ما هو أكثر مقاومة للحريق؟ ألياف الكربون مقابل. الأراميد
مقدمة
عندما يتعلق الأمر بمجال هندسة المواد، هناك مادتان تم بحثهما على نطاق واسع من حيث قوتهما وخصائص أدائهما؛ ألياف الكربون والأراميد. يتم استخدام هاتين المادتين على نطاق واسع في مجالات مختلفة، وتتميزان بقوتهما ومتانتهما ومقاومتهما للتآكل العام. في الآونة الأخيرة، كان هناك اهتمام ملحوظ بفهم الأداء المقاوم للحريق لهذه المواد وكيفية أدائها عند إخضاعها لاختبارات صارمة. على الرغم من أن كلتا المادتين تتمتعان بمقاومة عالية للحريق، إلا أن هذه المقالة تسعى إلى إجراء فحص شامل للاختلافات بين المادتين فيما يتعلق بخصائص مقاومة الحريق وأداء ألياف الكربون والأراميد في المواقف المختلفة.
ألياف كربونيه
تعتبر ألياف الكربون، والمعروفة أيضًا باسم ألياف الجرافيت، مادة شائعة تستخدم على نطاق واسع في صناعة الطيران والمعدات الرياضية والسيارات والتطبيقات الطبية، من بين مجالات أخرى مختلفة نظرًا لمتانتها وقوتها الاستثنائية (Wang, Gao, & Cheng, 2016). . يتم تصنيع ألياف الكربون عن طريق بلمرة الأكريلونيتريل في النباتات حيث يتم غزلها كهربائيًا ولفها إلى خيوط دقيقة، والتي تخضع بعد ذلك للكربنة. تتضمن هذه العملية تعريض الخيوط لدرجات حرارة قصوى تصل إلى 2400 درجة، مما يؤدي إلى إنتاج ذرات الكربون النقية مرتبة في بنية شبكية بلورية. والنتيجة هي مادة تتميز بقوة شد عالية، وتمدد حراري منخفض، ومقاومة عالية للتآكل الكيميائي (Wang, Gao, & Cheng, 2016).
وبصرف النظر عن خصائصها الميكانيكية الاستثنائية، فإن ألياف الكربون معروفة بقدرتها على تحمل درجات الحرارة المرتفعة. ويعتبر مستقرًا حتى 400 درجة في الهواء ويمكنه تحمل ما يصل إلى 1,000 درجة في الفراغ دون ظهور أي علامات تلف (Abdallah et al., 2018). ومع ذلك، بمجرد تعرضها للهب المباشر، تتحلل ألياف الكربون، مما يؤدي عادةً إلى ذوبانها أو اشتعالها. وذلك لأنه عند درجات حرارة أعلى من 400 درجة، تتفاعل ذرات الكربون الموجودة في ألياف الكربون مع الأكسجين الجوي لإنتاج أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، مما يؤدي إلى احتراق المادة.
الأراميد
ألياف الأراميد أو الأراميد هي ألياف تركيبية عالية الأداء تستخدم على نطاق واسع في التطبيقات المختلفة التي تتطلب قوة عالية ومتانة ومقاومة للعناصر الخارجية. النوع الأكثر شيوعًا من الأراميد هو بولي فينيلين تيريفثالاميد، المعروف باسم كيفلر، والذي تم تقديمه في عام 1971 بواسطة شركة دوبونت. يتم إنتاج ألياف الأراميد عن طريق بلمرة الجزيئات باستخدام تفاعل من خطوتين يتضمن أولاً إنشاء بوليمر بلوري سائل من خلال الإذابة والغزل في شكل ألياف لاحقًا. تتميز الألياف النهائية بقوة الشد العالية، واستطالة منخفضة عند الكسر، ومقاومة التآكل والتأثير (Zhou et al., 2018). تشتهر الألياف بثباتها الحراري الاستثنائي ويمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 300 درجة دون ضرر.
على عكس ألياف الكربون، تعتبر ألياف الأراميد أيضًا مثبطة للهب، وهي خاصية تضعها في مقدمة المواد الأخرى من حيث مقاومة الحريق. عندما تتلامس ألياف الأراميد مع مصدر الحرارة، فإنها تخضع لعملية تعرف باسم التحلل الماص للحرارة، مما يتسبب في تحلل الألياف دون إطلاق أي غازات قابلة للاحتراق (Zhou et al., 2018). نظرًا لعدم وجود غازات قابلة للاحتراق، فإن معدل نقل الحرارة إلى الركيزة عندما تتعرض ألياف الأراميد للنار يكون منخفضًا، مما يؤدي إلى تقليل الشدة وتقليل الضرر.
المقارنة: ألياف الكربون والأراميد في مقاومة الحريق
على الرغم من أن ألياف الكربون وألياف الأراميد معروفة بقوتها ومتانتها ومقاومتها للعوامل الخارجية، إلا أنها تختلف عندما يتعلق الأمر بمقاومة الحريق. ألياف الكربون عرضة للانصهار أو الاشتعال عند تعرضها للنار، بينما تتحمل ألياف الأراميد الحرارة واللهب، مما يجعلها مادة مثالية للتطبيقات التي تنطوي على التعرض للحرارة العالية (Jeong, Lee, & Kim, 2018). بالإضافة إلى ذلك، تعرض ألياف الأراميد خصائص ميكانيكية استثنائية حتى في أقسى البيئات الحرارية، مما يجعلها المادة المفضلة في تصنيع معدات الحماية في الصناعات العسكرية والصناعية ومكافحة الحرائق.
عند تقييم الأداء المقاوم للحريق للمواد، أظهرت الدراسات أن ألياف الأراميد تكون أفضل من ألياف الكربون في المواقف التي تتطلب الحماية من الحريق. في دراسة أجراها لي وزملاؤه (2019)، قام الباحثون بإخضاع كل من ألياف الكربون والأراميد لمجموعة من مستويات الحرارة لتحديد آثار التعرض للحرارة على المواد. ووجدت الدراسة أنه في حين أن ألياف الأراميد لم تشهد أي تغيرات كبيرة عند تعرضها لدرجات حرارة تصل إلى 600 درجة، فإن ألياف الكربون أظهرت ذوبانًا سطحيًا كبيرًا، وتشققًا، وتمددًا. وبالمثل، في دراسة أخرى، قام جيونج وزملاؤه (2018) بدراسة خصائص مقاومة الحريق للمادتين اللتين تحتويان على ألياف الكربون مقابل مركبات ألياف الأراميد. ووجد الباحثون أن مركب ألياف الأراميد يتمتع بمقاومة فائقة للهب مقارنة بمركب ألياف الكربون.
علاوة على ذلك، تعتبر ألياف الأراميد أكثر ابتكارًا من حيث تطبيقات التصميم من ألياف الكربون. نظرًا لأن ألياف الأراميد مقاومة للهب بطبيعتها، فإن المادة مطلوبة بشدة في صناعة النسيج لمختلف التطبيقات، بما في ذلك معدات مكافحة الحرائق، ومعدات الحماية الشخصية الصناعية (PPE)، والملابس الخارجية، والخيام، من بين أشياء أخرى مختلفة. ألياف الكربون ليست مقاومة للهب بشكل طبيعي، وأي تطبيقات تتطلب مقاومة الحريق، مثل مكونات المحرك، تتطلب إضافة مصفوفات لتحقيق مقاومة اللهب.
خاتمة
بشكل عام، تعتبر كل من ألياف الكربون وألياف الأراميد مواد استثنائية مشهورة بقوتها ومتانتها وخصائص أدائها المتميزة. في حين يتم الإشادة بألياف الكربون لخصائصها الميكانيكية الاستثنائية، فإن خصائصها المقاومة للحريق ليست على نفس المستوى الذي توفره ألياف الأراميد. تشتهر ألياف الأراميد بثباتها الحراري الاستثنائي، وتثبيط اللهب، وخصائصها الميكانيكية المتميزة التي تجعلها مثالية للاستخدام في البيئات الحرارية القاسية. لذلك، في التطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا في البيئات ذات الحرارة العالية، تعتبر ألياف الأراميد هي الخيار الأكثر تفضيلاً.
مراجع
