Variedades de Fibra de Carbono e Processos de Produção

Fibras de carbono (FC) são fibras com cerca de 5 a 10 micrômetros de diâmetro, compostas principalmente por átomos de carbono.

Existem várias vantagens das fibras de carbono:

• alta rigidez,
• alta resistência à tração,
• baixo peso e
• alta resistência química.

Após ler este post, você conhecerá a principal classificação das fibras de carbono, quais matérias-primas são necessárias e aprenderá sobre seu detalhado processo de fabricação.

Com isso, você poderá distinguir rapidamente a qualidade de produtos de fibra de carbono e compreender todo o processo de fabricação de forma mais eficiente.

1. Classificação geral das fibras de carbono

A. Baseada no módulo de tração

O módulo de tração da fibra é o critério-chave para classificar as fibras de carbono.

Basicamente, módulo de tração é abreviação de módulo de elasticidade, que mede o quão rígida é uma fibra de determinado diâmetro, ou sua resistência ao estiramento: quanto maior o número, mais rígida a fibra.

B. Baseada na ordem crescente do módulo de tração

Outras classificações, em ordem crescente de módulo de tração, incluem: "módulo padrão", "módulo intermediário", "alto módulo" e "ultra-alto módulo".

Por exemplo, fibras de carbono de ultra-alto módulo têm módulo de tração de 500 milhões a 1,0 bilhão de kPa. Em comparação, o aço tem módulo de tração de cerca de 200 milhões de kPa. Portanto, a fibra de carbono mais forte é cerca de cinco vezes mais resistente que o aço.

2. Quais matérias-primas são necessárias para o processo de fabricação?

A matéria-prima usada para fabricar fibra de carbono é o precursor.

A. Poliacrilonitrila (PAN)

Cerca de 90% das fibras de carbono são feitas de poliacrilonitrila.

B. Rayon ou pitch de petróleo

Os 10% restantes vêm de rayon ou pitch de petróleo. Todos esses materiais são polímeros orgânicos, caracterizados por longas cadeias de moléculas ligadas por átomos de carbono.

C. Gases e líquidos

Durante o processo de fabricação, uma variedade de gases e líquidos é indispensável.

Alguns desses materiais devem reagir com a fibra para obter um efeito específico. Outros não precisam reagir ou servem para evitar certas reações com a fibra.

Assim como os precursores, as composições exatas de muitos desses materiais de processo são segredos industriais.

3. O processo de fabricação da fibra de carbono

O processo de fabricação de fibras de carbono é parte químico e parte mecânico.

O precursor é estirado em longos fios ou fibras e então aquecido a temperatura muito alta, evitando-se contato com oxigênio.

Sem o oxigênio, a fibra não pode queimar. Em vez disso, a alta temperatura faz com que os átomos na fibra vibrem violentamente até que a maioria dos átomos não-carbono seja expelida.

Esse processo é a carbonização e deixa uma fibra composta por longas cadeias de átomos de carbono firmemente interligadas, com apenas alguns átomos não-carbono restantes.

Nos parágrafos a seguir, apresentaremos uma sequência típica de operações para formar fibras de carbono a partir de poliacrilonitrila.

3.1 Fiação (Spinning)

1) Mistura-se pó plástico de acrilonitrila com outro plástico (acrilato de metila ou metacrilato de metila).

2) Reage-se com um catalisador em processo convencional de polimerização em suspensão ou solução para formar plástico de poliacrilonitrila.

3) O plástico é então fiado em fibras, que são lavadas e estiradas.

3.2 Estabilização

1) Antes da carbonização, as fibras precisam ser quimicamente alteradas para converter sua ligação atômica linear em uma ligação em escada termicamente mais estável.

2) A estabilização é feita aquecendo as fibras em ar a cerca de 200-300 °C (390-590 °F) por 30-120 minutos.

3.3 Carbonização

1) Uma vez finalizada a estabilização, as fibras são aquecidas a temperatura de cerca de 1.000-3.000 °C (1.830-5.500 °F) por vários minutos em forno preenchido com mistura gasosa sem oxigênio.

2) A pressão do gás dentro do forno é mantida superior à pressão atmosférica externa, e os pontos de entrada e saída das fibras são vedados para impedir a entrada de oxigênio.

3.4 Tratamento de superfície

Após a carbonização, as fibras têm uma superfície que não adere bem a epóxis e outros materiais usados em compósitos. Para dar às fibras melhores propriedades de adesão, sua superfície é levemente oxidada.

3.5 Dimensionamento (Sizing)

1) Após o tratamento de superfície, as fibras são revestidas para protegê-las de danos durante bobinagem ou tecelagem. Esse processo chama-se dimensionamento (sizing).

Os materiais de revestimento são escolhidos para serem compatíveis com o adesivo usado na formação de compósitos. Materiais típicos de revestimento incluem epóxi, poliéster, náilon, uretano, entre outros.

2) As fibras revestidas são enroladas em cilindros chamados bobbins. Os bobbins são carregados em uma máquina de fiar e as fibras são torcidas em fios de diversos tamanhos.

Essas são as informações básicas sobre o processo de fabricação de fibras de carbono e esperamos sinceramente que sejam úteis. Não hesite em deixar seu comentário abaixo se tiver dúvidas.

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