AVALIAÇÃO DA TENSÃO MECÂNICA DE TRAÇÃO DURANTE O PROCESSO DE ESTABILIZAÇÃO/OXIDAÇÃO TÉRMICA DE FIBRAS DE POLIACRILONITRILA PRECURSORA E TÊXTIL

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1 AVALIAÇÃO DA TENSÃO MECÂNICA DE TRAÇÃO DURANTE O PROCESSO DE ESTABILIZAÇÃO/OXIDAÇÃO TÉRMICA DE FIBRAS DE POLIACRILONITRILA PRECURSORA E TÊXTIL Rick Hunter Buachak Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos Jossano Saldanha Marcuzzo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Mauricio Ribeiro Baldan Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Heide Heloise Bernardi Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos Av. Jorge Zarur, 231 Vila Ema São José dos Campos SP CEP

2 RESUMO A indústria de materiais busca por materiais com características mecânicas superiores às das ligas metálicas. Compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de carbono possuem essas características. Porém, as fibras de carbono obtidas a partir de fibras precursoras de poliacrilonitrila são de elevado custo. Um meio de contornar essa situação é substituir as fibras precursoras por fibras têxteis. Entretanto, não se sabe quais características que serão apresentadas por fibras de carbono de origem têxtil, portanto, um estudo nessa área é necessário para se entender melhor o que pode ser obtido com essas fibras. Para isso foram processados dois tipos de fibras têxteis fibras têxteis e foram comparadas com as fibras precursoras. Para tal, foram realizados a medição da massa específica das amostras, além da realização de ensaios de tração, e comparadas as amostras entre si. Como resultado, foi verificado que as fibras têxteis têm potencial de serem utilizadas na fabricação de fibras de carbono, especialmente, quando empregadas tensões relativamente altas no mesmo processo. Palavras-chave: poliacrilonitrila, tração, fibras, carbono, textil. 8651

3 1 INTRODUÇÃO A indústria de materiais busca por materiais com características mecânicas superiores às das ligas metálicas mais rígidas e resistentes mecanicamente como os aços em geral. Compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de carbono (FC) possuem essas características, portanto são excelentes candidatos a substitutos dos aços 1,2. Comumente, FC são fabricadas a partir da oxidação/estabilização e, posteriormente, pirólise de uma fibra precursora inicial fiada a partir do polímero poliacrilonitrila (PAN). A pirólise é a responsável por expulsar os átomos que não sejam de Carbono da estrutura polimérica da fibra. Para tal, a oxidação é necessária para preservar a estrutura polimérica carbonosa da fibra inicial durante a pirólise. No entanto, as FC obtidas a partir de fibras PAN precursoras são de elevado custo, portanto, uma forma de diminuir esse custo é substituindo a fibra PAN precursora por fibra PAN 3. Porém, não se sabe exatamente quais são as características mecânicas apresentadas pelas FC de origem têxtil, portanto, um estudo nessa área é requerido para avaliar a proposta da substituição de fibras PAN precursoras por fibras PAN têxteis. Assim, este trabalho trata a etapa inicial do processo de conversão das fibras PAN em FC, ou seja, a etapa de oxidação/estabilização 3. Essa etapa consiste do aquecimento gradativo e controlado das fibras PAN em fornos com atmosfera oxidante até uma temperatura ideal de trabalho. Elas permanecem em tal temperatura por um período de tempo até que a oxidação desejada seja obtida. Além, durante o processo de oxidação, as fibras PAN são tracionadas sob uma tensão ideal, ou seja, uma tensão que favoreça mais intensamente a oxidação das fibras. Assim, ajustar a tensão de tração é crucial para se obter oxidação adequada das fibras PAN de modo que sejam convertidas em FC posteriormente. Portanto, o objetivo deste trabalho é avaliar os efeitos que a tensão provoca nas fibras PAN durante a oxidação das mesmas. 8652

4 2 MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho, foram separadas amostras de fibras PAN precursoras e de fibras PAN têxteis obtidas pelo processo de fiação via úmida e via seca 4,5. Cada amostra consiste de um feixe de fibras com milhares de filamentos. As amostras foram separadas de modo que possuam massas e comprimentos semelhantes entre si, portanto, é presumível que tenham áreas de seção transversal semelhantes também. Além, foram aplicadas tensões diferentes entre si para cada tipo de fibra PAN. As tensões foram geradas através da aplicação de forças axiais às amostras. Isto foi possível através da fixação de massas à uma das extremidades da amostra, enquanto que, a outra extremidade é fixada no interior do forno. Partindo da tensão de tração de 0,2 MPa, foram executadas as oxidações das fibras PAN com a aplicação de tensões crescentes de 1,61 MPa a cada amostra a ser oxidada até uma tensão em que ocorresse a ruptura das fibras durante o próprio processo de oxidação. Assim, as fibras PAN foram aquecidas até a temperatura de 250 C e o período de tempo total de exposição ao calor foi de 2 horas. Para avaliar as características apresentada pela FC obtida a partir da fibra PAN têxtil, foi mensurado o grau de oxidação através do ensaio de massa específica por picnometria de gás Hélio. Além, foi mensurado a tensão média de ruptura dos filamentos de cada amostra através de ensaio de tração monofilamento. Os ensaios foram realizados para amostras oxidadas e não oxidadas de fibras têxteis e fibras precursoras. A oxidação e os ensaios realizados com a fibra precursora serviram de referência para análise dos resultados. 8653

5 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Ao todo, foram oxidadas 21 amostras fibras PAN (7 de cada tipo de fibra PAN). Como já mencionado, 3 amostras de fibras PAN não oxidadas foram ensaiadas também com o propósito de servir de referências para a análise dos resultados. A oxidação promove a incorporação de massa de oxigênio às amostras e, consequentemente, variações da massa específica das amostras são obtidas. Essa variação de massa específica revela a eficiência do processo de oxidação das fibras PAN, pois aponta para as propriedades termoquímicas das fibras PAN oxidadas necessárias para a pirólise das mesmas (conversão em FC). As massas específicas das amostras oxidadas e não oxidadas são apresentadas pela Tabela 1. Tabela 1 Massa específica e Tensão de ruptura em função da tensão de oxidação. Tipo de fibra PAN Tensão de oxidação [MPa] Massa específica [g/cm³] Tensão de ruptura [Pa] Precurs ora - 1, ,28 Precurs ora 0,20 1, ,04 Precurs ora 1,61 1, ,76 Precurs ora 3,22 1, ,13 Precurs ora 4,83 1, ,07 Precurs ora 5,64 1, ,33 Precurs ora 6,45 1, ,76 Precurs ora 8,06 1, ,83 Via úmida - 1, ,12 Via úmida 0,20 1, ,92 Via úmida 1,61 1, ,37 Via úmida 3,22 1, ,37 Via úmida 4,83 1, ,04 Via úmida 5,64 1, ,63 Via úmida 6,45 1,3904 * Via úmida 8,06 1,3442 * Via seca - 1, ,30 Via seca 0,20 1, ,21 Via seca 1,61 1, ,00 Via seca 3,22 1, ,52 Via seca 4,83 1, ,18 Via seca 5,64 1, ,92 Via seca 6,45 1, ,86 Via seca 8,06 1,2489 * * fibras rompidas antes do término da oxidação Fonte: Autor (2018). Perepelkin 6 relata em seu trabalho que a massa específica de uma fibra PAN suficientemente oxidada para ser submetida à posterior pirólise deve estar entre 1,

6 g/cm3 e 1,4 g/cm3. Nesse caso, a Tabela 1 aponta que massas específicas desejáveis foram obtidas com a aplicação de 6,45 MPA para oxidação das fibras PAN precursoras e têxteis via seca. Isso já não ocorre satisfatoriamente para a fibra PAN via úmida oxidada, pois das amostras que não romperam durante o processo de oxidação, a que mais se aproxima do intervalo de massa específica proposta por Perepelkin 6 é a amostra oxidada sob a tensão de 5,64 MPa. Ao se oxidar as fibras PAN, é esperado que as mesmas tenham os valores de suas propriedades mecânicas diminuídas. Dessa forma, é importante comparar as propriedades mecânicas das fibras PAN têxteis oxidadas com as das fibras PAN precursoras oxidadas, especialmente, a resistência mecânica à ruptura (Tensão de ruptura). Assim, dentre as fibras PAN satisfatoriamente oxidadas, através de uma análise para fibra PAN têxtil via úmida oxidada, é perceptível que a mesma é 31 % menos resistente mecanicamente à ruptura quando comparada à fibra PAN precursora oxidada sob a tensão de 5,64 MPa. Já para o caso da fibra PAN têxtil via seca oxidada, a mesma é 10 % mais resistente que a fibra PAN precursora oxidada sob a tensão de 6,45 MPa. 8655

7 4 CONCLUSÕES Tratando do objetivo deste trabalho, pode-se dizer que as tensões de tração mais próximas das tensões de ruptura dos respectivos tipos de fibras são mais favoráveis na obtenção de fibras PAN melhor oxidadas, ou seja, favorecem um grau de oxidação adequado para as fibras PAN de modo que possam ser convertidas em FC. Portanto, o intervalo de tensões de tração ideal para serem empregadas no processo de oxidação das fibras PAN é entre 5,64 MPa e 6,45 MPa. Assim, com esses resultados, pode-se concluir que as fibras PAN têxteis oxidadas possuem o potencial necessário para serem convertidas em FC, especialmente, quando empregada o intervalo de tensão ideal durante o processo de oxidação das mesmas. Como outro resultado paralelo obtido, de modo geral, as fibras PAN têxteis via seca oxidadas são mais resistentes mecanicamente que as fibras PAN têxteis via úmida oxidadas, inclusive, mais resistentes que as fibras PAN precursoras oxidadas. Isto é um excelente indicador que as fibras têxteis possam ser convertidas em FC e apresentar características e propriedades mecânicas muito similares ao das FC obtidas a partir de fibras PAN precursoras. 8656

8 REFERÊNCIAS 1 MIGUEL, José A.. Associação Brasileira de Carbono. Entrevista do Presidente da Associação Brasileira de Carbono Disponível em: < g.br/br_nentrevista1.html>. Acesso em: 26 mar ZANATTA, Rodrigo. Aviação.org. Materiais Compósitos na Aviação: Os materiais que prometem reduzir o peso e o consumo das aeronaves modernas Disponível em: < Acesso em: 26 mar CARVALHO, Rosangela M. de; KUBOTA, Lauro T.; ROHWEDDER, Jarbas J.. Fibras de carbono: Aplicações em eletroanalítica como material eletródico Disponível em: < Acesso em: 26 mar BRITO JÚNIOR, Carlos A. R. et al. Poliacrilonitrila: Processos de Fiação Empregados na Indústria. Polímeros. São Carlos, p jan Disponível em: < Acesso em: 26 mar ALVES, Nilton P.; BRITO JÚNIOR, Carlos A. R.; GARCIA, Elson. Um novo material de grande potencial tecnológico obtido com glicerina de biodiesel Disponível em: < Acesso em: 26 mar PEREPELKIN, K. E.. Oxidized (Cyclized) Polyacrylonitrile Fibres: Oxypan. A Review. Fibre Chemistry, [s.l.], v. 35, n. 6, p , Disponível em: < oi.org/ /b:fich >. Acesso em: 26 mar

9 ABSTRACT The materials industry looks for materials with mechanical characteristics superior to those of metal alloys. Polymer matrix composites reinforced with carbon fiber have these characteristics. However, the carbon fibers obtained from polyacrylonitrile precursor fibers are of high cost. One way around this is to replace the precursor fibers with textile fibers. However, it is not known what characteristics will be presented by carbon fibers of textile origin, therefore, a study in this area is necessary to better understand what can be obtained with these fibers. For this, two types of textile fibers were processed textile fibers and were compared with the precursor fibers. For that, the measurement of the specific mass of the samples was carried out, in addition to carrying out tensile tests, and comparing the samples with each other. As a result, it has been found that textile fibers have the potential to be used in the manufacture of carbon fibers, especially when relatively high tensions are employed in the same process Keywords: polyacrylonitrile, traction, fibers, carbon, textile. 8658