Preparación de materiales compuestos carbono/carbono a partir de breas de alquitrán de hulla. Modificación química de las breas mediante tratamientos previos

Abstract

[EN] This study describes the design and optimization of equipments (a prepregger and a hot-press machine) necessary for the preparation of unidirectional Carbon/Carbon composites by liquid impregnation of the fibres with solutions/suspensions of pitches in TI-IF. The results of a preliminary study of the parameters relevant for the processing of these materials are described. To improve the properties of coal-tar pitches as precursors of carbonaceous matrices, two commercial pitches, a binder and an impregnating pitch, were previously subjected to air-blowing at temperatures of250-300° C. The effects of this treatment on the chemical composition and properties of pitches, and mechanisms involved in their processing, were followed by spectroscopic and chromatographic techniques, X-ray diffraction, XPS, elemental analysis, solubility tests, thermogravimetric analysis and hot-stage microscopy. Results show that the oxygen from the air promoted pitch polymerization, with a subsequent increase in pitch carbon yields. Prior to the preparation of the C/C composites the effect of pitch air-blowing on the structure and properties of resultant cokes was also studied. In the same way, the impregnating pitch was treated with a selected carbon black at temperatures of 400-450° C. The effects of this treatment were also controlled from characterizations of subsequent products by using techniques similar to those for air blowing treatment, and also from the study of the structure and properties of cokes obtained by carbonization of pitches. Results show that carbon black not only retained pitch volatile components, but also promoted the polymerization of pitch molecules and improved the solubility of pitch in hexane, these two effects being temperature dependent. The pitch was also subjected to thermal treatment, without carbon black, under the same conditions, in an inert atmosphere, to control the effect of the thermal treatment itself. Unidirectional laminar C/C composites were prepared with the original and treated pitches, and PAN-based carbon fibres. The experimental conditions used for the preparation of composites were the same, the matrix precursor being the only variable considered. Composites were characterized in terms of their microstructure (optical texture and porosity) and properties (density, flexural strength and interlaminar shear strength). The behaviour of the different materials is explained from their main structural features and the chemical composition of pitch-based precursors. Some of the applied pitch treatments produced C/C composites of improved properties, even without further densifications.

[ES] En el presente trabajo se describe el diseño y puesta a punto de los equipos necesarios para la preparación de materiales compuestos Carbono/Carbono (C/C) unidireccionales mediante impregnación líquida de fibras de carbono con disoluciones/suspensiones de breas en tetrahidrofurano (THF). Estos equipos incluyen una hiladora para la preparación de preimpregnados y una prensa de platos calientes para el moldeo/curado del material. Asimismo se describen los resultados de un estudio previo de control de parámetros de operación relevantes para el proceso de fabricación de estos materiales. Al objeto de mejorar las propiedades de las breas de alquitrán de hulla como precursores de matrices carbonosas, dos breas comerciales, una ligante y otra de impregnación, fueron sometidas a un tratamiento previo mediante burbujeo con aire a temperaturas de 250-300° C. Los efectos del citado tratamiento en la composición química de las breas y en sus propiedades, así como en los mecanismos implicados en el proceso, se controlaron mediante técnicas espectroscópicas y cromatográficas, difracción de Rayos X, XPS, análisis elemental, ensayos de solubilidad en distintos disolventes, análisis termogravimétrico y microscopía de platina de calentamiento. Los resultados obtenidos mostraron que el oxígeno del aire favorece la polimerización de la brea, aumentando en consecuencia su rendimiento en carbono y reduciendo la generación de porosidad durante su carbonización. Previamente a la preparación de los materiales compuestos también se estudió el efecto del tratamiento con aire de la brea en la estructura y propiedades de los coques. Con el mismo propósito, se sometió la brea de impregnación a tratamiento con un negro de humo de características especiales a temperaturas de 400-450° C. Los efectos de este tratamiento se controlaron a través de la caracterización de los productos subsiguientes, de forma análoga al tratamiento con aire, y también a través del estudio de la estructura y propiedades de los coques resultantes de su carbonización. Los resultados muestran que el negro de humo no sólo retuvo componentes ligeros de la brea, sino que también favoreció su polimerización o la solubilidad de la brea en hexano, en dependencia de la temperatura, con la consiguiente mejora de algunas de sus propiedades. Paralelamente al tratamiento en presencia del negro de humo, la brea se sometió a un tratamiento térmico en las mismas condiciones para determinar el efecto neto de la temperatura. A partir de las breas originales y las tratadas se prepararon materiales compuestos unidireccionales, laminares, utilizando fibras de carbono basadas en poliacrilonitrilo (PAN) como refuerzo. Las condiciones experimentales fueron las mismas en todos los casos, siendo el precursor de la matriz la única variable introducida. Los materiales compuestos C/C se caracterizaron en términos de su microestructura (textura óptica, porosidad) y propiedades (densidad, resistencia a flexión y resistencia a cortadura interlaminar). El diferente comportamiento de los materiales obtenidos se ha explicado a partir de su estructura y de la composición química de los precursores. Algunos de los tratamientos aplicados han permitido la obtención de materiales compuestos C/C de excelentes propiedades, a pesar de no haber sido sometidos a ningún ciclo de densificación.