Tecnologia de imagem infravermelha (IR) no Síncrotron Australiano, desenvolvido especificamente para análise de fibra de carbono, contribuiu para uma melhor compreensão das mudanças químicas que afetam a estrutura na produção de fibras de carbono de alto desempenho usando um material precursor.

Uma colaboração de pesquisa liderada por Carbon Nexus, uma instalação global de pesquisa de fibra de carbono na Deakin University, Swinburne University of Technology e membros da equipe de microscopia infravermelha do Síncrotron australiano, acaba de publicar um artigo no Journal of Materials Chemistry A que identificou e ajudou a explicar mudanças estruturais importantes que ocorrem durante a produção de fibras de carbono.

A pesquisa foi realizada para elucidar a transformação química exata que ocorre durante o tratamento térmico de poliacrilonitrila (PAN), que produziram mudanças estruturais.

A maioria das fibras de carbono comerciais é fabricada a partir de PAN, mas houve uma imperfeição que ocorreu durante a produção que afetou as propriedades do material.

Como a conversão de PAN em fibra de carbono não ocorreu uniformemente na fibra, resultou em uma estrutura de núcleo de pele.

Os fabricantes querem evitar a formação da estrutura do núcleo da pele para aumentar a resistência das fibras.

A pesquisa liderada pelo Dr. Nishar Hameed fornece a primeira definição quantitativa sobre o desenvolvimento da estrutura química ao longo da direção radial das fibras PAN usando imagens IR de alta resolução.

"Embora tenha se passado mais de meio século que as fibras de carbono foram desenvolvidas pela primeira vez, as transformações químicas exatas e o real desenvolvimento da estrutura durante o tratamento térmico ainda são desconhecidos ".

"O resultado científico mais significativo deste estudo é que as reações químicas críticas para o desenvolvimento da estrutura ocorreram em uma taxa mais rápida no núcleo da fibra durante o aquecimento, interrompendo assim a crença de mais de 50 anos de que essa reação ocorre na periferia da fibra devido ao calor direto. "

Uma infinidade de técnicas experimentais, incluindo espectroscopia IR, confirmou que as diferenças estruturais evoluíram ao longo da direção radial das fibras, que produziu a imperfeição.

A diferença entre a pele e o núcleo nas fibras estabilizadas evoluiu das diferenças no mecanismo de reticulação das cadeias moleculares da pele ao núcleo.

As informações podem ajudar os fabricantes a melhorar o processo de produção e levar a melhores fibras.

"Usando uma técnica chamada Attenuated Total Reflection (ATR) para focar o feixe síncrotron, a linha de luz IR permitiu que a equipe de pesquisa adquirisse imagens através de fibras individuais, para ver onde as ligações triplas carbono-carbono no PAN estavam sendo convertidas em ligações duplas, "disse o Dr. Mark Tobin, Cientista Principal, IR, no Síncrotron australiano, que é co-autor com o Dr. Pimm Vongsvivut e o Dr. Keith Bambery.

"Estudos de IR anteriores foram realizados em feixes de fibras e fibras em pó, enquanto pudemos analisar a seção transversal de filamentos individuais. "

Para adquirir imagens detalhadas das fibras, que têm apenas 12 mícrons de diâmetro, a equipe de IR modificou a linha de luz para o experimento usando um cristal de germânio altamente polido para focar o feixe de IR nas fibras.

Mapas de alta resolução baseados em síncrotron confirmaram que a concentração de nitrila (C≡N) era maior nas áreas onde os grupos funcionais C =N eram menores.

"O nitrilo (C≡N) é substituído por C =N conforme o PAN passa pelo processo de conversão em fibra de carbono. Isso ocorre mais rápido no meio das fibras, é por isso que - no meio do processo - você vê um "anel" de C≡N. OC =N é um pico no meio, "explicou Tobin.

Características químicas de 'copo e cone' capturadas por imagens de infravermelho, também confirmou que um alto grau de reação para formar estruturas cíclicas ocorreu no núcleo em comparação com a pele.

Outras técnicas experimentais, que foram realizados no Carbon Nexus e Factory of the Future na Swinburne University of Technology, microscopia óptica incluída, Microspectroscopia Raman, nanoindentação, análise térmica e teste de tração.