Application and characterization of zirconium layer of corrosion protection of the stainless steel AISI 304

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1 Aplicação e caracterização de camada de zircônio para a proteção contra corrosão do aço inoxidável AISI 304 Application and characterization of zirconium layer of corrosion protection of the stainless steel AISI 304 Jucimara Kulek Andrade 1, Andressa Galli 2, Larissa Berbel 3, Maico Taras da Cunha 4, Marcelo Grassi 3, Martha Tussolini 4, Maico Taras da Cunha 4, Everson do Prado Banczek 2, Paulo Rogério Pinto Rodrigues 2. Universidade Estadual do Centro-Oeste (PR) - UNICENTRO 1 Mestranda em Química Aplicada, 2 Doutor(a) em Ciências, 3 Graduando(a) em Química, 4 Doutorando(a) em Química Aplicada. Resumo O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver e caracterizar um tratamento para o aço inoxidável AISI 304 à base de cerâmicas de zircônio que apresentem compatibilidade ambiental e resistência à corrosão relacionada com as exigências atuais,, entre os quais podem ser citados os revestimentos nanocerâmicos. O material metálico utilizado como substrato para o tratamento de superfícies foi o aço inoxidável AISI 304. Anteriormente, ao tratamento de superfície, as amostras foram lixadas com lixas de SiC de #220, #320, #400, #600. O revestimento de zircônio foi preparado a partir de uma resina contendo etilenoglicol, ácido cítrico e um sal de zircônio. O metal base foi imerso durante 15 minutos na resina e, posteriormente, tratado à 450 ºC em forno mufla por 30 minutos. Após, o sistema foi caracterizado utilizando-se as seguintes técnicas experimentais: gravimetria, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de energia dispersiva, potencial de circuito aberto, espectroscopia de impedância eletroquímica e curvas de polarização potenciodinâmica anódica. Os resultados de microscopia mostraram que o revestimento de zircônio alterou a morfologia da superfície do aço inoxidável AISI 304 e indicaram a presença de um pico referente ao elemento zircônio o qual indica que o revestimento foi formado sobre a superfície do metal.os ensaios eletroquímicos mostraram que o pré-tratamento de zircônio aumentou a resistência à corrosão do metal base, em relação ao aço inoxidável AISI 304 sem nenhum tipo de revestimento. Palavras-chave: corrosão, pré-tratamento, método Pechini. Abstract The aim of this study was to develop and characterize a treatment for AISI 304 stainless steel-based ceramic zirconium presenting environmental compatibility and corrosion resistance related to the current requirements, among which may be mentioned the coatings nano ceramic. The metallic material used as substrate for the surface treatment was stainless steel AISI 304. Previously surface treatment, the samples were abraded with SiC abrasive paper of # 220, # 320, # 400, # 600. The coated zirconia was prepared from a resin containing ethylene glycol, citric acid and a salt of zirconium. The metal base was immersed for 15 minutes in the resin and thereafter treated at 450 C in a muffle furnace for 30 minutes. After the system was characterized using the following experimental techniques: gravimetry, scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, open circuit potential, electrochemical impedance spectroscopy and potentiodynamic anodic polarization curves. The results microscopy showed that the coating of zirconium altered the morphology of the surface of stainless steel AISI 304 and indicated the presence of a peak for the zirconium element which indicates that the coating was formed on the surface of electrochemical tests showed that metal. Os pretreatment zirconium increased the corrosion resistance of the base metal, relative to AISI 304 stainless steel without any coating. Key-words: Corrosion, pretreatment, Pechini Method.

2 Introdução A corrosão de superfícies metálicas tem sido um dos grandes problemas, por isso a corrosão destes materiais vem despertando interesse de pesquisadores para melhoria das características de revestimentos de superfícies metálicas. Entre as ligas mais estudadas tem-se o aço inoxidável. Muitos estudos têm sido realizados com relação à corrosão de superfícies metálicas, entre as ligas mais estudadas tem-se o aço inoxidável. Este material vem sendo amplamente utilizado em diversas áreas, como construção civil e nas indústrias aeroespaciais (BADDOO, 2008), devido às suas características, tais como: durabilidade, alta ductilidade, moldabilidade e resistência à corrosão. Embora apresente elevada resistência à corrosão, quando em contato com determinados íons o aço inoxidável sofre corrosão localizada, perdendo a sua propriedade de passividade. Por isso, busca-se sempre melhorar os revestimentos e técnicas de tratamento de superfície com o intuito de aumentar a resistência à corrosão dos materiais metálicos. Uma opção são os revestimentos cerâmicos. Por isso, busca-se sempre melhorar os revestimentos e técnicas de tratamento de superfície com o intuito de aumentar a resistência à corrosão dos materiais metálicos. Estes apresentam boa estabilidade química e resistência à oxidação. Dentre os revestimento cerâmicos pode ser destacado o de zircônia o qual apresenta características interessantes como: resistência mecânica, inércia química, estabilidade térmica e resistência à corrosão, tornando o material adequado para a produção de revestimentos de proteção. Várias técnicas são utilizadas na preparação de cerâmicas de zircônia, baseadas em ZrO 2, por deposição física a vapor (PVD) (PINEDO et al, 2011), revestimento por deposição química a vapor (CVD), eletrodeposição, spray pirólise, plasma spray e processo de sol-gel (Shiyan Zhanga et al, 2010), entre outros. O processo sol-gel apresenta a vantagem de utilizar equipamentos de baixo custo, controle da estequiometria da solução precursora, fácil modificação da composição e favorece a introdução de vários grupos funcionais. Existem trabalhos na literatura que utilizam diferentes soluções e temperaturas na obtenção dos filmes, tal como Esmaiel Nouri et al (2011), que utilizaram hidróxido de acetato de zircônio em etanol variando a temperatura de calcinação de 300 C a 900 C. Verificou-se que na temperatura de 500 C o revestimento é mais resistente a corrosão que o aço inoxidável 316 L. Mun Teng Soo (2012) utilizou para a preparação dos filmes alcóxidos na forma de Zr[O(CH 2 ) 3 CH 3 ] 4 na presença de etanol (EtOH) em diferentes proporções e tratados com água quente. Obteve variações na espessura da película de 39 para 206 nm em função da razão molar do EtOH durante a preparação de sol-gel. A cristalinidade de ZrO 2 foi maior através do aumento da razão molar de EtOH. O presente trabalho propõe o revestimento nanocerâmico utilizando como solução precursora uma mistura de ácido cítrico em etilenoglicol a base de íons zirconila em ligas metálicas de aço inoxidável AISI 304, em substituição aos pré-tratamentos de superfícies já existentes, com finalidade de atuar contra a corrosão, bem como para fins econômicos, sociais e ambientais. Materiais e métodos O material metálico utilizado no presente trabalho como substrato para o tratamento metálico foi o aço inoxidável AISI 304. Anteriormente, aos processos de tratamento de superfície, as amostras foram lixadas com lixas de SiC de granulometria #220, #320, #400 e #600 mesh. As cerâmicas de zircônio foram preparadas a partir de uma resina pelo método de Pechini como apresentado no fluxograma da Figura 1. O preparo da resina foi realizado pela dissolução de ácido cítrico (C 6 H 8 O 7 ) em etilenoglicol (C 2 H 4 (OH) 2 ) a uma temperatura de 60 o C sob agitação magnética com posterior adição do nitrato de zirconila (ZrO(NO 3 ) 2.6H 2 O). A solução resultante foi mantida sob agitação por 30 minutos. Foram preparadas resinas com razões molares (n/n) entre ácido cítrico/etilenoglicol de 1:4, e entre o ácido e o nitrato de zircônio 10:1. As cerâmicas de óxido de zircônio foram preparadas por deposição através da imersão das amostras na resina com o tempo de imersão de 15 minutos. Os filmes preparados foram submetidos a um tratamento térmico a 450 o C por 30 minutos.

3 Ensaios gravimétricos foram realizados para determinar a massa do revestimento nanocerâmico na superfície do substrato determinando a massa das amostras antes da imersão na resina e após o tratamento térmico, sendo a massa determinada pela Equação 1, m m = A m camada 1 2 Eq. (1) onde m 2 é a massa após o tratamento térmico, m 1 é a massa antes da imersão na resina e A é a área do substrato em m 2. A caracterização da superfície metálica do aço inoxidável foi realizada por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) utilizando um microscópio eletrônico Philips modelo XL30. Para determinação da composição semi-quantitativa das superfícies metálicas revestidas e não revestidas utilizou-se Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) acoplada ao MEV. Medidas de potencial de circuito aberto (PCA), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE), polarização potenciodinâmica anódica (PPA) e polarização cíclica (PC) foram realizadas para a caracterização eletroquímica. A espectroscopia de impedância eletroquímica foi realizada variando a frequência de 10 khz a 10 mhz, com potencial de perturbação de ±10 mv. As curvas de polarização potenciodinâmica e polarização cíclica foram obtidas com velocidade de varredura de 1 mv.s -1. Utilizou-se um arranjo experimental de 3 eletrodos, constituído por um fio de platina como contra-eletrodo, um eletrodo de referência de sulfato mercuroso (Hg/Hg 2 SO 4 (ESM)) e um eletrodo de trabalho constituído do metal aço inoxidável AISI 304, com área geométrica de 0,68 cm 2. As medidas eletroquímicas foram realizadas em um analisador de frequências marca Gamry modelo EIS 300 acoplado a um potenciostato marca Gamry modelo PCI 4/300. O eletrólito utilizado para as medidas de PCA, EIE e PPA foi uma solução de sulfato de sódio 0,5 mol L -1 com ph 4, ajustado com solução tampão de biftalato de potássio 0,1 mol L -1 e hidróxido de sódio 0,1 mol L-1. Para as medidas de PC foi utilizada uma solução de cloreto de sódio 0,5 moll -1. Ácido cítrico Etilenoglicol Agitação (60 C, 30 min) Resina Nitrato de zirconila????zirconila Imersão (15 min) Tratamento térmico (450 C, 30 min) Filme de ZrO 2 Figura 1. Fluxograma do método de obtenção do nanocerâmica de ZrO 2. Resultados Microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de energia dispersiva A morfologia da superfície das amostras foi avaliada por meio de microscopia eletrônica de varredura e as micrografias obtidas são apresentadas na Figura 2.

4 (A) (B) Figura 2. Micrografias da superfície do aço inoxidável 304 sem proteção (A) e após o revestimento de zircônio (B). Aumento de 1500x. A composição semi-quantitativa da superfície, obtida por energia dispersiva de raios-x, foi avaliada e os espectros obtidos são apresentados na Figura 3. A quantificação elementar permitiu determinar a composição elementar em porcentagem m/m e valores são apresentados na Tabela 1. (A) (B) Figura 3: Espectroscopia de energia dispersiva para: (A) e (B) + Zr. Tabela 1. Composição percentual em massa. Elemento C Cr Fe Mn Mo Nb Ni O Si Zr - 19,593 73,684 1,707 0,448 0,183 4,012-0,373-4,453 13,148 43,721 1, ,575 21,314 0,702 11,054 Um valor de níquel em porcentagem de massa, inferior ao indicado para o aço inoxidável 304, foi obtido para o metal não tratado sendo que tal resultado está relacionado ao método de determinação por EDS, ou seja é somente qualitativo e não quantitativo. Valores maiores de Ni, em porcentagem massa foram obtidos para a amostra revestida, tal comportamento está relacionado com o aquecimento do metal para a obtenção do filme de óxido de alumínio. Tal aquecimento promove a migração de níquel da matriz para a formação do óxido superficial. Ensaios gravimétricos Ensaios gravimétricos foram realizados e os resultados são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 Massa da Camada para o revestimento de aço inoxidável Zircônio. Camada Massa média (g/m 2 ) Desvio (g/m 2 ) Aço Zircônio 1,81 g/m 2 0,481 g/m 2

5 Z i / Ohm.cm 2 - / E (V vs Hg/Hg 2 SO 4 ) Ensaios eletroquímicos Potencial de Circuito aberto O comportamento de corrosão do substrato de aço inox 304 revestido com zircônio e não revestido foi avaliado por ensaios de potencial de circuito aberto e os resultados são apresentados na Figura 4. 0,00-0,05-0,10-0,15-0,20-0,25-0, Tempo (min) Figura 4. Curvas de Potencial de circuito aberto do aço inox 304 com e sem revestimento de Zircônio em meio de sulfato de sódio 0,5 mol L -1 com ph 4. Espectroscopia de impedância eletroquímica Os ensaios de espectroscopia de impedância eletroquímica são apresentados na Figura 5 na forma de diagramas de Nyquist e de ângulo de fase de Bode. 2,5x10 4 2,0x10 4 0,01 Hz ,5x ,0x ,0x10 3 0,01 Hz 15 0,0 0,00 7,50x10 3 1,50x10 4 2,25x10 4 3,00x10 4 Z r / Ohm.cm Frequência / Hz (A) (B) Figura 5. Diagrama de Nyquist (A) e Bode (B) do aço inox 304 com e sem deposito de Zircônio em meio de sulfato de sódio 0,5 mol L -1 com ph 4. Polarização potenciodinâmica anódica Medidas de polarização potenciodinâmica anódica foram realizadas e os resultados são apresentados na Figura 6.

6 j (A/cm 2 ) j (A.cm -2 ) log j 0,04 0,03 0, ,2 0,0 0,2 0,4 E (V vs Ag/AgCl) 0,01 0,00-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 E (V vs Ag/AgCl) Figura 6. Polarização anódica com velocidade de varredura de 1 mv.s -1 do aço inox 304 com e sem deposito de Zircônio em meio de sulfato de sódio 0,5 mol L -1 com ph 4. Figura interna é a ampliação da região passiva. Polarização cíclica Ensaios de polarização cíclica foram realizados para avaliar o comportamento de corrosão por pite das amostras estudadas e os resultados são apresentados na Figura 7. 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 E rep 0,000 E p1 E p -0,010-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 E (V vs. Ag/AgCl) Figura 7. Polarização cíclica do aço inox 304 com e sem camada de Zircônio em meio cloreto de sódio 0,5 mol L -1. Discussões Microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de energia dispersiva A Figura 2 mostra que houve alteração da morfologia da superfície do aço 304 devida à deposição do revestimento de zircônio, indicando a formação de um filme, que apresenta uma morfologia irregular. Observa-se a partir dos espectros de energia dispersiva (Figura 3) que na presença do revestimento há um pico referente ao Zr o qual não é observado no substrato, confirmando a presença de Zr no filme depositado, confirmando os resultados de MEV. A superfície da amostra revestida com zircônio apresentou aproximadamente 11% de zircônio, como está apresentado na Tabela 1, tal elemento é referente ao revestimento depositado.

7 Adicionalmente, um pico referente ao elemento carbono de aproximadamente 4% foi quantificado. Este pico está relacionado à queima incompleta da resina em forno mufla. Ensaios gravimétricos Através dos ensaios de gravimétricos (Tabela 2), observa-se que a massa da camada de zircônio depositada foi de 1,81 g/m 2 e indica que o revestimento foi formado. Ensaios eletroquímicos Potencial de Circuito aberto Observa-se um deslocamento (Figura 4) para valores mais positivos de potencial para a amostra de aço 304 sem revestimento quando comparado a este metal revestido com zircônio. Este resultado sugere que a camada de zircônio está agindo catodicamente. Espectroscopia de impedância eletroquímica Os diagramas de Nyquist (Figura 5 (A)), apresentam apenas um arco capacitivo para as duas amostras. Valores de impedância maiores foram obtidos para as amostras revestidas sugerindo uma maior resistência à corrosão sendo esta promovida pela camada de zircônio. Nota-se por meio dos diagramas de ângulo de fase de Bode (Figura 5 (B)), que para o aço 304 há uma constante de tempo em freqüências da ordem de 10-2 Hz. Esta constante pode ser relacionada ao óxido formado na superfície do metal. Adicionalmente, para o mesmo sistema, na região de 1 Hz há uma segunda constante de tempo que pode ser atribuída aos processos de transferência de carga na superfície do metal. Comportamento distinto com relação à freqüência foi observado para as constantes de tempo do sistema aço Zr, pois a primeira constante foi deslocada para freqüências da ordem de 10 Hz e pode ser atribuída ao revestimento de Zr. O deslocamento para freqüências menores indica um retardamento na resposta para esta constante. Tal comportamento sugere uma característica de proteção contra corrosão inferior do revestimento de Zr quando comparado ao óxido na superfície do aço, entretanto, tal resultado não influencia na resposta geral do sistema, pois maiores valores de ângulo de fase foram obtidos para a primeira constante do aço inox revestido, em relação ao metal não tratado, o que indica uma maior resistência à corrosão. Esta resposta de impedância indica que o tratamento de superfície é poroso e irregular. Uma região de ângulo de fase aproximadamente constante da ordem de 45 foi observada para o aço inox com Zr, tal comportamento é característico de materiais porosos, essa região constante indica a sobreposição de várias constantes de tempo. Neste diagrama em freqüências entre 10-1 e 10-2 Hz há uma segunda constante de tempo que pode ser atribuída aos processos de transferências de carga. Em relação à segunda constante, o deslocamento para menores freqüências, quando comparado ao sistema de aço inox, indica um retardo na reação de transferência de carga, o que mostra uma maior resistência a corrosão. Essa, maior resistência à corrosão também é observada devido aos maiores ângulos de fase obtidos. Polarização potenciodinâmica anódica A partir das curvas de polarização potenciodinâmica anódicas (Figura 6) foi possível observar que duas regiões distintas estão presentes na figura. A primeira região aparece a partir do potencial de corrosão até 0,1 V de sobretensão, na qual um comportamento passivo, para as duas amostras é evidenciado. A segunda região aparece em sobretensões entre 0,1 e 0,3 V em que as densidades de corrente medidas para a amostra revestida são maiores que para a amostra não

8 revestida. Tal comportamento sugere uma menor proteção contra a corrosão promovida pela camada de Zr nesta região. Tal comportamento é explicado pela elevação de corrente que ocorre na sobretensão de 0,1 V que é o potencial de quebra do revestimento, entretanto, em sobretensões da ordem de 0,3 V a densidade de corrente para o revestimento diminui, exatamente quando há a quebra do óxido sobre o aço inoxidável sem revestimento. A resposta de polarização da amostra revestida demonstra a heterogeneidade superficial, pois uma camada porosa e irregular favorece a formação de micro pilhas que podem facilitar o processo corrosivo, entretanto, não pode ser atribuído uma pior proteção contra corrosão para a amostra revestida, pois apesar da quebra acontecer em sobretensões mais negativas as densidades de corrente se mantiveram menores que as do aço sem revestimento, a partir do potencial de quebra do óxido deste último. Polarização cíclica A partir das curvas de polarização cíclica (Figura 7) foi possível observar que a amostra revestida com zircônio apresenta um potencial de pite E p1 mais negativo que para o aço 304 E p sem revestimento. Tal comportamento indica uma menor resistência à corrosão por pites para a amostra revestida. A explicação para este resultado reside no fato de a camada de zircônio ser irregular (porosidades e falhas) e favorece a formação de micro pilhas que aceleram o processo de corrosão. Adicionalmente, observou-se que o potencial de repassivação E rep é o mesmo para as duas amostras e que a histerese é maior para a amostra de aço não revestida, indicando que a camada de zircônio protege a superfície do metal base. Conclusões Os resultados de MEV mostram que o revestimento formado apresenta uma morfologia irregular. Os espectros de EDS confirmam a presença de Zr no filme depositado. Através dos ensaios eletroquímicos foi possível analisar que o revestimento de Zr desloca o potencial de corrosão para valores mais catódicos. A partir das curvas de polarização anódica verificou-se que em potenciais maiores que 380 mv ocorre uma redução na densidade de corrente do aço inox com Zr em comparação ao substrato. Os diagramas de impedância eletroquímica sugeriram que o revestimento de Zr protege o aço inox da corrosão em condições estacionárias. Entretanto, para as condições de polarização o revestimento zircônio apresenta três regiões distintas das quais a primeira está antes do potencial de quebra por volta de 0,2 V na qual a amostra apresenta comportamento semelhante ao metal base, a segunda região pode ser observada na faixa de potenciais entre 0,2 e 0,4 V em que o revestimento apresenta comportamento de corrosão inferior ao do metal base e a terceira região pode ser observada a partir de 0,4 V em que o material revestido apresenta melhor comportamento de corrosão Agradecimentos Agradecemos à UNICENTRO, RHAE /CNPQ e à empresa TECNOQUISA. Referências BADDOO, N. R. Stainless steel in construction: A review of research, applications, challenges and opportunities. Journal of Constructional Steel Research. v. 64, n. 11, p , HSIEH, J. H., LEE, R., ERCK, R. A., FENSKE, G. R., SU, Y. Y., MAREK, M., HOCHMAN, R. F. Niobium coatings on 316L stainless steel for improving corrosion resistance. Surface and Coatings Technology. v.49, p , 1991.

9 NOURI, E., SHAHMIRI, M., REZAIE, H. R., TALAYIAN, F. Investigation of structural evolution and electrochemical behaviour of zirconia thin films on the 316L stainless steel substrate formed via sol gel process. Surface and Coatings Technology. v. 205, n , p , PÉREZ, F. J., PEDRAZA, F., HIERRO, M. P., HOU, P. Y. Adhesion properties of aluminide coatings deposited via CVD in fluidised bed reactors (CVD-FBR) on AISI 304 stainless steel. Surface and Coatings Technology. v , p , PINEDO, C. E., MONTEIRO, W. A. Tratamento térmico e de nitretação sob plasma do aço inoxidável martensítico AISI 420. Tecnol. Metal. Mater. Miner. n. 2, v. 8, p , RODRIGUES, P. R. P., AGOSTINHO, S. M. L. Análise da resistência do filme inibidor de benzotriazol formado sobre a superfície do aço inoxidável tipo 304 em meio de H 2 SO 4 2 mol L-1. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE ELETROQUÍMICA E ELETROANALÍTICA, SIBEE, 11. Alagoas, p , RODRIGUES, P. R. P., AGOSTINHO, S. M. L., ZERBINO, J. O. Voltammetric and ellipsometric studies of films formed on 304 stainless steel in sulphuric acid solution without and with benzotriazole. In: EMCR - INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ELECTROCHEMICAL METHODS IN CORROSION RESEARCH. Trento - Itália, RODRIGUES, P. R. P., ANDRADE, A. H. P., AGOSTINHO, S. M. L. Benzotriazole as corrosion inhibitor for 304 stainless steel in water-ethanol media containing 2M H 2 SO 4. British Corrosion Journal. v. 33, n. 3, p , SOO, M. T., PRASTOMO, N., MATSUDA, A., KAWAMURA, G., MUTO, I., NOOR, A. F. M., LOCKMAN, Z., CHEONG, K. Y. Elaboration and characterization of sol gel derived ZrO2 thin films treated with hot water. Applied Surface Science. v. 258, n. 13, p , VILLAMIL, R. F. V., RODRIGUES, P. R. P., AGOSTINHO, S. M. L. O efeito sinérgico do benzotriazol e do dodecil sulfato de sódio na inibição da corrosão do aço 304 em H 2 SO 4 2 M, In: ABRACO - CONGRESSO BRASILEIRO DE CORROSÃO / IMCORR-RIO - INTERNATIONAL MEETING ON CORROSION SCIENCE E CONTROL TECHNOLOGIES. Rio de Janeiro, VIOMAR, A., GALLINA, A. L., COSTA, I., CUNHA, M. T. da, RODRIGUES, P. R. P., BANCZEK, E. do P. Aplicação de SAM em liga de alumínio AA 2024-T3 com desengraxe alcalino. REM Revista Escola de Minas. v. 65, n. 1, p , ZHANG, S., LI, Q., CHEN, B., YANG, X. Preparation and corrosion resistance studies of nanometric sol gel-based CeO 2 film with a chromium-free pretreatment on AZ91D magnesium alloy. Electrochimica Acta. v. 55, n. 3, p , Autor Responsável: Paulo Rogério Pinto Rodrigues- Universidade Estadual do Centro Oeste UNICENTRO. Endereço: Rua Simeão Camargo Varela de Sá, CEP: , Vila Carli, Guarapuava, Paraná. Tel: (42) prprodrigues@gmail.com