidavuse ja silmapaistvate tööomaduste poolest. Kuigi süsinikkiudu kiidetakse selle erakordsete mehaaniliste omaduste eest, ei ole selle tulekindlad omadused aramiidkiudude pakutavaga samal tasemel. Aramiidkiud on tuntud oma erakordse termilise stabiilsuse, leegiaeglustuse ja silmapaistvate mehaaniliste omaduste poolest, mis muudavad selle ideaalseks kasutamiseks karmides kuumades keskkondades. Seetõttu on rakendustes, mis nõuavad kõrget jõudlust kõrge kuumusega keskkondades, eelistatuim valik aramiidkiud.
Viited
