SILVIA SIZUKA OISHI SNTESE, DOPAGEM E CARACTERIZA‡ƒO

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SILVIA SIZUKA OISHI

SNTESE, DOPAGEM E CARACTERIZAO DAS RESINAS

FURFURLICA E FENOL-FURFURLICA VISANDO A OTIMIZAO

DO PROCESSAMENTO DE CARBONO VTREO RETICULADO

Dissertao apresentada Faculdade de

Engenharia do Campus de Guaratinguet,

Universidade Estadual Paulista, para a

obteno do ttulo de Mestre em Engenharia

Mecnica na rea de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Edson Cocchieri Botelho

Coorientadora: Profa. Dra. Mirabel Cerqueira Rezende

Guaratinguet

2009

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O396s

Oishi, Silvia Sizuka Sntese, dopagem e caracterizao das resinas furfurlica e fenol-furfurlica visando a otimizao do processamento de carbono vtreo. / Silvia Sizuka Oishi.- Guaratinguet : [s.n.], 2009 153f.: il. Bibliografia: f. 135-144 Dissertao (mestrado) Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguet, 2009. Orientador: Prof. Dr. Edson Cocchieri Botelho Co-orientadora: Prof Dr Mirabel Cerqueira Rezende

1. Polmeros I. Ttulo

CDU 541.6

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DADOS CURRICULARES

SILVIA SIZUKA OISHI

NASCIMENTO 10.10.1981 CAMPINAS / SP

FILIAO Tetsuo Oishi

Jlia Sizuko Simazu Oishi

1999/2007 Curso de Graduao em Engenharia Bioqumica

Escola de Engenharia de Lorena - USP

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memria de meu pai, Tetsuo Oishi.

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AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Prof. Dr. Edson Cocchieri Botelho, pela oportunidade de trabalhar

neste projeto, pela confiana, incentivo e apoio para a concluso deste trabalho.

Prof. Dr. Mirabel Cerqueira Rezende pela participao fundamental durante todo o

trabalho e pelas sugestes e ajuda inestimvel.

Aos tcnicos Luiz Paulo de Oliveira e Luiza Conejo, pela amizade, apoio e auxlio no

laboratrio e na caracterizao da resina.

Aos tcnicos do Departamento de Materiais e Tecnologia, pelo suporte tcnico, em

especial aos tcnicos Domingos Hasmann Neto e Manoel Francisco dos Santos Filho.

Aos tcnicos da Diviso de Materias/IAE/CTA pelos servios prestados.

Ao Prof. Dr. Luis Rogrio de Oliveira Hein pela colaborao nas anlises microscpicas

e anlise de imagens.

Ao Dr. Emerson Sarmento Gonalves pelo valioso auxlio na realizao das anlises

eletroqumicas e na interpretao dos dados.

Ao Dr. Geraldo Maurcio Cndido pelas anlises de MEV.

Dra. Michelle Leali da Costa pelas contribuies nas anlises trmicas.

Aos alunos Rodrigo Prezotto Luvizotto e Ludmila Resende Vargas, pela dedicao e

colaborao na parte experimental deste trabalho.

Aos meus amigos Rogrio Lago Mazur, Maria Cndida Magalhes de Faria, Csar

Augusto Damato e Anahi Pereira da Costa, pelo carinho, amizade e incentivo dado durante a

execuo deste trabalho.

Ao meu namorado Eduardo de Oliveira Baltazar por estar ao meu lado em todos os

momentos, pelo incentivo, compreenso e pacincia.

minha me Jlia S.Simazu Oishi pelos inmeros sacrifcios feitos para que eu pudesse

concluir o trabalho e ao meu irmo Fbio pela pacincia e amizade.

Ao CNPQ, pelo auxlio financeiro.

A todos aqueles que contriburam direta ou indiretamente para a realizao deste

trabalho.

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Este trabalho contou com apoio das seguintes entidades

-FAPESP-atravs do contrato n 06/06299-4

-CNPq-atravs do contrato n134412/2007-9.

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No basta dar os passos que nos devem levar

um dia ao objetivo, cada passo deve ser ele

prprio um objetivo em si mesmo, ao mesmo

tempo que nos leva para diante.

Johann Goethe

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OISHI, S. S. Sntese, Dopagem e Caracterizao das Resinas Furfurlica e Fenol-

Furfurlica Visando a Otimizao do Processamento de Carbono Vtreo. 2009. 153f.

Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica) Faculdade de Engenharia do Campus de

Guaratinguet, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguet, 2009.

RESUMO

Em funo da crescente importncia do material carbono vtreo em reas estratgicas,

devido s suas caractersticas intrnsecas, tais como menor massa especfica e bons valores de

condutividades trmica e eltrica, tem se observado vrios estudos na busca de novos

precursores polimricos, assim como no ajuste mais sistemtico de seu processamento. Nesse

sentido, este trabalho tem como objetivo o estabelecimento de rotas de sntese de resinas

furfurlica e fenol-furfurlica e suas dopagens com partculas de cobre, visando o

processamento de eletrodos de carbono vtreo reticulado (CVR). Neste contexto foram

sintetizadas diferentes formulaes de resinas furfurlica e fenol-furfurlica a partir da

variao dos monmeros lcool furfurlico, fenol e formaldedo, respectivamente. A

confirmao do sucesso das snteses foi realizada por anlises de espectroscopia de

infravermelho com transformada de Fourier, cromatografia gasosa, anlises trmicas por

calorimetria exploratria diferencial e medidas dos teores de carbono fixo, que mostram

resultados entre 27 e 45% em carbono. Em seguida, estas amostras foram dopadas com um

colide contendo as partculas de cobre. As resinas, com e sem dopagem, foram catalisadas,

impregnadas em espumas de poliuretano (PU) e carbonizadas, obtendo-se assim, o CVR.

Anlises por microscopias ptica e eletrnica de varredura mostram a homogeneidade na

impregnao das espumas de PU e a textura uniforme das amostras de CVR. Os resultados de

resistncia compresso apresentam os melhores valores para o CVR resultante da

carbonizao com a resina furfurlica cida (0,55 MPa).

PALAVRAS-CHAVE: carbono vtreo, dopagem, resina furfurlica, resina fenol-furfurlica,

propriedades fsico-qumicas.

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OISHI, S. S. Synthesis, Doping and Characterization of Furfuryl Alcohol Resin and

Phenol-Furfuryl Alcohol Resin Aiming the Optimization of Glass-Like Carbon

Processing. 2009. 153f. Dissertation (Master in Mechanical Engineering) Faculdade de

Engenharia do Campus de Guaratinguet, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguet,

2009.

ABSTRACT

Due to the growing importance of glassy carbon material in strategic areas, due to its

intrinsic characteristics, such as lower density and good thermal and electrical conductivities

values, has been observed several studies looking for new polymeric precursors and tighter

processing parameters. In this way, this study aims on the establishment of synthesis routes of

furfuryl and phenol-furfuryl alcohol resins and their doping with cupper particles, in order to

produce reticulated glassy carbon (RGC) electrodes. Inside of this context were synthesized

different formulations of furfuryl and phenol-furfuryl alcohol resins by the monomers

variation furfuryl alcohol, phenol and formaldehyde, respectively. The success confirmation

of the synthesis has been done by using FT-IR spectroscopy, gas chromatography, thermal

analyses by differential scanning calorimetry (DSC) and carbon yield content measurements

that present results between 27 and 45% of carbon. After this, the specimens were doped with

a colloid contend the copper particles. The doped and non doped resins were catalyzed,

impregnated in polyuretane (PU) foams and carbonized, in order to obtain the reticulated

glassy carbon. Optical and Scanning Electron Microscopy analysis show the homogeneity of

PU foams impregnation and uniform texture of RGC specimens. Compression results present

the best values for RGC resulting from the carbonization with furfuryl alcohol acid resin (0,55

MPa).

KEYWORDS: glassy-like carbon, doping, furfuryl alcohol resin, phenol-furfuryl alcohol

resin, physicochemical properties.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Fluxograma de execuo do projeto de pesquisa ...................................... 27

Figura 2.1. Formas alotrpicas do carbono (MORGAN, 2005). ................................. 28

Figura 2.2. Esquemas de (a) precursor de carbono grafitizvel; (b) estrutura graftica

obtida via tratamento trmico a temperaturas elevadas; (c) precursor no grafitizvel e

(d) carbono no grafitizvel, mesmo aps ser submetido a temperaturas de grafitizao

(BERTHOLDO, 2001). .............................................................................................. 30

Figura 2.3.Degradao trmica da resina furfurlica em atmosfera isenta de oxignio

(FITZER; SCHAEFER , 1970). ................................................................................. 34

Figura 2.4. Ilustrao de uma estrutura turbostrtica, caracterstica do carbono vtreo

segundo o modelo de Jenkins-Kawamura (JENKINS; KAWAMURA, 1976). ........... 35

Figura 2.5. Modelo da cadeia e fibras da estrutura do carbono vtreo: (1) Fibrilas

grafticas, (2) cadeias de carbeno, (3) regio de cadeias no colineares coexistentes, (4)

um esquema do deslocamento do tomo perifrico fora da camada plana como

resultado da interao com um tomo intersticial (PESIN; BAITINGER, 2002). ....... 36

Figura 2.6. Ilustrao esquemtica de um modelo para a estrutura do carbono no-

grafitizvel baseado no fulereno (PESIN, 2002)......................................................... 36

Figura 2.7. Imagem de HRTEM do carbono vtreo comercial preparado a; (a) 1000C;

(b) 3000C (HARRIS, 2005). ..............