OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DA α-al 2 O 3 POR SÍNTESE DE REAÇÃO DE COMBUSTÃO EM DIFERENTES COMPOSIÇÕES

Transcrição

1 1 OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DA α-al 2 O 3 POR SÍNTESE DE REAÇÃO DE COMBUSTÃO EM DIFERENTES COMPOSIÇÕES N. L de FREITAS 1*, H. L. LIRA 1, R. H. G. A. KIMINAMI 2, A. C. F. M. COSTA 1 1 Deprtmento de Engenhri de Mteriis Universidde Federl de Cmpin Grnde - *e-mil: normnd@dem.ufcg.edu.br DEM/CCT/UFCG - Av. Aprígio Veloso, 882- Bodocongó - Cix Postl: Cmpin Grnde - PB, Fone/Fx: (83) Deprtmento de Engenhri de Mteriis Universidde Federl de São Crlos, RESUMO Vários métodos de sínteses químics têm sido desenvolvidos e utilizdos n obtenção d α-al 2 O 3. Dentre os métodos lterntivos utilizdos em escl de lbortório, o método por reção de combustão tem sido empregdo com sucesso pr obtenção de diversos tipos de mteriis. Assim, este trblho tem como objetivo sintetizr e crcterizr pós de α-al 2 O 3 obtidos por váris composições utilizndo uréi como combustível. A composição inicil d solução foi bsed n vlênci totl dos regentes oxidntes e redutores, utilizndo os conceitos d químic dos propelentes. Os pós obtidos pr cd composição form crcterizdos por DRX, infrvermelho, BET e densidde. Os resultdos mostrm que redução do teor de uréi n reção lev lterções no comportmento d síntese, reduzindo tempertur d chm de combustão e conseqüentemente s crcterístics finis dos pós. Plvrs chve: reção de combustão, uréi, α-lumin INTRODUÇÃO A lumin present um mpl e vrid áre de plicção, principlmente nos produtos químicos, frmcêuticos, ctlisdores, plásticos, pigmentos, substitutos sintéticos, ppéis, cerâmicos luminosos, refrtários, isolntes, brsivos, eletrônicos etc. Est mtéri prim present lgums proprieddes

2 2 especiis tis como: lt durez, lt forç mecânic, bo resistênci choques térmicos, etc. Embor lumin sej um mteril cerâmico clássico, el continu despertr interesse em vários pesquisdores (1). Vários métodos químicos inorgânicos especiis vêm sendo desenvolvidos em lbortório pr obtenção d α-al 2 O 3, visndo, principlmente, o controle de sus crcterístics (purez, morfologi, tmnho médio ds prtículs e homogeneidde químic), dentre eles podem-se citr sol-gel (2)-(4), citrto precursor (5)-(7), coprecipitção (8), vitrocerâmic (9), síntese por reção de combustão, etc (10)(11). O processo de síntese por reção de combustão tem sido empregdo com sucesso pr obtenção de diversos tipos de mteriis, visto que possibilit obtenção de pós com prtículs nnométrics e elevd áre superficil. Com relção outros métodos de síntese, o processo de reção por combustão torn-se vntjoso devido à su simplicidde, pequeno tempo de durção entre preprção de regentes, produto finl não necessitr de etps intermediáris de clcinção subseqüentes, e bixo consumo de energi envolvido durnte síntese (11). Além do mis, o método não-convencionl de reção por combustão sintetiz pós com lt purez, homogeneidde químic, e normlmente ger produtos com estruturs e composição desejds, devido à elevd homogeneidde fvorecid pel solubilidde dos sis em águ (5), (6). Bsedo nesse contexto, este trblho tem como objetivo sintetizr e crcterizr pós de α-al 2 O 3 obtidos por reção de combustão pr váris composições utilizndo uréi como combustível. MATERIAIS E MÉTODOS O processo de síntese por reção de combustão envolveu um mistur contendo íons metálicos, como regente oxidnte (nitrto), e um combustível, como gente redutor. Pr est mistur redox form utilizdos nitrto de lumínio - Al(NO 3 ) 3. 9H 2 O (Synth) e uréi CO(NH 2 ) 2 (Vetec). A composição inicil d solução contendo os nitrtos e uréi foi bsed n vlênci totl dos regentes oxidntes e redutores usndo conceitos d químic dos propelentes (12). Crbono, hidrogênio e lumínio form considerdos como elementos redutores com s seguintes vlêncis de 4 +, 1 + e 3 +, respectivmente. O oxigênio foi considerdo como elemento oxidnte com vlênci de 2 - e vlênci do nitrogênio foi considerd 0. A vlênci totl clculd do nitrto por som

3 3 ritmétric prtir ds vlêncis dos regentes oxidntes e redutores foi 30 -, o que signific que o nitrto foi fortemente oxiddo. A vlênci clculd d uréi foi 6 +. A proporção de uréi com relção à composição estequiométric foi de 10% e 20% em redução (bixo d composição estequiométric). As composições form designds CE (composição estequiométric), R10 (com 10% de redução de uréi) e R20 (20% de redução de uréi). A solução resultnte pr s composições CE, R10 e R20 form quecids inicilmente sobre um plc de quecimento à tempertur de proximdmente C em um becker Pyrex de 250ml, onde rpidmente entrou em ebulição e tornou-se viscos. Com continuidde do quecimento, solução umentou de volume tornndo-se espumos. Um grnde quntidde de gses começou se desprender, e form liberdos té ocorrer à uto-ignição (combustão). O tempo d chm de combustão pr cd composição estudd foi determindo com um cronômetro digitl. As medições experimentis ds temperturs de combustão ds reções form determinds utilizndo um espectrofotômetro Perkin Elmer Spectrum GX (± 2 o C). Pr tods s composições (CE, R10 e R20), qundo chm d combustão cessou, o produto d combustão, foi trnsferido imeditmente pr um mufl pré-quecid à 500 o C, onde permneceu por 10 minutos pr eliminção de voláteis (dvindos d decomposição d uréi e dos nitrtos) que poderim estr ind presentes. O pó resultnte pr tods s composições, presentou-se n form de um espum poros, volumos e de colorção brnc. As espums form desglomerds em lmofriz de ágt e pssds em peneir # 325 (0,045mm) pr posterior crcterizção. Os pós obtidos pr cd composição form crcterizdos qunto à formção de fses por difrtometri de rios-x (DRX), áre superficil específic, utilizndo técnic desenvolvid por Brunuer, Emmett e Teller (BET), infrvermelho e picnometri de hélio. O tmnho ds prtículs foi clculdo prtir do vlor d áre superficil e d densidde teóric d lumin. Crcterizção do pó de α-al 2 O 3 A crcterizção do pó consistiu em: i) determinção d áre superficil específic e tmnho medino ds prtículs, clculdo prtir do método do BET usndo um equipmento GEMINI 2370, Micromerictis, ii) identificção ds fses presentes nos pós e determinção do gru de cristlinidde nos espectros de

4 4 difrção de rios-x determindos usndo um difrtômetro de rios-x Siemens modelo D5000, rdição CuKα, iii), formção d ligção Al-O, nos pós form crcterizds por espectroscopi de infrvermelho em um equipmento Avtr, modelo 360 FT- IR. Pr relizção d nálise, foi preprd um pstilh de α- Al 2 O 3 com KBr. RESULTADOS E DISCUSSÃO Segundo lguns utores, condição em que o processo de síntese por reção de combustão é relizd, interfere de form decisiv ns crcterístics finis dos pós. Por meio do controle dos prâmetros em que síntese é relizd, grnte-se obtenção de pós puros, cristlinos e com formção de glomerdos de fácil desglomerção (friáveis), resultndo em produtos com excelentes proprieddes (13), (14). A Figur 1 mostr os resultdos de tempertur e tempo de chm de combustão em função d composição pr os pós de α-al 2 O 3 obtidos por reção de combustão utilizndo becker pirex pr relizção d síntese Tempertur d chm de combustão ( o C) Tempertur Tempo CE - Composição Estequiométric R10-10% em redução de uréi R20-20% em redução de uréi Tempo d chm de combustão (s) 460 CE R10 R20 16 Composição (%) Figur 1 Tempo e tempertur de combustão pr os pós de lumin com diferentes teores de uréi obtidos por reção de combustão.

5 5 Pode-se observr por meio d Figur 1 que diminuição n concentrção do teor de uréi n mistur diminuiu tempertur e o tempo d chm de combustão significtivmente, pssndo de 525±2 o C e 22 segundos (CE) pr 464±2 o C e 18 segundos (R20), propicindo, ssim, formção de lumins com crcterístics diferentes. A Tbel I mostr s crcterístics dos pós (tmnho ds prtículs e áre superficil específic BET) resultntes d reção por combustão referente cd composição. Por meio d Tbel I observou-se que os vlores de áre superficil específic e tmnho de prtícul vrirm n fix de 8,27, 37,87 e 43,53 m 2 /g e 182,23; 39,81 e 34,59 nm, respectivmente. Pode-se observr que os vlores d áre superficil umentrm à medid que o teor de combustível foi reduzido, conseqüentemente, observou-se um redução no tmnho ds prtículs clculdo prtir d áre superficil. Isso ocorreu devido à diminuição d tempertur de chm de combustão à medid que se reduziu o teor de uréi n reção, fzendo com que se diminu difusão entre s prtículs, evitndo que els colesçm e cresçm. Tbel I Crcterístics dos pós de α-al 2 O 3 sintetizdos por reção de combustão COMPOSIÇÕES CE R10 R20 Áre superficil (BET) (m 2 /g) 8,27 37,87 43,58 Densidde médi (g/cm 3 ) * 3,38 3,27 3,17 Gru de cristlinidde (%) 92,3 91,8 89,5 Tmnho de prtícul ** (nm) 182,23 39,81 34,59 Tempertur d chm de combustão ( o C) Tempo d chm de combustão (s) * obtido por picnometri de Hélio; Densidde teóric = 3,98 g/cm 3 (15) ** clculdo prtir d áre superficil (BET) A Figur 2 present os difrtogrms de rios-x dos pós de α-al 2 O 3, resultntes d reção de combustão pr cd composição. De cordo com os difrtogrms obtidos, podemos observr que pr tods s composições estudds houve pens formção d fse cristlin estável d α-al 2 O 3 (lf lumin) e que

6 6 redução no teor de combustível (uréi) com relção à composição estequiométric estudd não lterou formção de α-al 2 O 3 polimórfics. O gru de cristlinidde diminuiu com redução do teor de uréi e com diminuição d tempertur (Tbel I). CE R10 R20 Intensidde (u.) - αal 2 O θ (Grus) Figur 2 Difrtogrms de rios-x dos pós de Al 2 O 3 obtidos por reção de combustão com diferentes teores de uréi. A Figur 3 mostr o espectro vibrcionl n região do infrvermelho d α-al 2 O 3 obtido por reção de combustão. Segundo Prdhn et l. (2000) (16), qundo obtiverm e crcterizrm lumin por síntese de um precursor químico, observrm um vibrção entre 900 e 500 cm -1 que indicou presenç de vibrções Al-O. Nos espectros d Figur 3 obtidos pr este trblho, form observdos vibrções n fix de cm -1 um bnd lrg muito discret que segundo Prdhn et l. (2000) (16) é d vibrção Al-O. Pr comprimentos de ond cim de 1000 cm -1, tmbém form observdos lguns picos que são crcterísticos provvelmente d pstilh de KBr, com qul foi relizd o experimento ou possivelmente de lgum vibrção H-O-H proveniente de hidrtção sofrid pels mostrs ntes d nálise.

7 7 CE R10 R20 Trnsmitânci (u.) Comprimento de ond (cm -1 ) Figur 3. Espectro vibrcionl n região do infrvermelho d α-al 2 O 3 obtid por reção de combustão. CONCLUSÕES Com bse nos resultdos obtidos neste trblho pode-se concluir que: 1. A síntese por reção de combustão é um processo fvorável pr obtenção d α-al 2 O 3 cristlin como únic fse em temperturs bixo de 1000 o C (525, 488 e 464 o C, pr composição estequiométric (CE), 10 e 20% em redução, respectivmente), usndo uréi como combustível. 2. A redução do teor de uréi n reção ocsionou diminuição d tempertur d chm de combustão, no gru de cristlinidde e no tmnho ds prtículs. 3. O controle do teor de combustível é um prâmetro importnte que precis ser vlido, pois este lter tempertur d chm de combustão, qul é um dos prâmetros principis que determin s crcterístics finis do pó. AGRADECIMENTOS Os utores grdecem o poio finnceiro do CNPq/FAPESQ.

8 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 - J. E. Blendel, H.K. Bowen, R. L. Coble, Americm Cermic Society Bulletin, 63, 6 (1984) A. S. Albuquerque, J. D. Ardisson, W. A. A. Mcedo. J. Mgnetism nd Mgnetic Mterils, 192 (1999) H. Y. Luo, Z. X. Yue, J. Zhou. J. Mgnetism nd Mgnetic Mterils, 210 (2000) M. Sedlár et l. Cermic Interntionl 26 (2000) A. Verm. Mterils Science Engineering, B60 (1999) A. Verm, T. C. Goel, R. G. Mendirtt, 210 (2000) E. E. Sileo, R. Rotelo, S. E. Jcobo. Physic B, 320, (2002) P. S.Anil Kumr. Mterils Letters, 27 (1996), M. Pl et l. Journl of Mgnetism nd Mgnetic Mterils, 164 (1996) Y. Zhng nd G. C. Stngle, Journl Mterils Reserch, 9, 8 (1994) A. C. F. M. Cost. Tese (Doutordo em Ciêncis e Engenhri de Mteriis) Deprtmento de Engenhri de Mteriis, Universidde Federl de São Crlos. São Crlos, S. R. Jin, K. C. Adig. 40 (1981) Kiminmi, R. H. G. A.; Folz, D. C. nd Clrck, D. E. Cermic Bulletin, v. 70, n. 3, p , V. C. Sous. Tese (Doutordo em Ciêncis e Engenhri de Mteriis), Deprtmento de Engenhri de Mteriis, Universidde Federl de São Crlos. São Crlos, D. R. Lide, CRC Hndbook of Chemistry nd Physics, Edition 75 th, 1995.

9 9 OBTAINMENT AND CHARACTERIZATION OF THE α-al 2 O 3 BY COMBUSTION REACTION SYNTHESIS IN DIFFERENT COMPOSITIONS ABSTRACT Severl methods of chemicl synthesises hve been developed nd used in the obtinment of the α-al 2 O 3. Among the lterntive methods used in lbortory scle, the method by combustion rection hs been being employed with success for the mterils severl kinds obtinment. So, the min of this work is to synthesize nd chrcterize (α-al 2 O 3 ) lumin powder obtined by severl compositions using the ure s fuel. The initil solution composition ws bsed on totl vlence of the oxidtion nd reductor regents, by using the chemicl concept of the of propellnt. The powders obtined for ech composition were chrcterized by XRD, infrred spectroscopy, BET nd density. The results show tht the reduction on ure content cn cuse ltertions in the behvior of the synthesis by reducing the temperture of the combustion nd consequently the finl chrcteristics of the powders. Key-words: combustion rection, ure, α-al 2 O 3,