RESUMO Atualmente, existe uma demanda na busca por materiais com alta densidade de potência, longo ciclo de vida e baixo impacto ambiental que são em sua maioria utilizados para a produção de supercapacitores, sendo esses considerados fontes promissoras de energia para sistemas eletrônicos. Os tipos de materiais mais promissores para essa aplicação são os baseados em carbono, devido à sua flexibilidade, área superficial e boa estabilidade eletroquímica. Para a produção de materiais carbonosos, o principal precursor utilizado é a poliacrilonitrila (PAN) e suas variações a partir da adição de monômeros, como o acrilato de metila (MA). Geralmente, esses materiais são utilizados em formas de mantas, fios ou nanofibras produzidos a partir de processos de fiação e posteriormente carbonizados para gerar o material carbonáceo. Um dos processos de fiação que tem sido amplamente estudado para a obtenção de nanofibras de carbono é o processo de eletrofiação. Portanto, este trabalho apresenta os resultados obtidos do processo de carbonização de mantas eletrofiadas a partir de solução de PAN homopolímero (PANH) e PAN-co-acrilato de metila 6 % (PA6MA) com dimetilformamida (DMF) com o intuito de obter material para uso em supercapacitores. Os polímeros utilizados foram analisados por DSC para a obtenção dos valores relacionados a faixa de ciclização, sendo possível observar uma melhor estabilidade térmica relacionada as amostras de PAN6MA com faixa de temperatura de 240-312 °C e temperatura máxima do pico exotérmico de 292 °C. As mantas obtidas pelo processo de eletrofiação foram oxidadas a 235°C por 5min e carbonizadas a 900 °C por 5 min. As mantas obtidas, antes e após o processo de carbonização, foram analisadas por MEV apresentando fibras de superfície lisa, dispersas aleatoriamente e de dimensões nanométricas, sendo os valores de diâmetro aproximado de 219 nm para as nanofibras de carbono de PANH (NfcPANH) e 185 nm para as nanofibras de carbono de PAN6MA (NfcPAN6MA). As mantas carbonizadas foram analisadas pela técnica RAMAN e foi possível a obtenção de dados referentes a estrutura carbônica presente nas amostras, onde os valores obtidos demonstraram que as amostras de NfcPAN6MA apresentaram menor valor de grau de cristalinidade medida a partir da relação entre as bandas D e G conhecido como fator ID/IG, sendo o valor obtido igual a 1,06 para as NfcPNA6MA e 1,24 para as NfcPANH, isso demonstra uma maior presença de estruturas grafíticas cristalinas quando comparadas as amostras produzidas a partir da PANH. Para obtenção das características capacitivas foram realizados levantamento das curvas carga/ descarga por análise cronopotenciométrica, foi possível observar as melhores características relacionadas a capacitância específica e estabilidade de ciclagem em baixas correntes aplicadas para as amostras de PAN6MA com valores de capacitância específica de 270,9 F/g, densidade de energia de 30,0 Wh/kg e densidade de potência de 153,5 W/kg. Os resultados obtidos demonstraram que o material apresentou potencial para a aplicação proposta.
ABSTRACT Currently, there is a demand in the search for materials with high power density, long life cycle and low environmental impact that are mostly used fot the supercapacitors production, which are considered promising energy power for electronic systems. The most promising types of materials for this application are those based on carbon, due to their flexibility, surface area and good electrochemical stability. For the production of carbonaceous materials, the main precursor used is polyacrylonitrile (PAN) and its variations from the addition of monomers, such as methyl acrylate (MA). Generally, these materials are used in forms of blankets or yarns produced from spinning processes and later carbonized to generate the carbonaceous material. One of the spinning processes that has been widely studied for obtaining carbon nanofibers is the electrospinning process. Therefore, this paper presents the results obtained from the carbonization of electrospun blankets manufactured from solutions of polyacrylonitrile homopolymer (PANH) and poly (acrylonitrile-co-6 % methyl acrylate) (PAN6MA) combined with dimethylformamide in order to obtain material for use in supercapacitors. The polymers used were analyzed by DSC to obtain the values related to cyclization, by that were possible to observe a better thermal stability related to the samples of PAN6MA, with a temperature range of 240-312 ºC and maximum temperature of the exothermic peak of 292 °C. The electrospun mats were oxidized at 235°C per 5 min and carbonized at 90 °C per 5 min. Both pre-carbonization and post-carbonization mats were analyzed by SEM, showing fibers with smooth surface, randomly dispersion and nanometric size, with values of diameter of approximately 219 nm for PANH carbon nanofibers (NfcPANH) and 185 nm for PAN6MA carbon nanofibers (NfcPAN6MA). The carbonized mats were analyzed by RAMAN technique and it was possible to obtain the data related to the carbon structure present in the samples, where the obtained values showed that the mats manufactured from PAN6MA presented the lower value of degree of crystallinity measured from the relationship between bands D and G known as factor ID/IG, the value obtained being equal to 1.06 for NfcPAN6MA and 1.24 for NfcPANH, this shows a higher concentration of crystalline graphitic structures when compared with the samples produced from PANH. To obtain the capacitive characteristic, the load/discharge curves were surveyed by chronopotentiometric analysis, where it was possible to observe the best characteristics related to the specific capacity and low current cycling stability applied to the PAN - co- 6% methyl acrylate sample with specific capacity values of 270.9 F/g, energy density of 30.0 Wh/kg and power density of 153.5 W/kg. The results obtained demonstrated that the material presented potential for the proposed application.
