Processing of short fiber reinforced porous CMC and MMC tubes by powder thermoplastic extrusion

Abstract

Materiais com poros interconectados são comumente usados em diversas aplicações de filtragem, como, por exemplo, purificação de água, filtração de metais fundidos e filtração de gases quentes. Se por um lado, os filtros devem conter uma estrutura de elevada porosidade aberta; em contrapartida, esses materiais devem apresentar resistência mecânica suficiente para suportar a queda de pressão durante o processo de filtração. O objetivo deste trabalho foi estudar a viabilidade de produção de tubos porosos, em compósitos de matriz cerâmica e metálica reforçados por fibras, via extrusão termoplástica de pós, para aplicação em processos de filtração. A extrusão termoplástica é um processo contínuo, capaz de promover um alto nível de alinhamento de fibras na direção de extrusão, sem que haja excessiva fratura de fibras durante o processamento. Pós de alumina e superliga de níquel foram selecionados para formar a matriz dos compósitos de matriz cerâmica e metálica, respectivamente. Fibras curtas de alumina foram utilizadas como reforço. Como componentes do sistema ligante foram utilizados polietileno de baixa densidade (LDPE), parafina (PW) e ácido esteárico (SA). Diferentes proporções entre LDPE-PW-SA foram estudadas a fim de desenvolver um sistema ligante apropriado ao processo. A evolução da viscosidade da mistura em função do teor de sólidos foi estudada e comparada a diversos modelos de viscosidade. Após o desenvolvimento do feedstock de extrusão, 30 % em volume de fibras foram adicionadas a mistura. Tubos com 4,5 a 10,0 mm de diâmetro, com 0,6 e 1,0 mm de espessura foram então extrudados com sucesso, após sucessivas etapas de ajuste dos parâmetros de extrusão. Análises microscópicas confirmaram o alinhamento satisfatório das fibras. Finalmente, após a sinterização dos tubos a 1300 ºC durante 60 minutos, meso e macroporosidades foram identificadas através de análises porosimétricas por intrusão de mercúrio, totalizando um volume de poros de, aproximadamente, 41 e 36 % nos tubos de matriz cerâmica e metálica, respectivamente. O nível de porosidade, bem como o tamanho médio de poros, foi considerado adequado à aplicação em certos processos de filtração, em especial a filtração de gases quentes.