Wstęp

W naszych badaniach przeanalizowano właściwości mechaniczne i termiczne kompozytów na osnowie żywicy epoksydowej z różnymi rodzajami zbrojenia eko-bazaltowego. Wpływ włókien krótkich (mielonych i siekanych) oraz włókien ciągłych (tkaniny płócienne) badano oddzielnie i łączono poprzez hybrydyzację. Właściwości mechaniczne scharakteryzowano za pomocą testu trójpunktowego zginania i dynamicznej mechanicznej analizy termicznej (DMTA), a właściwości termiczne zbadano za pomocą analizy termograwimetrycznej (TGA), testu spalania poziomego (UL-94) i testu ognia odrzutowego wspomaganego kamerą termograficzną na podczerwień. Krzywe analizowano za pomocą samodzielnie opracowanego oprogramowania do przetwarzania obrazu.

Zgodnie z naszymi wynikami, wytwarzanie kompozytów hybrydowych może łączyć doskonałe właściwości mechaniczne z wyjątkową ognioodpornością. Tkane warstwy z krótkimi włóknami zmniejszyły liniową szybkość spalania nawet o 18%. Podczas testu z ogniem odrzutowym gradient temperatury i maksymalne temperatury można znacznie zmniejszyć dzięki strukturze hybrydowej.

Kompozyty polimerowe nadają się do wytwarzania funkcjonalnych, konstrukcyjnych elementów dla różnych gałęzi przemysłu. Właściwości kompozytów można dostosować w celu zwiększenia odporności na ciepło, ogień i chemikalia oraz poprawy izolacji elektrycznej i właściwości mechanicznych. Rynek włókien wzmacniających jest zdominowany przez włókna syntetyczne, takie jak włókna szklane i węglowe. Globalne przepisy dotyczące ochrony środowiska zalecają stosowanie włókien organicznych i nieorganicznych z naturalnych i zrównoważonych źródeł w celu zastąpienia konwencjonalnych włókien syntetycznych. Dlatego w ciągu ostatnich kilku dekad intensywnie badano możliwości zastosowania tych materiałów i struktur wzmacniających i wprowadzono wiele innowacji. Na znaczeniu zyskuje również zrównoważone projektowanie materiałów i konstrukcji kompozytowych [ 1]. Oprócz mechanicznego projektowania struktur polimerowych należy wziąć pod uwagę dalsze aspekty bezpieczeństwa, takie jak odporność ogniowa. Tradycyjnie ognioodporność polimerów można było osiągnąć za pomocą uniepalniających dodatków lub powłok, a wpływ na środowisko chemikaliów stosowanych w biernej ochronie przeciwpożarowej można było zmniejszyć, stosując organiczne opóźniacze pęcznienia [2] . .

Wulkaniczny bazalt gabro jest łatwo dostępny z odkrywkowych kamieniołomów i rezerwatów przyrody w większości krajów. Od kilkudziesięciu lat jest stosowany głównie w budownictwie, ze względu na swoją trwałość, niską cenę i dobre właściwości pochłaniania drgań. Struktura chemiczna bazaltu jest blisko spokrewniona ze szkłem, ponieważ oba składają się z SiO 2 , Al 2 O 3 , CaO, MgO, Fe 2 O 3 i FeO [ 3 , 4 , 5 , 6 ]. Główną różnicą w składzie chemicznym jest zawartość Fe 2 O 3 – podczas gdy szkło ma go mniej niż 0,5 m/m%, bazalt zawiera około 10–11,5 m/m% tlenku żelaza (III) [6 ]. Tlenki te tworzą dużą, usieciowaną cząsteczkę; dlatego bazalt i szkło można do pewnego stopnia uznać za polimer nieorganiczny. Dzięki takiej strukturze włókna mogą być wytwarzane ze stopionego bazaltu i szkła. Gdy stop jest szybko schładzany, bazalt zestala się w szklistą fazę amorficzną. Niższe szybkości chłodzenia skutkują częściowo krystaliczną strukturą. Nieciągłe włókna bazaltowe są wytwarzane metodą Junkersa [ 4 ]. W przypadku bardziej wymagających zastosowań do przygotowania włókien ciągłych wykorzystywana jest technologia dysz przędzalniczych [ 7]. Bazalt jest dobrym izolatorem elektrycznym, odpornym na korozję i obojętnym biologicznie, dzięki czemu jest uważany za przyjazny dla środowiska. Dodatkowo włókna bazaltowe przewyższają włókna szklane pod względem stabilności termicznej i odporności na ciepło. Dzięki temu nadają się do zastosowań w wysokich temperaturach i ochronie przeciwpożarowej.

Włókna bazaltowe stosowane są głównie w budownictwie. Wełna mineralna jest preferowaną izolacją termiczną w budynkach. Nośność włókien ciągłych sprawia, że ​​nadają się one do zbrojenia betonu. Meyyappan i in. [ 8 ] badali właściwości mechaniczne betonu zbrojonego włóknami bazaltowymi na osnowie cementowej. W przeciwieństwie do standardowych wzmocnień stalowych stosowanych w betonie, pręty zbrojeniowe z włókna bazaltowego są odporne na korozję. Ich lekkość i wytrzymałość czynią je konkurencyjnymi w branży budowlanej [ 8 , 9 ]. Odporność na korozję i stabilność chemiczna sprawiają, że BFRP nadają się do stosowania w środowiskach morskich, na przykład w urządzeniach wykorzystujących energię pływów i fal oraz do wytwarzania energii wiatrowej na morzu [ 10]. Intensywny rozwój tak obiecujących systemów energii odnawialnej odgrywa kluczową rolę w strategiach redukcji emisji CO 2 . Ogólną wydajność struktur kompozytowych i właściwości mechaniczne można poprawić, poprawiając międzyfazową wytrzymałość na ścinanie między włóknami a interfejsami matrycy. Deák i in. [ 11 ] badali zastosowanie różnych silanowych środków sprzęgających w celu poprawy właściwości międzyfazowych kompozytów nylonowych 6 wzmocnionych włóknem bazaltowym. Stwierdzili, że środek sprzęgający opracowany dla włókien szklanych ma również zastosowanie do włókien bazaltowych, ponieważ ich struktura i skład chemiczny są podobne. Zhang i in. badali zastosowanie zbrojenia włóknami bazaltowymi w kadłubach statków [ 12]. Doszli do wniosku, że odporność cieplna włókien bazaltowych sprawia, że ​​nadają się one do zastosowań przeciwpożarowych. Na przykład przewodność cieplna włókien bazaltowych wynosi około 0,030–0,038 W·m -1 K -1 , czyli mniej niż 1,03 W·m -1 K -1 włókien szklanych [ 13 ]. Elementy konstrukcyjne zawierające włókna bazaltowe mogłyby zapewnić osłonę termiczną, a tym samym ognioodporność bez dodatkowych dodatków zmniejszających palność. Attai i in. [ 14] zmodyfikowali powierzchnię włókien bazaltowych powłoką polianilinową, co poprawiło wytrzymałość na rozciąganie kompozytów z osnową kauczukową EPDM o 38 i 53% w porównaniu z pustą gumą i kompozytami z nieobrobionych włókien bazaltowych. Poprawiona została również odporność na płomień o 62% i 16% zmniejszenie szczytowej szybkości wydzielania ciepła oraz udało się osiągnąć znaczną redukcję emisji gazów CO i CO 2 odpowiednio o 65 i 58%. Gou i in. [ 15 ] badali wpływ modyfikowania powierzchni silanem ognioodpornych kompozytów epoksydowych na bazie włókien bazaltowych. Dodatek włókien bazaltowych poprawił właściwości mechaniczne, nieznacznie obniżył wartość LOI z 26,3 do 25,1%, zachował dobre wyniki w teście spalania pionowego, ale zwiększył szczytową szybkość wydzielania ciepła. Wittek i Tanimoto [16 ] opracowali wzmocnione włóknem bazaltowym degradowalne w środowisku kompozyty na bazie żywicy na bazie skrobi. Zastosowanie silanowych środków sprzęgających poprawiło właściwości zginania kompozytów o 38%. Odporność na palność została poprawiona poprzez zastosowanie włókien bazaltowych, wodorotlenku magnezu i czerwonego luminoforu. Elejosta i in. [ 1917 ] badali rozwój trudnopalnych prepregów z żywicy furanowej wzmocnionych włóknem bazaltowym. Opracowane materiały uzyskały klasyfikację R1HL3 (Requirement 1 and Hazard Level 3), czyli maksymalny poziom bezpieczeństwa zgodnie ze wskaźnikiem ryzyka określonym w przepisach dotyczących pojazdów kolejowych. Hao i in. [ 18 ] przeanalizowali skuteczność ochrony termicznej włóknin bazaltowych. Matyakiewicz i in. [] oceniali wpływ proszku bazaltowego na właściwości termomechaniczne kompozytów na osnowie epoksydowej. Doszli do wniosku, że proszek bazaltowy tworzy kompozyty odporne na ogień i wysokie temperatury. Ich wyniki dowiodły, że duże wartości energii aktywacji (Ea) i całkowitego wydzielania ciepła (THR) wpływają na proces degradacji termicznej. W innym badaniu [20 ], zespół badawczy zbadał efekty hybrydowe bazaltowego wypełniacza w proszku w BFRP. Zhu i in. [ 21 ] zbadali odporność na ciepło i ogień bazaltowych prętów zbrojeniowych. Landucci i in. [ 22 ] opracowali płyty ogniochronne wzmocnione bazaltem, które miały lepsze właściwości termiczne niż inne wyznaczone konstrukcje przeciwpożarowe. Wyniki te dowodzą, że włókna bazaltowe mają rozsądną wytrzymałość, doskonałą stabilność termiczną i właściwości ogniochronne, co czyni je atrakcyjnym materiałem na konstrukcje ognioodporne.

Materiały i metody

W naszych doświadczeniach wykorzystano trzy różne rodzaje wzmocnień z włókien bazaltowych: włókna mielone (Basaltex, Belgia, średnia długość włókien: 108,57 ± 57,09 μm), włókna cięte (Kamenny Vek, Rosja, średnia długość włókien: 12,7 mm) oraz płócienne tkaniny bazaltowe (Kamenny Vek, Rosja, gęstość powierzchniowa: gm −2 ). Powszechny laminujący system epoksydowy składnika A — IPOX MR 3010 modyfikowana żywica bisfenolowa A/F (ekwiwalent epoksydowy: 175–190 g/ekwiwalent; liczba epoksydowa: 0,52–0,57 ekwiw./100 g; lepkość w 25 °C: 800 –1200 mPa s; gęstość – 1,10–1,15 g cm -3 ) oraz składnik B – utwardzacz w postaci modyfikowanej aminy cykloalifatycznej IPOX MH 3124 (liczba aminowa: 450–470 mg KOH/g; lepkość w temp. 25°C: 40–70 mPa·s; gęstość: 0,95 g cm -3); Jako materiał matrycy zastosowano Ipox Chemicals GmbH, Niemcy. Składniki te zmieszano odpowiednio w stosunku masowym 100:33. W przypadku zmielonych i posiekanych włókien bazaltowych 10; 20; Utrzymywano zawartość włókna na poziomie 30 m/m% i mierzono dyspersję włókien na pięciu próbkach materiału wybranych z różnych miejsc płytek. Włókna krótkie były dobrze rozproszone, ponieważ odchylenie standardowe zmierzonej zawartości włókien wynosiło poniżej 0,5 m/m%. Uwzględniono również działanie promotora adhezji organofunkcjonalnego alkoksysilanu środka sprzęgającego między włóknami bazaltowymi a matrycą. Część zmielonych włókien i tkanin potraktowano środkiem wiążącym GENIOSIL GF93 (Wacker Chemie AG, Niemcy). Podczas obróbki włókien usunięto pierwotną klejonkę włókien bazaltowych poprzez wyżarzanie w temperaturze 400°C przez 3 h, i środek sprzęgający rozpuszczono w wodzie destylowanej. Początkowo ilość silanów wynosiła 3 m/m% w stosunku do włókien bazaltowych. Włókna bazaltowe zanurzono w roztworze na 2 h, po rozpuszczeniu na 2 h, w celu wywołania hydrolizy silanów i ich związania z grupami hydroksylowymi na powierzchni BF. Wodę odparowano w temperaturze 80°C w piecu z obiegiem powietrza. Płyty kompozytowe wytworzono metodą odlewania silikonu, formowania tłocznego i ręcznego laminowania. Płytki hybrydowe laminowano tkanymi i mielonymi włóknami. W tym przypadku teoretyczną zawartość włókien obliczono z udziału masowego włókien zmielonych i żywicy epoksydowej, a zatem rzeczywista zawartość włókien była wyższa ze względu na obecność warstw tkaniny. Wyprodukowano trzy rodzaje struktur hybrydowych: H1ST składał się z poddanej obróbce tkaniny i nieobrobionych zmielonych włókien, H2ST zawierał poddane obróbce warstwy tkaniny i poddane obróbce zmielone włókna, a próbki oznaczone literą H są wzorcowymi nieobrobionymi laminatami hybrydowymi. Podczas produkcji zachowano grubość 4 mm płyt kompozytowych. Po utwardzaniu w temperaturze 80°C przez 2 godziny w piecu przemysłowym (Despatch LBB2-27-1CE, Despatch Industries, Inc., Lakeville, USA), próbki do badań pocięto piłą diamentową (Mutronic Diadisc 4200, MUTRONIC Präzisionsgerätebau GmbH & Co. KG, Rieden, Niemcy).

Przeprowadzono próbę zginania w trzech punktach materiałów kompozytowych zgodnie z normą EN ISO 14125:2011. Badania przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Zwick Z005 (ZwickRoell AG, Ulm, Niemcy) wyposażonej w głowicę wytrzymałościową 5 kN. Rozpiętość podpór ustalono na 64 mm, a prędkość badania na 2 mm/s. Zachowanie termiczne próbek BFRP określono za pomocą analizy termograwimetrycznej (TGA) w atmosferze azotu. Sprzętem był analizator termograwimetryczny TA Instruments Q 500 (New Castle, DE, USA), wielkość próbki wynosiła 5 mg, a szybkość ogrzewania wynosiła ° C min- 1. Dynamiczne mechaniczne zachowanie termiczne próbek kompozytowych o wymiarach 60 × 10 × 4 mm zbadano za pomocą dynamicznego analizatora mechanicznego TA Instruments Q800 (New Castle, DE, USA) z rampą nagrzewania od 35 do 200 ° C przy szybkość 5 °C min -1 z trybem podwójnego wspornika i częstotliwością 1 Hz.

Zastosowaliśmy poziomy test palenia (UL-94) do określenia szybkości palenia próbek o wymiarach 125 × 10 × 4 mm w układzie zgodnym z normą ISO 1210:1997. Charakterystykę płomienia i rozprzestrzeniania się ciepła materiału określono za pomocą kamery termowizyjnej na podczerwień (FLIR A325sc, FLIR Systems Inc., Wilsonville, OR, USA), zainspirowanej badaniami Landucci i in. [ 22]. W naszej konfiguracji w skali laboratoryjnej próbki o wymiarach 80 × 80 × 4 mm zostały zamocowane na miejscu i zostały uderzone przez płomienie palnika Bunsena Usbeck 1422 (Carl Friedrich Usbeck KG, Radevormwald, Niemcy). Głowicę palnika płomieniowego umieszczono w odległości 100 mm prostopadle do powierzchni próbek, a płomienie penetrowały laminaty w punkcie środkowym. Przepływ gazu 70 m/m% butan 30 m/m% propan wynosił 0,13 l/h, średnica dyszy wynosiła 20 mm, a średnia długość płomienia wynosiła 175 ± 25 mm. Po zapaleniu próbki poddawano uderzeniom przez 20 s, a następnie mierzono temperaturę powierzchni po przeciwnej stronie nieprzeniknionej za pomocą kamery termowizyjnej. Filmy i obrazy termowizyjne zarejestrowane za pomocą kamery IRT zostały przetworzone za pomocą opracowanego przez nas oprogramowania do przetwarzania obrazu. Oprogramowanie opracowane w bibliotece NumPy Pythona określiło rozkład temperatury w zamkniętym obszarze próbek i wygenerowało histogramy rozkładu ciepła dla każdej klatki wideo. Za pomocą tego oprogramowania byliśmy w stanie jakościowo porównać obrazy termiczne. Dane temperaturowe mierzono na tylnej stronie penetrowanych próbek, a maksymalne wartości mierzono w środku próbek w 9 punktach pomiarowych w układzie pokazanym na ryc. 1 . Do dalszej analizy wybrano najwyższe wartości temperatury (Tabela 1 ).

Ryc. 1

Rozmieszczenie punktów pomiarowych na obrazach termograficznych IR

Tabela 1 Badane materiały

Od: Potencjalne zastosowania kompozytów z włókien bazaltowych w osłonach termicznych

Nazwa
Materiał
przygotowanie próbki
Średnica włókna/μm
Zawartość błonnika
Nominalna zawartość włókien/m/m%
EP
Żywica epoksydowa
Odlew silikonowy
0
M10
Frezowany BF
Odlew silikonowy
20,49 ± 5,81
10 m/m%
10
M20
Frezowany BF
Odlew silikonowy
20,49 ± 5,81
20 m/m%
20
M30
Frezowany BF
Odlew silikonowy
20,49 ± 5,81
30 m/m%
30
C10
Posiekany BF
Formowanie tłoczne
16,44 ± 2,43
10 m/m%
10
C20
Posiekany BF
Formowanie tłoczne
16,44 ± 2,43
20 m/m%
20
C30
Posiekany BF
Formowanie tłoczne
16,44 ± 2,43
30 m/m%
30
WF6
Tkanina BF
Laminowanie ręczne
21.44 ± 2.11
6 warstw
 ~ 40
H10
hybryda BF (tkanina + frezowana)
Laminowanie ręczne
20,49 ± 5,81*; 21,44 ± 2,11**
6 warstw, 10 m/m%
 ~ 43
H20
hybryda BF (tkanina + frezowana)
Laminowanie ręczne
20,49 ± 5,81*; 21,44 ± 2,11**
6 warstw, 20 m/m%
 ~ 46
H30
hybryda BF (tkanina + frezowana)
Laminowanie ręczne
20,49 ± 5,81*; 21,44 ± 2,11**
6 warstw, 30 m/m%
 ~ 49
M30ST
Frezowany BF + surf. traktować
Odlew silikonowy
20,49 ± 5,81*; 21,44 ± 2,11**
30 m/m%
30
WF6ST
Tkanina BF + surf. traktować
Laminowanie ręczne
21.44 ± 2.11
6 warstw
 ~ 40
H1ST
Hybryda BF (tkanina + frezowana) + surf. traktować
Laminowanie ręczne
20,49 ± 5,81*; 21,44 ± 2,11**
6 warstw, 30 m/m%
 ~ 49
H2ST
Hybryda BF (tkanina + frezowana) + surf. traktować
Laminowanie ręczne
20,49 ± 5,81*; 21,44 ± 2,11**
6 warstw, 30 m/m%
 ~ 49
  1. * Zmielone włókna
  2. **Włókna w tkaninie w układzie hybrydowym

Wyniki i dyskusja

Rysunek  2 pokazuje, że ciągłe włókna we wzmocnieniu tkaniny zapewniają wyjątkową wytrzymałość na zginanie i moduły. Gdy na włókna zastosowano silanową obróbkę powierzchniową, właściwości zginania uległy dalszej poprawie o 9 do 70%.

Ryc. 2

Właściwości zginania próbek matrycy epoksydowej wzmocnionej włóknem bazaltowym, *dane z literatury [ 23 ]

H1ST miał najwyższą wytrzymałość, ze wzmocnieniem hybrydowym 30 m/m%, w którym tkanina jest poddawana obróbce powierzchniowej, a nieobrobione zmielone włókna znajdują się między warstwami. Wypełnienie ze zmielonych włókien w strukturach hybrydowych i obróbka powierzchni tkaniny zmniejszają moduł w porównaniu z oryginalnym laminatem tkanym. Wytrzymałość mechaniczna BFRP w porównaniu z kompozytami wzmocnionymi włóknem szklanym typu E okazała się lepsza.

Wyniki TGA pokazano na ryc.  3a, b dowodzą, że włókna bazaltowe mają doskonałą stabilność termiczną. Ubytek masy próbki BF był mniejszy niż 1% w górnej granicy temperatury 1000°C. Obecność włókien bazaltowych zmodyfikowała temperaturę degradacji żywicy epoksydowej o prawie 100°C. Nominalną zawartość włókien w kompozytach obliczono z pozostałości masowych próbek. Pozostałość masowa próbek tkanin wynosiła 43,15%, natomiast włókien ciętych i zmielonych odpowiednio 32,37% i 30,92%. Jest to zbliżone do teoretycznej zawartości włókna, które zostało użyte podczas mieszania mieszanki. Zgodnie z krzywymi DTGA degradacja zwykłej żywicy epoksydowej rozpoczyna się powyżej 200°C, a szczyt szybkości degradacji następuje przy 350°C. Włókna bazaltowe zmniejszają intensywność degradacji termicznej o 30–60% i poprawiają stabilność termiczną materiałów kompozytowych do około 300°C. Piki krzywych DTGA przesuwają się w kierunku wyższych temperatur w porównaniu z czystą żywicą epoksydową ze względu na niższą zawartość żywicy w kompozytach. Różne typy konstrukcji wzmacniających mają prawie taki sam wpływ na zachowanie termiczne BFRP (tabela 1).2 ).

Ryc. 3

a TG i b krzywe DTG próbek przygotowanych z próbek kompozytu epoksydowego wzmocnionego włóknem bazaltowym. BF, zwykłe włókno bazaltowe; M30, mielone włókno bazaltowe; C30, siekane włókno bazaltowe; WF6, tkanina; EP, zwykła żywica epoksydowa

Tabela 2 Dane uzyskane z krzywych TG i DTG BF, M30, C30, WF6, EP

Od: Potencjalne zastosowania kompozytów z włókien bazaltowych w osłonach termicznych

Nazwa T-5%/°C T-50%/°C dTG maks. /%/°C TdTG maks. /°C
BF 0,01 282,5
M30 256,8 433,2 0,88 328,4
C30 246,3 464.1 0,70 321,9
WF6 258.1 519,4 0,51 332,4
EP 188,2 365,3 1.24 356,6
  1. T-5%, temperatura przy 5% ubytku masy; T-50%, temperatura przy 50% ubytku masy; dTGmax, maksymalna szybkość utraty masy; TdTGmax, temperatura należąca do maksymalnej szybkości ubytku masy

DMA wykorzystano do badania właściwości termomechanicznych utwardzonych sieci epoksydowych, co pozwoliło na ocenę następujących parametrów lepkosprężystych: modułu zachowawczego (E’), modułu stratności (E ″) oraz mechanicznego współczynnika stratności (tan  δ ). Moduł zachowawczy i wartości tan δ M30, C30, WF6, H2ST i odniesienia EP pokazano na ryc.  4. Moduł zachowawczy kompozytów wzmacnianych włóknem wykazywał znacznie wyższe wartości niż referencyjnej żywicy epoksydowej poniżej 80°C. Najwyższy moduł zachowawczy osiągnął laminat hybrydowy H2ST, ponieważ oprócz tkanych tkanin wzmacniających zawierał włókna mielone, a włókna zostały poddane obróbce. Wyraźnie potwierdza, że ​​wstępna obróbka włókien bazaltowych przed formalną modyfikacją powierzchni jest niezbędna. Próbki M30 i C30 z krótkimi włóknami charakteryzowały się nieco wyższym modułem zachowawczym w porównaniu z żywicą epoksydową, chociaż nie było między nimi znaczącej różnicy. Ponadto temperaturę zeszklenia ( Tg ) określono na podstawie piku  krzywych tan δ . Zauważono, że Tgwartości WF6 (77,73°C), C30 (81,37°C) i H2ST (82,16°C) były niższe niż czystego EP (82,24°C). Może to być związane ze zmianą gęstości usieciowania pod wpływem włączenia włókna bazaltowego. Jednak obecność zmielonych włókien w M30 zwiększyła Tg do 87,11 °C Podobnie temperatura zeszklenia H2ST była wyższa niż WF6, ponieważ laminat hybrydowy zawierał również zmielone włókna. Mechanizm tego zjawiska nie jest jeszcze wyjaśniony i wymaga kompleksowego zbadania w przyszłości.

Ryc. 4

Dynamiczne mechaniczne zachowanie termiczne kompozytów z włókien bazaltowych na bazie epoksydów: a Wykresy modułu zachowawczego w funkcji temperatury; b wykresy tan δ w funkcji temperatury

Szybkość spalania badanych próbek podsumowano w tabeli 3 . Włókna mielone charakteryzowały się najniższą szybkością spalania, podczas gdy włókna ciągłe charakteryzowały się najwyższą szybkością palenia podczas poziomych prób palenia. Zjawisko to można wytłumaczyć tzw. efektem knota świecy, powszechnym wśród struktur wzmacniających tkaniny. Udało nam się zmniejszyć szybkość spalania, stosując zmielone włókna między warstwami tkaniny. W konstrukcjach hybrydowych rozprzestrzenianie się płomienia było wolniejsze.

Tabela 3 Reakcja na ogień próbek kompozytu BFRP

Wyniki testu ognia odrzutowego monitorowanego kamerą termowizyjną (ryc.  5 ) pokazują, że zmielone i pocięte włókna zapewniają doskonałą ochronę przed uderzeniem ognia, ponieważ osłona termiczna jest w tych przypadkach najbardziej skuteczna. Podczas gdy odporność na ciepło poprawiała się wraz ze wzrostem udziału masowego włókien zmielonych włókien bazaltowych, włókna cięte dawały podobne wyniki, niezależnie od zawartości włókien. Struktury hybrydowe zapewniały lepszą ognioodporność niż tkaniny. Po pierwsze, maksymalne temperatury (tab 3) osiągnęły niższe wartości w porównaniu z maksymalną temperaturą WF6. Po drugie, zmielone włókna utrudniały rozprzestrzenianie się płomieni między warstwami, a po usunięciu pożaru odrzutowego ogień przestał się rozprzestrzeniać i został ugaszony przez konstrukcję, pozostawiając mniejszy obszar penetracji. Obróbka powierzchniowa włókien poprawiła odporność na penetrację ognia odrzutowego. Poddane obróbce kompozyty hybrydowe osiągnęły niższe temperatury maksymalne i mniejsze obszary penetracji. Obrazy z kamery termowizyjnej przedstawiono na rys.  6pokazują, że zmielone włókna w próbce M30 są skutecznymi izolatorami, a dotknięty obszar próbki jest mniejszy niż 10%. Dla porównania, dotknięty obszar próbek WF6ST i H1ST wynosi około 50%. Dotknięty obszar struktury hybrydowej H1ST jest mniejszy, a szybkość spalania jest mniejsza dzięki skutecznej izolacji międzywarstwowych zmielonych włókien. W efekcie zastosowanie systemu hybrydowego poprawia właściwości ogniochronne kompozytu BFRP.

Ryc. 5

Temperatura mierzona na tylnej stronie ognia odrzutowego penetrowała próbki kompozytu BFRP

Ryc. 6

Zdjęcia z kamery termowizyjnej wykonane przy maksymalnych zmierzonych temperaturach

Wnioski

Podsumowując, kompozyty zbrojone włóknami bazaltowymi mają nie tylko doskonałe właściwości mechaniczne, ale także wyjątkową ognioodporność, dzięki czemu idealnie nadają się na bezpieczne elementy konstrukcyjne. Podczas gdy ciągłe włókna bazaltowe zapewniają doskonałe właściwości zginania, na przykład moduł sprężystości przy zginaniu 15,54 GPa i wytrzymałość 336,4 MPa, zastosowanie krótkich włókien zwiększa izolację termiczną i odporność na ciepło. Kompozyty hybrydowe łączą te korzystne właściwości, tworząc nośne, odporne na ciepło struktury. Krótkie włókna między tkanymi warstwami zmniejszyły liniową szybkość spalania nawet o 18,7% i mogły osiągnąć niską prędkość rozprzestrzeniania się płomienia, porównywalną z próbkami włókien ciętych. Gradient temperatury i maksymalne temperatury w teście uderzenia ognia odrzutowego można znacznie zmniejszyć. Zastosowanie krótkich włókien bazaltowych w powłokach mogłoby dać ten sam efekt w przypadku innych materiałów kompozytowych. Ponieważ komponenty BFRP rozprzestrzeniają się w branży budowlanej, można przeprowadzić dalsze testy mechaniczne materiałów kompozytowych BFRP na ogień i podwyższoną temperaturę, biorąc pod uwagę odpowiednie normy, takie jak lokalne normy ÉMI (Organizacja Non-profit ds. Kontroli Jakości i Innowacji w Budownictwie). Nowatorskie testy ognia odrzutowego można udoskonalić, a testy przeprowadzone na większych próbkach mogłyby zapobiec omijaniu przez płomienie krawędzi płyt. Chociaż TGA udowodnił, że włókna bazaltowe nie ulegają degradacji w wysokich temperaturach, zależność właściwości mechanicznych BRFP od temperatury może dostarczyć dalszych informacji na temat stabilności termicznej BFRP. Organiczne dodatki uniepalniające pochodzące z naturalnych źródeł mogą poprawić ognioodporność kompozytów i znacznie poprawić wydajność podczas testów UL-94. Precyzję pomiarów temperatury można zweryfikować poprzez zastosowanie termopar wewnątrz laminatów.