Nanomateriais Como se produz um Nanocompósito

Transcrição

1 Nanomateriais Como se produz um Nanocompósito Supervisão: Sónia Simões Daniel Silva, nº Monitora: Tatiana Padrão Eduardo Campos, nº Inês Barros, nº João Campos, nº Paulo Júnior, nº Data de apresentação: 03/11/2016 Pedro Meneses, nº

2 Agradecimentos Queremos agradecer a todos os que, de certa forma, colaboraram na concretização deste trabalho, reconhecendo, assim o seu papel fundamental para o sucesso do mesmo. Desta forma, agradecemos em particular, a disponibilidade da professora Sónia Simões e da monitora, Tatiana Padrão, que ao longo de todo o projeto, sempre estiveram disponíveis para nos ajudar e prestar importantes indicações. Para concluir, fazemos um agradecimento mais abrangente, a toda a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto pelos meios cedidos para que pudéssemos concretizar o nosso trabalho convenientemente. 2

3 INDICE Resumo 4 Introdução.5 Processos de extração do Alumínio 6 Nanocompósitos o que são.8 Que tipos de reforço existem?...12 Como se produzem nanocompósitos 13 Aplicações e propriedades dos nanotubos 15 Fase experimental..16 Conclusão.18 Referências bibliográficas.19 3

4 RESUMO Este relatório incide na produção do Nanocompósito CNT+Al, de modo a assim melhor compreender o que são Nanomateriais, Nanocompósitos e a sua produção. Foram também abordadas a forma de obtenção da matriz do nanocompósito, o Alumínio, bem como o que são Nanocompósitos e ainda as propriedades e aplicações de Nanotubos de Carbono que, no Nanocompósito CNT+Al é o reforço da matriz. Adicionalmente, os diferentes processos de fabrico destes materiais, com especial incidência no processo de fabrico do material estudado, foram estudados avaliando quão eficazes e práticos cada um é e qual a sua melhor aplicação. 4

5 INTRODUÇÃO Ao longo deste relatório será abordada a componente da produção de Nanomateriais, em especial os nanocompósitos, no âmbito do desenvolvimento do Projeto FEUP. Procurar-se-á explicar sucintamente o que são os nanocompósitos, os métodos de produção e em que contribuem para o desenvolvimento do mundo atual. Procuraremos igualmente abordar a forma como se extrai até ao processo final de produção do alumínio. Como tal deve-se ter em linha de conta todo o processo de produção de um material nanocompósito de matriz metálica reforçada com nanotubos de carbono por processos pulverometalúrgicos. Para tal, o relatório será centrado na produção de um nanocompósito constituído por Alumínio e Nanotubos de Carbono. 5

6 Processos de extração do alumínio O processo para a obtenção do alumínio pode ser dividido em algumas fases, sendo a primeira a mineração da Bauxite (Al2O3). Depois de extraído, o óxido de Alumínio avança para a fase de refinação para que seja obtida a sua forma mais pura. Para que tal ocorra, o composto é alvo de diversos processos, começando pela britagem e moagem, que visam à fragmentação do minério. (1) Com as partículas menores do que o seu tamanho habitual, é possível filtrar elementos que tornavam o composto impuro como, por exemplo, partículas de Fe2O3 e TiO2, que podem ser filtradas por separadores magnéticos. (2) A última etapa, geralmente, é realizada por um processo químico conhecido como Bayer-Hall-Héroult. Este tem início na dissolução de Alumina em soda cáustica (NaOH) debaixo de altas temperaturas para assegurar a pureza adequada, de seguida entrando nos digestores e dando início à seguinte reação: Al 2O 3.3H 2O + 2 NaOH 2NaAlO 2 + 4H 2O (Reação 1) Após a reação e a saída dos digestores, o Aluminato de Sódio passa pela clarificação, na qual ocorre o espessamento, para separação sólido-líquida, e a filtração. (3) Para que haja um melhor consumo energético, a substância resultante passa pelos trocadores de calor, ocorrendo troca térmica e eliminando parte da água existente. (4) A precipitação acontece logo a seguir, mas, para que ocorra, é necessário que haja o processo inverso da digestão (Reação 1), formando-se o Hidróxido de Alumínio Al(OH)3. Posteriormente, auxiliados pelos agentes nucleantes, sucede-se a cristalização da Alumina. Segue-se, então, para a calcinação, que converte a Alumina em formas alotrópicas de Al2O3. Finalmente, os cristais são secados e sofrem calcinação. (2) A partir deste momento, principia-se a transformação do pó branco de Alumina em Alumínio puro. O Óxido de Alumínio é dissolvido num solvente com vários 6

7 compostos, como Fluoreto de Alumínio e criolita (Na3AlF6) fundida. (3) Para que ocorra a eletrólise, são utilizados um cátodo e um ânodo de Carbono, que geram uma corrente elétrica capaz de decompor o oxigênio da Alumina (que reage com o ânodo de Carbono e forma CO2) e, consequentemente, precipita o Alumínio. (1) Refinaria de Alumínio (2) 7

8 Nanocompósitos o que são: Quando realizada uma pesquisa tendo em vista esclarecer o conceito/definição de nanocompósitos surge no dicionário: São materiais que procuram conjugar as propriedades de pelo menos dois tipos de materiais distintos, para obter um material superior, sendo que os tipos de cargas, se apresentam em escala nanométrica. (5) O constante avanço tecnológico estimulou a criação de materiais com propriedades diferentes e de qualidades superiores (propriedades mecânicas, térmicas e de barreira, como exemplo) e em virtude dos polímeros puros não demonstrarem o comportamento ou as propriedades ambicionadas para determinadas funções, surge a necessidade de inovar em termos de materiais, nomeadamente os nanocompósitos, que se tornaram matéria de estudo. Os nanocompósitos são um material inovador. Estes materiais são combinações que resultam da correlação entre uma matriz e um reforço nanométrico, isto é, os nanocompósitos são obtidos pela incorporação do reforço nanométrico, podendo ser realçado a argila, a sílica e os nanotubos de carbono. O seguinte gráfico 8

9 sugere a composição de um nanocompósito e os seus respetivos constituintes: Existem três tipos de nanocompósitos, estes encontram-se agrupados de acordo com a maneira e com a quantidade de partículas que estão dispersas no mesmo. I. Materiais constituídos por apenas uma das três dimensões da partícula de reforço em escala nanométrica são denominados de unidimensionais. 9

10 Exemplos: Grafeno e Argila Montmorilonita. Argila Montmorilonita II. Materiais que apresentam duas dimensões nanométricas são referenciados como bidimensionais. Exemplos: Nanotubos de Carbono. Nanotubo de Carbono III. Materiais que exibem três dimensões na escala manométrica são conhecidos como tridimensionais. 10

11 Exemplos: nanopartículas metálicas, negro de fumo e a nanopartícula esférica de sílica, obtidas pelo método sol-gel in situ, ou pela polimerização promovida diretamente da superfície delas, entre outros. A sílica está a ser usada em diversos setores devido a sua resistência à abrasão, por ser isolante elétrico e por possuir alta estabilidade térmica (6). nanométrico: Sílica A estrutura do nanocompósito depende também da disposição do reforço Estrutura dos Nanocompósitos 11

12 Que tipos de reforço existem? De modo a reforçar a matriz metálica, no nosso caso uma matriz de alumínio, recorrese a uma fase de reforço. Existem predominantemente três tipos de reforço, são estes: 1. Partículas esféricas, como no caso da sílica, óxido de titânio e alumina. 2. Fibras e nanotubos, como no caso dos nanotubos de carbono. (MMT). 3. Estrutura em camadas, como no caso da Argila montmorilonita 12

13 Como se produzem nanocompósitos: Frequentemente, os três métodos mais utilizados para a preparação e posterior produção de nanocompósitos são (8)(9): Mistura por Dissolução: Tal como o nome indica, existe uma dispersão das partículas numa solução orgânica e de seguida a evaporação do solvente ou, noutras situações, precipitação do polímero. Neste método é importante que o solvente utilizado, além de ser capaz de solubilizar, seja um polímero que também tenha uma boa interação com o reforço nanométrico para promover a sua desagregação e consequentemente obter uma boa dispersão desse reforço nanométrico na matriz. Mistura por Fusão: Este método baseia-se em misturar o reforço nanométrico ao termoplástico fundido, o que, geralmente, se obtém são nanocompósitos intercalados ou, por vezes, esfoliados se existir grande compatibilidade entre a carga e a matriz e com condições de processamento adequadas. Em certas alturas, um terceiro componente deve ser adicionado para ajudar numa melhor compatibilidade entre a matriz e a nanocarga. Polimerização in situ: Neste processo, a nanocarga, que habitualmente se define como iniciador de polimerização/catalisador, e o monómero são colocados diretamente no reator de polimerização. Esta estratégia usa-se na produção de uma elevada gama de nanocompósitos poliméricos. No entanto, é de nosso interesse os métodos de produção dos nanocompósitos de matriz metálica, pelo que vamos destacar três métodos (10): Pulverometalurgia: Este é um processo, simples, versátil e económico, em comparação com os outros processos de produção já referidos, permitindo assim obter peças de formas complexas sem que se tenha que fundir os pós. Necessitamos apenas de pós de metais, e de pós do nanomaterial a adicionar para reforçar o nosso metal em questão. Misturam-se os pós onde estes devem formar uma mistura 13

14 homogénea. De seguida, procede-se à compactação (numa prensa) da mistura num sólido, esse que vai ser sinterizado a vácuo para evitar a oxidação dos metais. Pulverização Térmica: É uma técnica, tal como o nome indica, que consiste na pulverização de partículas maioritariamente fundidas num substrato formando um revestimento que solidifica num curto espaço de tempo após impacto/choque. Eletrodeposição Química: A eletrodeposição é uma técnica que consiste na produção de um revestimento ou filmes finos de compósitos de matrizes metálicas reforçados com Nanotubos de Carbono. Os compósitos MM/CNT produzidos por esta técnica podem ser divididos em três categorias: Filmes e revestimentos produzidos através da deposição dos iões metálicos e/em nanotubos de carbono; Deposição do metal em filmes de nanotubos de carbono alinhados; Revestimento de nanotubos de carbono individualizados. 14

15 Aplicações e propriedades dos nanotubos. Dependendo da orientação de sua rede cristalina, os nanotubos de carbono são condutores ou semicondutores, ou seja, se os tubos forem enrolados de forma linear, serão excelentes condutores de eletricidade porém com menor resistividade relativamente ao cobre, se, porém, os nanotubos forem sujeitos a um processo denominado quiridade, estes comportar-se-ão como semicondutores. No caso de o nanotubo ser condutor, pode então transmitir eletricidade de uma forma 1000 vezes mais eficiente que um fio de cobre. Os nanotubos semicondutores podem ser usados em circuitos eletrónicos refinados graças ao seu tamanho reduzido, sendo uma das aplicações a produção de nanoprocessadores, que vêm substituir os chips de silício que são usados atualmente. Estes nanotubos possuem também extraordinárias propriedades mecânicas, por serem bastante resistentes à rutura, chegando a ser 100 vezes mais resistentes que o aço apesar de terem 1/6 da sua densidade. Devido à sua resistência, podem então ser usados na construção civil, na fuselagem de aviões, carros, foguetes e naves espaciais da NASA. Podem também constituir tecidos extremamente resistentes, se adicionados a estes. Outra propriedade dos nanotubos será a sua elevada condução térmica, podendo ser usados em processos de conservação/transmissão de energia, como é exemplo a energia solar, estes sendo mais eficientes que os painéis fotovoltaicos utilizados nos dias de hoje. 15

16 Fase experimental De modo a conseguir produzir uma amostra viável de um nanocompósito de matriz de alumínio reforçado com Nanotubos de Carbono existe um processo de fabrico, entre outros, denominado pulverometalurgia, cuja teoria já foi abordada previamente. Ao lado vê-se uma amostra de Nanotubos de Carbono. Assim, para produzir o material começa por ser misturada na túrbula (apresentada na imagem à esquerda), até ficar homogénea, uma amostra de pó de Alumínio e Nanotubos de Carbono. No caso estudado, o material fui misturado durante 24 horas. No processo de compactação, a amostra (mistura de Nanotubos de Carbono com Alumínio) é sujeita a uma pressão de 100 bar uniaxial. Este processo é efetuado na prensa. É usada uma base feita de aço revestido com carboneto de tungsténio para aguentar a pressão. No fim do processo de compactação, a amostra deve ficar em forma de pastilha circular. Note-se que por esta altura no processo de fabrico a amostra é frágil e as propriedades desejadas ainda não foram atingidas. Depois de a amostra estar compactada, esta será colocada num forno cerâmico em vácuo e a amostra será aquecida cinco graus por minuto até atingir os 640 graus Celsius processo designado por sinterização. Esta temperatura será mantida durante hora e meia e arrefecida novamente cinco graus por minuto. No processo de 16

17 aquecimento a amostra deve estar situada a meio do forno. Neste processo, o forno deve aquecer lentamente, devido ao tubo que contém a amostra ser de cerâmica (facilmente quebrável se se verificarem mudanças bruscas de temperatura). Forno cerâmico O forno em si possui 2 bombas de vácuo primário e secundário. No vácuo primário atinge-se pressões da ordem dos 10^-2 milibar e no vácuo secundário 10^-6 milibar. O processo de sinterização deve ocorrer no vácuo secundário. No final de todo o processo é importante que não se note (a olho nu) pontos pretos na amostra estes revelam a existência de aglomerações de Nanotubos de Carbono (causadas pela formação de novelos de Nanotubos de Carbono que não foram destruídos na túrbula) e pretende-se que a mistura esteja homogeneizada. 17

18 CONCLUSÃO Através deste trabalho ficamos a saber o que são Nanomateriais e, especialmente, Nanocompósitos. Estes revelaram-se ser materiais cujas propriedades são diversas e extremamente vantajosas, justificando o porquê destes serem e estarem a ser cada vez mais utilizados no dia-a-dia e em áreas tão diversas como a indústria aeroespacial e a construção de painéis fotovoltaicos. Os princípios fundamentais e processos de fabrico destes materiais também foram estudados, em especial a pulverometalurgia, onde nos apercebemos de quão fácil, barato e prático é a produção de nanocompósitos, ou pelo menos do nanocompósito estudado CNT+Al. A variação das propriedades do material pré e pós-fabrico também foi notável. A realização deste trabalho criou nos participantes grande interesse na área dos Nanocompósitos e foi, de facto, bastante educativa. 18

19 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS (1) produ%e7%e3o%20e%20caracterisiticas%20do%20aluminio.pdf acedido a 12 de outubro, 2016 (2) acedido a 17 de outubro, 2016 (3) acedido a 26 de Outubro, (4) John Wiley & Sons Production of Aluminium and Alumina: Critical Reports on Apllied Chemistry, Volume 20, edited by A. R. Burkin. Chichester: Society of Chemical Industry. (5) Dicionário InFormal- acedido a 15 de outubro, 2016 (6) nce=1 acedido a 15 de outubro, 2016, Dissertação de Mestrado de Marcelo Luis Mignomi (7) acedido a 14 de outubro, 2016 (8) jaa&url=https%3a%2f%2fwww.lume.ufrgs.br%2fbitstream%2fhandle%2f10183%2 F15272%2F pdf%3Fsequence%3D1&ei=EM9MVJiQMcOKaIiNgrAO&usg= AFQjCNFgBun2dTmy0jadqATmyzKqmheyQw&sig2=Hwqb0Gte642ZiiukDn2Pbw&cad =rja acedido a 16 de outubro, 2016 (9) d=0cb8qfjaa&url=http%3a%2f%2fwww.lume.ufrgs.br%2fbitstream%2fhandle%2f10183%2 F25508%2F pdf&ei=o9FMVIGENcTdauKEgegB&usg=AFQjCNGA8hoK1_TuqcrSJiuosp tbgejxzg&sig2=_nioivfs8nayv4a6q2vyzg acedido a 14 de outubro, 2016 (10) FONSECA, José António Monteiro. Produção e caracterização de compósitos de alumínio reforçados com nanotubos de carbono. 2012, pp. 7, Tese de Mestrado, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 19