Fibra de Carbono e Produção PAN

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Fibra de Carbono
1. Escreva uma nota curta sobre fibra de carbono.
A primeira fibra de carbono para uso comercial foi fabricada por Thomas Edison
Edison fez fibra de carbono a partir de fibras de bambu
"O termo 'fibras de carbono' é usado tanto para fibras de carbono quanto para fibras de grafite."
- O conteúdo de carbono em fibras de carbono é de cerca de 80-90 % e em fibras de grafite o conteúdo de carbono é
em excesso de 99%.
O diâmetro da fibra varia de 4 a 10 micrômetros (finessa em torno de 0,4 ktex)
As fibras de carbono mais fortes são dez vezes mais fortes que o aço e oito vezes mais fortes que o alumínio.
Mais de 90 por cento de todas as fibras de carbono comerciais são produzidas pela conversão térmica de
Fibras precursoras de PAN.
- Precursor: É um composto químico rico em carbono, usado como matéria-prima para pirólise.
O maior produtor de fibra de carbono é a Toray Industries do Japão.
As fibras de carbono são fabricadas pela pirólise controlada de precursores orgânicos em forma fibrosa.
A pirólise é um tratamento térmico do precursor que remove o oxigênio, nitrogênio e hidrogênio para
fibras de carbono.
As fibras de carbono são geralmente combinadas com outros materiais para formar um composto.
Fibra de carbono é frequentemente fornecida na forma de um fio contínuo
A mecha é um feixe de milhares de filamentos de carbono individuais contínuos mantidos juntos.
- Significativamente mais caro do que fibras de vidro
- Entre os vários precursores avaliados para a fabricação de fibras de carbono, apenas os seguintes três
precursors- are commercially successful. 1. Viscose rayon 2. Pitch and 3. Polyacrylonitrile (PAN)
fibras
A fiação úmida é utilizada para produzir quase todas as fibras precursoras comerciais.
- Os precursores de PAN utilizados para a produção de fibras de carbono são conhecidos como fibras acrílicas especiais (SAF)
-A elongação% na ruptura da fibra de carbono é inferior a 1,5%
-As fibras de carbono derivadas do poliacrilonitrilo (PAN) são turbostráticas (as camadas aromáticas estão dispostas de forma aleatória)
orientados uns para os outros), enquanto as fibras de carbono derivadas do pitch mesofásico são grafíticas.
- As fibras de carbono turbostráticas tendem a ter alta resistência à tração, enquanto as derivados de breu tratadas termicamente
as fibras de carbono têm alto módulo de Young (ou seja, alta rigidez ou resistência à extensão sob carga)
e alta condutividade térmica.
-
Fibra de Carbono
2. Como as fibras de carbono são feitas a partir do precursor de PAN? Explique detalhadamente.
As fibras de carbono à base de PAN são produzidas através das seguintes etapas, com as mudanças em
químico
estrutura durante o processo:
1. Fiação úmida
2. Alongamento a uma temperatura elevada
3. Estabilização a 200–300 °C
4. Carbonização a 1000–1500 °C
5. Grafitização opcional a 2000–3000°C
Aqui está uma sequência típica de operações usadas para formar fibras de carbono a partir de poli( acrilonitrila )
(PAN):
Ciclismo indoor
O passo de torção é importante porque a estrutura atômica interna da fibra é formada
durante este processo. As fibras são então lavadas e esticadas até o diâmetro desejado da fibra.
O alongamento ajuda a alinhar as moléculas dentro da fibra e fornece a base para o
formação dos cristais de carbono fortemente ligados após a carbonização.
Estabilizando
Antes que as fibras sejam carbonizadas, elas precisam ser quimicamente alteradas para converter sua linearidade.
ligação atômica para uma ligação de escada mais termicamente estável. Isso é conseguido pelo aquecimento
as fibras no ar a cerca de 200-300° C por 30-120 minutos. Isso faz com que as fibras absorvam
moléculas de oxigênio do ar e reorganizar seu padrão de ligação atômica. A estabilização
As reações químicas são complexas e envolvem várias etapas, algumas das quais ocorrem
simultaneamente. Eles também geram seu próprio calor, que deve ser controlado para evitar
superaquecendo as fibras. Comercialmente, o processo de estabilização utiliza uma variedade de equipamentos
e técnicas. Em alguns processos, as fibras são puxadas através de uma série de câmaras aquecidas.
Em outros, as fibras passam por rolos quentes e através de camadas de materiais soltos mantidos em
suspensão por um fluxo de ar quente. Alguns processos utilizam ar aquecido misturado com certos gases que
acelerar quimicamente a estabilização.
Carbonização:
Uma vez que as fibras são estabilizadas, elas são aquecidas a uma temperatura de cerca de 1.000-3.000 °C para
vários minutos em um forno cheio de uma mistura gasosa que não contém oxigênio.
Sem oxigênio, a fibra não pode queimar. Em vez disso, a alta temperatura faz com que os átomos na
fibra para vibrar violentamente até que a maioria dos átomos não-carbono sejam expelidos na forma de
vários gases, incluindo vapor d'água, amônia, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio,
nitrogênio. Este processo é chamado de carbonização.
A pressão do gás dentro do forno é mantida mais alta do que a pressão do ar externo. À medida que o não-
átomos de carbono são expelidos, os átomos de carbono restantes formam cristais de carbono fortemente ligados
que estão alinhadas mais ou menos paralelas ao eixo longo da fibra. Em alguns processos, dois
fornos operando a duas temperaturas diferentes são utilizados para melhor controlar a taxa de aquecimento
durante a carbonização. Gases inertes e meios não oxidantes, como HCl, BBr , ZnO etc.3
têm sido usados para evitar a degradação oxidativa a tão altas temperaturas.
Processo de Grafitização:
Esta etapa envolve aquecer a fibra carbonizada sob tensão a cerca de 1200-3000 °C em um
atmosfera inerte. Isso leva a um aumento no tamanho e alinhamento dos cristais de grafite.
resultando em propriedades mecânicas aprimoradas.
O nitrogênio não pode ser usado como meio inerte porque acima de 2000 °C ele se torna ativo e
forma cianogênios ao reagir com fibras de carbono.
Fibra de Carbono
Tratando a superfície:
Para dar às fibras melhores propriedades de ligação para a produção de compósitos, sua superfície é
ligeiramente oxidado. A adição de átomos de oxigênio à superfície fornece uma melhor química
propriedades de adesão e também rugosidade a superfície para melhores propriedades de adesão mecânica.
A oxidação pode ser alcançada imergindo as fibras em vários gases, como ar, carbono
dióxido, ou ozônio; ou em vários líquidos como hipoclorito de sódio ou ácido nítrico.
Pequenos defeitos de superfície chamados de buracos devem ser evitados com atenção cuidadosa durante o tratamento de
superfícies.
Dimensionamento:
Após o tratamento de superfície, as fibras são revestidas para protegê-las de danos durante
enrolamento ou tecelagem. Este processo é chamado de dimensionamento. Materiais de revestimento típicos incluem epóxi,
poliéster, nylon, urethane e outros.
As fibras revestidas são enroladas em cilindros chamados carretéis. Os carretéis são carregados em um
máquina de fiar e as fibras são torcidas em fios de vários tamanhos.
Fibra de Carbono
3. Dê as classificações da fibra de carbono.
Com base no módulo, resistência e temperatura final de tratamento térmico, as fibras de carbono podem ser classificadas.
nas seguintes categorias:
1. Com base nas propriedades da fibra de carbono:
a) Ultra-alta rigidez, tipo UHM (módulo >450GPa)
b) Alto módulo, tipo HM (módulo entre 350-450 GPa)
c) Módulo intermediário, tipo IM (módulo entre 200-350 GPa)
d) Baixo módulo e alta resistência, tipo HT
(módulo 3,0GPa)
e) Super alta tensão, tipo SHT (resistência à tração > 4.5GPa)
2. Com base na temperatura final de tratamento térmico:
-Tipo I, fibras de carbono de tratamento térmico de alta temperatura (HTT), onde a temperatura final de tratamento térmico
deve ser acima de 2000�C e pode ser associado a fibras do tipo de alto módulo.
Fibras de carbono de tipo II, tratamento térmico intermediário (IHT), onde o tratamento térmico final
a temperatura deve estar emtorno ou acima de 1500�C e pode ser associado a alta resistência
tipo fibra.
- Tipo III, fibras de carbono de baixo tratamento térmico, onde as temperaturas finais de tratamento térmico não são superiores
mais de 1000�C. Estes são materiais de baixo módulo e baixa resistência.
4. Por que a estabilização é necessária antes da carbonização?
A estabilização térmica do precursor de PAN é o passo mais crucial na produção de carbono.
fibras. Ele converte o precursor de PAN em uma estrutura termicamente estável capaz de suportar altas
o processamento de temperatura em etapas subsequentes. A estabilização do precursor pode ser realizada
seja por tratamento térmico em atmosfera inerte ou oxidante. A estabilização em atmosfera inerte é
mais rápido e produz fibras de carbono com propriedades mecânicas fracas. No entanto, a estabilização em
a atmosfera de ar/oxigênio leva mais tempo para completar a reação de ciclanização e produz fibras de carbono
com boas propriedades mecânicas.
A química de estabilização é complexa e na presença de oxigênio é acompanhada por uma cadeia
divisão, entrelaçamento, desidroginização, formação de grupos contendo oxigênio e cicloadição
ocorrer. As reações químicas são responsáveis pela mudança na cor da fibra precursora para
amarelo, marrom e, finalmente, preto.
5. Escreva as aplicações da fibra de carbono.
1. Força física, resistência específica, peso leve
2. Alta estabilidade dimensional, baixo coeficiente de
expansão térmica e baixa abrasão
Aeroespacial, transporte rodoviário e marítimo, artigos esportivos
Mísseis, freios de aeronaves, antena aeroespacial e estrutura de suporte,
grandes telescópios
3. Boa amortecimento de vibrações, resistência e tenacidade
4. Condutividade elétrica
Equipamentos de áudio, alto-falantes para equipamentos Hi-fi, braços de pickup,
braços robóticos
Capôs de automóveis, ferramentas novas, invólucros e bases para eletrônicos
equipamentos, blindagem EMI e RF, escovas
5. Inércia biológica e permeabilidade aos raios X
Aplicações médicas em próteses, cirurgia e equipamentos de raios-X,
implantes, reparo de tendão/ligamento
6. Resistência à fadiga, autolubrificação, alta amortização
7. Inércia química, alta resistência à corrosão
Máquinas têxteis, engenharia geral
Indústria química; campo nuclear; válvulas, selos