1 ESTUDO PRELIMINAR DA OBTENÇÃO DE ZIRCÔNIA ESTABILIZADA COM ÍTRIA VIA GÉIS DE AMIDO DE MILHO Pinto, R. O., Ribeiro, S. Polo Urbo Industrial Gleba AI-6, s/n, Bairro Mondesir, Lorena- SP, CP 116, CEP: 12600-000, E-mail: roberta@ppgem.faenquil.br Faculdade de Engenharia Química de Lorena (FAENQUIL) Departamento de Engenharia de Materiais (DEMAR) RESUMO A zircônia parcialmente estabilizada, PSZ, é um material cerâmico amplamente utilizado em aplicações especiais. Para produção de cerâmicas de zircônia de elevada resistência à flexão, alta tenacidade à fratura, bem como resistência ao desgaste, os pós de partida devem apresentar granulometria fina e uniforme. Vários métodos são conhecidos atualmente para produção dos pós precursores desse material cerâmico. Neste trabalho objetiva-se obter pós finos de zircônia parcialmente estabilizado com ítria, via gel de amido de milho, contendo os íons Zr 4+ e Y 3+. Foram realizados testes com adição de uréia e sem adição de uréia no gel. Através de imagens obtidas por MEV e de análises de DTA/TG observou-se diferenças significativas na morfologia e no comportamento térmico das amostras. Palavras-Chave: cerâmica, psz, gel, amido, uréia
2 INTRODUÇÃO Estudos sobre zircônia têm atraído um número crescente de pesquisadores em todo mundo, pois dentre os materiais cerâmicos de alto desempenho, o que apresenta maior potencial de aplicação são aqueles à base de zircônia. Devido a elevada condução do íon oxigênio e alto índice de refração, esses materiais podem ser utilizados em uma larga extensão de aplicações, as quais incluem catálise, sensores de oxigênio, células combustíveis, ornamento para jóias e prótese dentária. Também tem sido utilizada em muitas aplicações mecânicas. Além de alta resistência e tenacidade à fratura, zircônia também possui boa dureza, resistência ao desgaste e resistência ao choque térmico (2), (3). Zircônia exibe três fases cristalinas bem definidas denominadas monoclínica, tetragonal e cúbica. A fase monoclínica é estável até 1170ºC, temperatura na qual ocorre a transformação para a fase tetragonal, que é estável até 2370ºC e a partir desta temperatura exibe a fase cúbica, que está presente até o ponto de fusão a 2680ºC (7). É de grande importância a transformação da estrutura tetragonal para a monoclínica, pois no resfriamento essa transformação esta associada a uma grande mudança de volume, cerca de 3 a 5%. Isto é o suficiente para exceder o limite de elasticidade e fratura, causando assim trincas no material. Contudo essa expansão no volume pode ser usada como uma vantagem, para melhorar a tenacidade à fratura e a resistência de cerâmicas à base de zircônia. Estabilizantes tais como Y 2 O 3, MgO, CaO são adicionados a zircônia para promover a retenção da fase polimórfica presente em temperaturas elevadas, evitando assim a expansão no volume do material (3), (6), (7). Para se produzir um material de elevada qualidade é importante que o pó utilizado tenha composição homogênea, pequeno tamanho de grão e baixo estado de aglomeração e essas propriedades podem ser conseguidas pelo processo sol gel, que é um método utilizado par a obtenção de materiais cerâmicos em geral, incluindo pós, fibras, filmes superficiais, monólitos, compósitos e membranas porosas e apresenta várias vantagens como maior pureza dos precursores, melhor homogeneidade, controle químico da morfologia, menor temperatura de síntese (8). Do ponto de vista industrial, técnicas de síntese menos complicadas são requeridas para larga escala de aplicação. Através de muitos métodos pode-se obter
3 zircônia, alguns deles requerem condições muito caras, e outros requerem processos complexos que resultam em grande poluição e alto consumo de energia. Então se faz necessário o desenvolvimento de um novo método para obtenção de zircônia, que possa minimizar tais problemas (1), (5). Este trabalho tem como objetivo a obtenção de zircônia parcialmente estabilizada com ítria por um método inédito, o qual consiste na formação de uma solução precursora contendo os íons Zr 4+ e Y 3+ e a partir da mesma obter-se um gel utilizando amido de milho, seguindo duas rotas distintas. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Neste trabalho foram utilizados os seguintes reagentes: Cloreto de zirconila, produzido no DEMAR; Óxido de ítrio, PA, Hermann C. Starck; Ácido acético, PA, Hiperquímica; Amido de milho, MAIZENA; Ácido clorídrico 1:1 v/v, PA, Hiperquímica; Hidróxido de amônio 1:1 v/v, PA, Hiperquímica. Dispersante DISPERLAM LA 1:4 v/v, lambra. Uréia Métodos Primeiramente foi feita a preparação da solução precurssora, que consiste em obter, a partir do hidróxido de zircônio, o acetato de zircônio e posterior mistura com acetato de ítrio, sendo respeitada a quantidade de 3% em mol de Y 2 O 3 e 97% em mol de ZrO 2. A segunda etapa é a obtenção dos géis, e para isso utilizou-se duas rotas: Rota 1: Foi adicionado amido de milho na solução precurssora, em concentração pré-estabelecida, e aquecido até a formação do gel;
4 Rota 2: Foi adicionado amido de milho e uréia na solução precurssora, em concentração pré-estabelecida, e aquecido até a formação do gel; Os géis foram secos em estufa com ventilação a 100ºC formando os xerogéis, que foram queimados a 500ºC durante 12 horas. As duas amostras foram preparadas para a realização de análise morfológica por MEV. Para isso foram feitas suspensões do pó de zircônia em água e dispersante. As amostras foram colocadas num ultrasson para desaglomerar as partículas do pó e posteriormente foram depositadas num suporte de cobre com o auxílio de um conta gotas. As amostras foram analisadas num microscópio eletrônico LEO modelo 1450 VP utilizando-se elétrons secundários e voltagem de 20KV. As amostras foram submetidas a análises térmicas DTA/TG para a verificação das perdas de massa e transformações durante o aquecimento, visando determinar a temperatura ótima de calcinação. RESULTADOS E DISCUSSÃO A figura 1 apresenta imagens obtidas por MEV da amostra feita via a rota 1, sem a adição de uréia no gel. Figura 1- Imagens de MEV da amostra obtidas sem o uso de uréia. Pela figura 1 observa-se que as partículas do pó se apresentam em forma de fibras e estão num estado de elevada aglomeração.
5 A figura 2 apresenta as imagens obtidas por MEV da amostra feita via rota 2, com adição de uréia ao gel. Observando-se essas imagens percebemos um elevado grau de aglomeração entre as partículas dessa amostra e verifica-se que o pó apresenta forma irregular de partículas. Figura 2- Imagens obtidas por MEV da amostra adquirida com o uso de uréia. É possível notar uma diferença significativa entre a morfologia das amostras obtidas pelas duas rotas distintas. Como se sabe a única variação entre essas duas rotas foi a adição da uréia no gel e essa simples variação pôde causar morfologias completamente diferentes. Foi realizada a análise térmica DTA/TG das duas amostras e pela figura 3(b) observa-se que o xerogel da amostra sem uréia pode ser tratado termicamente em temperaturas em torno de 500ºC, pois nessa temperatura a perda de massa é cessada, ou seja, a massa final fica constante e ocorre a provável formação do óxido final. Também pode ser visto na figura 3(a) um pico exotérmico entre 400 e 500ºC devido a queima da fase orgânica, no caso o amido de milho. Para essa amostra houve 94,05 % de perda em massa. Pode ser visto pela figura 4(b) que o xerogel da amostra com uréia pode ser tratado termicamente em temperaturas em torno de 500ºC devido não haver mais perda de massa nessa temperatura, resultado similar ao da outra amostra. A amostra com uréia também apresentou um pico exotérmico entre 400 e 500ºC (figura 4(a)) devido a queima do amido de milho e 91,82 % de perda em massa.
6 (a) (b) Figura 3 - Análise térmica da amostra sem uréia: (a) DTA/TG e (b) TG/DTG
7 (a) (b) Figura 4 Análise térmica da amostra com uréia: (a) DTA/TG e (b) TG/DTG. Comparando-se as figuras 3(a) e 4(a) se vê que o pico exotérmico entre 400 e 500ºC da amostra contendo uréia é mais fino do que o pico da amostra sem uréia,
8 ou seja, a calcinação ocorre num intervalo menor de temperatura e conseqüentemente num tempo menor, pois a taxa de aquecimento se deu em 5ºC por minuto. Isso ocorreu devido a presença de uréia na amostra, pois a decomposição da uréia libera energia facilitando a queima do material, havendo assim uma economia no tempo e energia para se realizar a queima. CONCLUSÕES As duas rotas adotadas para a obtenção do pó de zircônia parcialmente estabilizado com ítria apresentaram uma diferença significativa quanto à morfologia das partículas do pó. O pó obtido pela rota 1 se apresenta na forma de fibras e o pó obtido pela rota 2 se apresenta em formas irregulares. Pela análise térmica conclui-se que a uréia facilita a queima do material, havendo assim uma economia no tempo e energia necessários para a queima. Com os resultados adquiridos é possível afirmar que esse novo processo de síntese de zircônia parcialmente estabilizada com ítria é um processo viável. AGRADECIMENTOS À FAPESP (Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São Paulo), pelo apoio e incentivo à realização do trabalho- processo nº 04/10412-5. REFERÊNCIAS 1. KAYA, C., HE, J.Y., GU, X., BUTLER, E.G. Microporous and Mesoporous Materials.54 (2002) 37-49. 2. CHUNG, T.J.Journal. American Ceramic Society. 80,10 (1997) 2607-2612. 3. CHRASKA, T., KING, A. H., BERNDT, C. C. Materials Science and Engineering A. 286 (2000) 169-178. 4. ZHANG, Y., LI, A., YAN, Z., XU, G., LIAO, C., YAN, C. Journal of Solid State Chemistry. 171 (2003) 434-438. 5. HUANG, C., TANG, Z., ZHANG, Z., GONG, J. Materials Research Bulletin 35 (2000) 1503-1508. 6. OLIVEIRA, A. P., TOREM, M. L. Powder Technology 119 (2001) 181-193.
9 7. STEVENS, R., Zirconia and Zirconia ceramics - an introduction to zircônia. Magnesium Elektron Ltd, 113 (1986), p.12-16. 8. BASTOS, L. C. A., Síntese e avaliação catalítica de oxicarbetos mistos de molibdênio e tungstênio. Lorena: FAENQUIL/PPGEM. 57p. Exame de qualificação em Engenharia de Materiais, 2004. PRELIMINAR STUDY OF OBTAINMENT OF STABILIZED ZIRCONIA WITH ITRIA BY CORN STARCH GEL ABSTRACT Zirconia partially stabilized, PSZ, is a ceramic material widely used in specials applications. For production of zirconia ceramics with high bending strength, fracture toughness and wearing resistance, the start powders should have fine and uniform size. Several methods are known for production powder of these ceramics materials. This work has aim to obtain fine powders of partially stabilized zircônia with itria by corn starch gel, content the Y 3+ and Zr 4+ ions. It was made tests with and without urea addiction in gel. The morphology of the powders obtained were studied by scanning electron microscopy and thermal behavior of the xerogel was analysed by DTA/TG. Key- words: ceramics, PSZ, gel, starch, urea.