ESPUMAS DE MgAl 2 O 4 OBTIDAS VIA SÍNTESE POR COMBUSTÃO G.G. Moraes (1,2), M.A. Rosa (1,3), D.P. Kronbauer (1,3), I.F. Pozzobom (1,2), C.P. Fernandes (1,3,4), A.P. Novaes de Oliveira (1,2,4) 1 Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais (PGMAT) 2 Laboratório de Materiais Vitrocerâmicos (VITROCER) 3 Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas (LMPT) 4 Departamento de Engenharia Mecânica (EMC) Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) 88040-900 Florianópolis, SC, Brasil grazzi.guzzi@gmail.com RESUMO Neste trabalho, espumas cerâmicas de aluminato de magnésio (MgAl 2 O 4 ) foram obtidas via síntese por combustão em solução, sem a necessidade de agentes tensoativos para estabilização de bolhas. Os precursores, Al(NO 3 ) 3.9H 2 O e Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O, dispersos em água destilada (20% em massa), foram agitados magneticamente sob aquecimento (70 C). No início da reação, adicionou-se um combustível composto por uma mistura de glicerinas residuais provenientes da produção do biodiesel. Espumas foram produzidas controlando-se a velocidade de agitação e a temperatura. O ciclo térmico aplicado para consolidação das espumas consistiu de aquecimento a 1 C/min até 600 C/120 min e subsequente elevação da temperatura a 10 C/min até 1600 C/120 min. Os materiais foram caracterizados por MEV, MET e microtomografia de raios X. Os resultados mostraram, a partir de imagens microtomográficas tridimensionais em duas resoluções espaciais, que as espumas de aluminato de magnésio obtidas apresentaram porosidade de 97%, elevada conectividade e tamanhos de poros (diâmetros) entre 30 e 1200 µm. Palavras-chave: aluminato de magnésio, síntese por combustão, glicerina, espumas cerâmicas. 62
INTRODUÇÃO As cerâmicas celulares são cada vez mais usadas em várias aplicações tais como filtração de metais fundidos, suporte de catalisador, isolamento térmico, implantes biomédicos, etc (1). São geralmente preparadas pelo método da réplica polimérica ou pela espumação de suspensões de pós cerâmicos. No método da réplica, uma esponja polimérica é impregnada com uma suspensão de pó cerâmico, seguido de secagem e queima (2). No método da espumação, bolhas de um gás são estabilizadas nas suspensões de pós cerâmicos utilizando-se surfactantes e em seguida as suspensões de espuma são gelificadas. Após secagem dos corpos gelificados e pirólise dos polímeros pré-cerâmicos, produz-se cerâmicas celulares interconectadas (3). Os atuais métodos de processamento para a preparação de espumas cerâmicas utilizam polímeros orgânicos sintéticos e monômeros, surfactantes e solventes, os quais são produzidos a partir do petróleo, como aditivos de processamento. Recentemente, muitas pesquisas de materiais alternativos a esses aditivos, com moléculas naturais e renováveis tais como proteínas e polissacáridos, são estudadas para a formação de espuma a partir suspensões de pó cerâmico para a preparação de cerâmica celular (4-6). De fato, Vijayan et al (7) produziram espumas cerâmicas com diferentes porosidades, utilizando a termo-espumação de suspensões aquosas de pós de alumina por aquecimento de soluções de sacaroses ácidas. O processo não contém aditivos sintéticos e tóxicos como solventes e surfactantes. Neste sentido, este trabalho considera a rota de termo-espumação de suspensão aquosa de pós de aluminato de magnésio e glicerinas residuais (combustíveis) para a produção de espumas cerâmicas. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho foram utilizadas, como matérias-primas, nitrato de alumínio nanohidratado, Al(NO 3 ) 3.9H 2 O, nitrato de magnésio hexahidratado, Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O, glicerina bruta (50% glicerol) e glicerina loira (76,5% glicerol) fornecidas pela empresa Biopar - Bioenergia do Paraná e aluminato de magnésio particulado. O 63
aluminato de magnésio particulado foi sintetizado a partir da mistura dos seus precursores (Al(NO 3 ) 3.9H 2 O) e (Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O) estequiometricamente equilibrados, numa proporção de 2:1 (mol), e, em uma etapa subsequente, foram agitados magneticamente em solução aquosa (20% em massa de água destilada) sob aquecimento a 70 C, durante 15 min. O combustível, glicerina loira, adicionou-se no início da reação. Após 60 minutos, a mistura foi colocada em um forno mufla e aquecida a 500 C, e, em seguida, calcinada a 900 C/120 min. Informações detalhadas sobre o processo de síntese do aluminato de magnésio podem ser obtidas em Moraes et al. (8). O pó obtido foi moído a seco durante 15 minutos em moinho de bolas de alumina (CT 242 - SERVITECH). Para determinar a temperatura de queima das espumas produzidas de modo que apresentassem arestas/paredes com elevadas densidades, os pós calcinados foram compactados uniaxialmente a 5,4 MPa em matriz (cilíndrica) de aço por meio de uma prensa hidráulica (Bovenau P10 ST). Os compactos de pós obtidos (10 x 10 mm) foram secos (110 C/120 min) e queimados a 1450 C, 1500 C, 1550 C, 1600 C e 1650 C com patamares de 120 min e suas densidades (real e aparente) determinadas. A densidade real do pó foi determinada por picnometria ao gás hélio (AccuPyc 1340, Micromeritics, USA). A densidade aparente das amostras queimadas foi determinada relacionando as suas medidas geométricas, obtidas por meio de um paquímetro (Mitotoyo, precisão de ± 0,01 mm), e as suas massas (Shimadzu Ax200 com precisão de 0,001 g). As densidades relativas foram determinadas, relacionando-se as densidades aparentes e as densidades reais das amostras. A morfologia dos pós obtidos foram investigados por microscopia eletrônica de transmissão (MET) em equipamento JEM-1011. A suspensão cerâmica contendo acetona (75% em massa), pó calcinado (25% em massa) e uma mistura de glicerina (80% de glicerina loira e 20% de glicerina bruta) na fração de 100% em relação aos sólidos, foi preparada em moinho de bolas durante 60 minutos. Posteriormente, a suspensão foi aquecida a 40 C durante 30 minutos até enrijecer. Com o intuito de promover a espumação, a suspensão foi aquecida a 70 C e, então, adicionados 2,5% (em massa) de água destilada, 25% (em massa) de (Al(NO 3 ) 3.9H 2 O), 12,5% (em massa) de (Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O) e 0,625% (em massa) de uma mistura de glicerina (80% de glicerina loira e 20% de glicerina bruta) e agitada por 5 minutos a 950 rpm em batedeira doméstica Philips Walita, 200 W. As espumas resultantes foram secas a 40 C por 24 h em estufa (SPLabor, Modelo SP 100), e queimadas em duas etapas, isto 64
Densidade Relativa (%) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais é, aquecimento a 0,5 C/min até 600 C/120min e a 5 C/min até 1600 C/120 min (ciclo térmico otimizado). A microestrutura de poros pôde ser visualizada a partir de imagens da superfície de fratura de amostras queimadas, obtidas em microscópio eletrônico de varredura, MEV (JEOL, JSM-6390LV). Por meio de imagens 3-D, reconstruídas a partir das espumas cerâmicas produzidas (queimadas), obtidas por microtomografia de raios X (Microtomógrafo de Raios X, fabricante XRadia, modelo Versa XRM-500) e com o auxílio de software de análise de imagens (IMAGO ), a porosidade, a conectividade e a distribuição de tamanhos de poros foram determinadas. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Fig. 1 mostra as densidades relativas, rel, calculadas para compactos de pós queimados a diferentes temperaturas por 120 min. A densidade relativa, conforme mostra a Fig. 1, aumenta à medida a temperatura de queima aumenta, atingindo a máxima densificação (78%) a 1600 C e permanecendo constante até 1650 C. 90 80 70 60 50 40 25 1450 1500 1550 1600 1650 Temperatura ( C) Figura 1: Densidade relativa de compactos de pós queimados a diferentes temperaturas por 120 min. A consolidação de espumas cerâmicas implica em arestas/paredes densas já que o aumento da porosidade da estrutura celular resulta em diminuição da resistência mecânica. Assim, a temperatura de 1600 C foi considerada adequada para a produção das espumas neste trabalho. A Fig. 2, referente ao pó produzido e calcinado a 900 C, mostra a presença de aglomerados de nanopartículas (< 100 nm). 65
Figura 2: Micrografia (MET) de uma amostra do pó produzido. As Fig. 3 (a-b), mostram micrografias (MEV) das espumas obtidas (queimadas a 1600 C por 120 min). A Fig. 3 (a) mostra que os poros apresentam tamanhos distintos, isto é, uma fração dos poros tem dimensões (diâmetros) entre 30 e 300 µm e outra fração com poros com dimensões (diâmetros) de aproximadamente 1200 µm. A Fig. 3 (b) mostra que as paredes celulares (struts) são densas (praticamente isentas de poros) e são constituídas de grãos relativamente pequenos e bem delimitados pelos seus contornos bem evidenciados. Este resultado pode estar relacionado ao melhor empacotamento das nanopartículas ocorrido no processamento coloidal de síntese dos precursores, isto é, uma melhor dispersão das partículas e a formação de uma película de glicerina em torno das mesmas. Além disso, as paredes celulares são mais finas o que também favorece um melhor empacotamento das partículas. Figura 3: Micrografias (MEV) das espumas obtidas, queimadas a 1600 C por 120 min mostrando o aspecto geral da sua estrutura celular (a) e a microestrutura das paredes celulares (b). 66
Frequência (%) Cumulativo (%) Porosidade (-) Conectividade (%) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Por outro lado, os compactos produzidos a partir dos pós sintetizados formam aglomerados fortemente ligados, como constado, o que resulta em materiais com certa porosidade residual (22% para compactos queimados a 1600 C/120 min). Para a produção de espumas, as paredes celulares com elevadas densidades são importantes já que podem resistir a maiores solicitações mecânicas quando comparados aos mesmos materiais (como mesma porosidade), mas com paredes menos densas. Os resultados das análises micromotográficas das espumas podem ser observadas nas Fig. 4 (a-c). A Fig. 4 (a) apresenta a porosidade média (97%) calculada a partir de 600 imagens de amostras das espumas obtidas. 0,93 0,94 Porosidade Média a) 98 b) 97 0,95 0,96 96 0,97 95 0,98 0,99 0 100 200 300 400 500 600 Imagens 94 0 100 200 300 400 500 Distância (voxels) 2,0 c) 100 1,5 80 1,0 60 40 0,5 20 0 0,0 0 100 200 300 400 500 600 700 Raio ( m) Figura 4: Curvas de porosidade (a), função conectividade (b) e distribuição de tamanhos de poros (c) das espumas obtidas queimadas a 1600 C/120 min. A função conectividade fornece a probabilidade de que dois voxels (volume elementar - é o menor elemento tridimensional de uma imagem digital) separados por uma determinada distância pertençam à mesma fase porosa (10). Assim, por meio da Fig. 4 (b) é possível identificar uma alta conectividade no meio poroso das espumas (valor em que a curva tende a uma conectividade quase constante), isto é, entre 94 e 95%. 67
A Fig. 4 (c) apresenta a distribuição de tamanhos de poros para a amostra analisada. A curva de distribuição é do tipo bimodal com poros com dimensões (diâmetros) variando de 30 a 1200 µm. CONCLUSÃO Espumas cerâmicas de aluminato de magnésio foram obtidas com sucesso após processo de queima a 1600 C/120min (temperatura em que compactos de pós sintetizados atingiram a máxima densidade relativa, isto é, 78%). As micrografias (MET) mostraram que os pós de aluminato de magnésio sintetizados apresentaram tamanhos de partículas menores que 100 nm. As micrografias (MEV) das espumas obtidas (queimadas a 1600 C/120 min) mostraram que os poros apresentam tamanhos distintos (distribuição bimodal), isto é, uma fração dos poros com dimensões (diâmetros) entre 30 e 300 µm e outra fração com poros com dimensões (diâmetros) de aproximadamente 1200 µm. As paredes celulares (struts) são densas (praticamente isentas de poros) e são constituídas de grãos relativamente pequenos e bem delimitados pelos seus contornos bem evidenciados. Os resultados das análises micromotográficas das espumas indicaram uma porosidade de 97% com elevada conectividade. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPESC/CNPq (PRONEX T.O. nº17431/2011-9) e o suporte do LCME-UFSC. REFERÊNCIAS (1) SAGGIO-WOYANSKY, J.; SCOTT, C. E.; MINNEAR, W. P. Processing of porous ceramics. American Ceramic Society Bulletin, v. 71, p. 1674 82, 1992. (2) SEPULVEDA, P. Gelcasting foam for porous ceramics. American Ceramic Society Bulletin, v. 76, n. 10, p. 61-65, 1997. (3) MAO, X.; SHIMAI, S.; WANG, S. Gelcasting of alumina foams consolidated by epoxy resin. Journal of the European Ceramic Society, v.28, p. 217 22, 2008. (4) ORTEGA, F.S.; VALENZUELA, F.A.O.; SCURACCHIO, C.H.; PANDOLFELLI, V.C. Alternative gelling agents for the gelcasting of ceramic foams. Journal of the European Ceramic Society, v.23, p.75 80, 2003. 68
(5) GARRN, I.; REETZ, C.; BRANDES, N.; KROHB, L.W.; SCHUBERT, H. Clot-forming: the use of proteins as binders for producing ceramic foams. Journal of the European Ceramic Society, v.24, p.579 87, 2004. (6) DHARA, S.; BHARAGAVA, P. A simple direct casting route to ceramic foams. Journal of the European Ceramic Society, v.86, p.1645 50, 2003. (7) SVIJAYAN,S.; NARASIMMAN, R.; PRUDVI, C., PRABHAKARAN, K. Preparation of alumina foams by the thermo-foaming of powder dispersions in molten sucrose. Journal of the European Ceramic Society, v. 34, p. 425 433, 2014. (8) MORAES, G.G.; BONIN, L.; MORAES, E.G.; DONADEL, K., BARP, K.; OLIVEIRA, A.P.N. Combustion synthesis of the MgAl2O4 using glycerin from the production of biodiesel. Materials Science Forum, v.775-76, p. 682-86, 2014. (9) BELOUSOVA,O.L.; DOMANSKII, A.I.;UGOLKOV, V.L.; DIKAYA, L.F. Influence of Yttrium Oxide on the Phase Formation and Sintering of Ceramics Based on the MgAl2O4 Spinel. Glass Physics and Chemistry, v.. 34, n. 4, p. 474 479, 2008. (10) GONZALEZ, R. C.; WOODS, R. E. Digital Image Processing. 3 ed. Prentice Hall: New Jersey, 2008. MgAl 2 O 4 FOAMS OBTAINED BY COMBUSTION SYNTHESIS This work aims to study magnesium aluminate (MgAl 2 O 4 ) ceramic foams obtained by combustion synthesis in solution without the need of surfactants to stabilize bubbles. The precursors, Al(NO 3 ) 3.9H 2 O and Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O, dispersed in distilled water (20 wt%) were magnetically stirred under heating (70 C). At the beginning of the reaction, a fuel composed by a mixture of residual glycerins from the production of biodiesel was added. The foams were produced by controlling the stirring speed and temperature. The applied thermal cycle to consolidate the foams consisted of heating at 1 C/min to 600 C/120 min and subsequently raising the temperature at 10 C/min to 1600 C/120 min. The obtained materials were characterized by SEM,TEM and from tomographic images. The results showed that the obtained magnesium aluminate foams have a high porosity (97%), a high connectivity and pore sizes (diameters) between 30 and 1200 µm. Keywords: magnesium aluminate, combustion synthesis, glycerin, ceramic foams. 69