Production of melt-spun fibers with heat conduction properties

Abstract

O objetivo deste trabalho consiste na produção de fibras pela técnica melt-spinning, baseadas em nanocompósitos polímero/nanopartículas de carbono. com propriedades de condução de calor, através do Efeito de Joule. O motivo deste trabalho envolve dar o seguimento da produção de nanocompósitos condutores até às fibras multifilamento, que ainda é um tema pouco abordado. Primeiramente, a preparação dos nanocompósitos foi dividida em duas etapas: (i) produção de compósitos com poli(butileno tereftalato) (PBT) e nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs) para determinação do limiar de percolação elétrica; (ii) produção de compósitos híbridos com MWCNTs e grafite, PBT/MWCNTs/G, para estudar o efeito da grafite na condutividade elétrica dos nanocompósitos. O limiar de percolação elétrico do compósito PBT/MWCNTs encontra-se abaixo de 1 %(m/m) de MWCNTs, observando-se um aumento da condutividade elétrica em 10 ordens de grandeza (de 1 x 10-15 para 2,11 x 10-5 S/m). O valor máximo de condutividade elétrica foi 1,75 S/m no compósito com 5 %(m/m) de MWCNTs. A adição de grafite no composto PBT/MWCNTs selecionado (PBT/2%MWCNTs) teve um efeito negativo, reduzindo a condutividade elétrica entre 2 e 4 ordens de grandeza. Para estudar esta diminuição, a morfologia dos compósitos híbridos foi caracterizada para avaliar a presença de aglomerados. Por último, para selecionar o composto com melhor resposta térmica, os nanocompósitos PBT/MWCNTs com composição próxima do limiar de percolação (1, 2 e 3 %(m/m)) foram submetidos a testes de aquecimento para analisar a ocorrência do Efeito de Joule. Os resultados demonstraram melhor resposta térmica para o compósito PBT/3%MWCNTs, atingindo uma temperatura de 41,2 °C com uma tensão de 12 V. A última etapa do trabalho consistiu na produção de multifilamentos pela técnica de melt spinning. As propriedades elétricas, térmicas e mecânicas dos multifilaments foram analisados. Foram obtidos multifilamentos com condutividade elétrica de 2,86 x 10-4 S/m. No entanto, os ensaios mecânicos de tração indicaram que a adição dos MWCNTs na matriz de PBT reduziu a tenacidade e o alongamento à rutura dos multifilamentos. Os testes de aquecimento demonstraram que o efeito de Joule não era significativo nos multifilamentos, pois a temperatura permaneceu inalterada (≈ 26 °C) mesmo com a aplicação de uma tensão de 48 V.

The objective of this study was to produce melt-spinning fibers, based on nanocomposites polymer/carbon nanoparticles with heat conduction properties, by Joule effect. The development of this work was motivated since there are few researches involving heat conduction in melt-spun fibers. Firstly, the nanocomposites preparation was carried in two steps: (i) production of composites with poly(butylene terephthalate) (PBT) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and determination of the electrical percolation threshold; (ii) production of hybrid composites with MWCNTs and graphite, PBT/MWCNTs/G, to study the effect of graphite in the electrical conductivity of the nanocomposites. The electrical percolation threshold of the PBT/MWCNTs nanocomposites was reached below 1 wt.% with an increase of the electrical conductivity of 10 orders of magnitude (from 1 x 10-15 to 2,11 x 10-5 S/m). The highest value of electrical conductivity was 1,75 S/m with a filler content of 5 wt.% of MWCNTs. The addition of graphite into the selected PBT/MWCNTs nanocomposite (PBT/2%MWCNTs) had a negative effect, decreasing the electrical conductivity between 2 and 4 orders of magnitude. To study this decrease, the hybrid nanocomposites morphology was characterized to evaluate the presence of agglomerates. Lastly, in order to select the nanocomposite with the best thermal response, the PBT/MWCNTs nanocomposites with a filler content near the electrical percolation threshold (1 wt.%, 2 wt.% and 3 wt.%) were submitted to heating tests to analyze the occurrence of the Joule Effect. The results showed better thermal response for the PBT/3%MWCNTs, reaching a temperature of 41,2 °C with a voltage of 12 V. The last stage of this work consisted in the production of multifilament fibers using the melt-spinning technique. Afterwards, the produced fibers were characterized by their electrical, thermal, and mechanical properties. It was possible to produce multifilaments with an electrical conductivity of 2,86 x 10-4 S/m. However, the mechanical tests of the multifilaments proved that the MWCNTs addition to the PBT matrix reduced the tenacity and elongation at break of the multifilaments. The heating tests showed that the Joule effect was not significant in the multifilaments, since the temperature remained stable (≈ 26 °C) even with an applied voltage of 48 V.