Desenvolvimento de revestimentos de óxidos mistos nanoestruturados de TiO2/Al2O3 em substratos metálicos de aço AISI 1020 e estudo das propriedades anticorrosivas

Sóis liofilizados precursores de Al2O3/TiO2, foram preparados via tecnologia sol-gel, com diferentes porcentagens de óxido de titânio (5%, 10%, 15% e 20%, em massa). Os sóis liofilizados foram caracterizados por meio de diversas análises, com o intuito de obter informações sobre o comportamento térmico, fases presentes, tamanho de partícula, composição e uniformidade das amostras. Os resultados obtidos indicam que os sóis apresentam as fases boemita e anatase, com partículas de tamanho nanométrico, tem composições muito similares quando analisadas em pontos distintos, átomos bem dispersos e distribuídos. Após esta etapa, amostras de aço AISI 1020 foram recobertas com estes sóis através do método dip-coating, o comportamento corrosivo foi estudado por meio de ensaios eletroquímicos e a morfologia das camadas, analisadas por meio de microscopias. Observou-se que as camadas eram uniformes e recobriam por completo toda a superfície das amostras, os ensaios de polarização indicaram melhorias no potencial eletroquímico para amostras recobertas, em comparação com amostras de aço sem recobrimento. O monitoramento de circuito aberto apresentou bons ajustes, indicando bom comportamento da camada. Notou-se pelas microscopias a presença de pontos de corrosão em algumas amostras antes dos ensaios, suspeitando-se que os resultados obtidos teriam sido melhores, caso houvesse um maior controle do processo de recobrimento.

Estudo da desativação térmica de catalisadores à base de óxidos mistos de cério e zircônio

Em termos ambientais, os catalisadores automotivos se destacam pelos resultados altamente significativos alcançados após seu uso obrigatório em veículos leves. No entanto, as condições térmicas em que eles operam podem levar a um processo de perda de atividade significativa, após certo tempo de operação. Dentro desse contexto, este trabalho estudou o efeito da temperatura na desativação térmica de catalisadores automotivo modelo. Foram preparados catalisadores baseados em óxido misto de cério e zircônio na proporção 50% em mol de cério e zircônio (CZ). A partir dele foram produzidos os catalisadores Pd-CZ e Pd-CZ-LaAl. O catalisador Pd-CZ foi produzido pela impregnação do CZ com Pd na concentração de 0,5% m/m de CZ. O catalisador Pd-CZ-LaAl foi produzido a partir de uma mistura física do Pd-CZ com o suporte LaAl (alumina dopada com La na concentração de 1,9 % m/m de Al2O3), seguida de calcinação a 500˚C. Foram realizados envelhecimentos a 900C e 1200C em mufla com atmosfera oxidante por 12 e 36h. Os catalisadores foram caracterizados por um conjunto de técnicas físico-químicas. Foram realizadas análises de fisissorção de N2 para a medição da área específica e o estudo da evolução do diâmetro e volume de poros das amostras novas e envelhecidas. Análises de difração de raios X (DRX) foram feitas de forma a acompanhar possíveis transições de fases após o envelhecimento das amostras. Foi realizada análise química para validar a composição das amostras e ensaios de análise térmica para o catalisador CZ visando identificar a temperatura onde ocorre o fenômeno de segregação de fases. Realizaram-se ensaios de redução a temperatura programada (RTP) visando quantificar o consumo de hidrogênio e associá-lo à evolução da redutibilidade das amostras após o envelhecimento térmico. Finalmente, a avaliação catalítica foi realizada com base nas reações de oxidação do CO e do propano e de redução do NO pelo CO, através da obtenção de curvas de lightoff. As análises de DRX mostraram que o envelhecimento a 900C ocasionou alterações de fases da alumina, mas não foi verificada segregação de fases no CZ. Já a 1200C observou-se a referida segregação de fases, que coincide com a drástica queda na área específica das amostras, em alguns casos observando-se o colapso das propriedades texturais do catalisador. As análises de RTP mostraram que, em determinadas condições, o envelhecimento térmico promove a redutibilidade do sistema CZ e a introdução de Pd torna o catalisador mais facilmente redutível o que é evidenciado pelo deslocamento dos picos de redução para temperaturas mais baixas em comparação ao CZ puro. Os testes catalíticos mostraram que a introdução do Pd é um fator fundamental para a conversão do propano. Os catalisadores contendo Pd também converteram melhor o CO. Para os catalisadores envelhecidos a 1200C, o único resultado positivo foi no caso do Pd-CZ-LaAl que apesar deste tratamento térmico, ainda converteu o CO, propano e NO. Desta forma o catalisador Pd-CZ-LaAl apresentou resultados mais satisfatórios e isto evidencia que a mistura com LaAl melhora o desempenho e a estabilidade térmica do catalisador em altas temperaturas (acima de 300C).

Criação de mesoporos em zeólitas ZSM-5, mordenita e ferrierita e análise de seu efeito na reação de hidroisomerização do n-heptano

As zeólitas têm recebido grande atenção acadêmica e industrial devido às suas características ácidas e estruturais. A estrutura da zeólita pode ser utilizada para conduzir uma reação catalítica na direção do produto desejado, evitando assim reações paralelas. Porém, essa mesma estrutura cria restrições difusivas com relação ao acesso aos sítios ativos no interior dos microporos. Neste trabalho foram estudados dois métodos de criação de mesoporos (térmico e básico) com o intuito de modificar a acessibilidade aos sítios catalíticos das zeólitas. A reação de hidroisomerização do n-heptano foi selecionada para avaliar as zeólitas após a criação de mesoporosidade. O tratamento térmico (via calcinação em temperaturas elevadas) foi utilizado para as zeólitas do tipo ZSM-5, Mordenita e Ferrierita, tendo sido observado um aumento pouco significativo na mesoporosidade. Este tratamento promoveu, porém, uma significativa desaluminização das amostras, acompanhada da formação de quantidades importantes de espécies de Al extra-rede (ALER), o que se refletiu num bloqueio parcial dos mesoporos gerados e dos microporos preexistentes, e na redução na densidade de sítios ácidos das amostras. A ampliação da escala do tratamento térmico (aumento da quantidade tratada de 2 g para 30 g) não se mostrou reprodutível, gerando menos mesoporos do que o observado no preparo em pequena escala. O tratamento básico (via dessilicação por meio de NaOH), ao contrário do anterior, promoveu a formação de mesoporos gerando menos quantidade de ALER e se mostrou mais reprodutível quando da ampliação da escala. O desempenho dos catalisadores Pt/Al2O3+zeólita na reação de hidroisomerização do n-heptano foi influenciado pela densidade de sítios ácidos fortes e pela estrutura porosa da zeólita. Com relação ao efeito dos tratamentos térmico e básico sobre o desempenho dos catalisadores à base de ZSM-5, os resultados mostraram que o comportamento do catalisador submetido ao tratamento básico (Pt/Al2O3+BZSM-5/85-2) foi similar ao do tratado termicamente (Pt/Al2O3+TZSM-5/1000-2) com relação à distribuição de produtos na reação de hidroisomerização do n-heptano, particularmente com relação aos produtos leves e aos isômeros monorramificados. No entanto, a presença mais significativa de mesoporos na zeólita após tratamento básico (BZSM-5/85-2), se refletiu num leve favorecimento à formação dos isômeros birramificados

Transformação de metanol em olefinas leves catalisada por zeólitas HZSM-5

A reação de transformação de MeOH em olefinas leves foi investigada sobre zeólitas HZSM-5 com razões SiO2/Al2O3 (SAR) iguais a 30, 80 e 280. As propriedades ácidas e texturais da amostra com SAR 30 foram modificadas por impregnação com ácido fosfórico. A caracterização físico-química das amostras foi realizada empregando-se as técnicas de FRX, fisissorção de N2, DRX, DTP de NH3 e IV com adsorção de piridina. O desempenho catalítico das mesmas foi comparado tanto em condições reacionais similares (mesma T, pressão parcial de MeOH e WHSV) como em condições de isoconversão. Verificou-se, que quanto maior a SAR da zeólita, menor a densidade total e a força dos sítios ácidos presentes, sendo este efeito mais significativo para os sítios de Brönsted. O efeito do aumento da SAR favoreceu a estabilidade catalítica e a formação de olefinas leves, principalmente propeno. No caso das amostras contendo fósforo, foi observada uma redução linear na área específica BET e no volume de microporos com o aumento do teor de fósforo. Estes resultados, aliados aos obtidos por DRX, sugerem que a redução mais significativa na área específica e no volume de microporos pode ser associada à redução na cristalinidade e à formação de espécies amorfas contendo fósforo, que bloqueariam a estrutura porosa da zeólita. Não se observou alteração significativa na força dos sítios fracos, enquanto a força dos sítios fortes diminuiu significativamente. As amostras apresentando menor SAR e menor teor de fósforo foram mais ativas. Por outro lado, em condições de isoconversão de 916%, a amostra mais seletiva à formação de olefinas foi aquela com maior SAR. Dentre as amostras impregnadas, aquela contendo 4% de fósforo foi a mais seletiva a propeno, enquanto a que continha 6% foi mais seletiva a eteno. A amostra com SAR igual a 280 foi investigada variando-se a temperatura de reação (400, 500 e 540C) e a pressão parcial de metanol (0,038; 0,083 e 0,123 atm), através de um planejamento experimental do tipo Box-Benhnken (32). O rendimento otimizado em olefinas leves foi alcançado a 480C e 0,08 atm. O modelo proposto descreveu bem os dados experimentais e evidenciou a existência de uma faixa ótima de temperatura para maximização do rendimento em propeno e eteno, o qual foi também afetado pela pressão parcial de MeOH na faixa estudada. Palavras-chave: ZSM-5, olefinas, propeno, eteno, processo MTO, fósforo.

Petrogênese das rochas máficas alcalinas do litoral entre São Sebastião (SP) e Parati (RJ)

Lamprófiros e diabásios alcalinos afloram no litoral dos estados de São Paulo e Rio de Janeiro e integram o Enxame de Diques da Serra do Mar (EDSM). Essas rochas ocorrem sob a forma de diques e intrudem o Orógeno Ribeira, de idade Neoproterozóica/Cambro-Ordoviciana, inserindo-se no contexto geodinâmico de abertura do Oceano Atlântico Sul durante o Cretáceo Superior. Essas intrusões são subverticais e orientam-se preferencialmente a NE-SW, seguindo a estruturação das rochas encaixantes. Os lamprófiros são classificados como monchiquitos e camptonitos e exibem, respectivamente, textura hipocristalina e holocristalina. Apresentam também textura panidiomórfica, fenocristais de clinopiroxênio e olivina, imersos em matriz formada essencialmente por esses mesmos minerais, além de biotita, kaersutita e minerais opacos. O camptonito apresenta ainda plagioclásio na matriz. Os diabásios alcalinos são hipocristalinos a holocristalinos, equigranulares a inequigranulares, com fenocristais de olivina e/ou clinopiroxênio e/ou plagioclásio, em uma matriz composta essencialmente por esses minerais. As rochas estudadas caracterizam séries alcalinas miaskíticas, com os lamprófiros sendo tanto sódicos, potássicos e ultrapotássicos e os diabásios alcalinos como predominantemente sódicos. Modelagens petrogenéticas envolvendo possíveis processos evolutivos mostram que é improvável que os lamprófiros sejam cogenéticos por processos evolutivos envolvendo tanto cristalização fracionada, com ou sem assimilação concomitante, quanto hibridização. O mesmo ocorre para os diabásios alcalinos. A discriminação de fontes mantélicas foi feita com base nos teores de elementos traços de amostras representativas de líquidos parentais e indica que esse magmatismo alcalino está relacionado a fontes lherzolíticas com fusão parcial na zona de estabilidade do espinélio, isto é, a poucas profundidades. Os dados litogeoquímicos e isotópicos do sistema Sr-Nd das rochas estudadas sugerem tanto o envolvimento de fontes férteis, associadas ao manto sublitosférico, quanto de fontes enriquecidas, relacionadas ao manto litosférico subcontinental. Modelagens de mistura binária revelam que a petrogênese dos lamprófiros e diabásios alcalinos envolveu uma grande participação de um componente fértil misturado com contribuições menores de um componente enriquecido. Idades TDM (760-557 Ma) obtidas sugerem remobilização do manto litosférico no Neoproterozóico, talvez relacionadas à subducção da Placa São Francisco preteritamente à colisão do Orógeno Ribeira. Altas razões CaO/Al2O3 para os líquidos lamprofíricos menos evoluídos, altos teores de Zr, correlações negativas Zr/Hf e Ti/Eu e associação com carbonatitos indicam condições metassomáticas de alto CO2/H2O. Em escala local, modelos geodinâmicos baseados na astenosfera não isotérmica parecem mais aplicáveis. No entanto, modelos geodinâmicos baseados na astenosfera isotérmica (com o envolvimento de plumas) parecem mais indicados num contexto regional, considerando-se outras províncias alcalinas contemporâneas e correlatas.

Resistência de união entre cimentos resinosos autoadesivos e cerâmicas de zircônia policristalina

O objetivo deste estudo foi avaliar a resistência de união a microtração de cimentos resinosos autoadesivos a cerâmicas de zircônia policristalina. Dezoito blocos cerâmicos de zircônia 3Y-TZP (9 LAVA e 9 LAVA Plus) foram jateados com partículas de 50 m de Al2O3por 20 s com pressão de 28 psi a uma distância de 10 mm. Os blocos cerâmicos foram duplicados em resina composta (Point 4, Kerr) por moldagem com silicone. Os blocos de resina composta foram cimentados à superfície jateada da zircônia usando três diferentes cimentos resinosos autoadesivos: (1) RelyX Unicem 2 (3M ESPE); (2) SmartCem 2 (Dentsply); (3) Speedcem (Ivoclar Vivadent). Após 24 h imersos em água destilada a 37oC, os blocos cimentados foram cortados em palitos para testes de microtração,com área da interface adesiva de 1 mm2 0,2 mm, e tensionados até a fratura. Os resultados foram analisados pelo teste de análise de variância de dois fatores e pelo teste de comparações múltiplas LSD (α=0.05). As amostras fraturadas foram analisadas com microscopia eletrônica de varredura (MEV) e o modo de falha foi registrado. A topografia das superfícies cerâmicas antes e após o jateamento foi comparada por microscopia de força atômica (AFM). A resistência de união do cimento Speedcem à zircônia foi estatisticamente superior àquela reportada pelos cimentos RelyX Unicem 2 e SmartCem 2, independentemente da cerâmica usada (p<0,05). O fator cerâmica não teve influência estatística na resistência de união. A interação entre os dois fatores se mostrou significativa (p<0,05). O modo de fratura associado ao SmartCem 2 foi quase exclusivamente adesiva, enquanto oRelyX Unicem 2e o Speedcem exibiram um maior percentual de falhas mistas. Não foram observadas falhas coesivas. O AFM não revelou diferença no padrão de topografia de superfície entre as duas cerâmicas antes ou após o jateamento. Concluiu-se que o cimento Speedcem foi superior na adesão a cerâmicas de zircônia policristalina.

Determinação por ultrassom de constantes elásticas de pastilhas de alumina utilizadas em varetas combustíveis de reatores nucleares.

Pastilhas de dióxido de urânio (UO2) são empregadas como combustível nos reatores nucleares de potência, onde as condições operacionais introduzem elevados gradientes térmicos nas pastilhas. Potências elevadas propiciam a fusão da parte central das pastilhas. O inchamento das pastilhas de dióxido de urânio (UO2), decorrente dos produtos de fissão, pode causar o trincamento do material, em função disso, o estudo do seu comportamento mecânico é importante. Esse trabalho avaliou a aplicação de método ultrassônico na obtenção de constantes elásticas. Em função das dificuldades no manuseio do material nuclear, optou-se por um estudo comparativo em pastilhas de alumina (Al2O3). Foram fabricados e usados dois conjuntos de 10 pastilhas de Al2O3 com densidades de 92% e 96%. Foi desenvolvida técnica ultrassônica por transmissão obtendo medidas do tempo de percurso de ondas ultrassônicas, longitudinais e transversais, usadas para a determinação das constantes elásticas do material. Equações relacionando a velocidade da onda ultrassônica ao módulo de elasticidade, módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson, permitiram obter essas constantes elásticas, que apresentaram excelente concordância com a literatura disponível para o Al2O3.

Eletrodeposição de revestimentos funcionais compósitos Cu/partículas de óxidos de alumínio

Revestimentos funcionais compósitos são um atrativo tecnológico crescente, pois possibilitam a combinação de materiais metálicos, poliméricos ou cerâmicos, resultando em propriedades superiores as dos materiais individuais, sendo por este motivo, largamente aplicados na engenharia de materiais. Na presente dissertação, foram produzidos revestimentos compósitos por eletrodeposição através da codeposição de uma matriz metálica de cobre e de partículas de óxidos de alumínio incorporadas (g - Al2O3 ou AlO(OH)), sobre substratos de aço carbono, a partir de diferentes banhos eletrolíticos. Três etapas foram efetuadas, na primeira realizou-se o estudo da influência do modo de agitação e da presença ou não de ligantes (citrato de sódio 1,00 mol/L) nos teores de cobre e alumina nos revestimentos produzidos. Em seguida foi avaliada a ação de complexantes (citrato de sódio 1,00 mol/L e pirofosfato de potássio 0,90 mol/L) usando polarização potenciodinâmica e voltametria cíclica, em conjunto com microbalança eletroquímica de cristal de quartzo (EQCM) e a posterior produção de revestimentos compósitos a partir de banhos contendo CuSO4 0,02 mol/L + pirofosfato de potássio 0,90 mol/L + 20 g/L de alumina, variando a densidade de corrente aplicada (I), a velocidade de agitação do eletrodo rotatório (A) e o do tempo de agitação prévia (t). Por fim, na terceira etapa, fez-se a substituição de alumina por Boehmita e a produção dos revestimentos a partir de banhos contendo CuSO4 0,02 mol/L + pirofosfato de potássio 0,90 mol/L + 20 g/L de Boehmita, empregando um planejamento composto central, em que os parâmetros citados também foram variados. Os resultados mostraram que a presença de um ligante e a agitação prévia e continuada do eletrólito durante o experimento foram fundamentais para a produção dos revestimentos compósitos. Ensaios de EQCM mostraram que o citrato se adsorveu na superfície do eletrodo de ouro, diferentemente do pirofosfato. Os teores de Boehmita e cobre nos revestimentos produzidos, assim como a morfologia, resistência de polarização e densidade de corrente de corrosão dos revestimentos foram influenciados pelos parâmetros avaliados.

Propriedades fotoluminescentes e higroscopia do composto SrAl2O4 dopado com íons de Ni2+

Amostras foram preparadas pelo método de difusão a partir dos reagentes químicos SrCO3, Al2O3 e NiO em proporções estequiométricas. Medidas por difração de raios X mostraram que as amostras possuem uma única fase: SrAl2O4. Neste trabalho apresentamos imagens de microscopia eletrônica de varredura das amostras SrAl2O4 dopadas com 0,1%, 0,5%, 1,0%, 2,0%, 5,0% e 10,0% de íons de Ni2+, medidas de fotoluminescência, excitação da fotoluminescência da amostra SrAl2O4 dopada com 1,0% de íons de Ni2+, medidas de absorção fotoacústica das amostras SrAl2O4 dopadas com 1,0%, 2,0%, 5,0% e 10,0% de íons de Ni2+. Estas medidas foram realizadas a temperatura ambiente para investigar as transições eletrônicas dos íons divalente de níquel que entraram substitucionalmente nos sítios de Sr2+ da rede do SrAl2O4. Os resultados ópticos mostram a existência de três centros emissores de Ni2+. De acordo com a literatura, a estrutura do SrAl2O4 é composta de dois sítios octaédrico distintos de íons de Sr2+, o Sr12+ e o Sr22+, cujas distâncias médias Sr1 O e Sr2 O são, respectivamente, 2,800 Ǻ e 2,744 Ǻ. Visto que os íons de Ni2+ tendem a substituir os íons de Sr2+, devido ao fato de possuírem a mesma valência, é necessário considerar que uma parte dos íons de Ni2+ ocuparam os sítios dos íons de Al3+ na rede do SrAl2O4 para justificar a existência de um terceiro centro emissor de Ni2+ nesse composto. Uma novo sítio octaédrico para os íons de Ni2+ foi estimado a partir do valor da aresta do sítio tetraédrico ocupado pelos íons de Al3+ na rede do SrAl2O4 (considerando o raio iônico do Ni2+ como aproximadamente 40% maior do que o raio iônico do Al3+). As transições eletrônicas presentes nos espectros de excitação e absorção fotoacústica permitiram determinar os parâmetros de campo cristalino (Dq) e Racah (B e C) para os três sítios diferentes ocupados pelos íons de Ni2+ no SrAl2O4. Neste caso, os resultados mostraram que o sítio II dos íons de Ni2+ é associado à posição do Sr1 e possuem um parâmetro Dq menor e que o parâmetro Dq associado aos íons de Ni2+ que substituíram os íons de Sr no sitio I, o qual, por sua vez é associado à posição do Sr2. E, por fim, o sítio III que possui o menor parâmetro de campo cristalino Dq, portanto a maior distância íon ligante, é identificado como aquele relacionado ao rearranjo octaédrico local das antigas posições de Al3+. O caráter higroscópico do SrAl2O4:Ni2+ é observado a partir dos espectros de absorção fotoacústica e os modos de vibração de estiramento das ligações Ni OH e O H são identificadas nos espectros.