Estudio de la estabilización termo-oxidativa de tiras y haces de fibras de poliacrilonitrilo

Study of Thermo–Oxidative Stabilization for Strips and Bundles of Polyacrylonitrile Fibers

La estabilización es uno de los pasos más caros y críticos en la fabricación de fibras de carbono. Implica reacciones químicas complejas y cambios en la estructura física. La modelización y la simulación se utilizan con éxito para conocer el comportamiento de la estabilización y minimizar el coste de los ensayos experimentales. En este trabajo se presenta un modelo matemático de la etapa de estabilización para una tira de poliacrilonitrilo. Las ecuaciones diferenciales describen las reacciones químicas, la difusión de oxígeno y la transferencia de calor que tienen lugar en el interior de la tira. Se resuelven mediante Colocación Ortogonal y Método Runge - Kutta Semi implícito. Se analizan los resultados de los perfiles de temperaturas y concentraciones en función del tiempo de estabilización y se comparan con una simulación obtenida para un haz de fibras de poliacrilonitrilo. Esta investigación indica que la transferencia de calor en la tira es mejor que en el haz y, en consecuencia, se controlan las reacciones exotérmicas.

INTRODUCCIÓN

Comercialmente, las fibras de carbono se producen por descomposición de fibras precursoras compuestas de copolímeros de poliacrilonitrilo (PAN). En el proceso de fabricación de fibras de carbono, el precursor PAN se hila primero y se estira para obtener una orientación preferente en la molécula de polímero, seguida de una estabilización en aire y, por último, carbonización de la fibra estabilizada en una atmósfera inerte. El largo tiempo de procesamiento combinado con la importancia de la oxidación completa hace de la estabilización un candidato privilegiado para modelizar el proceso. La modelización de la estabilización requiere dos tipos de información: las expresiones cinéticas para las reacciones de deshidrogenación y las reacciones de oxidación, e información sobre la difusión de oxígeno y calor a través del polímero en reacción. La mayor limitación para modelizar la estabilización se debe a la insuficiencia de datos cinéticos para las reacciones. A pesar de esta limitación, los resultados obtenidos de los trabajos de simulación han sido satisfactorios. Grove y Abhiraman (1992) desarrollaron una modelización simplificada para la estabilización en una sola fibra de PAN. 

Este modelo considera la estabilización por lotes que tiene lugar en medios inertes y oxidantes, y sólo es válido para bajas temperaturas de estabilización, donde las reacciones están controladas y pueden reconocerse condiciones isotérmicas a través de la fibra. El modelo sigue la conversión de algunos grupos químicos, como grupos nitrilo, oxígeno libre y oxígeno reaccionado en la fibra. Dunham y Edie (1992) combinaron una modelización matemática con datos experimentales y obtuvieron un modelo para el proceso de estabilización. Este modelo considera un haz homogéneo de fibras de PAN sometidas a las principales reacciones de estabilización: ciclización, deshidrogenación y oxidación.