Was ist feuerfester? Kohlefaser VS. Aramid

Einführung

 

Im Bereich der Werkstofftechnik gibt es zwei Materialien, deren Festigkeit und Leistungseigenschaften umfassend erforscht wurden; Kohlefaser und Aramid. Diese beiden Materialien werden in verschiedenen Bereichen häufig verwendet und zeichnen sich durch ihre Festigkeit, Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber allgemeiner Abnutzung aus. In jüngster Zeit besteht ein ausgeprägtes Interesse daran, die Feuerbeständigkeit dieser Materialien zu verstehen und herauszufinden, wie sie bei strengen Tests abschneiden. Obwohl sich beide Materialien als sehr feuerbeständig erwiesen haben, soll in diesem Artikel die Unterschiede zwischen den beiden hinsichtlich ihrer Feuerbeständigkeitseigenschaften und der Leistung von Kohlefaser und Aramid in verschiedenen Situationen umfassend untersucht werden.

 

Kohlefaser

 

Kohlefasern, auch Graphitfasern genannt, sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen Haltbarkeit und Festigkeit ein beliebter Stoff, der unter anderem in der Luft- und Raumfahrtindustrie, Sportausrüstung, Automobil- und Medizinanwendungen weit verbreitet ist (Wang, Gao & Cheng, 2016). . Kohlenstofffasern entstehen durch die Polymerisation von Acrylnitril in Anlagen, wo es elektrogesponnen und zu Mikrofilamenten verdreht wird, die anschließend karbonisiert werden. Bei diesem Verfahren werden die Filamente extremen Temperaturen von bis zu 2.400 Grad ausgesetzt, wodurch reine Kohlenstoffatome entstehen, die in einer kristallinen Gitterstruktur angeordnet sind. Das Ergebnis ist ein Material, das sich durch hohe Zugfestigkeit, geringe Wärmeausdehnung und hohe Beständigkeit gegen chemische Korrosion auszeichnet (Wang, Gao & Cheng, 2016).

 

Abgesehen von ihren außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften ist Kohlefaser für ihre Fähigkeit bekannt, hohen Temperaturen standzuhalten. Es gilt bis zu 400 Grad an der Luft als stabil und kann im Vakuum bis zu 1,000 Grad aushalten, ohne Anzeichen von Schäden zu zeigen (Abdallah et al., 2018). Sobald die Kohlenstofffasern jedoch einer direkten Flamme ausgesetzt werden, zerfallen sie, was typischerweise zum Schmelzen oder Entzünden führt. Denn bei Temperaturen über 400 Grad reagieren die Kohlenstoffatome in Kohlenstofffasern mit Luftsauerstoff zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, was zur Verbrennung des Materials führt.

 

Aramid

 

Aramidfasern oder Aramide sind synthetische Hochleistungsfasern, die häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, die eine hohe Festigkeit, Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen erfordern. Der häufigste Aramidtyp ist Poly-p-phenylenterephthalamid, besser bekannt als Kevlar, das 1971 von DuPont eingeführt wurde. Aramidfasern werden durch die Polymerisation von Molekülen mithilfe einer zweistufigen Reaktion hergestellt, die zunächst die Bildung eines flüssigkristallinen Polymers durch Solubilisierung und späteres Spinnen in Faserform umfasst. Die fertigen Fasern zeichnen sich durch eine hohe Zugfestigkeit, geringe Bruchdehnung sowie Abrieb- und Schlagfestigkeit aus (Zhou et al., 2018). Die Fasern sind für ihre außergewöhnliche thermische Stabilität bekannt und halten Temperaturen von bis zu 300 Grad unbeschadet stand.

 

Im Gegensatz zu Kohlefasern ist Aramidfaser auch flammhemmend, eine Eigenschaft, die sie in puncto Feuerbeständigkeit anderen Materialien voraus ist. Wenn Aramidfasern mit einer Wärmequelle in Kontakt kommen, durchlaufen sie einen Prozess, der als endothermer Abbau bekannt ist und dazu führt, dass sich die Fasern zersetzen, ohne dass brennbare Gase freigesetzt werden (Zhou et al., 2018). Aufgrund des Fehlens brennbarer Gase ist die Wärmeübertragungsrate auf das Substrat bei einem Brand der Aramidfasern gering, was zu einer geringeren Intensität und geringeren Schäden führt.

 

Vergleich: Kohlefaser und Aramid im Feuerwiderstand

 

Obwohl sowohl Kohlefaser als auch Aramidfaser für ihre Festigkeit, Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen bekannt sind, unterscheiden sie sich hinsichtlich der Feuerbeständigkeit. Kohlenstofffasern neigen dazu, zu schmelzen oder sich zu entzünden, wenn sie Feuer ausgesetzt werden, während Aramidfasern Hitze und Flammen tolerieren, was sie zu einem idealen Material für Anwendungen mit hoher Hitzeeinwirkung macht (Jeong, Lee & Kim, 2018). Darüber hinaus weisen Aramidfasern selbst in extremsten Hitzeumgebungen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften auf, was sie zum bevorzugten Material bei der Herstellung von Schutzausrüstung in der Militär-, Industrie- und Feuerwehrindustrie macht.

 

Bei der Beurteilung der Feuerbeständigkeit der Materialien zeigen Studien, dass Aramidfasern in Situationen, in denen Schutz vor Feuer erforderlich ist, besser abschneiden als Kohlenstofffasern. In einer von Li und Mitarbeitern (2019) durchgeführten Studie setzen die Forscher sowohl Kohlenstoff- als auch Aramidfasern verschiedenen Hitzeniveaus aus, um die Auswirkungen der Hitzeeinwirkung auf die Materialien zu bestimmen. Die Studie ergab, dass Aramidfasern bei Temperaturen von bis zu 600 Grad keine nennenswerten Veränderungen erfuhren, Kohlenstofffasern jedoch ein deutliches Schmelzen, Reißen und Ausdehnen an der Oberfläche aufwiesen. In ähnlicher Weise untersuchten Jeong und Mitarbeiter (2018) in einer anderen Studie die feuerbeständigen Eigenschaften der beiden Materialien mit Kohlefaser- und Aramidfaser-Verbundwerkstoffen. Die Forscher fanden heraus, dass der Aramidfaser-Verbundwerkstoff im Vergleich zum Kohlefaser-Verbundwerkstoff eine überlegene Flammwidrigkeit aufwies.

 

Darüber hinaus sind Aramidfasern im Hinblick auf Designanwendungen innovativer als Kohlenstofffasern. Da Aramidfasern von Natur aus flammhemmend sind, ist das Material in der Textilindustrie für verschiedene Anwendungen sehr gefragt, darunter Feuerwehrausrüstung, industrielle persönliche Schutzausrüstung (PSA), Outdoor-Bekleidung und Zelte. Kohlenstofffasern sind von Natur aus nicht flammbeständig, und alle Anwendungen, die Feuerbeständigkeit erfordern, wie z. B. Motorkomponenten, erfordern die Zugabe von Matrizen, um Flammbeständigkeit zu erreichen.

 

Abschluss

 

Insgesamt sind sowohl Kohlefaser als auch Aramidfaser außergewöhnliche Materialien, die für ihre Festigkeit, Haltbarkeit und herausragenden Leistungseigenschaften bekannt sind. Während Kohlenstofffasern für ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften gelobt werden, sind ihre feuerbeständigen Eigenschaften nicht auf dem gleichen Niveau wie die von Aramidfasern. Aramidfasern sind für ihre außergewöhnliche thermische Stabilität, Flammwidrigkeit und hervorragenden mechanischen Eigenschaften bekannt, die sie ideal für den Einsatz in rauen Hitzeumgebungen machen. Daher sind Aramidfasern bei Anwendungen, die eine hohe Leistung in Umgebungen mit hoher Hitze erfordern, die bevorzugte Wahl.

 

Verweise

 

Abdallah, S., Barakat, M., Abdel-Ghaffar, M., El-Khashab, F., Salah, NE, & El-Sayed, A. (2018). Kohlenstoff-Nanofaser-Verbundwerkstoff: Herstellung und Anwendungen im Bereich Energie und Umwelt. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 58, 1-14.

 

Jeong, GY, Lee, DH, Koo, JH, Kim, SS, & Kim, JG (2018). Schlag- und Brandeigenschaften von aramid- und kohlefaserverstärkten Verbundplatten. Journal of Composite Materials, 52(30), 4167-4176.

 

Li, Y., Xu, S., Zhang, Y. & Zhang, J. (2019). Untersuchung der mechanischen Hochtemperatureigenschaften von Kohlenstoff- und Aramidfasern. Materialien heute: Proceedings, 9(12), 454-459.

 

Wang, K., Gao, X. & Cheng, H.-M. (2016). Mechanische Eigenschaften von mit Kohlenstoffnanoröhren verstärkten Verbundwerkstoffen, die aus der Schmelze erstarrt sind. Kohlenstoff, 100, 551-562.

 

Zhou, L., Cuan, X., Sun, H. & Lin, X. (2018). Einfluss von Aramidfasern auf die Eigenschaften von wärmeschrumpfbaren Folien auf LLDPE-Basis. Journal of Adhesion Science and Technology, 32(16), 1700-1709.