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Nanomateriais – Como se produz
um Nanocompósito
Supervisão: Sónia Simões Daniel Silva, nº 201604034
Monitora: Tatiana Padrão Eduardo Campos, nº 201604920
Inês Barros, nº 201604197
João Campos, nº 201603887
Paulo Júnior, nº 201601885
Data de apresentação: 03/11/2016 Pedro Meneses, nº 201608554
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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.
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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
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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.
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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.
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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:
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
(Reação 1)
Al2O3.3H2O + 2 NaOH 2NaAlO2 + 4H2O
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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)
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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
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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.
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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.
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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).
Sílica
A estrutura do nanocompósito depende também da disposição do reforço
nanométrico:
Estrutura dos Nanocompósitos
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Que tipos de reforço existem? De modo a reforçar a matriz metálica, no nosso caso uma matriz de alumínio, recorre-
se 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.
3. Estrutura em camadas, como no caso da Argila montmorilonita
(MMT).
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS (1)http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM233/N%E3o%20Ferrosos/Fundamentos%20produ%E7%E3o%20e%20caracterisiticas%20do%20Aluminio.pdf acedido a 12 de outubro, 2016 (2) http://www.ebah.pt/content/ABAAAfKmkAI/bauxita acedido a 17 de outubro, 2016 (3) http://geology.com/minerals/bauxite.shtml acedido a 26 de Outubro, 2016. (4) John Wiley & Sons. 1987. 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-www.dicionarioinformal.com acedido a 15 de outubro, 2016 (6)https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/15272/000673089.pdf?sequence=1 acedido a 15 de outubro, 2016, Dissertação de Mestrado de Marcelo Luis Mignomi (7) https://paginas.fe.up.pt/~projfeup/submit_14_15/uploads/relat_EMM16.pdf acedido a 14 de outubro, 2016 (8)https://www.google.pt/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CB8QF
jAA&url=https%3A%2F%2Fwww.lume.ufrgs.br%2Fbitstream%2Fhandle%2F10183%2F15272%2F000673089.pdf%3Fsequence%3D1&ei=EM9MVJiQMcOKaIiNgrAO&usg=AFQjCNFgBun2dTmy0jadqATmyzKqmheyQw&sig2=Hwqb0Gte642ZiiukDn2Pbw&cad=rja acedido a 16 de outubro, 2016
(9)http://www.google.pt/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0CB8QFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.lume.ufrgs.br%2Fbitstream%2Fhandle%2F10183%2F25508%2F000752385.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, 19-24. Tese de Mestrado, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto