Midlertidige tilsettinger og overgang til fast stilling

Como aposta no crescimento e na inovação, a FISIPE desenvolve, de momento, novas fibras sintéticas como precursor de fibra oxidada (FOX) e de carbono (FC) e ainda o desenvolvimento da produção destas últimas. A viabilidade do projecto prende-se com as características destas últimas. O carbono, por ter propriedades únicas, é indispensável na produção de aço, alumínio e sistemas de energia renováveis.

As fibras de carbono aumentam o desempenho das turbinas eólicas, reduzem o peso dos aviões, carros e materiais desportivos, têm a particularidade de substituir outros materiais e contribuir para a redução de emissões de CO2.

Pela variedade de aplicações que a fibra de carbono possui, a sua produção industrial tem vindo a crescer largamente ao longo das últimas décadas. Assim, a exploração industrial de produção de fibra de carbono torna-se bastante atractiva.

Para a produção de fibras de carbono, o precursor de fibra, (PFC), terá de sofrer uma etapa de Estabilização Oxidativa, que produz uma fibra oxidada. A FOX, que pode ser produzida por um precursor de fibra oxidada, será posteriormente tratada para produzir fibra de carbono, que apesar de ser um produto intermediário é um produto de elevado valor comercial.

As aplicações da fibra oxidada devem-se aos benefícios das suas características, como o elevado Índice de Oxigénio Limitante (LOI), excelente classificação quanto à flamabilidade (EN 532/533), alta estabilidade térmica e resistividade eléctrica, elevada força mecânica e ainda com propriedades têxteis.

A fibra oxidada, por ser o iniciante da fase de carbonização para produção de fibras de carbono, tem de cumprir algumas normas para garantir a qualidade da fibra de carbono final.

Tendo em mente a infinidade das áreas de aplicação da fibra oxidada e de carbono, de acordo com as suas características, como etapa no desenvolvimento destes produtos na FISIPE, a caracterização da fibra produzida nas instalações do IP torna-se indispensável.

Assim, surgiu a oportunidade de realizar nas instalações da empresa, na área de desenvolvimento piloto, um estágio com uma duração de 6 meses, com início em Fevereiro do presente ano, como desfecho do plano curricular do Mestrado Integrado em Engenharia Química e Bioquímica, em que um dos propósitos deste trabalho seria caracterização da fibra oxidada produzida como forma de controlo de processo e de qualidade.

Define-se como etapa fulcral do seguinte trabalho, a análise de diversas amostras convertidas em diversas condições operatórias que serão seguidamente enumeradas:

i. Amostras com diferentes tempos de residência de estabilização oxidativa, para avaliação da extensão de reacção;

ii. Amostras, para uma análise comparativa, conseguidas após a etapa final de oxidação com: Origem em diferentes precursores de fibra PAN;

Diferentes Temperaturas de Operação (última zona); Diferentes velocidades de estiramento.

A Fibra Oxidada, obtida no processo de estabilização oxidativa da fibra precursora sofre reacções químicas que provocam a alteração da sua cor. Esta alteração deve-se às reacções de ciclização e aromatização que ocorrem. Deste modo, uma das formas de caracterização da fibra oxidada é a avaliação da extensão das reacções, em que um maior avanço permite ter um rendimento em carbono superior, condição necessária para uma fibra de carbono de melhor qualidade.

A extensão da reacção neste trabalho será avaliada recorrendo a duas análises, uma quantitativa e outra qualitativa. A primeira será considerando o calor libertado durante a combustão da fibra, através de análises de DSC, enquanto a segunda será por meio da análise de infra-vermelhos para observação dos grupos funcionais presentes por FTIR, e ainda com a determinação da densidade da fibra produzida.

Na espectroscopia de Infra vermelhos com Transformada de Fourier (FTIR), será usada a técnica de DRIFTS, em que apesar de, neste caso, não possibilitar uma avaliação quantitativa, permite obter uma boa análise qualitativa, facultando a identificação dos Grupos Funcionais presentes nas fibras.

Na técnica de Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC) a grandeza quantificada será o Índice de Aromaticidade (AI), medida directa da ciclização do polímero, conseguido através da integração da curva obtida por DSC. Para a integração das curvas serão estudados quatro métodos com variação na linha de base considerada.

Para a construção desta linha de base considerar-se-á a possibilidade desta ter duas progressões possíveis:

Linear; Sigmoidal.

Após esta consideração, ter-se-á em conta o início da construção dessa mesma linha. Para cada andamento (Linear e Sigmoidal), serão considerados dois pontos de partida: um através da consideração do observador de quando será de facto o ponto de partida; e outro de acordo com a temperatura de on-set da reacção de combustão.

Para além de um método quantitativo, o DSC permite ainda uma análise qualitativa das amostras através da sobreposição das curvas obtidas, o que possibilita inferir sobre o avanço da reacção apenas pela observação dos termogramas obtidos.

Uma avaliação indirecta da extensão da reacção é a Densidade da fibra produzida. Uma vez que a reacção de ciclização produz um polímero com cadeias mais compactadas, isto traduzir-se-á na produção de uma fibra mais densa, assim, para fibras com uma densidade mais elevada, podemos objectivamente afirmar que se trata de uma fibra em que o rendimento em carbono é mais elevado e

que, por isso mesmo, à partida, teremos uma fibra de carbono com melhores propriedades mecânicas.

A análise da densidade será feita com o auxílio de um picnómetro de gás, em que a primeira etapa do trabalho a desenvolver será a consolidação do método actualmente utilizado na empresa.

A revisão do método será realizada considerando o estudo dos factores de variação da incerteza da densidade medida. Para tal, considerar-se-á o seguinte diagrama causa-efeito:

Figura 2.1 - Diagrama causa-efeito para a medição da densidade

Com as condições de análise conseguidas na primeira parte de estudo do método, seguir-se-á a caracterização da fibra, desde o precursor à fibra oxidada.

Um dos estudos a realizar incluirá amostras que compõem a etapa de estabilização oxidativa. Com o móbil de caracterizar a fibra produzida no decorrer desta etapa procurar-se-á encontrar uma correlação matemática para a determinação de densidades à saída das diferentes zonas.

A característica das fibras oxidadas que possibilita uma multitude de aplicações é a sua baixa flamabilidade. O facto de a fibra ser ignífuga em condições atmosféricas deve-se ao teor de oxigénio atmosférico presente ser baixo, pelo que um dos parâmetros usados para avaliar a qualidade da FOX produzida é determinar qual o Índice de Oxigénio Limitante (LOI).

Para caracterizar a fibra proceder-se-á à determinação do valor de LOI para diferentes amostras pela adaptação da norma ASTM D 2863-06a.

Este trabalho visa ainda elaborar uma proposta de um mecanismo reaccional para as reacções presentes na etapa de estabilização oxidativa, em que este será inferido após a análise comparativa das curvas obtidas no DSC e dos interferogramas conseguidos pela técnica de FTIR, mas com maior incidência nesta última.

Finalmente realizar-se-á a análise comparativa das diferentes amostras. Aqui, serão usadas as técnicas mencionadas, com excepção do FTIR, que apenas será usado para avaliação do avanço da oxidação.

A análise comparativa será feita no sentido de tentar indicar as melhores condições de operação, e também, o precursor que produz a fibra oxidada com as melhores propriedades.

Por fim, para uma melhoria no desenvolvimento de processo, na perspectiva de redução do tempo de caracterização da fibra oxidada produzida, o objectivo colocado foi a procura de correlação dos parâmetros anteriormente analisados, nomeadamente entre a densidade e o Índice de Aromaticidade.