Mestre -- Instituto Nacional de Controle de Qualidade em Saude, Rio de Janeiro, 2003.

Mestre -- Instituto Nacional de Controle de Qualidade em Saude, Rio de Janeiro, 2003.

Mestre -- Escola Nacional de Saude Publica, Rio de Janeiro, 2001.

Mestre -- Instituto Nacional de Controle de Qualidade em Saude, Rio de Janeiro, 2003.

Este trabalho traz a aplicação de alta pressão e alta pressão/temperatura (4.0 GPa e 400º C), em amostras de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (NTCPM) comerciais para a obtenção de amostras compactas. Os NTCPM foram funcionalizados com ácido nítrico e ácido nítrico/ácido sulfúrico e, também foram usados nanotubos de carbono dopados com nitrogênio. Foram também processadas amostras contendo nanotubos de carbono de paredes múltiplas incorporados em matriz de zircônia obtida pelo método sol-gel. Para aplicação da alta pressão foi usado um sistema com câmaras do tipo toroidal, utilizando grafite como meio transmissor de pressão. Foram obtidas amostras macroscópicas autossuportadas e com resistência ao manuseio principalmente nas amostras de nanotubos de carbono funcionalizados com ácido nítrico/ácido sulfúrico incorporados em zircônia. Para a caracterização das amostras foram utilizadas as técnicas de Microscopia Eletrônica de Transmissão, Espectroscopia Raman, Difração de Raios X e isotermas de adsorção/dessorção de nitrogênio com as quais foi possível determinar que mesmo após a aplicação de alta pressão/temperatura os nanotubos de carbono não sofrem significativas modificações na sua estrutura e nas suas propriedades morfológicas e texturais, confirmando então que os NTCPM mantém suas características originais, apresentando condições para aplicações em dispositivos. As amostras macroscópicas contendo nanotubos de carbono de paredes múltiplas incorporados em zircônia apresentaram ainda resistência à carga de milhares de vezes o seu peso e comportamento de materiais semi-condutores. / This work presents the application of high pressure and/or high pressure/temperature (4.0 GPa and 400 ° C), on different samples of commercial multi-walled carbon nanotube (MWCNT) to obtain compacted samples. MWCNT were functionalized with nitric acid and nitric acid/sulfuric acid, and also carbon nanotubes doped with nitrogen. MWCNT incorporated in a zirconia matrix obtained by sol-gel method were also processed. For high pressure application it was used a system with the toroidal-type chamber, using graphite as a pressure transmitting medium. Self-supported macroscopic samples were obtained, easy to handle, especially in samples of functionalized carbon nanotubes with nitric and sulfuric acid and also incorporated in zirconia. To characterize the samples it was used Transmission Electron Microscopy, Raman Spectroscopy, X-ray diffraction and nitrogen adsoption/desorption isotherms and it was determined that even after application of high pressure/temperature carbon nanotubes do not suffer significant changes in their structure and in their morphological and textural properties, confirming that the CNT keeps its original characteristics and providing conditions for device applications. The macroscopic samples containing MWCNT incorporated in zirconia also exhibited resistance to load of thousands times its own weight and behavior like semiconductor materials.

Este trabalho traz a aplicação de alta pressão e alta pressão/temperatura (4.0 GPa e 400º C), em amostras de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (NTCPM) comerciais para a obtenção de amostras compactas. Os NTCPM foram funcionalizados com ácido nítrico e ácido nítrico/ácido sulfúrico e, também foram usados nanotubos de carbono dopados com nitrogênio. Foram também processadas amostras contendo nanotubos de carbono de paredes múltiplas incorporados em matriz de zircônia obtida pelo método sol-gel. Para aplicação da alta pressão foi usado um sistema com câmaras do tipo toroidal, utilizando grafite como meio transmissor de pressão. Foram obtidas amostras macroscópicas autossuportadas e com resistência ao manuseio principalmente nas amostras de nanotubos de carbono funcionalizados com ácido nítrico/ácido sulfúrico incorporados em zircônia. Para a caracterização das amostras foram utilizadas as técnicas de Microscopia Eletrônica de Transmissão, Espectroscopia Raman, Difração de Raios X e isotermas de adsorção/dessorção de nitrogênio com as quais foi possível determinar que mesmo após a aplicação de alta pressão/temperatura os nanotubos de carbono não sofrem significativas modificações na sua estrutura e nas suas propriedades morfológicas e texturais, confirmando então que os NTCPM mantém suas características originais, apresentando condições para aplicações em dispositivos. As amostras macroscópicas contendo nanotubos de carbono de paredes múltiplas incorporados em zircônia apresentaram ainda resistência à carga de milhares de vezes o seu peso e comportamento de materiais semi-condutores. / This work presents the application of high pressure and/or high pressure/temperature (4.0 GPa and 400 ° C), on different samples of commercial multi-walled carbon nanotube (MWCNT) to obtain compacted samples. MWCNT were functionalized with nitric acid and nitric acid/sulfuric acid, and also carbon nanotubes doped with nitrogen. MWCNT incorporated in a zirconia matrix obtained by sol-gel method were also processed. For high pressure application it was used a system with the toroidal-type chamber, using graphite as a pressure transmitting medium. Self-supported macroscopic samples were obtained, easy to handle, especially in samples of functionalized carbon nanotubes with nitric and sulfuric acid and also incorporated in zirconia. To characterize the samples it was used Transmission Electron Microscopy, Raman Spectroscopy, X-ray diffraction and nitrogen adsoption/desorption isotherms and it was determined that even after application of high pressure/temperature carbon nanotubes do not suffer significant changes in their structure and in their morphological and textural properties, confirming that the CNT keeps its original characteristics and providing conditions for device applications. The macroscopic samples containing MWCNT incorporated in zirconia also exhibited resistance to load of thousands times its own weight and behavior like semiconductor materials.

Este trabalho traz a aplicação de alta pressão e alta pressão/temperatura (4.0 GPa e 400º C), em amostras de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (NTCPM) comerciais para a obtenção de amostras compactas. Os NTCPM foram funcionalizados com ácido nítrico e ácido nítrico/ácido sulfúrico e, também foram usados nanotubos de carbono dopados com nitrogênio. Foram também processadas amostras contendo nanotubos de carbono de paredes múltiplas incorporados em matriz de zircônia obtida pelo método sol-gel. Para aplicação da alta pressão foi usado um sistema com câmaras do tipo toroidal, utilizando grafite como meio transmissor de pressão. Foram obtidas amostras macroscópicas autossuportadas e com resistência ao manuseio principalmente nas amostras de nanotubos de carbono funcionalizados com ácido nítrico/ácido sulfúrico incorporados em zircônia. Para a caracterização das amostras foram utilizadas as técnicas de Microscopia Eletrônica de Transmissão, Espectroscopia Raman, Difração de Raios X e isotermas de adsorção/dessorção de nitrogênio com as quais foi possível determinar que mesmo após a aplicação de alta pressão/temperatura os nanotubos de carbono não sofrem significativas modificações na sua estrutura e nas suas propriedades morfológicas e texturais, confirmando então que os NTCPM mantém suas características originais, apresentando condições para aplicações em dispositivos. As amostras macroscópicas contendo nanotubos de carbono de paredes múltiplas incorporados em zircônia apresentaram ainda resistência à carga de milhares de vezes o seu peso e comportamento de materiais semi-condutores. / This work presents the application of high pressure and/or high pressure/temperature (4.0 GPa and 400 ° C), on different samples of commercial multi-walled carbon nanotube (MWCNT) to obtain compacted samples. MWCNT were functionalized with nitric acid and nitric acid/sulfuric acid, and also carbon nanotubes doped with nitrogen. MWCNT incorporated in a zirconia matrix obtained by sol-gel method were also processed. For high pressure application it was used a system with the toroidal-type chamber, using graphite as a pressure transmitting medium. Self-supported macroscopic samples were obtained, easy to handle, especially in samples of functionalized carbon nanotubes with nitric and sulfuric acid and also incorporated in zirconia. To characterize the samples it was used Transmission Electron Microscopy, Raman Spectroscopy, X-ray diffraction and nitrogen adsoption/desorption isotherms and it was determined that even after application of high pressure/temperature carbon nanotubes do not suffer significant changes in their structure and in their morphological and textural properties, confirming that the CNT keeps its original characteristics and providing conditions for device applications. The macroscopic samples containing MWCNT incorporated in zirconia also exhibited resistance to load of thousands times its own weight and behavior like semiconductor materials.

[pt] Na indústria de óleo e gás, a paralisação da produção e do transporte nas linhas de fluxo causadas pela deposição de compostos orgânicos e inorgânicos rendem enormes perdas financeiras e preocupações ambientais. Um dos fatores mais comuns e críticos na deposição orgânica está relacionado com a formação de hidratos de gás, que são sólidos cristalinos de base aquosa, fisicamente semelhantes ao gelo, formados em condições de alta pressão e baixas temperaturas. Devido a esses fatos preocupantes, fenômenos relacionados aos hidratos, como formação, dissociação e formas de mitigação, vêm sendo estudados há anos por pesquisadores. Neste trabalho foram realizados experimentos para analisar a formação de hidrato de gás de etano em emulsões água em óleo, através de uma análise reológica baseada na variação de pressão, taxa de cisalhamento e fração de volume de água, e usando as geometrias vane e de cilindros concêntricos. Testes de varredura de tempo de alta pressão foram realizados, e os resultados foram apresentados através de curvas de viscosidade e pressão. A quantidade de água convertida em hidrato também foi estimada através da equação de estado e relacionada com a viscosidade das pastas de hidratos formadas. Os resultados obtidos mostram que o período de indução foi reduzido pelo aumento do subresfriamento, corte de água e taxa de cisalhamento. Quanto maior a fração de volume de água, maior o nível atingido pela viscosidade quando identificada a formação de hidratos. A viscosidade relativa, após a formação do hidrato, foi estudada. Esse conhecimento proporcionou uma compreensão mais efetiva de algumas diferenças observadas entre as duas geometrias. E para complementar o estudo, foram realizadas rampas de taxa de cisalhamento mostrando semelhanças entre os três resultados com cilindros concêntricos, mas diferenças entre os resultados com geometria vane. Ambas as geometrias, vane e cilindros concêntricos, foram consideradas adequadas para estudar a formação de hidratos e resultados qualitativos semelhantes foram obtidos. / [en] In the oil and gas industry, the stoppage of the production and transportation flowlines caused by the deposition of organic and inorganic compounds yields huge financial losses and environmental concerns. One of the most common and critical inorganic deposition is related with gas hydrates, which are crystalline water-based solids, physically similar to ice, formed in conditions of high pressure and low temperatures. Due to the worrying facts, phenomena related to hydrates, as formation, dissociation, and forms to its mitigation have been studied for years by researchers. In this work, experiments were carried out to analyze ethane gas hydrate formation in water-in-model oil emulsions, through a rheological analysis based on the variation of pressure, shear rate and water volume fraction, and using the vane and concentric cylinder geometries. High pressure time sweep tests were performed, and the results were presented through viscosity and pressure curves. The amount of water converted to hydrate was also estimated through the equation of state and related to the viscosity of the hydrate slurries formed. The results obtained showed that the induction period was reduced by increasing the subcooling, water cut, and shear rate. The higher the water volume fraction, the higher the level reached by viscosity when hydrate formation is identified. The relative viscosity after hydrate formation was studied. This knowledge provided a more effective understanding of some differences observed between the two geometries. And to complement the study, shear rate ramps were performed showing similarities between results with concentric cylinders but differences with vane. Both geometries, vane and concentric cylinders, seem to be adequate to study hydrate formation and similar qualitative results were obtained.

[pt] Nas últimas décadas, a procura por petróleo e gás aumentou, levando à identificação de novos campos petrolíferos em ambientes de reservatórios desafiadores, caracterizados por condições de alta pressão e alta temperatura (HPHT). O desenvolvimento de fluidos de perfuração de base aquosa de alto desempenho com propriedades personalizadas visa aprimorar os processos de extração na indústria petrolífera e reduzir a contaminação ambiental causada principalmente por fluidos à base de óleo. Este estudo tem como objetivo investigar como variações em parâmetros como temperatura, pressão e concentração impactam nas propriedades térmicas e reológicas de suspensões de goma xantana com nanoestruturas de nitreto de boro hexagonal oxidado (hBN-oxi). A condutividade térmica foi significativamente aumentada pela adição de nanopartículas de hBN-oxi (suspensão de 6,0 por cento em peso) ao fluido base, atingindo um aumento de até 12 por cento a 70 graus C. Estas nanoestruturas desempenharam um papel crucial na preservação da condutividade térmica das suspensões de goma xantana, mesmo em temperaturas elevadas. A suspensão com concentração mais alta apresentou tensão limite de escoamento e quando submetida a altas taxas de cisalhamento, sofreu uma queda de viscosidade de apenas 16 por cento a 80 graus C. Estes efeitos adversos da temperatura e pressão sobre a viscosidade foram mitigados pela interação entre a matriz polimérica e o hBN-oxi. No geral, o estudo destacou o potencial do nitreto de boro como nanoaditivo para fluidos de perfuração convencionais, mostrando que formulações adequadamente projetadas podem melhorar o desempenho mesmo em condições desafiadoras sem causar danos ao meio ambiente, graças à alta estabilidade térmica e química do material. / [en] In recent decades, the demand for oil and gas has surged, prompting the identification of new oil fields in challenging reservoir environments those characterized by high-pressure and high-temperature (HPHT) conditions. The development of high-performance aqueous-based drilling fluids with tailored properties aims to enhance extraction processes in the oil industry and reducing environmental contamination mainly caused by oil-based fluids. This study aims to investigate how variations in parameters such as temperature, pressure and concentration impact the thermal and rheological properties of xanthan gum suspensions with oxidized hexagonal boron nitride (hBN-oxi) nanostructures. The thermal conductivity was significantly increased by the addition of hBN-oxi nanoparticles (6.0 wt percent suspension) to the base fluid, reaching an increase of up to 12 percent at 70 degrees C. These nanostructures played a crucial role in preserving the thermal conductivity of xanthan gum suspensions even at elevated temperatures. The presence of nanoparticles at the highest concentration induced a yield stress in the fluid and when subjected to high shear rates, experienced a viscosity drop of only 16 percent at 80 degrees C. These adverse effects of temperature and pressure on viscosity were mitigated by the interaction between the polymer matrix and hBN-oxi. Overall, the study highlighted the potential of boron nitride as a nanoadditive for conventional drilling fluids, showing that properly designed formulations can improve performance even in challenging conditions without causing harm to the environment, thanks to the material s high thermal and chemical stability.

[pt] O desenvolvimento de novas tecnologias com Hidrogênio como fonte de energia ressalta um antigo desafio nos meios de transporte e armazenamento desse, visto que todos materiais estruturais têm susceptibilidade a fragilização pelo hidrogênio. A forma usual de resolver esse problema é o uso de materiais nobres e mais resistentes a fragilização pelo hidrogênio. Uma alternativa para o dimensionamento mecânico em condições de fragilização pelo hidrogênio vem da modelagem de trincas curtas através da mecânica da fratura linear elástica ou Elasto-Plástica. Esses modelos consideram dois parâmetros do material, o Limite de Resistência ao Trincamento Assistido pelo Ambiente e o Limiar de Propagação de Trincas no meio. Nesse trabalho o modelo proposto é validado experimentalmente em condições de Corrosão sob Tensão Induzida por Sulfetos (aço de alta resistência e baixa liga e o aço inoxidável super martensítico UNS S41426 expostos ao sulfeto de hidrogênio), bem como o aço 17-4PH em 200bar(g) de H2. O método de teste T-WOL recomendado no código ASME BPVC para a obtenção da tenacidade à fratura sob alta pressão de H2 é avaliada para materiais com alta tenacidade, a qual não apresentou bons resultados. Como alternativa, uma metodologia modificada a partir da norma ASTM E1820 para obter a curva J-R em H2 a alta pressão é testada, obtendo o limiar de propagação de trincas em condições Elasto-Plásticas. Durante as atividades, uma célula de carga utilizada no interior da autoclave de teste falhou quando exposta a 200bar(g) de H2. Foi realizada análise de falha e redimensionamento, conforme o modelo de trincas curtas proposto, para que células semelhantes pudessem ser utilizadas nos testes subsequentes / [en] The development of new technologies with hydrogen as an energy source underscores a longstanding challenge in its transportation and storage, since all structural materials are susceptible to hydrogen embrittlement. The usual approach to solve this problem is to use nobler materials more resistant to hydrogen embrittlement. An alternative approach to mechanical design under hydrogen embrittlement conditions involves the modeling of the behavior of short cracks through linear elastic or elastoplastic fracture mechanics. These models consider two key material parameters: the Environmental Assisted Cracking Resistance Limit and the Crack Propagation Threshold in the environment. In this study, the proposed model is validated by suitable tests under sulfide stress corrosion cracking - High Strength and Low Alloy steel and a supermartensitic stainless steel UNS S41426 exposed to hydrogen sulfide, and in a 17-4PH steel exposed to high-pressure gaseous hydrogen, at 200 bar(g) of H2. A T-WOL test methodology recommended in ASME BPVC code for measuring the fracture toughness at high pressure of H2 for materials with high toughness is evaluated, and it yields unsatisfactory results. As an alternative, a modified ASTM E1820 test method is proposed to obtain the J-R curve under high-pressure H2, obtaining the crack propagation threshold at elastoplastic conditions. During these activities, a load cell used within the test autoclave failed when exposed to 200 bar(g) of H2. Failure analysis and a new design were conducted according the short crack tolerance model, to allow the use of similar load cells in the following tests.