Effect assessment of nanoparticles toxicity in the terrestrial compartment

Over 11 million tons of nanomaterials (NMs) have been produced in 2012 and predictions point the increase in production. Despite predictions and extended usage via consumer products and industry, the understanding of the potential impact of these materials on the environment is virtually absent. The main aim of this thesis is to understand how a selected group of nanomaterials (metal based particles) may impact soil invertebrates, with special focus on the mechanisms of response. Since a case-by-case Environmental Risk Assessment (ERA) of all the emerging contaminants (particularly NMs) is impossible, among others due to time and cost reasons, to gain understanding on the mechanism of action and response is very important to reach a common paradigm. Understanding the modes of action provides predictive characters in cross particle extrapolation. Besides, it also provides insight for the production of new and sustainable materials. Overall, the effects of the selected NMs (Copper and Silver, Titanium and Zirconium oxides) and the respective salt forms, were investigated at the gene expression (using high-throughput tools, microarray and qPCR technology), biochemical (using enzymatic assays for analysis of oxidative stress markers) and organism (survival and reproduction as in OECD test guidelines) levels, this using standard soil species (Enchytraeus albidus, Enchytraeus crypticus, Eisenia fetida). Gene expression analysis provided valuable information on the mechanisms affected by each of the NMs. The gene expression profile highlighted a (nano)material signature and the effect of the duration of exposure. The functional analyses integrated with the biochemical and organism data, revealed a good understanding power. The biochemical parameters (oxidative stress related) were distinct across the materials and also influenced by duration of exposure and concentration. The standardized organismal responses differed the least between the various materials. The overall outcome is that, in this context of NMs effect assessment, gene expression and enzymatic assays introduced a very important knowledge gap, which could not had been achieved by the standard organismal effects alone. A reoccurring issue with some metal based NMs is the possible dissolution and subsequent release of ions that then causes toxicity e.g. Cu-NPs or Ag-NPs release Cu2+ or Ag+. The oxidation state of the particles was investigated, although this was not the focus of the thesis. The study of fate, e.g. dissolution of NPs, is also only in its beginning and the appropriate techniques are currently being developed. The results showed a specific nanoparticle effect. The UV exposure with titanium dioxide nanoparticles increased its effect.

Revestimentos nanoestruturados para protecção de liga de alumínio

Os revestimentos híbridos nanoestruturados apresentam um elevado potencial no âmbito da protecção anticorrosiva dos metais, prevendo-se que no futuro estes revestimentos possam, não só substituir os tratamentos à base de crómio usados na indústria do tratamento de superfícies metálicas para protecção anticorrosiva, como também evoluir para sistemas integrados multifuncionais que dispensem o pré-tratamento e sejam mais “amigos” do ambiente. O processo sol-gel usado para a obtenção destes revestimentos permite, através da combinação de diferentes precursores e da manipulação das condições de síntese “desenhar” e optimizar a estrutura química e a funcionalidade dos revestimentos nanoestruturados com o objectivo de obter as propriedades desejadas para uma determinada aplicação. O estudo apresentado no presente trabalho teve como objectivo principal a optimização de revestimentos híbridos nanoestruturados obtidos pelo processo sol-gel para a protecção anticorrosiva de uma liga de alumínio frequentemente utilizada na construção civil. Para alcançar este objectivo foram preparados diversos revestimentos híbridos nanoestruturados e aplicados na liga de alumínio EN AW-6063, cujo processo de síntese foi optimizado variando parâmetros como a composição, processo de cura e condições reaccionais sol-gel, visando a obtenção de revestimentos com propriedades anticorrosivas melhoradas. Posteriormente, foi feita uma avaliação do comportamento à corrosão dos revestimentos optimizados em diferentes condições corrosivas, individualmente e como parte integrante de um sistema de protecção anticorrosiva usualmente aplicado em ligas de alumínio para fins arquitecturais. No presente documento é apresentada uma revisão bibliográfica da aplicação deste tipo de revestimentos na protecção anticorrosiva, seguindo-se a descrição detalhada dos procedimentos experimentais do estudo, nomeadamente, os materiais e os procedimentos para obtenção e caracterização dos revestimentos estudados, a apresentação dos resultados obtidos no decurso do desenvolvimento experimental realizado, sua interpretação, discussão e as conclusões parciais mais relevantes. No final, resumem-se as principais conclusões obtidas no estudo e faz-se uma avaliação global da aplicabilidade dos revestimentos optimizados na protecção anticorrosiva de ligas de alumínio no âmbito da construção civil, e indicam-se necessidades de desenvolvimentos futuros.

Active corrosion protection of AA2024 by sol-gel coatings with corrosion inhibitors

A indústria aeronáutica utiliza ligas de alumínio de alta resistência para o fabrico dos elementos estruturais dos aviões. As ligas usadas possuem excelentes propriedades mecânicas mas apresentam simultaneamente uma grande tendência para a corrosão. Por esta razão essas ligas necessitam de protecção anticorrosiva eficaz para poderem ser utilizadas com segurança. Até à data, os sistemas anticorrosivos mais eficazes para ligas de alumínio contêm crómio hexavalente na sua composição, sejam pré-tratamentos, camadas de conversão ou pigmentos anticorrosivos. O reconhecimento dos efeitos carcinogénicos do crómio hexavalente levou ao aparecimento de legislação banindo o uso desta forma de crómio pela indústria. Esta decisão trouxe a necessidade de encontrar alternativas ambientalmente inócuas mas igualmente eficazes. O principal objectivo do presente trabalho é o desenvolvimento de prétratamentos anticorrosivos activos para a liga de alumínio 2024, baseados em revestimentos híbridos produzidos pelo método sol-gel. Estes revestimentos deverão possuir boa aderência ao substrato metálico, boas propriedades barreira e capacidade anticorrosiva activa. A protecção activa pode ser alcançada através da incorporação de inibidores anticorrosivos no prétratamento. O objectivo foi atingido através de uma sucessão de etapas. Primeiro investigou-se em detalhe a corrosão localizada (por picada) da liga de alumínio 2024. Os resultados obtidos permitiram uma melhor compreensão da susceptibilidade desta liga a processos de corrosão localizada. Estudaram-se também vários possíveis inibidores de corrosão usando técnicas electroquímicas e microestruturais. Numa segunda etapa desenvolveram-se revestimentos anticorrosivos híbridos orgânico-inorgânico baseados no método sol-gel. Compostos derivados de titania e zirconia foram combinados com siloxanos organofuncionais a fim de obter-se boa aderência entre o revestimento e o substrato metálico assim como boas propriedades barreira. Testes industriais mostraram que estes novos revestimentos são compatíveis com os esquemas de pintura convencionais actualmente em uso. A estabilidade e o prazo de validade das formulações foram optimizados modificando a temperatura de armazenamento e a quantidade de água usada durante a síntese. As formulações sol-gel foram dopadas com os inibidores seleccionados durante a primeira etapa e as propriedades anticorrosivas passivas e activas dos revestimentos obtidos foram estudadas numa terceira etapa do trabalho. Os resultados comprovam a influência dos inibidores nas propriedades anticorrosivas dos revestimentos sol-gel. Em alguns casos a acção activa dos inibidores combinou-se com a protecção passiva dada pelo revestimento mas noutros casos terá ocorrido interacção química entre o inibidor e a matriz de sol-gel, de onde resultou a perda de propriedades protectoras do sistema combinado. Atendendo aos problemas provocados pela adição directa dos inibidores na formulação sol-gel procurou-se, numa quarta etapa, formas alternativas de incorporação. Na primeira, produziu-se uma camada de titania nanoporosa na superfície da liga metálica que serviu de reservatório para os inibidores. O revestimento sol-gel foi aplicado por cima da camada nanoporosa. Os inibidores armazenados nos poros actuam quando o substrato fica exposto ao ambiente agressivo. Numa segunda, os inibidores foram armazenados em nano-reservatórios de sílica ou em nanoargilas (halloysite), os quais foram revestidos por polielectrólitos montados camada a camada. A terceira alternativa consistiu no uso de nano-fios de molibdato de cério amorfo como inibidores anticorrosivos nanoparticulados. Os nano-reservatórios foram incorporados durante a síntese do sol-gel. Qualquer das abordagens permitiu eliminar o efeito negativo do inibidor sobre a estabilidade da matriz do sol-gel. Os revestimentos sol-gel desenvolvidos neste trabalho apresentaram protecção anticorrosiva activa e capacidade de auto-reparação. Os resultados obtidos mostraram o elevado potencial destes revestimentos para a protecção anticorrosiva da liga de alumínio 2024.

Matéria húmica de sapal: variações estruturais e complexação com o cobre

No presente trabalho foram estudadas as variações na composição, estrutura e comportamento das substâncias húmicas sedimentares (SHS), promovidas pela presença de duas espécies de plantas da família Chenopodiacea, presentes nos sapais da Ria de Aveiro: a Halimione portulacoides e a Arthrocnemum fruticosum. Para além das variações espaciais horizontais, foram investigadas as variações ao longo de um perfil de profundidades. Desta forma, para além da camada superficial (0-10 cm) de sedimentos com diferentes espécies de plantas e sem plantas, também foram investigadas camadas de sedimentos intermédia (20-25 cm) e profunda (45-50 cm). Para a extracção das SHS recorreu-se a uma pequena modificação do método proposto pela International Humic Substances Society (IHSS) para extracção e purificação de substâncias húmicas de solos. As SH extraídas foram caracterizadas através dos métodos espectroscópicos de absorção no ultravioleta visível, de fluorescência molecular síncrona, de absorção no infravermelho com transformadas de Fourier (FTIR) e de RMN 13C em estado sólido. Estas técnicas de caracterização foram complementadas pela análise elementar e termogravimetria. Em algumas amostras, foram ainda determinados o conteúdo em alguns metais por ICP-AES e o conteúdo funcional ácido por titulações potenciométricas. Após exaustiva caracterização das amostras de AH, procedeu-se ao estudo da sua capacidade de complexação com o cobre, recorrendo a titulações monitorizadas por fluorescência molecular síncrona. Os resultados revelaram que a colonização de sedimentos por plantas vasculares superiores conduz a uma alteração profunda no ambiente sedimentar e que esta é reflectida na diagénese das substâncias húmicas sedimentares, tendo-se observado variações a uma pequena escala espacial. O estudo deste tipo de variações nunca tinha sido efectuado em trabalhos anteriores. Nos ácidos fúlvicos detectaram-se diferenças na composição e estrutura das amostras correspondentes às camadas superiores de sedimentos, reflectindo a presença de diferentes colonizações vegetais. Relativamente aos ácidos húmicos, foi possível classificá-los em dois tipos distintos. Os AH do tipo I correspondem aos sedimentos superficiais e intermédios dos locais com plantas. Neste tipo de AH verificou-se uma incorporação de polissacarídeos e estruturas peptídicas, em estados de humificação pouco desenvolvidos. Os AH do tipo II correspondem aos sedimentos mais profundos de todos os locais e aos intermédios do local sem plantas e caracterizam-se por um maior grau de humificação e polimerização, um maior conteúdo aromático e de estruturas conjugadas e um maior conteúdo de grupos carboxílicos. Essas diferenças estruturais conduzem a diferentes comportamentos ácido/base e de complexação com o cobre. Assim, os AH do tipo I, que apresentam sinais espectroscópicos mais baixos associados a grupos carboxílicos e fenólicos, têm menor conteúdo de grupos funcionais ácidos e menor capacidade de complexação com o cobre quando se consideram ligandos característicos de unidades aromáticas conjugadas. Relativamente aos valores de log K dos complexos de AHS com o cobre, as amostras representativas da camada superficial dos sedimentos com plantas apresentaram valores superiores aos das restantes amostras de AH estudadas, cujos valores de log K são similares entre si. Atendendo aos resultados de análise elementar e espectroscópica, este facto pode estar associado à presença de compostos de azoto não peptídicos. Quanto a outros ligandos para o cobre, nomeadamente os representativos de estruturas peptídicas contendo o aminoácido triptofano e estruturas aromáticas simples, não foi possível obter resultados conclusivos. Dado que os ácidos húmicos do tipo I demonstraram um maior conteúdo peptídico e menor conteúdo aromático, o estudo destes ligandos torna-se importante para compreender melhor o efeito da presença de plantas nos sedimentos de sapal sobre o comportamento dos ácidos húmicos sedimentares como ligandos para o cobre. Refere-se ainda que foram detectadas certas especificidades na variação das características do sedimento e das substâncias húmicas com a profundidade nos diferentes locais estudados que não podem ser explicadas meramente com a presença de material vegetal oriundo de diferentes espécies de plantas, requerendo um conhecimento mais aprofundado das comunidades bentónicas e do ambiente físico-químico do sedimento.

Asymmetric rolling of 5182 aluminium alloy and interstitial free steel sheets

This Ph.D. research focuses on asymmetric rolling (ASR), as an alternative method for improving mechanical responses of aluminium-magnesium alloy and interstitial free (IF) steel regarding industrial requirements. Aluminium alloys are attractive materials in various industries due to their appropriate properties such as low density and corrosion resistance; however, their low formability has limited their applications. As formability of aluminium alloys can be improved through texture development, part of this dissertation is dedicated to producing the desired crystallographic texture with the ASR process. Two types of ASR (i.e. reverse and continuous asymmetric rolling) were investigated. The impact of shear deformation imposed by ASR processes on developing the desirable texture and consequently on mechanical behaviours was observed. The developed shear texture increased the normal and also planar anisotropy. Texture evolution during plastic deformation as well as induced mechanical behaviour were simulated using the “self-consistent” and Taylor models. Interstitial free (IF) steel was the second material selected in this dissertation. Since IF steel is one of the most often used materials in automotive industries it was chosen to investigate the effect of shear deformation through ASR on its properties. Two types of reverse and continuous asymmetric rolling were carried out to deform IF steel sheets. The results of optical microscopy and atomic force microscopy observations showed no significant difference between the grains’ morphology of asymmetric and conventionally rolled samples, whereas the obtained results of transmission electron microscopy indicated that fine and equiaxed dislocation cells were formed through the asymmetric rolling process. This structure is due to imposed shear deformation during the ASR process. Furthermore, the mechanical behaviour of deformed and annealed sheets was evaluated through uniaxial tensile tests. Results showed that at low thickness reductions (18%) the asymmetric rolled sample presented higher stress than that of the conventionally rolled sheet; while for higher thickness reductions (60%) the trend was reversed. The texture analyses indicated that intense rolling texture components which developed through 60% thickness reduction of conventional rolling cause a relatively higher stress; on the contrary the fine structure resulting from ASR appears to be the source of higher stress observed after pre-deformation of 18%.

Estudo da maquinabilidade das ligas Ti-6Al-4V e Co-28Cr-6Mo na fresagem de dispositivos biomédicos

Os estudos de maquinabilidade de biomateriais e outros materiais aplicados na área médica são extensos. Todavia, muitos destes estudos recorrem a modelos de geometria regular e operações elementares de maquinagem. Relativamente a estas, os estudos académicos atualmente disponíveis mostram que a tecnologia preferencial é o torneamento, opção que se fundamenta na simplicidade de análise (corte ortogonal). Saliente-se ainda que, neste contexto, a liga de titânio Ti-6Al-4V constitui o biomaterial mais utilizado. Numa perspetiva complementar, refira-se que as publicações científicas evidenciam que a informação disponível sobre a fresagem Ti-6Al-4V não é muito extensa e a do Co-28Cr-6Mo é quase inexistente. A presente dissertação enquadra-se neste domínio e representa mais uma contribuição para o estudo da maquinabilidade das ligas de Titânio e de crómio-cobalto. A aplicação de operações de maquinagem complexas, através do recurso a programas informáticos de fabrico assistido por computador (CAM), em geometrias complexas, como é o caso das próteses femorais anatómicas, e o estudo comparativo da maquinabilidade das ligas Co-28Cr-6Mo e Ti-6Al-4V, constituem os objetivos fundamentais deste trabalho de doutoramento. Neste trabalho aborda-se a problemática da maquinabilidade das ligas metálicas usadas nos implantes ortopédicos, nomeadamente as ligas de titânio, de crómiocobalto e os aços Inoxidáveis. Efetua-se ainda um estudo da maquinagem de uma prótese femoral com uma forma geométrica complexa, onde as operações de corte foram geradas recorrendo às tecnologias de fabrico assistido por computador (CAD/CAM). Posteriormente, procedeu-se ao estudo da maquinabilidade das duas ligas usadas neste trabalho, dando uma atenção particular à determinação das forças de corte para diferentes velocidades de corte. Para além da monitorização da evolução da força de corte, o desgaste das ferramentas, a dureza e a rugosidade foram avaliadas, em função da velocidade de corte imposta. Por fim, com base nas estratégias de maquinagem adotadas, analisa-se a maquinabilidade e selecionam-se os parâmetros de corte mais favoráveis para as ligas de Titânio e Crómio-cobalto. Os resultados obtidos mostram que a liga de crómio-cobalto induz maior valor de força de corte do que a liga de titânio. Observa-se um aumento progressivo das forças de corte quando a velocidade de corte aumenta, até atingir o valor máximo para a velocidade de corte de 80m/min, após a qual, a força de corte tende a diminuir. Apesar do fabricante das ferramentas recomendar a velocidade de corte de 50 m/min para ambos os materiais, conclui-se que a velocidade de corte de 65 m/min induz o mesmo desgaste na ferramenta de corte no caso da liga de titânio, e menor desgaste no caso da liga de crómio-cobalto.

Severe plastic deformation of Al–Zn alloys

In this work, the R&D work mainly focused on the mechanical and microstructural analysis of severe plastic deformation (SPD) of Al–Zn alloys and the development of microstructure–based models to explain the observed behaviors is presented. Evolution of the microstructure and mechanical properties of Al–30wt% Zn alloy after the SPD by the high–pressure torsion (HPT) has been investigated in detail regarding the increasing amount of deformation. SPD leads to the gradual grain refinement and decomposition of the Al–based supersaturated solid solution. The initial microstructure of the Al–30wt% Zn alloy contains Al and Zn phases with grains sizes respectively of 15 and 1 micron. The SPD in compression leads to a gradual decrease of the Al and Zn phase grain sizes down to 4 microns and 252 nm, respectively, until a plastic strain of 0.25 is reached. At the same time, the average size of the Zn particles in the bulk of the Al grains increases from 20 to 60 nm and that of the Zn precipitates near or at the grain boundaries increases as well. This microstructure transformation is accompanied at the macroscopic scale by a marked softening of the alloy. The SPD produced by HPT is conducted up to a shear strain of 314. The final Al and Zn grains refine down to the nanoscale with sizes of 370 nm and 170 nm, respectively. As a result of HPT, the Zn–rich (Al) supersaturated solid solution decomposes completely and reaches the equilibrium state corresponding to room temperature and its leads to the material softening. A new microstructure–based model is proposed to describe the softening process occurring during the compression of the supersaturated Al–30wt% Zn alloy. The model successfully describes the above–mentioned phenomena based on a new evolution law expressing the dislocation mean free path as a function of the plastic strain. The softening of the material behavior during HPT process is captured very well by the proposed model that takes into consideration the effects of solid solution hardening and its decomposition, Orowan looping and dislocation density evolution. In particular, it is demonstrated that the softening process that occurs during HPT can be attributed mainly to the decomposition of the supersaturated solid solution and, in a lesser extent, to the evolution of the dislocation mean free path with plastic strain.

Desenvolvimento de um relatório de suporte à declaração ambiental de produto: perfis de alumínio

A Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) considera todo o ciclo de vida do produto, desde a extração e obtenção da matérias-primas, passando pela produção e fabrico de materiais e energia, até ao tratamento de fim de vida e destino final do produto. As Declarações Ambientais de Produto (DAP) são declarações ambientais Tipo III que apresentam um conjunto de informação quantificada e fidedigna, que funciona como uma excelente ferramenta de comunicação relativa ao desempenho ambiental do produto ao longo do seu ciclo de vida. Este relatório de estágio visa, por um lado, analisar os impactes ambientais no decurso do processo de produção do perfil de alumínio sujeito ao tratamento acetinado 20 natural (AC20NA) e, por outro, elaborar um relatório de suporte, que servirá de base para o desenvolvimento da DAP do perfil de alumínio AC20NA a submeter ao sistema DAPHabitat. O relatório foi elaborado tendo por base a norma EN 15804 e inclui as fases obrigatórias (A1-A3). Desta forma, utilizou-se ao software SimaPro para a análise dos impactes ambientais das várias fases do processo de fabrico do perfil de alumínio em estudo. As fases consideradas foram a extrusão, a anodização (tratamento de superfície), a Estação de Tratamento de águas Residuais Industriais (ETARI) e a embalagem. A fase que mais contribui para as diferentes categorias de impacte é a extrusão, uma vez que é nesta fase que é utilizada a matéria-prima para a produção dos perfis de aluminío.