1

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

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.

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

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.

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.

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:

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

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)

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

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.

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.

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).

Sílica

A estrutura do nanocompósito depende também da disposição do reforço

nanométrico:

Estrutura dos Nanocompósitos

12

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).

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

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.

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.

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

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.

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.

19

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