Qual è più ignifugo? Fibra di carbonio VS. Aramide
introduzione
Quando si tratta del campo dell'ingegneria dei materiali, ci sono due materiali che sono stati ampiamente studiati per le loro caratteristiche di resistenza e prestazioni; fibra di carbonio e aramide. Questi due materiali sono ampiamente utilizzati in vari ambiti, distinguendosi per la loro robustezza, durata e resistenza all'usura generale. Negli ultimi tempi, c’è stato un forte interesse nel comprendere le prestazioni di resistenza al fuoco di questi materiali e come si comportano quando vengono sottoposti a test rigorosi. Sebbene entrambi i materiali siano risultati altamente resistenti al fuoco, questo articolo cerca di esaminare in modo completo le differenze tra i due riguardanti le loro proprietà di resistenza al fuoco e le prestazioni della fibra di carbonio e dell'aramide in diverse situazioni.
Fibra di carbonio
La fibra di carbonio, nota anche come fibra di grafite, è una sostanza popolare ampiamente utilizzata nell'industria aerospaziale, nelle attrezzature sportive, nelle applicazioni automobilistiche e mediche, tra vari altri campi grazie alla sua eccezionale durata e resistenza (Wang, Gao e Cheng, 2016) . Le fibre di carbonio vengono create polimerizzando l'acrilonitrile in impianti dove viene elettrofilato e attorcigliato in microfilamenti, che poi subiscono carbonizzazione. Questo processo prevede di sottoporre i filamenti a temperature estreme fino a 2.400 gradi, portando alla produzione di atomi di carbonio puri disposti in una struttura reticolare cristallina. Il risultato è un materiale che vanta un’elevata resistenza alla trazione, una bassa dilatazione termica e un’elevata resistenza alla corrosione chimica (Wang, Gao e Cheng, 2016).
Oltre alle sue eccezionali proprietà meccaniche, la fibra di carbonio è nota per la sua capacità di tollerare le alte temperature. È considerato stabile fino a 400 gradi nell'aria e può resistere fino a 1,000 grado nel vuoto senza mostrare alcun segno di danno (Abdallah et al., 2018). Tuttavia, una volta esposte a una fiamma diretta, le fibre di carbonio si rompono, provocando generalmente la fusione o l'accensione. Questo perché a temperature superiori a 400 gradi, gli atomi di carbonio nelle fibre di carbonio reagiscono con l'ossigeno atmosferico per produrre monossido e biossido di carbonio, che porta alla combustione del materiale.
Aramide
Le fibre aramidiche o aramidi sono fibre sintetiche ad alte prestazioni ampiamente utilizzate in varie applicazioni che richiedono elevata resistenza, durata e resistenza agli elementi esterni. Il tipo più comune di aramide è la poli-p-fenilene tereftalammide, meglio conosciuta come Kevlar, introdotta nel 1971 da DuPont. le fibre aramidiche sono prodotte polimerizzando le molecole utilizzando una reazione in due fasi che include prima la creazione di un polimero cristallino liquido attraverso la solubilizzazione e la successiva filatura in forma di fibra. Le fibre finite si distinguono per l’elevata resistenza alla trazione, il basso allungamento alla rottura e la resistenza all’abrasione e all’impatto (Zhou et al., 2018). Le fibre sono note per la loro eccezionale stabilità termica e possono resistere a temperature fino a 300 gradi senza danni.
A differenza della fibra di carbonio, la fibra aramidica è anche ignifuga, caratteristica che la pone al primo posto rispetto ad altri materiali in termini di resistenza al fuoco. Quando le fibre aramidiche entrano in contatto con una fonte di calore, subiscono un processo noto come degradazione endotermica, che provoca la decomposizione delle fibre senza rilasciare gas combustibili (Zhou et al., 2018). A causa dell'assenza di gas combustibili, la velocità di trasferimento del calore al substrato quando le fibre aramidiche subiscono un incendio è bassa, con conseguente intensità ridotta e danni minori.
Confronto: fibra di carbonio e aramide nella resistenza al fuoco
Sebbene la fibra di carbonio e la fibra aramidica siano entrambe note per la loro robustezza, durata e resistenza agli elementi esterni, differiscono per quanto riguarda la resistenza al fuoco. La fibra di carbonio è soggetta a fusione o accensione se esposta al fuoco, mentre la fibra aramidica tollera il calore e la fiamma, rendendola un materiale ideale per applicazioni che comportano un'elevata esposizione al calore (Jeong, Lee e Kim, 2018). Inoltre, la fibra aramidica presenta proprietà meccaniche eccezionali anche negli ambienti caldi più difficili, rendendola il materiale preferito nella produzione di dispositivi di protezione nei settori militare, industriale e antincendio.
Nel valutare le prestazioni di resistenza al fuoco dei materiali, gli studi dimostrano che le fibre aramidiche si comportano meglio delle fibre di carbonio in situazioni che richiedono protezione dal fuoco. In uno studio condotto da Li e colleghi (2019), i ricercatori hanno sottoposto sia le fibre di carbonio che quelle aramidiche a una gamma di livelli di calore per determinare gli effetti dell’esposizione al calore sui materiali. Lo studio ha rilevato che mentre le fibre aramidiche non hanno subito alcun cambiamento significativo se esposte a temperature fino a 600 gradi, le fibre di carbonio hanno presentato una significativa fusione, fessurazione ed espansione superficiale. Allo stesso modo, in un altro studio, Jeong e colleghi (2018) hanno studiato le proprietà resistenti al fuoco dei due materiali con compositi in fibra di carbonio rispetto a quelli in fibra aramidica. I ricercatori hanno scoperto che il composito in fibra aramidica aveva una resistenza alla fiamma superiore rispetto al composito in fibra di carbonio.
Inoltre, le fibre aramidiche sono più innovative in termini di applicazioni progettuali rispetto alla fibra di carbonio. Poiché le fibre aramidiche sono intrinsecamente ignifughe, il materiale è molto ricercato nell'industria tessile per varie applicazioni, tra cui attrezzature antincendio, dispositivi di protezione individuale (DPI) industriali, abbigliamento da esterno e tende, tra le altre cose. Le fibre di carbonio non sono naturalmente resistenti alla fiamma e qualsiasi applicazione che richieda resistenza al fuoco, come i componenti del motore, richiede l'aggiunta di matrici per ottenere la resistenza alla fiamma.
Conclusione
Nel complesso, sia la fibra di carbonio che la fibra aramidica sono materiali eccezionali rinomati per la loro resistenza, durata e caratteristiche prestazionali eccezionali. Sebbene la fibra di carbonio sia lodata per le sue eccezionali proprietà meccaniche, le sue proprietà ignifughe non sono allo stesso livello di ciò che la fibra aramidica ha da offrire. La fibra aramidica è nota per la sua eccezionale stabilità termica, ritardo di fiamma e eccezionali proprietà meccaniche che la rendono ideale per l'uso in ambienti caldi e difficili. Pertanto, nelle applicazioni che richiedono prestazioni elevate in ambienti ad alto calore, la fibra aramidica è la scelta preferita.
Riferimenti
