Preparação e modificação de fibras de carbono activadas a partir de fibras têxteis acrílicas

Abstract

Neste trabalho foram produzidas fibras de carbono activadas a partir de três fibras acrílicas comerciais, cedidas por FISIPE-Fibras Sintéticas de Portugal, com perfil em forma de feijão que permanece após a activação, tal como foi visível por microscopia electrónica de varrimento. O processo de produção tem início por uma estabilização dos precursores a 300°C durante duas horas seguido da carbonização a 800°C durante 1 hora, ambas executadas sob fluxo de azoto, e por fim a activação com dióxido de carbono a 800 e 900°C durante tempos variados por forma a obter amostras com graus de queima entre 10 e 90%. As propriedades texturais foram determinadas por adsorção de azoto a 77K e análise das isotérmicas pelos métodos as, Brunauer-Emmett-Teller (BET) e Dubinin-Radushkevich (DR). Desta análise podemos concluir que todas as fibras de carbono activadas produzidas são microporosas com áreas aparentes BET entre 330 e 1535M2g1 volumes microporosos totais entre 0.16 e 0.73cm 3 g-1 e poros com larguras médias entre 0.735 e 1.723nm. Podemos também verificar que à medida que o grau de queima aumenta ocorre um incremento do volume microporoso e da largura média dos poros. As fibras produzidas apresentam características porosas mais interessantes do que as produzidas a partir de piche, kevlar e nomex. As características químicas dos materiais foram analisadas por determinação do ponto de carga zero (pcz), composição elementar e espectroscopia de infravermelho com transformadas de Fourier (FTIR). Podemos afirmar que todas as fibras de carbono activadas são de natureza básica, com ponto de carga zero entre 8 e 10, com uma notável retenção de azoto na sua constituição (>4%(m/m)) e onde podemos indentificar a formação de alguns grupos funcionais tais como aminas, amidas, lactonas, pironas, nitro, carbonilos e hidroxilos (livre e em fenol). Amostras seleccionadas foram modificadas por tratamento térmico com microondas. - ABSTRACT - Activated carbon fibres were produced using three textile acrylic fibres from FISIPE-Fibras Sintéticas de Portugal, with a kidney bean cross section which is maintained after the activation, as seen by scanning electron microscopy. The carbon materials were produced by stabilisation of the precursors at 300°C during 2 hours followed by carbonisation at 800°C during 1 hour, both under a constant nitrogen flow. The fibres were then activated with carbon dioxide at 800 and 900°C and kept at the final temperature for the appropriate time in order to obtain burn-offs within the range 10-90%. The structural properties were determined by nitrogen adsorption at 77K and the isotherms analysed by αs, Brunauer-Emmett-Teiller (BET) and Dubinin-Radushkevich (DR) methods. The analysis showed that the fibres produced are microporous with apparent BET areas between 330 and 1535M2g1 total micropore volumes within the range 0.16-0.73cm3g-' and pore widths between 0.735 and 1.723nm. As the burn-off increases the total micropore volumes and pore widths also increase. The results show that the properties of the activated carbon fibres produced in this work have more interesting porosity characteristics than those produced from non-textile poliacrylonitrile, kevlar and nomex. The chemical properties of these materials were analysed by Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR), elemental composition and point of zero charge (pzc). Ali the fibres have basic properties with pzc between 8-10 and contain a significant amount of nitrogen (>4%). The surface functional groups identified were amines, amides, lactones, pyrones, nitro, carbonyls and hydroxyls (free OH and phenol). Selected samples were modified by thermal treatment using a microwave device. The results show that the treatment affects the porosity of the activated carbon fibres, causing a reduction in micropore volume and micropore size. - RESUMEN - En este trabajo fueron producidas fibras de carbono activadas a partir de tres fibras acrílicas comerciales cedidas por FISIPE-Fibras Sintéticas de Portugal con perfil en forma de riiíón que permanece después de Ia activación, tal como fue visible por microscopia electrónica de barrido. El proceso de producción tiene inicio con una estabilización de los precursores a 300°C durante dos horas, seguido de Ia carbonización a 800°C durante una hora, ambas ejecutadas bafo flujo de azoto y por fin Ia activación con dióxido de carbono a 800 y 900°C durante tiempos variados de forma a obtener muestras con porcentajes de quemado entre 10 y 90%. Las propiedades texturales fueron determinadas por adsorcián de azoto a 77K y análisis de Ias isotérmicas por los métodos as, Brunauer-Emmett-Teller (BET) y Dubinin-Radushkevich (DR). De esta análisis pudimos concluir que todas Ias fibras de carbono activadas producidas son microporosas con áreas aparentes BET entre 330 y 1535M2g-1, volúmenes microporosos totales entre 0.16 y 0.73cm3g-1 y poros con anchuras medias entre 0.735 y 1.723nm. Podemos también verificar que a medida que el porcentaje de quemado aumenta ocurre un aumento dei volumen microporoso y de Ia anchura media dei poro. Las fibras producidas presentan características porosas más interesantes que Ias producidas a partir de piche, keviar y nomex. Las características químicas de los materiales fueron avalizadas por determinación dei punto de carga cero (pcz), composición elementar y espectroscopia de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR). Podemos afirmar que todas Ias fibras de carbono activadas son de naturaleza básica, con punto de carga cero entre 8 y 10, con una notable retención de azoto en su constitución (>4%) siendo formados algunos grupos funcionales en su superfície talen como aminas, amidas, lactonas, pironas, nitro, carbonilos y hidroxilos (libre y en fenol). - RÉSUMÉ - Dans le cadre de ce travail des fibres de carbone activées ont été produites en partant des fibres acryliques commerciales qui ont été dispensées par FISIPE—Fibras Sintéticas de Portugal, avec profil en forme de rein qui est préservé après activation, tel qu'a été visible par spectroscopie de balayage. Le processus de Ia production commence par une stabilisation des précurseurs a 300°c pendant deux heures suivi de Ia carbonisation a 800°C pendant une heure, les deux étapes réalisées sous un flux d'azote, finalement l'activation avec le dióxide de carbone a 800 et 900°C pendant des périodes de temes variés de telle façon qu'on obtient des preuves avec des degrés de brúlement entre 10 et 90%. Les propriétés texturales ont étés déterminées par l'adsorption de l'azote a 771( et par analyse des isothermes au moyen des méthodes de as, Brunauer-Emmett-Teller (BET) et Dubinin-Radushkevich (DR). En se basant sur cette analyse, il est possible conclure que toutes les fibres de carbone sont microporeuses avec des aires apparentes BET entre 330 et 1535 M2g-1 , volumes microporeux totaux entre 0.16 et 0.7 CM3g-1 et des pores avec des largeur moyenne entre 0.735 et 1.723nm. On peut aussi vérifier que quand le degré de brúlement: augmente il y aussi lieu a un accroissement du volume microporeux et du largeur moyenne du pore. Les fibres produites présentent des caractéristiques poroseuses plus intéressantes que celles produites à partir du goudron, Keviaret nomex. Les caractéristiques chimiques des matériaux ont étés analysés par détermination du point de zéro charge (pcz), analyse élémentaire et spectroscopie d'infrarouge avec des transformés de Fourrier (FTIR). On peut affirmer que toutes les fibres de carbone activés ont un caractère basique, avec des points de zéro charges entre 8 et 10, avec une grande rétention de Vazote dans sa constitution (>4%) avec Ia formation de quelques groupes fonctionnels à Ia superfície tels que amines, amides, lactones, pironnes, nitro, carbonyles et hydroxyde ( libre et sous Ia forme de phénol).