Què és més ignífug? Fibra de carboni VS. Aramida
Introducció
Pel que fa al camp de l'enginyeria de materials, hi ha dos materials que han estat àmpliament investigats per les seves característiques de resistència i rendiment; fibra de carboni i aramida. Aquests dos materials s'utilitzen àmpliament en diversos àmbits, distingint-se per la seva força, durabilitat i resistència al desgast general. En els darrers temps, hi ha hagut un marcat interès per entendre el rendiment ignífug d'aquests materials i com es comporten quan es sotmeten a proves rigoroses. Tot i que s'ha trobat que ambdós materials són molt resistents al foc, aquest article pretén examinar de manera exhaustiva les diferències entre els dos pel que fa a les seves propietats de resistència al foc i el rendiment de la fibra de carboni i l'aramida en diferents situacions.
Fibra de carboni
La fibra de carboni, també coneguda com a fibra de grafit, és una substància popular àmpliament utilitzada a la indústria aeroespacial, equips esportius, automoció i aplicacions mèdiques, entre altres camps, a causa de la seva durabilitat i resistència excepcionals (Wang, Gao i Cheng, 2016). . Les fibres de carboni es creen polimeritzant l'acrilonitril a les plantes on s'electrofila i es retorça en microfilaments, que després es carbonitzen. Aquest procés implica sotmetre els filaments a temperatures extremes de fins a 2.400 graus, donant lloc a la producció d'àtoms de carboni purs disposats en una estructura de gelosia cristal·lina. El resultat és un material que té una alta resistència a la tracció, una baixa expansió tèrmica i una alta resistència a la corrosió química (Wang, Gao i Cheng, 2016).
A més de les seves propietats mecàniques excepcionals, la fibra de carboni és coneguda per la seva capacitat de tolerar altes temperatures. Es considera estable fins a 400 graus a l'aire i pot suportar fins a 1,000 grau al buit sense mostrar cap signe de dany (Abdallah et al., 2018). No obstant això, un cop exposades a una flama directa, les fibres de carboni es descomponen, normalment provocant la fusió o la ignició. Això es deu al fet que a temperatures superiors als 400 graus, els àtoms de carboni de les fibres de carboni reaccionen amb l'oxigen atmosfèric per produir monòxid i diòxid de carboni, que condueixen a la combustió del material.
Aramida
Les fibres d'aramida o aramides són fibres sintètiques d'alt rendiment que s'utilitzen àmpliament en diverses aplicacions que requereixen una gran resistència, durabilitat i resistència als elements externs. El tipus més comú d'aramida és la poli-p-fenilè tereftalamida, més coneguda com a Kevlar, introduïda el 1971 per DuPont. Les fibres d'aramida es produeixen polimeritzant molècules mitjançant una reacció de dos passos que inclou primer la creació d'un polímer cristal·lí líquid mitjançant la solubilització i la filatura en forma de fibra més tard. Les fibres acabades es distingeixen per la seva alta resistència a la tracció, baix allargament a la ruptura i resistència a l'abrasió i l'impacte (Zhou et al., 2018). Les fibres són conegudes per la seva excepcional estabilitat tèrmica i poden suportar temperatures de fins a 300 graus sense danys.
A diferència de la fibra de carboni, la fibra d'aramida també és ignífuga, una característica que la situa per davant d'altres materials pel que fa a la resistència al foc. Quan les fibres d'aramida entren en contacte amb una font de calor, pateixen un procés conegut com a degradació endotèrmica, que fa que les fibres es descomposin sense alliberar cap gas combustible (Zhou et al., 2018). A causa de l'absència de gasos combustibles, la velocitat de transferència de calor al substrat quan les fibres d'aramida experimenten foc és baixa, el que resulta en una intensitat reduïda i un dany menor.
Comparació: fibra de carboni i aramida en resistència al foc
Tot i que la fibra de carboni i la fibra d'aramida són conegudes per la seva força, durabilitat i resistència als elements externs, es diferencien pel que fa a la resistència al foc. La fibra de carboni és propensa a fondre's o encendre's quan s'exposa al foc, mentre que la fibra d'aramida tolera la calor i la flama, el que la converteix en un material ideal per a aplicacions que impliquen una alta exposició a la calor (Jeong, Lee i Kim, 2018). A més, la fibra d'aramida presenta propietats mecàniques excepcionals fins i tot en els entorns de calor més durs, cosa que la converteix en el material preferit en la fabricació d'equips de protecció a les indústries militar, industrial i de lluita contra incendis.
En avaluar el rendiment resistent al foc dels materials, els estudis mostren que les fibres d'aramida funcionen millor que les fibres de carboni en situacions que requereixen protecció contra el foc. En un estudi realitzat per Li i col·laboradors (2019), els investigadors sotmeten tant les fibres de carboni com les d'aramida a una sèrie de nivells de calor per determinar els efectes de l'exposició a la calor sobre els materials. L'estudi va trobar que, mentre que les fibres d'aramida no van experimentar cap canvi significatiu quan es van exposar a temperatures de fins a 600 graus, les fibres de carboni van presentar una fusió, esquerdament i expansió superficials importants. De la mateixa manera, en un altre estudi, Jeong i col·laboradors (2018) van investigar les propietats resistents al foc dels dos materials amb fibra de carboni versus compostos de fibra d'aramida. Els investigadors van trobar que el compost de fibra d'aramida tenia una resistència a la flama superior en comparació amb el compost de fibra de carboni.
A més, les fibres d'aramida són més innovadores pel que fa a les aplicacions de disseny que la fibra de carboni. Atès que les fibres d'aramida són inherentment ignífugues, el material és molt buscat a la indústria tèxtil per a diverses aplicacions, com ara equips d'extinció d'incendis, equips de protecció individual industrial (EPI), roba d'exterior i tendes de campanya, entre d'altres. Les fibres de carboni no són naturalment resistents a la flama, i qualsevol aplicació que requereixi resistència al foc, com ara components del motor, requereix l'addició de matrius per aconseguir la resistència a la flama.
Conclusió
En general, tant la fibra de carboni com la fibra d'aramida són materials excepcionals coneguts per la seva resistència, durabilitat i característiques de rendiment excepcionals. Tot i que la fibra de carboni és elogiada per les seves propietats mecàniques excepcionals, les seves propietats resistents al foc no estan al mateix nivell que les que ofereix la fibra d'aramida. La fibra d'aramida és coneguda per la seva excepcional estabilitat tèrmica, retard de flama i propietats mecàniques excepcionals que la fan ideal per al seu ús en entorns de calor intensos. Per tant, en aplicacions que requereixen un alt rendiment en ambients de calor elevat, la fibra d'aramida és l'opció més preferida.
Referències
