Como fazer fibra de carbono?

A fibra de carbono, composta por combinações de materiais diferentes (fibra e resina), tem sua variabilidade e, portanto, sua adaptabilidade, como elementos centrais para seu charme. Como substituto do metal, os compósitos de fibra de carbono oferecem dez vezes a resistência do aço. Os fabricantes de fibra de carbono criam produtos semelhantes, mas não idênticos. A fibra de carbono varia em módulo de tração (ou rigidez, definida como deformação sob tensão) e resistência à tração, compressão e fadiga.

A fibra de carbono baseada em PAN está disponível atualmente em módulo baixo (menos de trinta e dois milhões de lbf/in² ou Msi), módulo padrão (33 a trinta e seis Msi), módulo intermediário (40 a cinquenta Msi), módulo alto (50 a setenta Msi) e módulo ultra-alto (70 a cento e quarenta Msi).
Em termos mais simples, a fibra de carbono é criada pela transferência de uma fibra precursora orgânica em uma atmosfera inerte a temperaturas superiores a 982,22 °C (1800 °F). A fabricação de fibra de carbono, no entanto, é um empreendimento avançado.

fibra de carbono

Polimerização e Fiação

Polimerização

O processo começa com uma matéria-prima composta química, denominada precursor, que contém a estrutura molecular da fibra. Hoje, cerca de 100% da fibra de carbono produzida é feita de tecido ou precursores à base de piche, mas a maior parte vem de poliacrilonitrila (PAN), fabricada a partir de nitrito, e o nitrito vem dos produtos químicos industriais propano e amônia.

Normalmente, a formulação precursora começa com um composto de nitrito associado que é combinado em um reator com um co-monômero acrílico plastificado e um catalisador como ácido, dióxido, óleo de vitríolo ou ácido. A combinação contínua permite que os ingredientes se misturem, garantindo consistência e pureza, e iniciando a formação de radicais livres na estrutura molecular do nitrito. Essa modificação resulta em um processo químico que produz polímeros de cadeia longa que formam as fibras acrílicas. Detalhes do processo químico, como temperatura, atmosfera, co-monômeros específicos e catalisadores, são patenteados. Após a lavagem e secagem, o nitrito em pó é dissolvido em um solvente orgânico como sulfeto de etila monossódico (DMSO), dimetilacetamida (DMAC) ou dimetilformamida (DMF), ou em um solvente líquido, como cloreto de alquila e sais de rodamina. Os solventes orgânicos ajudam a evitar a contaminação por partículas metálicas residuais, que podem prejudicar a estabilidade aerófila térmica do processo e atrasar o desempenho térmico da fibra acabada. Nesta fase, a suspensão de pó e solvente, ou "revestimento" precursor, é a consistência do xarope. A seleção do solvente e o grau de controle da viscosidade do revestimento (por meio de filtração profunda) são vitais para o sucesso das próximas etapas de formação das fibras.
Fiação
As fibras de PAN são formadas por um método chamado fiação úmida. O revestimento é imerso em um banho de processo natural líquido e extrudado através de um orifício em uma fieira feita de material precioso. A passagem é ajustada ao número necessário de filamentos da fibra de PAN (por exemplo, 12.000 orifícios de fibra de carbono 12K). Essa fibra fiada a úmido, relativamente espessa e quebradiça, é passada por um rolo para remover o excesso de agente, depois seca e esticada para manter a orientação do composto de PAN. Aqui, a forma e a seção transversal interna dos filamentos são determinadas pela extensão em que o solvente e o agente selecionados penetram nas fibras precursoras, pela quantidade de tensão aplicada e pelo alongamento dos filamentos. Este último é exclusivo de cada fabricante. Uma alternativa à fiação úmida pode ser um método combinado chamado jateamento a seco/fiação úmida, que utiliza um espaço de ar vertical entre as fibras e o banho de processo natural. Isso resulta em uma fibra de PAN esférica e elegante que aprimora a interface fibra/matriz de resina dentro do compósito. A etapa final na formação das fibras precursoras de PAN é o uso de óleos de acabamento para impedir a aglomeração de filamentos viscosos. As fibras de PAN brancas são então secas novamente e enroladas em um carretel.
forno de oxidação de fibra de carbono

Oxidação e Carbonização

Oxidação

Essas bobinas são carregadas na cesta e, durante a fase mais longa de produção, a oxidação, as fibras de PAN são alimentadas por uma série de fornos dedicados. Antes de entrarem no eletrodoméstico principal, as fibras de PAN são acondicionadas em uma estopa ou folha chamada urdume. A temperatura da câmara varia de aproximadamente 200 °C (392 °F) a 300 °C (572 °F).

Para evitar o descontrole do calor (entalpia estimada de descontrole durante a oxidação, calculável em 2.000 kJ/quilograma, o que representa o verdadeiro risco de incêndios), os fabricantes de eletrodomésticos utilizam uma variedade de tipos de fluxo de ar para ajudar a dissipar o calor e controlar a temperatura. Impulsionado por um precursor químico específico, o tempo de oxidação é totalmente diferente, mas Littler estima que o fio de 24K será alterado a uma taxa de aproximadamente 43 pés por 13 metros por minuto em uma linha de grande porte com múltiplos fornos de oxidação. Finalmente, as fibras de PAN alteradas (estabilizadas) contêm de cerca de 500 a 650 moléculas de carbono, sendo o restante gás, uma mistura de nitrogênio e oxigênio.
Carbonização
A carbonização ocorre em uma atmosfera inerte (isenta de oxigênio) em uma série de fornos especialmente projetados, aumentando gradativamente a temperatura do processo. No corpo d'água e na saída de cada câmara, a câmara de beneficiamento impede a intrusão de O, pois cada molécula de O que passa pelo eletrodoméstico remove uma pequena parte das fibras. Isso pode evitar a perda de carbono gerada em tal temperatura. Na ausência de O, apenas moléculas não carbonosas, incluindo compostos orgânicos voláteis (estabilizados a um nível de 40 a 80 ppm) e partículas (como fragmentos de fibras parcialmente depositados) são removidos e descarregados do eletrodoméstico para pós-tratamento em um forno com controle ambiental. A carbonização começa em uma câmara de temperatura, transferindo as fibras para 1292 °F (aproximadamente 700 °C) a 1472 °F (700 °C a 800 °C) e terminando em uma câmara de aquecimento de 2192 °F (aproximadamente 1.200 °C) a 2732 °F (aproximadamente 1.500 °C). O número de câmaras é determinado pelo módulo necessário na fibra de carbono; o preço relativamente alto das fibras de carbono de alto e moderado módulo alto se deve, em parte, à continuidade e à temperatura que devem ser alcançadas pelo forno de aquecimento. Embora a continuidade seja patenteada e cada grau de fibra de carbono seja completamente diferente, a continuidade da oxidação é calculada em horas, porém a taxa de carbonização é reduzida em uma ordem de magnitude em minutos. Uma vez que a fibra muda de estado, ela reduz o peso e o volume, encurta o comprimento em 5 a 100% e reduz o diâmetro. De fato, a relação quantitativa de conversão do precursor de PAN para a fibra de carbono PAN é de aproximadamente 2:1 e a capacidade de deslocamento é menor do que a de um par — ou seja, muito menos material entra no processo. Esse método combina moléculas de O do ar com fibras de PAN dentro da urdidura e inicia a reticulação das cadeias compostas. Isso aumenta a densidade da fibra de ~1,18 g/cm³ para 1,38 g/cm³.
Carbonização de fibra de carbono

Tratamento de superfície e dimensionamento

Tratamento de superfície e dimensionamento
A próxima etapa é essencial para o desempenho da fibra e, além dos precursores, distingue melhor o produto de um fornecedor do produto da concorrência. A adesão entre o composto orgânico da matriz e as fibras de carbono é essencial para o reforço do compósito; durante o processo de produção da fibra de carbono, é realizado um tratamento de superfície para aumentar essa adesão.

Os fabricantes utilizam métodos de tratamento completamente diferentes, porém a técnica padrão é puxar as fibras por meio de um composto químico associado ou de uma célula que contenha a solução, como um desinfetante ou ácido. Esses materiais imprimem ou alteram a superfície de cada filamento, o que aumenta a área disponível para a ligação fibra/matriz e adiciona grupos químicos reativos, como ácidos carboxílicos. Em seguida, aplica-se um revestimento altamente patenteado conhecido como colagem. Com 0,5% a 5% em peso da fibra de carbono, a colagem protege as fibras de carbono em um tipo intermediário associado, como um pano seco e um pré-impregnado, durante todo o processo (por exemplo, tecelagem). A colagem também mantém os monofilamentos unidos para reduzir a flacidez, melhorar a capacidade do processo e aumentar a resistência ao cisalhamento da superfície entre as fibras e o composto orgânico da matriz.

Horário da postagem: 01/11/2018
Bate-papo on-line do WhatsApp!