A estabilização de suspensões de alumina é essencial para a fabricação de vários produtos, especialmente na indústria cerâmica e com o controle das propriedades que se pode atingir usando polímeros como agentes estabilizantes. Na busca de processos industriais que preservem o meio ambiente, polímeros sintéticos podem ser substituídos por biopolímeros, com a vantagem adicional de encontrar usos nobres para rejeitos, como quitina, da qual se obtêm a quitosana e ligninas. Nesta tese, os derivados carboximetilados de celulose, a carboximetilcelulose (CMC) e quitosana, a carboximetilquitosana (CMQ) foram preparados e caracterizados por Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear de Próton (1HRMN), Espectroscopia na Região do Infravermelho (FTIR), Termogravimetria (TG), Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC), Difração de raios X, Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC). O derivado obtido da lignina, a carboximetil-lignina, (CML) foi caracterizado por Espectroscopia na Região do Infravermelho (FTIR), Termogravimetria (TG), Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC). Os três derivados obtidos foram usados como agentes estabilizantes para suspensões aquosas de alumina. A reação de carboximetilação ocorreu em meio heterogêneo, gerando derivados solúveis em água. O grau de substituição (GS) para as carboximetilceluloses foi determinado por 1HRMN, obtendo-se valores de 0,7; 1,3 e 1,8 para as três amostras analisadas nesse trabalho. Para as carboximetilquitosanas, o GS foi determinado por FTIR e análise elementar sendo obtidos valores de 0,6 e 0,8 para duas amostras de CMQ. O valor de GS de 0,5 para carboximetil-lignina foi obtido por titulação potenciomêtrica. Os derivados CMC, CMQ e CML permitiram a estabilização de suspensões de alumina, como demonstrado em medidas de tamanho de partículas, potencial zeta e viscosidade. De relevância especial foi a estabilização em altos valores de pHs, incluindo o ponto de carga zero, pcz, no qual a atração entre as partículas de alumina, de cargas opostas, é máxima, levando a aglomeração de partículas em suspensões sem agentes de estabilização. A distribuição de tamanhos de partícula também foi afetada positivamente com a incorporação dos derivados. De maneira geral, os resultados com os derivados foram promissores em termos de potencial zeta e tamanho de partícula no pcz da alumina, o intervalo de interesse deste trabalho. O destaque é para o derivado de celulose, a CMC GS 1,3 que obteve a melhor performance dentre todos do derivados levando aos menores valores de viscosidade para a suspensão, salientando que esta foi preparada com alto teor de sólidos, nas mesmas condições de suspensões utilizadas em processamentos cerâmicos,. Foi importante também a estabilização ao longo do tempo das suspensões contendo CMC, CMQ e CML, pois o tamanho médio de partícula permaneceu invariável por períodos de até 2 horas, tempo suficiente para processos de moldagem de cerâmicos como extrusão, injeção, tap-casting. O uso de derivados carboximetilados de lignina, quitosana e celulose, como agentes estabilizantes de suspensões de alumina, abre caminho para novas aplicações de produtos obtidos a partir de fontes naturais e renováveis, em substituição aos tradicionalmente usados, oriundos de fontes fósseis. / The stabilization of alumina suspensions is crucial for the fabrication of various products, especially in the ceramic industry, with fine control of materials properties being reached using polymers as stabilizing agents. In this context, in the search for environmentally-friendly industrial processes, synthetic polymers may be replaced with biopolymers, with the added advantage of providing noble uses for waste materials such as those deriving from lignins and chitosans. In this thesis, carboxymethylated cellulose (CMC) and chitosan (CMQ) were prepared and characterized with proton nuclear magnetic resonance (1HNMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction and size exclusion chromatography (SEC). Carboxymethylated lignin (CML) was characterized with Fourier Transform infrared (FTIR) spectroscopy, thermogravimetry (TG) and DSC. These three derivatives were used as stabilizing agents in aqueous solutions of alumina. The carboxymethylation reaction was carried out in a heterogeneous medium yielding water-soluble derivatives. GS values of 0.7, 1.3 and 1.8 for CMC were obtained with 1HNMR measurements, while values of 0.6 and 0.8 for CMQ were determined using FTIR and elemental analysis. For CML, GS = 0.5 was found using potentiometric titration. The success of the carboxymethylation was confirmed via 1HNMR measurements. The effectiveness of the derivatives CMC, CMQ and CML as stabilizing agents was proven by measuring the size distribution of particles, viscosity and zeta potential of alumina suspensions. Of particular relevance was the stabilization at high pHs, including the point of zero charge (pcz) for which attraction between oppositely charged particles is maximum, where alumina particles normally agglomerate in the absence of stabilizing agents. The particle size distributions were also affected positively by incorporation of the derivatives. Overall, the data presented indicated that CML was responsible for optimized results for the zeta potential and mean particle size at the pzc of alumina suspensions. The CMC with GS = 1.3 exhibited the best performance with the lowest viscosity values at the pcz, even in dispersions with high contents of solid materials which are the conditions prevailing in ceramic processes. Also worth mentioning was the stability over time of the alumina suspensions incorporating CMQ, CML and CMC, with the average particle size remaining the same for 1-2 hours, which is a sufficient period of time for ceramic molding processes such as extrusion, injection and tap-casting. The use of carboxymethylated derivatives of lignin, chitosan and cellulose as stabilizing agents opens the way for the development of new products from natural and renewable sources, to replace those materials traditionally used which are obtained from fossil sources.

The research carried out in this thesis describes the processing of liquids and ceramic suspensions, having a viscosity >100mPa s, using electrostatic atomization, mainly in the stable cone-jet mode. Electrostatic atomization, also called electrospraying, refers to a process where a liquid or a suspension is made to flow through a needle. The liquid or suspension is subjected to a high voltage maintained between the needle and a ground electrode. Two major physical properties, namely electrical conductivity and viscosity, affect electrostatic atornization in the stable cone-jet mode and the investigations described in this thesis focussed on the latter. Firstly, a set of liquid mixtures were prepared using distilled water and glycerol. The dc electrical conductivity of these mixtures were kept constant and the viscosity was varied. The mixtures were subjected to electrostatic atornization and in each case the mode of atornization, the cone/jet characteristics and relic sizes were studied as a function of viscosity. The effect of applied voltage on the conejet mode electrostatic atornization of glycerol having a viscosity of 1338mPa s was also investigated. Secondly, the possibilities of electrostatically atomizing ceramic suspensions were studied in detail. Several alumina suspensions were used including one containing a high volume fraction of solids (20 vol. % - the highest filler loading attempted to date using any jet-based processing route). Applied voltage - flow rate - atornization mode maps were constructed for this suspension incorporating even pico-flow rate regimes. This is a new input into the aerosol science and engineering literature. This section also highlights the importance of controlling the applied voltage and flow rate as these parameters affect the jet diameter and relic/droplet size generated. The effect of the geometry of the ground electrode used for electrostatic atornization was also investigated. In particular, the use of a point-like ground electrode was studied for the very first time. The third and most innovative facet of this research was the discovery of ceramic electrostatic atornization printing (CEAP) and the use of electrostatic atornization to produce ceramic foams. In CEAP a point-like ground electrode is used to focus the spray which was printed as characters, collection of characters and single tracks. This investigation was extended to explore the printing of multiple tracks produced with the aid of several needles and ground electrodes which worked simultaneously. A ring shaped ground electrode was used to electrospray ceramic droplets onto a polyurethane template and this paved the way for the development of a new method to prepare open-cell ceramic foams with a very high porosity. This method was extended to prepare ceramic structures and complex components.

A estabilização de suspensões de alumina é essencial para a fabricação de vários produtos, especialmente na indústria cerâmica e com o controle das propriedades que se pode atingir usando polímeros como agentes estabilizantes. Na busca de processos industriais que preservem o meio ambiente, polímeros sintéticos podem ser substituídos por biopolímeros, com a vantagem adicional de encontrar usos nobres para rejeitos, como quitina, da qual se obtêm a quitosana e ligninas. Nesta tese, os derivados carboximetilados de celulose, a carboximetilcelulose (CMC) e quitosana, a carboximetilquitosana (CMQ) foram preparados e caracterizados por Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear de Próton (1HRMN), Espectroscopia na Região do Infravermelho (FTIR), Termogravimetria (TG), Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC), Difração de raios X, Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC). O derivado obtido da lignina, a carboximetil-lignina, (CML) foi caracterizado por Espectroscopia na Região do Infravermelho (FTIR), Termogravimetria (TG), Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC). Os três derivados obtidos foram usados como agentes estabilizantes para suspensões aquosas de alumina. A reação de carboximetilação ocorreu em meio heterogêneo, gerando derivados solúveis em água. O grau de substituição (GS) para as carboximetilceluloses foi determinado por 1HRMN, obtendo-se valores de 0,7; 1,3 e 1,8 para as três amostras analisadas nesse trabalho. Para as carboximetilquitosanas, o GS foi determinado por FTIR e análise elementar sendo obtidos valores de 0,6 e 0,8 para duas amostras de CMQ. O valor de GS de 0,5 para carboximetil-lignina foi obtido por titulação potenciomêtrica. Os derivados CMC, CMQ e CML permitiram a estabilização de suspensões de alumina, como demonstrado em medidas de tamanho de partículas, potencial zeta e viscosidade. De relevância especial foi a estabilização em altos valores de pHs, incluindo o ponto de carga zero, pcz, no qual a atração entre as partículas de alumina, de cargas opostas, é máxima, levando a aglomeração de partículas em suspensões sem agentes de estabilização. A distribuição de tamanhos de partícula também foi afetada positivamente com a incorporação dos derivados. De maneira geral, os resultados com os derivados foram promissores em termos de potencial zeta e tamanho de partícula no pcz da alumina, o intervalo de interesse deste trabalho. O destaque é para o derivado de celulose, a CMC GS 1,3 que obteve a melhor performance dentre todos do derivados levando aos menores valores de viscosidade para a suspensão, salientando que esta foi preparada com alto teor de sólidos, nas mesmas condições de suspensões utilizadas em processamentos cerâmicos,. Foi importante também a estabilização ao longo do tempo das suspensões contendo CMC, CMQ e CML, pois o tamanho médio de partícula permaneceu invariável por períodos de até 2 horas, tempo suficiente para processos de moldagem de cerâmicos como extrusão, injeção, tap-casting. O uso de derivados carboximetilados de lignina, quitosana e celulose, como agentes estabilizantes de suspensões de alumina, abre caminho para novas aplicações de produtos obtidos a partir de fontes naturais e renováveis, em substituição aos tradicionalmente usados, oriundos de fontes fósseis. / The stabilization of alumina suspensions is crucial for the fabrication of various products, especially in the ceramic industry, with fine control of materials properties being reached using polymers as stabilizing agents. In this context, in the search for environmentally-friendly industrial processes, synthetic polymers may be replaced with biopolymers, with the added advantage of providing noble uses for waste materials such as those deriving from lignins and chitosans. In this thesis, carboxymethylated cellulose (CMC) and chitosan (CMQ) were prepared and characterized with proton nuclear magnetic resonance (1HNMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction and size exclusion chromatography (SEC). Carboxymethylated lignin (CML) was characterized with Fourier Transform infrared (FTIR) spectroscopy, thermogravimetry (TG) and DSC. These three derivatives were used as stabilizing agents in aqueous solutions of alumina. The carboxymethylation reaction was carried out in a heterogeneous medium yielding water-soluble derivatives. GS values of 0.7, 1.3 and 1.8 for CMC were obtained with 1HNMR measurements, while values of 0.6 and 0.8 for CMQ were determined using FTIR and elemental analysis. For CML, GS = 0.5 was found using potentiometric titration. The success of the carboxymethylation was confirmed via 1HNMR measurements. The effectiveness of the derivatives CMC, CMQ and CML as stabilizing agents was proven by measuring the size distribution of particles, viscosity and zeta potential of alumina suspensions. Of particular relevance was the stabilization at high pHs, including the point of zero charge (pcz) for which attraction between oppositely charged particles is maximum, where alumina particles normally agglomerate in the absence of stabilizing agents. The particle size distributions were also affected positively by incorporation of the derivatives. Overall, the data presented indicated that CML was responsible for optimized results for the zeta potential and mean particle size at the pzc of alumina suspensions. The CMC with GS = 1.3 exhibited the best performance with the lowest viscosity values at the pcz, even in dispersions with high contents of solid materials which are the conditions prevailing in ceramic processes. Also worth mentioning was the stability over time of the alumina suspensions incorporating CMQ, CML and CMC, with the average particle size remaining the same for 1-2 hours, which is a sufficient period of time for ceramic molding processes such as extrusion, injection and tap-casting. The use of carboxymethylated derivatives of lignin, chitosan and cellulose as stabilizing agents opens the way for the development of new products from natural and renewable sources, to replace those materials traditionally used which are obtained from fossil sources.