[pt] As propriedades reológicas dos piches de petróleo têm grande importância no processamento e nas propriedades finais das fibras de carbono, além de auxiliar na seleção da matéria-prima. No presente trabalho, uma série de piches de petróleo com teores crescentes de anisotropia foi produzida a partir de óleo decantado proveniente do processo de craqueamento catalítico do petróleo, com o objetivo de se investigar as propriedades reológicas destes materiais, para melhor aplicá-las na produção de fibras de carbono. Um dos piches produzidos foi centrifugado em alta temperatura com o objetivo de estudar as propriedades reológicas das suas fases isotrópica e anisotrópica. Os teores e texturas das anisotropias obtidas foram analisados, respectivamente, por centrifugação em alta temperatura e por microscopia ótica com luz polarizada. Os tamanhos moleculares dos piches de petróleo foram medidos utilizando-se a técnica de Espectrometria de Massas com Ionização e Dessorção a Laser Assistida por Matriz e Análise de Íons por Tempo de Vôo (MALDI-TOF-MS). Os piches analisados apresentaram uma natureza oligomérica, e massas moleculares de até 1500 Da foram detectadas. A caracterização reológica mostrou o comportamento viscoplástico dos piches e as curvas de escoamento medidas foram ajustadas utilizando a função viscosidade de Herschel-Bulkley. As análises reológicas também mostraram o aumento da elasticidade dos piches com o progresso do tratamento térmico e o surgimento do comportamento tixotrópico. As técnicas de análise utilizadas neste trabalho se mostraram eficientes para o estudo e caracterização de piches de petróleo precursores de fibras de carbono. / [en] Rheological properties of petroleum pitches are of major importance not only in the processing and final properties of carbon fibers, but they also helps in the selection of the raw material. In this work, a series of petroleum pitches with increasing contents of anisotropy was produced from decanted oil obtained from catalytic cracking process of petroleum, with the objective of investigate the rheological properties of these materials and its application on carbon fibers production. One of the produced pitches was centrifuged at high temperature with the objective of study the rheological properties of isotropic and anisotropic phases. The contents and textures of the obtained anisotropy were respectively analyzed by centrifugation at high temperature and by optical microscopy with polarized light. The molecular sizes of petroleum pitches were measured using the technique MALDI-TOF-MS (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Timeof- Flight Mass Spectrometry). The analyzed petroleum pitches exhibited an oligomeric nature and molecular masses up to 1500 Da were detected. Rheological characterization showed viscoplastic behavior of pitches and the measured flow curves were fitted using the Herschel-Bulkley viscosity function. Rheological analysis also showed the increasing of pitches elasticity with the progress of the heat treatment and the appearance of thixotropic behavior. The analytical techniques used in this work proved its efficiency on the study and characterization of petroleum pitches as carbon fibers precursors.

[pt] A estrutura de uma fibra de carbono de piche mesofásico é desenvolvida durante a extrusão e é aperfeiçoada nos processos de estabilização e carbonização. É extremamente importante ter um controle rígido dos parâmetros do processo de extrusão para formar fibras de carbono de qualidade. Planejamentos de experimentos foram aplicados em 17 condições de extrusão para investigar a influência de três variáveis do processo - velocidade do parafuso, temperatura e velocidade da bobina - no diâmetro de fibras de piche de petróleo. A velocidade do parafuso foi apontada como o fator de maior impacto na produção de fibras finas. Condições ótimas foram validadas em um experimento que produziu filamentos com um diâmetro médio de 14 micrômetros, mostrando que o planejamento de experimentos é uma ferramenta promissora para auxiliar a produção de fibras de carbono. Os dados coletados nos experimentos foram utilizados para modelar o escoamento extensional que ocorre durante a formação da fibra. Valores de tensão sob os quais o material pode ser submetido durante a extrusão sem rompimento foram avaliados. A relação entre o grau de orientação das moléculas de carbono e o diâmetro da fibra também foi analisada. Apesar de fibras mais grossas apresentarem maior alinhamento axial das moléculas, existe um valor de diâmetro a partir do qual a difusão de oxigênio, necessária para estabilização das fibras, não acontece. Apenas fibras com diâmetros menores que 45 micrômetros foram completamente estabilizadas em ar. Estabilizações incompletas das fibras mais grossas induziram defeitos nas estruturas delas e que refletiram em suas resistência a tração e módulo de Young. Enquanto fibras finas alcançaram resistências de 1000 MPa e módulos de 90 GPa, fibras grossas aguentaram somente 200 MPa com um módulo de 17 GPa. / [en] The structure of a mesophase pitch carbon fiber is largely developed during the fiber spinning process and is perfected in stabilization and carbonization steps. It is of critical importance to strictly control the extrusion parameters to form standard carbon fibers. Designs of experiments were employed in melt spinning under 17 conditions to investigate the influence of three process variables - screw velocity, spinning temperature and winding speed - on the diameter of petroleum-derived pitch filaments. Screw velocity was found to be the most significant factor to produce thinner fibers. Optimized conditions were validated in an experiment that produced a filament with average diameter of 14 micrometers, proving that design of experiments is a powerful tool to be used in carbon fibers production. The data collected on experiments were used to model the elongational flow that occurs during the fiber formation. Tensile strength at which the material can be subjected under extrusion without breaking was evaluated. The relation between the degree of orientation of the carbon layers parallel to the fiber axis and the diameter of the fibers was also analyzed. Despite the fact that the thickness of the fiber improved the axial alignment of molecules, there is a limiting diameter at which the diffusion of oxygen, needed to form stabilized fibers, do not occur. Only diameters smaller than 45 micrometers could be fully stabilised in air. Insufficient stabilization of the thicker filaments induced defects on their structure that reflected on their tensile strength and modulus. While thinner fibers reached strengths of 1000 MPa and 90 GPa modulus, thicker fibers have only supported 200 MPa with 17 GPa modulus.

[pt] O objetivo deste trabalho foi produzir, caracterizar e avaliar o comportamento mecânico de um compósito de matriz termoplástica (ABS) reforçado por fibras de carbono para uso futuro em manufatura aditiva. Misturas foram produzidas contendo diferentes quantidades (0 por cento, 5 por cento e 16,7 por cento) e comprimentos (3 mm e 6 mm) de fibras. Cada mistura foi processada através de uma extrusora dupla rosca para a produção de pellets. Os pellets de cada mistura (incluindo pellets de ABS puro) foram analisados para a caracterização do material processado. Posteriormente, corpos de prova foram extrusados para a determinação das propriedades mecânicas e análise da superfície de fratura. As técnicas utilizadas para a caracterização do material foram: espectroscopia no infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TGA), reometria capilar e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Para a avaliação do comportamento mecânico, os corpos de prova extrusados foram ensaiados para a determinação da resistência à tração, módulo de elasticidade e ductilidade. Em seguida, as superfícies de fratura dos corpos de prova foram analisadas no MEV. Foi verificada a possibilidade de degradação da matriz polimérica e formação de vazios durante o processamento inicial do material, que foram eliminados após a segunda extrusão. As fibras de carbono causaram aumento no módulo de elasticidade e diminuição da ductilidade do compósito, apesar de pouco influenciarem as propriedades reológicas. Além disto, pequenas variações na estabilidade térmica foram observadas. Ao final, em anexo, foi elaborado um panorama sobre a Manufatura Aditiva (MA) e a oportunidade de utilização de compósitos em técnicas de impressão 3D. / [en] The goal of this work was to produce, characterize and analyze the mechanical behavior of a carbon fiber reinforced thermoplastic composite with future applications in additive manufacturing. Mixtures were produced with varying carbon fiber content (0 per cent, 5 per cent, and 16,7 per cent) and initial length (3 mm and 6 mm). Each mixture was processed via a twin-screw extruder to produce pellets. Pellets from each mixture (including pure ABS) were analyzed to investigate the processed material properties. Afterwards, test specimens were extruded from each mixture s pellets for mechanical testing and fracture surface analysis. The following techniques were used for material characterization: Fourrier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric Analysis (TGA), capillary rheology and Scanning Electron Microscopy (SEM). For the evaluation of mechanical properties, the extruded test specimens yield strength, Young s modulus and ductility were determined. Also, the fracture surfaces were observed using SEM. The effects of processing parameters and of the introduction of carbon fibers in the ABS polymer were determined. Results pointed out the possibility of degradation during initial processing and the formation of voids in the pellets structure, which were eliminated during the second extrusion. Results also showed an increase in modulus and a decrease in ductility of the composite, whereas rheological properties seemed largely unaffected. Additionally, small variations in thermal stability were observed with varying carbon fiber content and length. Finally, as an annex, a brief overview of Additive Manufacturing and the opportunities for using carbon fiber reinforced thermoplastics in 3D printing techniques is presented.