Estabilização termo-oxidativa de fibras de policrilonitrila : modelagem e simulação, aplicação de redes neurais e analise experimental do processo

Autor: Costa, Andrea Milene Apolinario Rosa
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2003
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UnicampUniversidade Estadual de CampinasUNICAMP.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: Orientadores: Sergio Persio Ravagnani, Antonio Pascoal Del'Arco Junior
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica
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Foi realizado no presente trabalho um estudo sobre a estabilização termo-oxidativa das fibras de poliacrilonitrila (P AN). A etapa de estabilização termo-oxidativa das fibras precursoras é limitante no processo de fabricação de fibras de carbono, envolvendo reações químicas complexas e mudanças na estrutura física das fibras. Desta forma, é de grande importância ampliar o conhecimento sobre a estabilização termo-oxidatíva, para urna melhor compreensão dos fenômenos envolvidos e busca de parâmetros que permitam ampliar a qualidade e diminuir o custo do processo. Os objetivos deste trabalho foram analisar a etapa de estabilização termo-oxidativa das fibras P AN através de um modelo matemático para os fenômenos que ocorrem durante a transformação de P AN em fibras estabilizadas oxidativamente (P ANOX), simular os resultados e comparar os dados simulados com os dados experimentais, para verificar o ajuste do modelo. Foi desenvolvido um modelo matemático para a etapa de estabilização de uma fita de fibras PAN. As equações do modelo descrevem as principais reações químicas de estabilização, a difusão de oxigênio e a transferência de calor na fita. Para a resolução do modelo foi desenvolvido um programa computacional na linguagem Fortran, utilizando os métodos de Colocação Ortogonal e Runge-Kutta Semi-implícito. Foram obtidos resultados de perfis de temperaturas e de composições na fita de fibras P AN em função do tempo de estabilização e da posição na espessura da fita. Um modelo de Redes Neurais foi proposto a partir do conjunto de dados obtidos pela simulação da etapa de estabilização de feixes e de fitas de fibras P AN. As redes encontradas ajustaram de modo bastante satisfatório o conjunto de dados fornecido. A estabilização experimental de fitas de fibras P AN foi conduzi da em um forno existente no Laboratório de Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) do Centro Técnico Aeroespacial (CT A). Os perfis de temperatura do forno e da fita de fibras foram determinados utilizando-se termopares acoplados ao conjunto de fibras e em cada zona do forno. Algumas amostras da fita foram retiradas durante o processo para a caracterização, utilizando-se as técnicas de análise elementar orgânica e ressonância magnética nuclear, para a determinação da composição das fibras, além da determinação da massa específica para o acompanhamento da qualidade da estabilização. A fibra P ANOX obtida apresentou massa específica de 1,4 g/cm3, o que confirma a eficiência da estabilização. As diferenças observadas entre as respostas simuladas e experimentais (tanto para os perfis de temperatura quanto para os perfis de composições da fita), indicaram que o modelo fenomenológico utilizado representa razoavelmente bem o processo
The present work presents a study related to the thermo-oxidative stabilization of polyacrylonitrile fibers. The thermo-oxidative stabilization stage is the limiting step in manufacturing process of carbon fibers, involving eomplex chemical reactions and changes in physical structure of fibers. In this way, it is very important to inerease knowledge about thermo-oxidative stabilization in order to get a better eomprehension of the phenomenon involved, finding parameters to aIlow quality improvement and reducing process costs. The objectives of this work were to analyze the stage of thermo-oxidative stabilization of polyacrylonitrile fibers (P AN) through a mathematical model to deseribe the phenomenon tç.at occurs during the transformation in stabilized PAN fibers (PANOX), to simulate the results and to compare them with the experimental data. The mathematieal model was developed for the stabilization process of a strip of polyacrylonitrile fibers. The model equations deseribe the main chemieal reactions of stabilization, oxygen diffusion and heat transfer in the strip. For the solution of the model was developed a Fortran program, using Orthogonal Col1oeation and Semi-implicit Runge- Kutta methods. The results of temperatures and eompositions Ín the strip of polyacrylonitrile fibers were obtained in funetion of the stabilization time and position in the thickness of the strip. A Neural Network model was proposed starting from the group of data obtained by simulating of the stabilization stage of bundles and strips of P AN fibers. The neural networks were adjusted in a quite satisfactory way to the supplied group of data. The experimental stabilization of strips of P AN fibers was carried out using an oven in the laboratory of MateriaIs Division of the Institute of Aeronautics and Spaee (IAE) of the Aerospace Teehnical Center (CT A). The oven and strip temperature profiles were determinated using thermocouple probes coupled to the group of fibers and for each zone of the oven. Some samples of the strip were coIlected during the process for charaeterization, utilizing organic elementary analysis and nuclear magnetic resonance techniques for determination of composition fibers, and density determination for stabilization quality control. The P ANOX fiber obtained presented density of 1.4 g/cm3 that indicates good quality of stabilization. The experimental results (for both temperatures and compositions of the strip) showed good agreement with computer simulations
Doutorado
Ciencia e Tecnologia de Materiais
Doutor em Engenharia Química
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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