מה יותר חסין אש? סיבי פחמן VS. ארמיד

מבוא

 

בכל הנוגע לתחום הנדסת החומרים, ישנם שני חומרים שנחקרו בהרחבה בשל חוזקם ומאפייני הביצועים שלהם; סיבי פחמן וארמיד. שני חומרים אלו נמצאים בשימוש נרחב בתחומים שונים, ומבדילים את עצמם בחוזקם, בעמידותם ועמידותם בפני בלאי כללי. בתקופה האחרונה, יש עניין ניכר בהבנת הביצועים העמידים בפני אש של חומרים אלה וכיצד הם מתפקדים כאשר עוברים בדיקות קפדניות. בעוד ששני החומרים נמצאו עמידים מאוד בפני אש, מאמר זה מבקש לבחון באופן מקיף את ההבדלים בין השניים הנוגעים לתכונות העמידות שלהם באש ולביצועים של סיבי פחמן וארמיד במצבים שונים.

 

סיבי פחמן

 

סיבי פחמן, הידועים גם כסיבי גרפיט, הם חומר פופולרי בשימוש נרחב בתעשיית התעופה והחלל, ציוד ספורט, רכב ויישומים רפואיים, בין תחומים שונים אחרים בשל העמידות והחוזק יוצאי הדופן שלו (Wang, Gao, & Cheng, 2016) . סיבי פחמן נוצרים על ידי פילמור של אקרילוניטריל בצמחים שבהם הוא מסתובב אלקטרו ומפותל למיקרופילמנטים, אשר לאחר מכן עוברים פחמול. תהליך זה כולל הכפפת החוטים לטמפרטורות קיצוניות של עד 2,400 מעלות, מה שמוביל לייצור אטומי פחמן טהורים המסודרים במבנה סריג גבישי. התוצאה היא חומר המתהדר בחוזק מתיחה גבוה, התפשטות תרמית נמוכה ועמידות גבוהה בפני קורוזיה כימית (Wang, Gao, & Cheng, 2016).

 

מלבד תכונותיו המכניות יוצאות הדופן, סיבי פחמן ידועים ביכולתם לסבול טמפרטורות גבוהות. הוא נחשב ליציב עד 400 מעלות באוויר ויכול להחזיק מעמד עד 1,000 מעלה בוואקום מבלי להראות סימני נזק (Abdallah et al., 2018). עם זאת, ברגע שהם נחשפים ללהבה ישירה, סיבי פחמן מתפרקים, מה שגורם בדרך כלל להמסה או להצתה. הסיבה לכך היא שבטמפרטורות מעל 400 מעלות, אטומי הפחמן בסיבי הפחמן מגיבים עם חמצן אטמוספרי כדי לייצר פחמן חד חמצני ודו-חמצני, מה שמוביל לבעירה של החומר.

 

ארמיד

 

סיבי ארמיד או ארמידים הם סיבים סינתטיים בעלי ביצועים גבוהים בשימוש נרחב ביישומים שונים הדורשים חוזק גבוה, עמידות ועמידות בפני אלמנטים חיצוניים. הסוג הנפוץ ביותר של ארמיד הוא פולי-p-phenylene terephthalamide, הידוע יותר בשם Kevlar, שהוצג בשנת 1971 על ידי DuPont. סיבי ארמיד מיוצרים על ידי פילמור מולקולות תוך שימוש בתגובה דו-שלבית הכוללת תחילה יצירה של פולימר גבישי נוזלי באמצעות מסיס וסחרור לצורת סיבים מאוחר יותר. הסיבים המוגמרים מובחנים בחוזק מתיחה גבוה שלהם, התארכות נמוכה בשבירה ועמידות בפני שחיקה ופגיעה (Zhou et al., 2018). הסיבים ידועים ביציבות התרמית יוצאת הדופן שלהם ויכולים לעמוד בטמפרטורות של עד 300 מעלות ללא נזק.

 

בניגוד לסיבי פחמן, סיבי ארמיד הם גם מעכבי בעירה, מאפיין שמציב אותם לפני חומרים אחרים מבחינת עמידות באש. כאשר סיבי ארמיד באים במגע עם מקור חום, הם עוברים תהליך המכונה פירוק אנדותרמי, הגורם לסיבים להתפרק מבלי לשחרר גזים דליקים (Zhou et al., 2018). בשל היעדר גזים דליקים, קצב העברת החום למצע כאשר סיבי ארמיד חווים אש נמוך, מה שגורם להפחתת העוצמה ולנזק נמוך יותר.

 

השוואה: סיבי פחמן וארמיד בעמידות אש

 

למרות שסיבי פחמן וסיבי ארמיד ידועים בחוזקם, בעמידותם ובעמידותם בפני אלמנטים חיצוניים, הם שונים בכל הקשור לעמידות באש. סיבי פחמן נוטים להימס או להצתה כאשר הם נחשפים לאש, בעוד שסיבי ארמיד סובלים חום ולהבה, מה שהופך אותו לחומר אידיאלי עבור יישומים הכוללים חשיפה לחום גבוה (Jeong, Lee, & Kim, 2018). בנוסף, סיבי ארמיד מציגים תכונות מכניות יוצאות דופן אפילו בסביבות החום הקשות ביותר, מה שהופך אותו לחומר המועדף בייצור ציוד מגן בתעשיות הצבאיות, התעשייתיות והכיבוי.

 

בהערכת הביצועים העמידים לאש של החומרים, מחקרים מראים כי סיבי ארמיד מתפקדים טוב יותר מסיבי פחמן במצבים הדורשים הגנה מפני אש. במחקר שנערך על ידי Li ועמיתיו לעבודה (2019), החוקרים מעמידים גם סיבי פחמן וגם ארמיד למגוון רמות חום כדי לקבוע את ההשפעות של חשיפה לחום על החומרים. המחקר מצא כי בעוד שסיבי ארמיד לא חוו שינויים משמעותיים כאשר הם נחשפו לטמפרטורות של עד 600 מעלות, סיבי פחמן הציגו התכה, פיצוח והתפשטות משטח משמעותיים. באופן דומה, במחקר אחר, ג'ונג ועמיתיו (2018) חקרו את תכונות העמידות בפני אש של שני החומרים עם סיבי פחמן לעומת חומרים מרוכבים של סיבי ארמיד. החוקרים מצאו שלחומר המרוכב של סיבי הארמיד יש עמידות בפני להבות מעולה בהשוואה לרכיב סיבי הפחמן.

 

יתר על כן, סיבי ארמיד הם חדשניים יותר מבחינת יישומי עיצוב מאשר סיבי פחמן. מכיוון שסיבי ארמיד הם מעכבי בעירה מטבעם, החומר מבוקש מאוד בתעשיית הטקסטיל עבור יישומים שונים, לרבות ציוד כיבוי אש, ציוד מגן אישי תעשייתי (PPE), ביגוד חוץ ואוהלים, בין השאר. סיבי פחמן אינם עמידים בפני להבה באופן טבעי, וכל יישומים הדורשים עמידות בפני אש, כגון רכיבי מנוע, דורשים הוספת מטריצות כדי להשיג עמידות בפני להבה.

 

סיכום

 

בסך הכל, גם סיבי פחמן וגם סיבי ארמיד הם חומרים יוצאי דופן הידועים בחוזקם, בעמידותם ובמאפייני הביצועים הבולטים שלהם. בעוד שסיבי פחמן זוכים לשבחים בשל תכונותיהם המכניות יוצאות הדופן, התכונות העמידות בפני אש אינן באותה רמה עם מה שיש לסיבי הארמיד להציע. סיבי ארמיד ידועים ביציבות התרמית יוצאת הדופן, עיכוב בעירה ותכונות מכניות יוצאות דופן שהופכות אותו לאידיאלי לשימוש בסביבות חום קשות. לכן, ביישומים הדורשים ביצועים גבוהים בסביבות חום גבוהות, סיבי ארמיד הם הבחירה המועדפת יותר.

 

הפניות

 

Abdallah, S., Barakat, M., Abdel-Ghaffar, M., El-Khashab, F., Salah, NE, & El-Sayed, A. (2018). מרוכבים של ננו-סיבי פחמן: ייצור ויישומים בתחום האנרגיה והסביבה. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 58, 1-14.

 

Jeong, GY, Lee, DH, Koo, JH, Kim, SS, & Kim, JG (2018). תכונות השפעה ואש של לוחות מרוכבים מחוזקים בסיבי ארמיד ופחמן. Journal of Composite Materials, 52(30), 4167-4176.

 

Li, Y., Xu, S., Zhang, Y., & Zhang, J. (2019). חקירה של תכונות מכניות בטמפרטורה גבוהה של סיבי פחמן וארמיד. חומרים היום: Proceedings, 9(12), 454-459.

 

Wang, K., Gao, X., & Cheng, H.-M. (2016). תכונות מכניות של חומרים מרוכבים מחוזקים בצינורות פחמן שהתמצקו מההתכה. פחמן, 100, 551-562.

 

Zhou, L., Cuan, X., Sun, H., & Lin, X. (2018). השפעת סיבי ארמיד על המאפיינים של סרטים מתכווצים על בסיס LLDPE. Journal of Adhesion Science and Technology, 32(16), 1700-1709.