Production and Characterization of Activated Carbon Fiber from Textile PAN Fiber

This paper presents the preparation and characterization of carbon fiber felt and activated carbon fiber felt from textile polyacrylonitrile fiber. Carbon fibers are usually related to aircraft manufacturing or high mechanical purposes. Activated carbon fibers are known as excellent adsorbent materials. Despite all advantages, carbon fiber and activated carbon fiber are expensive materials because of their raw material cost. On the other hand, in this study, carbon fiber felt and activated carbon fiber felt were produced from textile polyacrylonitrile fiber, which is cheaper than their precursor, polyacrylonitrile fiber, and can be converted into carbon fiber felt and activated material with high micropore content and surface area. This research describes the transformation of textile polyacrylonitrile fiber in its oxidized form. After that, the oxidized material was transformed in felt and, in the sequence, converted into carbon fiber felt and activated carbon felt. The carbon fiber felt and activated carbon fiber felt were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy and scanning electron microscope. N-2 isotherms were performed to qualify the material obtained for further electrochemical applications. The main result was the conversion dynamics of textile polyacrilonitrile fiber into carbon fiber in felt form and activated carbon fiber in felt with high surface area and high micropores content.Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP)Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior (CAPES)Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico (CNPq)Inst Nacl Pesquisas Espaciais, Coordenacao Labs Associados, Lab Associado Sensores & Mat, Ave Astronautas,1-758,Jardim de Granja, BR-12227010 Sao Jose Dos Campos, SP, BrazilUniv Fed Sao Paulo, Inst Ciencia & Tecnol, Curso Engn Mat, Sao Jose Dos Campos, SP, BrazilInst Aeronaut & Espaco, Dept Ciencia & Tecnol Aeroespacial, Div Mat, Sao Jose Dos Campos, SP, BrazilUniv Fed Sao Paulo, Inst Ciencia & Tecnol, Curso Engn Mat, Sao Jose Dos Campos, SP, BrazilWeb of Scienc

Obtenção de nanofios de carbono a partir de copolímero de PAN eletrofiados para aplicação como supercapacitores

Atualmente, existe uma demanda na busca por materiais com alta densidade de potência, longo ciclo de vida e baixo impacto ambiental que são em sua maioria utilizados para a produção de supercapacitores, sendo esses considerados fontes promissoras de energia para sistemas eletrônicos. Os tipos de materiais mais promissores para essa aplicação são os baseados em carbono, devido à sua flexibilidade, área superficial e boa estabilidade eletroquímica. Para a produção de materiais carbonosos, o principal precursor utilizado é a poliacrilonitrila (PAN) e suas variações a partir da adição de monômeros, como o acrilato de metila (MA). Geralmente, esses materiais são utilizados em formas de mantas, fios ou nanofibras produzidos a partir de processos de fiação e posteriormente carbonizados para gerar o material carbonáceo. Um dos processos de fiação que tem sido amplamente estudado para a obtenção de nanofibras de carbono é o processo de eletrofiação. Portanto, este trabalho apresenta os resultados obtidos do processo de carbonização de mantas eletrofiadas a partir de solução de PAN homopolímero (PANH) e PAN-co-acrilato de metila 6 % (PA6MA) com dimetilformamida (DMF) com o intuito de obter material para uso em supercapacitores. Os polímeros utilizados foram analisados por DSC para a obtenção dos valores relacionados a faixa de ciclização, sendo possível observar uma melhor estabilidade térmica relacionada as amostras de PAN6MA com faixa de temperatura de 240-312 °C e temperatura máxima do pico exotérmico de 292 °C. As mantas obtidas pelo processo de eletrofiação foram oxidadas a 235°C por 5min e carbonizadas a 900 °C por 5 min. As mantas obtidas, antes e após o processo de carbonização, foram analisadas por MEV apresentando fibras de superfície lisa, dispersas aleatoriamente e de dimensões nanométricas, sendo os valores de diâmetro aproximado de 219 nm para as nanofibras de carbono de PANH (NfcPANH) e 185 nm para as nanofibras de carbono de PAN6MA (NfcPAN6MA). As mantas carbonizadas foram analisadas pela técnica RAMAN e foi possível a obtenção de dados referentes a estrutura carbônica presente nas amostras, onde os valores obtidos demonstraram que as amostras de NfcPAN6MA apresentaram menor valor de grau de cristalinidade medida a partir da relação entre as bandas D e G conhecido como fator ID/IG, sendo o valor obtido igual a 1,06 para as NfcPNA6MA e 1,24 para as NfcPANH, isso demonstra uma maior presença de estruturas grafíticas cristalinas quando comparadas as amostras produzidas a partir da PANH. Para obtenção das características capacitivas foram realizados levantamento das curvas carga/ descarga por análise cronopotenciométrica, foi possível observar as melhores características relacionadas a capacitância específica e estabilidade de ciclagem em baixas correntes aplicadas para as amostras de PAN6MA com valores de capacitância específica de 270,9 F/g, densidade de energia de 30,0 Wh/kg e densidade de potência de 153,5 W/kg. Os resultados obtidos demonstraram que o material apresentou potencial para a aplicação proposta.Palavras-chave: Eletrofiação, Carbonização, Supercapacitor, Copolímero PAN

Reciclagem de fibras de carbono oriundas de compósitos estruturais de matriz epóxi por processo térmico de pirólise e aplicação como materiais de eletrodo em supercapacitores

Compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono são materiais cada vez mais utilizados em diferentes segmentos industriais, em especial, os segmentos aeronáuticos e automobilísticos devido a sua elevada resistência mecânica e baixa massa específica. Desta forma, existe grande preocupação com o descarte e a reciclagem dos componentes que representam produtos de alto valor econômico agregado, principalmente fibras de carbono. O processo de pirólise tem sido um dos métodos de reciclagem de compósitos para recuperar as fibras de carbono a partir da degradação da matriz polimérica. No setor de energia, fibras de carbono são traduzidas como bons materiais de armazenamento de energia, por apresentar desejáveis características condutoras e capacitivas que potencializam sua aplicação como material de eletrodo em supercapacitores. Neste sentido, a proposta deste trabalho consiste em viabilizar o uso de fibras de carbono recicladas por pirólise de compósitos epóxi reforçado com fibras de carbono como material de eletrodo de supercapacitores e avaliar a influência dos tratamentos termoquímico e químico sobre suas propriedades capacitivas. Imagens FEG-MEV mostraram que as fibras de carbono foram praticamente limpas permanecendo um mínimo de carbono residual sobre a superfície. A área BET e as análises FTIR, Raman e de voltametria cíclica mostraram que os tratamentos termoquímico e químico realizados na FCP não contribuíram para melhorar a capacidade de armazenamento de cargas na interface eletrodo/eletrólito, pelo contrário, o tratamento químico levou a uma grande redução da capacidade da FCP no armazenamento de energia devido a incorporação de grupos OH e COOH. As curvas de carga/descarga evidenciam boa ciclabilidade e os valores de capacitância específica para a fibra de carbono reciclada de 34 Fg-1, densidade de potência de 37,6 Wkg-1 e densidade de energia de 4,7 Whkg-1encontram-se dentro da faixa para aplicações como eletrodos de supercapacitores.Palavras-chave:Fibra de Carbono. Pirólise. Supercapacitores.

Electromagnetic properties of Carbon-Graphene Xerogel, Graphite and Ni-Zn Ferrite composites in polystyrene matrix in the X-Band (8.2 – 12.4 GHz)

The electromagnetic properties of Carbon-Graphene Xerogel (CGX), Flaky graphite (GR) and Nickel-Zinc ferrite (FeNiZn) composites in polystyrene (PS) matrix were studied in the X-Band range (8.2 – 12.4 GHz). In this work the Expanded Polystyrene (EPS) waste material was processed into polystyrene through the recycling of EPS. The polystyrene obtained was utilized as dielectric matrix, mainly because PS is a wellknown organic polymer that presents low dielectric loss and light weight, which contribute to applications in composites for the aerospace field. In order to produce the final composite specimens, the CGX additive was previously synthesized through a sustainable method that employed the use of waste from the paper and pulp industry (black liquor). Afterwards, the morphological and structural analysis were made through Scanning Electron Microscope (SEM) and Raman Spectrometer, respectively. On the other hand, the magnetic ferrite material, FeNiZn, was obtained for the composite production through calcination, whereas the GR utilized was commercially obtained. It was observed that the increase of CGX and GR influenced on the increase of the Complex Permittivity, and that 10 wt% CGX + 50wt% FeNiZn composite sample demonstrated an absorption peak at 10.5 GHz. The results are relevant concerning the recycling of EPS waste through its use as dielectric matrix, thus developing greener and low-weight composite materials to be used in microwave applications.Keywords: Carbon-Graphene. Composite. Recycling. Polystyrene. Microwave.