Carbon-based Functional structures from Pyrolysis of Kevlar Fabric Wastes

Daniel Karthik, M.Tech.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá využitím vlákenných aromatických polyamidových (Kevlarových) odpadů pro vývoj mikroporézních a elektricky vodivých materiálů na bázi aktivovaného uhlíku. Je použita metoda řízené, jednostupňové karbonizace. Odpadní Kevlarové textilie byl získány z regionálního výrobního závodu v České republice. Aktivované uhlíkové struktury byly připraveny pyrolýzou za různých podmínek, tj. několika typů inertní atmosféry, optimalizovaného časově teplotního režimu tepelného namáhání a finální teploty karbonizace (v rozmezí 500 °C až 1200 °C) tak, aby vznikly porézní a elektricky vodivé struktury. Byla zkoumána tepelná degradace Kevlaru, a složení těkavých produktů jeho pyrolýzy. Geometrické, fyzikální, morfologické, elektrické a termoelektrické vlastnosti připravených aktivovaných uhlíkových struktur byly studovány s ohledem na různé tepelné režimy a různé typy inertní atmosféry. Schopnost stínění proti elektromagnetickému rušení (EMI) ve vysokofrekvenčních oblastech (tj. na 2,45 GHz) a nízkofrekvenčních oblastech (tj. pod 1,5 GHz) byla zkoumána pomocí metody vlnovodu a metody koaxiálního přenosu. Dále bylo studováno chování ohmického ohřevu aktivovaných uhlíkových struktur jako funkce použitého elektrického výkonu a času. Progresivní změny koncentrací plynných produktů tepelného rozkladu Kevlaru v závislosti na teplotě pyrolýzy a jejich rozdíly v těkavosti jsou vyhodnoceny pomocí algoritmu pro separaci směsných spekter získaných UV spektroskopií.

Abstract:

This dissertation is dealing with the use of fibrous aromatic polyamide (Kevlar) waste for the development of microporous and electrically conductive materials based on activated carbon. A method of controlled, one-stage carbonation is used. The waste Kevlar fabric was obtained from a regional manufacturing plant in the Czech Republic. Activated carbon structures were prepared by pyrolysis under different conditions, i.e. several types of inert atmosphere, optimized time-temperature mode of heat stress, and final carbonization temperature (in the range of 500 °C to 1200 °C) so as to create porous and electrically conductive structures. The thermal degradation of Kevlar and the composition of volatile products of its pyrolysis were investigated. The geometric, physical, morphological, electrical, and thermoelectric properties of the prepared activated carbon structures were studied with respect to different thermal modes and different types of inert atmospheres. The electromagnetic interference (EMI) shielding capability in the high frequency (i.e. at 2.45 GHz) and low frequency (i.e. below 1.5 GHz) regions was investigated using the waveguide method and the coaxial line transmission method. Furthermore, the ohmic heating behavior of activated carbon structures was studied as a function of the applied electric power and time. Progressive changes in concentrations of gaseous products of thermal decomposition of Kevlar depending on the pyrolysis temperature and their differences in volatility were evaluated using an algorithm for the separation of mixed spectra obtained by UV spectroscopy.

Keywords

Kevlar, pyrolýza, aktivovaný uhlík, karbonizace, grafitizace, těkavé produkty pyrolýzy, rozklad matice UV spekter, ohmický ohřev, elektromagnetické stínění.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 6. 2023

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Jiří Militký, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering