Nanocompósitos de PMMA/ argila montmorilonita foram obtidos por fotopolimerização in situ. O metacrilato de metila foi polimerizado na presença de argilas modificadas usando Tioxantona (TX) e etil 4-(dimetilamino) benzoato (EDB) como sistema fotoiniciador. As argilas montmorilonitas SWy-1 modificadas, SWy-1-C8 e SWy-1-C16, foram preparadas pela troca de íons com brometo de octiltrimetilamônio (C8) e brometo de hexiltrimetilamônio (C16), respectivamente. A difração de raios-X indicou que os compósitos de PMMA/argila podem ter estruturas intercaladas ou esfoliadas, ou mesmo uma mistura de estruturas em camadas esfoliada e parcialmente intercalada. A estrutura de cada nanocompósito depende da concentração de argila e do solvente utilizado na preparação. A influência da concentração de argila organofílica, natureza do solvente e tipo de argila nas propriedades térmicas e mecânicas foi estudada por análise termogravimétrica e análise dinâmico-mecânica. Todos os nanocompósitos preparados em acetonitrila exibiram melhora da sua estabilidade térmica, principalmente devido à interação entre a argila e o polímero que é maximizada através da estrutura da argila esfoliada. No caso do PMMA e nanocompósitos sintetizados em etanol, a estabilidade térmica do polímero e nanocompósitos foi praticamente a mesma, uma vez que a estrutura da argila é predominantemente do tipo intercalada. Na velocidade de polimerização observou-se que os fatores que mais influenciaram foram a concentração de argila e o tipo de solvente. A argila proporciona a formação de microambientes que estabilizam o estado excitado do iniciador formando mais radicais livres e consequentemente aumentando a velocidade polimerização. A utilização da acetonitrila, a qual é um melhor solvente para o PMMA proporcionou massas molares menores. A degradação foto-oxidativa dos nanocompósitos de PMMA/ argila foi investigada utilizando cromatografia de exclusão de tamanho (SEC). Foram encontradas evidências de que o PMMA e nanocompósitos degradam por cisões aleatórias de cadeias. A polidispersidade aumentou após a irradiação e o coeficiente de degradação de PMMA puro é de até seis vezes maior do que para os nanocompósitos. O efeito sobre os coeficientes de fotodegradação da concentração de argila, tipo argila (argila modificada por agentes tensoativos com diferentes comprimentos de cadeias de alquílica) e o solvente utilizado para a dispersão de argila orgânica, também foram estudados. / Montmorillonite clay/PMMA nanocomposites were obtained by in situ photopolymerization. Methyl methacrylate was polymerized in the presence of modified clays using thioxanthone (TX) and ethyl 4-(dimethylamino) benzoate (EDB) as photoinitiating system. The SWy-1 montmorillonite modified clays, SWy-1-C8 and SWy-1-C16, were prepared by ion exchange with octyltrimethylammonium bromide (C8) and hexyltrimethylammonium bromide (C16), respectively. X-ray diffraction indicated that clay/PMMA composites have intercalated or exfoliated structures, or even a mixture of exfoliated and partially intercalated structure layers. The structure of each particular nanocomposite depends on the clay loading and the solvent used for the preparation.The influences of organoclay loading, solvent nature and clay type on thermal and mechanical properties were studied by thermogravimetric analysis and dynamic mechanical analysis. All the nanocomposites prepared in acetonitrile exhibited improvement in their thermal stability, mainly due to the interaction between the clay and the polymer which is maximized by the exfoliated clay structure. In the case of PMMA and nanocomposites synthesized in ethanol, the thermal stability of polymer and nanocomposites remained practically the same once the clay structure is predominantly of the intercalated type. It was observed that the factors that most influenced the polymerization rate were the concentration of clay and type of solvent. The clay provides the formation of microenvironments that stabilizes the excited state of the initiator forming free radicals and consequently increasing the polymerization rate. The use of acetonitrile, which is a better solvent for PMMA gave the lowest molar weight. The photooxidative degradation of clay/PMMA nanocomposites has been investigated using size exclusion chromatography (SEC). Evidence was found that PMMA and composites degrade by random chain scissions. The polydispersity increases after irradiation and the degradation rate coefficient for pure PMMA is up to 6 times larger than that for the composites. The effect on the photodegradation rate coefficients of the clay content, clay type (clay modified by surfactants with different lengths of alkyl chains) and solvent used for dispersion of organic clay were also studied. The relationship of these parameters on the photodegradation process was statistically evaluated using a two-level factorial design.

Orientador: Leinig Antônio Perazolli / Resumo: O presente trabalho buscou desenvolver fotocatalisadores cerâmicos por meio da produção de heterojunções inovadoras à base de SrTiO3, TiO2 e CaO, que tiveram suas fotoatividades avaliadas pela descoloração do corante Rodamina B (RhB) e pela obtenção de biodiesel, utilizando luz ultravioleta. As amostras TiO2, CaO e SrTiO3 foram obtidas pelo método de precursores poliméricos, método Pechini, e as heterojunções TiO2/SrTiO3, CaO/SrTiO3 e CaO/CaTiO3 foram preparados por rota sol-gel. Após síntese e tratamento térmico, as amostras foram caracterizadas por difração de Raios-X (DRX) para verificar as fases cristalinas formadas, por espectroscopia de infravermelho com transformada de fourier (FT-IR) e termogravimetria/análise térmica diferencial (TG/DTA) para verificar e quantificar a formação de CaCO3 e Ca(OH)2, por espectroscopia de refletância difusa (UV/Vis/NIR DRS) para determinar a energia de band gap, por Brunauer, Emmett e Teller (B.E.T.) para determinar a área específica, por microscopia eletrônica de varredura acoplada a espectroscopia de energia dispersiva de Raios-X (FE-SEMEDS) para estimar o tamanho das partículas, sua morfologia e composição elementar, por espectroscopia de fotoelétrons excitados por Raios-X (XPS) para conhecer a composição elementar presente na superfície da amostra e seus estados de oxidação, por espectroscopia de fotoluminescência (PL) para verificar a formação de defeitos estruturais, por microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTE... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The present work aimed to develop ceramic photocatalysts through the production of innovative SrTiO3, TiO2 and CaO based heterojunctions, which had their photoactivities evaluated by the discoloration of Rhodamine B (RhB) dye and by obtaining biodiesel using UV light. TiO2, CaO and SrTiO3 samples were obtained by polymeric precursor method, Pechini method, and TiO2/SrTiO3, CaO/SrTiO3 and CaO/CaTiO3 heterojunctions were prepared by sol-gel route. After synthesis and heat treatment, the samples were characterized by X-ray diffraction (XRD) to verify the crystalline phases formed, fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and thermogravimetry/differential thermal analysis (TG/DTA) to verify and quantify the formation of CaCO3 and Ca(OH)2, diffuse reflectance spectroscopy (UV/Vis/NIR DRS) to determine band gap energy, Brunauer, Emmett e Teller (B.E.T.) to determine specific area, field emission scanning electron microscopy coupled X-ray dispersive energy spectroscopy (FE-SEM-EDS) to estimate particle size, morphology and elemental composition, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to know the elemental composition present on the sample surface and oxidation states, photoluminescence spectroscopy (PL) to verify the formation structural defects, high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) to confirm the formation of heterojunction. Rhodamine B discoloration was measured by UV/Vis molecular absorption spectroscopy and the conversion of oil to biodiesel was analyz... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Fauze Ahmad Aouada / Resumo: Com o objetivo de aplicar agroquímicos de uma forma controlada, e reduzir os danos à saúde e ao meio ambiente causados por estes, foram desenvolvidos neste trabalho, dois novos hidrogéis a partir de dois polissacarídeos diferentes carboximetilcelulose (CMC) e quitosana (Qs), suportados em redes de poli (ácido metacrílico)-co-poliacrilamida (PMAA-co-PAAm). Também foi investigada a influência da zeólita nas principais propriedades agroquímicas desses materiais como sorção e dessorção de herbicidas. A estabilidade da zeólita na solução polimérica foi estudada por meio de medidas de viscosidade. Estes comprovaram que a adição de polissacarídeo na solução formadora dos hidrogéis possibilita a obtenção de um hidrogel nanocompósito homogêneo. A incorporação da zeólita nos hidrogéis foi confirmada pela presença das bandas características da zeólita em 798 cm-1 e 600 cm-1 nos espectros de FTIR dos hidrogéis nanoestruturados. Outros indícios de incorporação foram a redução no volume dos poros e a presença de microporos nas paredes dos poros dos hidrogéis, aumento na massa residual dos hidrogéis nanoestruturados a 800ºC, observados nos resultados obtidos por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise termogravimétrica (TG), respectivamente. Constatou-se também que a presença da zeólita reduziu o grau de intumescimento desses materiais, devido ao decréscimo na elasticidade das cadeias poliméricas. Entretanto, nos resultados de dessorção observou-se que a presença da zeólita pode... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In order to apply agrochemicals in a controlled manner, and to reduce the damages to the health and environmental caused by these, two new hydrogels based on carboxymethylcellulose (CMC) and chitosan (Qs) polysaccharides supported on poly(methacrylic acid)-co-polyacrylamide (PMAA-co-PAAm) networks were synthesized. The influence of zeolite on the main properties of these materials such as sorption and desorption was also investigated. The stability of zeolite in the polymeric solution was studied by viscosimetry. These results showed that the addition of polysaccharide in the hydrogel-forming solution enables the obtaining of homogeneous nanocomposite hydrogels. The incorporation of zeolite into hydrogels was confirmed by the presence of spectroscopic bands at 798 cm-1 and 600 cm-1 in the FTIR nanocomposite spectra. Other indicatives were the reduction in pore volume and the presence of micropores in the pore walls of zeolite hydrogels, and increase in the residual mass of nanostructured hydrogels at 800ºC, observed by scanning electron microscopy (SEM) and thermogravimetric analysis (TG), respectively. It was also observed that the presence of zeolite reduced the degree of swelling of these materials, due to the decrease in the elasticity of the polymeric chains. The results of desorption in saline medium show that the hydrogels studied in this work can reduce the presence of Al+3 ions, which in acidic soils are harmful to some crops. These results indicate that the hydrogel... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

This work studied the rheological and mechanical properties of polyamide 12 modified montmorillonite clays and bentonita (the organo-modified commercial montmorillonite and a bentonite modified by various routes. Two polyamides 12 were used for the polyamide matrix, a virgin and another reprocessed. The polyamide 12 reprocessed was derived from tailings lines of fluid transport in automotive vehicles. Ten different compositions were prepared in single-screw extruder, and subsequently molded test specimens by injection. For formulations reprocessed polyamide 12, were added 5 to 7 wt.% of a commercial organo-modified montmorillonite ( I44P ) and the virgin polyamide 12 , 3 and 5 wt.%. For virgin polyamide matrix, also formulations were studied with 3 and 5% by weight of bentonite treated with Agent Titanate. The nanocomposite structure formation was evaluated by X-ray diffraction. For all developed formulations, mechanical and rheological tests, and their results were correlated performed: polyamide matrices, the content and the treatments of the clays. Clay dispersion and morphology of the fracture surface were analyzed by SEM. The analysis results showed distinct mechanical and rheological behaviors depending on the type of matrix, the degree of dispersion of clay, content and type of treatment of clays. There was formation of nanocomposites for polyamide 12 modified with I44P clay and composites for polyamide 12 modified bentonite. The rheological properties confirm the increase of the elastic properties of the nanocomposites due to the restriction to macromolecular mobility. The addition of organophilic commercial montmorillonite (I44P) promoted the increased stiffness of the nanocomposites without significant loss of toughness. / Este trabalho estudou as propriedades reológicas e mecânicas de poliamida 12 modificadas com montmorilonitas, sendo uma montmorilonita organofilica comercial (I44P) e montmorilonita sódica (bentonita) modificada por diversas rotas. Para a matriz de poliamida, foram utilizadas duas poliamidas 12, sendo uma virgem e a outra reprocessada oriunda de rejeito de linhas de transporte de fluídos em veículos automotores. Foram preparadas dez composições diferentes em extrusora monorrosca e, posteriormente, moldados corpos de prova por injeção. Para as formulações de poliamida 12 reprocessada, foram adicionados 5 e 7% em massa de montmorilonita organofílica comercial e para a poliamida 12 virgem, 3 e 5%. Para esta mesma matriz de poliamida virgem, também foram estudadas formulações com 3 e 5% em massa das bentonitas tratadas com agente titanato. A formação de estrutura de nanocompósitos foi avaliada por difração de raios-X. Para todas as formulações desenvolvidas, foram realizados ensaios mecânicos e reológicos, e seus resultados correlacionados com: as matrizes de poliamida, o teor e os tratamentos das argilas. A dispersão da argila e a morfologia da superfície de fratura foram avaliadas por MEV. Os resultados das análises mostraram comportamentos mecânicos e reológicos distintos em função do tipo de matriz, grau de dispersão das argilas, o teor e o tipo de tratamento das argilas. Houve formação de nanocompósitos para poliamida 12 modificada com a argila I44P e de compósitos para poliamida 12 modificada com bentonitas. As propriedades reológicas confirmam o aumento das propriedades elásticas dos nanocompósitos devido à restrição a mobilidade macromolecular. A adição da montmorilonita organofilica comercial (I44P) promoveu o aumento da rigidez dos nanocompósitos sem perdas significativas da tenacidade.

Esse trabalho descreve um implantador iônico em termos de sua caracterização e aplicação. O texto está dividido em três capítulos que são apresentados resumidamente a seguir. O primeiro capítulo descreve em detalhes um novo tipo de implantador, denominado implantador invertido. Nesse capítulo é descrito o desenvolvimento e a caracterização do implantador invertido. A otimização de uma parte dos circuitos eletrônicos e o desenvolvimento e construção do restante dos circuitos é dada em detalhes. Uma caracterização do implantador quanto à maximização do feixe iônico é apresentada, onde é realizado um estudo sistemático com a variação de parâmetros como potencial extrator, corrente do canhão de plasma (arco catódico) dentre outros. Finalizando o primeiro capítulo, é apresentado um mapeamento da densidade do feixe iônico no porta amostras do implantador invertido. No segundo capítulo é discutida a neutralidade do feixe iônico do implantador invertido. Um feixe neutro viabiliza implantações em amostras isolantes, sem que haja acúmulo de cargas positivas, o que levaria a amostra a um potencial diferente do planejado. A energia de implantação efetiva foi avaliada estudando os perfis de implantação através de microscopia de força atômica condutiva (AFM-C) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), e comparando com simulações numéricas realizadas pelo programa TRIDYN. Os resultados sugerem que o feixe não é neutro. No terceiro capítulo, o implantador invertido foi utilizado para modificação de superfície de alumina, gerando uma camada de nanocompósito logo abaixo de sua superfície, formada por nanopartículas de titânio na matriz de alumina. A formação dessas nanopartículas se dá espontaneamente e pode ser explicada pela ocorrência de concentração dos átomos metálicos acima do limite de solubilidade no substrato implantado, levando à nucleação e crescimento das nanopartículas metálicas. Caracterização por TEM foi utilizada para a visualização direta das nanopartículas que apresentaram dimensões da ordem de 20 nm. Simulações utilizando o programa TRIDYN foram realizadas, gerando perfis de profundidade dos íons de titânio implantados no substrato de alumina, que mostraram excelente acordo com o perfil em profundidade obtido por RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Medidas de resistividade da camada compósita foram obtidas, in situ, em função da dose implantada. Utilizando modelos teóricos de percolação foi possível determinar a dose de saturação &#966;0 = 2,2 x 1016 átomos/cm2, que é a dose máxima para a qual o material continua a ser um nanocompósito, e para a condutividade de saturação foi &#966;0 = 480 S/m. A dose de percolação obtida foi &#966;c = 0,84 x 1016 átomos/cm2, que é a dose abaixo da qual o material tem a mesma condutividade que a matriz isolante. O expoente crítico obtido foi t = 1,4 e, como a condição t < 2 é satisfeita, o processo de condutividade se dá devido a percolação, sendo o tunelamento desprezível. / This work describes an ion implanter in terms of characterization and application. The text is divided in three chapters that are briefly presented below. The first chapter describes in detail a new type of implanter called inverted implanter. In this chapter is considered my contribution in the development and characterization of the inverted implanter. The optimization of part of the electronic circuits, and development and construction of other circuits are given in details. A characterization of the implanter by the maximization the ion beam is presented, where is carried out a systematic study through the variation of parameters such as extractor potential, plasma gun current (cathodic arc) and others. Finally, it presents a mapping of the ion beam density at the sample holder of the inverted implanter. The second chapter discusses the neutrality of the ion beam of the inverted implanter. A neutral beam allows implantation into insulating samples without positive charges accumulation, which would lead sample at a different potential than expected. The effective energy evaluation was carried out studying the implantation profiles by conductive atomic force microscopy (AFM-C) and transmission electron microscopy (TEM), and compared with numerical simulations performed by TRIDYN program. The results suggest that the ion beam isn\'t neutral. In the third chapter, the inverted implanter was used for alumina surface modification, generating a nanocomposite layer just below the surface, formed by titanium nanoparticles in alumina matrix. The nanoparticles formation occurs spontaneously and can be explained by the occurrence of metal atom concentration above the solubility limit in the impalnted substrate, leading to nucleation and growth of metal nanoparticles. Characterization by TEM was used for direct visualization of the nanoparticles what presented dimensions of about 20 nm. Simulations using the TRIDYN program were performed, generating depth profiles of titanium ions implanted into the alumina substrate, which showed excellent agreement with the depth profile obtained by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Resistivity measurements were obtained from the composite layer, in situ, as function of implanted dose. Using theoretical percolation models, it was possible to determine the saturation dose &#966;0 = 2,2 x 1016 atoms/cm2, that is the maximum dose for which the material remains a nanocomposite, and the saturation conductivity &#966;0 = 480 S/m. The percolation was achieved for dose &#966;c = 0,84 x 1016 atoms/cm2, that is the dose below which the material has the same conductivity as the insulating matrix. The critical exponent obtained was t = 1,4 and, since it satisfies to condition t < 2, the conductivity process is due to percolation, tunneling being negligible.

No presente trabalho foram realizadas a síntese e caracterizações estruturais, ópticas e espectroscópicas de materiais nanocompósitos na forma de guias de onda planares e pós de (100-x)SiO2-xNb2O5 dopados com íons lantanídeos pelo método sol-gel, para aplicação em Fotônica. Foi observada separação de fase controlada e cristalização, com distribuição e tamanho de partículas, bem como a fase cristalina de Nb2O5 formada, dependentes da composição (%Nb) e temperatura de tratamento térmico. Caracterizações estruturais revelaram a formação de duas fases cristalinas de Nb2O5, ortorrômbica (fase T) e monoclínica (fase M), com distribuição de tamanhos de nanopartículas da ordem de 7 a 30 nm. Essas duas fases cristalinas apresentaram-se na forma de nanocristais dispersos em uma matriz amorfa, formando sistemas nanocompósitos transparentes. A formação dessas diferentes fases cristalinas influenciou diretamente nas propriedades luminescentes dos materiais que apresentaram uma intensa emissão na região do Infravermelho próximo (com máximo de emissão em 1530 nm) sob excitação em 980 nm, com valores de largura de banda variando de 48 a 84 nm. A dependência dos espectros de emissão (largura inomogênea e componentes Stark), valores de largura de banda e tempos de vida do estado excitado 4I13/2 em relação às diferentes fases cristalinas de Nb2O5 formadas, permitiram a conclusão de que os íons Er3+ estão ocupando preferencialmente ambientes de baixa energia de fônon à base de Nb2O5. Estudos espectroscópicos dos nanocompósitos dopados com íons Eu3+ possibilitaram maiores evidências da ocupação dos íons lantanídeos em diferentes sítios de simetria no Nb2O5. A co-dopagem dos nanocompósitos com íons Er3+ e Yb3+ permitiu uma intensificação na emissão na região do Infravermelho próximo, correspondente à transição 4I13/24I15/2, decorrente da maior seção de choque dos íons Yb3+ em 980 nm e um processo eficiente de transferência de energia entre os íons Yb3+ e os íons Er3+ distribuídos nas matrizes estudadas. Essa transferência de energia eficiente intensificou também as emissões tanto na região do verde como do vermelho, decorrente de processos de conversão ascendente. Um estudo detalhado da dinâmica do processo de conversão ascendente foi realizado para os pós e guias de onda. No presente trabalho também foram obtidos guias de onda planares (100-x)SiO2-xNb2O5 dopados com íons Er3+ e co-dopados com íons Er3+ e Yb3+, com excelentes propriedades estruturais, morfológicas, ópticas e espectroscópicas para aplicação como amplificadores ópticos, tais como, superfícies livres de trinca, distribuição uniforme dos valores de índice de refração através da superfície e em função da profundidade, baixa rugosidade, alta porcentagem de confinamento da luz, uma excelente transparência das matrizes no visível e infravermelho próximo, bem como emissão em região usada para transmissão de sinal óptico em telecomunicações. Os guias de onda apresentaram intensas emissões tanto na região do Infravermelho próximo quanto no visível, decorrente de processos de conversão ascendente, apresentando ainda uma interessante variação das cores verde e vermelha, dependendo-se da potência de excitação utilizada e da proporção em mol (%) de Nb adicionada. Após a constatação dos excelentes resultados obtidos nos guias dopados com íons Er3+ e Yb3+, foram preparados nanocompósitos co-dopados com Tm3+ e Yb3+ na forma de pós e guias de onda planares, que apresentaram uma largura de banda de 120 nm na região do infravermelho próximo (com máximo de emissão em 1650 nm) e emissões na região do azul (475 nm) e no infravermelho (785 nm), decorrentes de processos de conversão ascendente. Por fim, foi realizada inscrição bem sucedida de canais nos guias de onda planares utilizando um laser de Ti:safira de femtosegundos. Em suma, os materiais nanocompósitos (100-x)SiO2-xNb2O5 apresentam um grande potencial de aplicação, especialmente em fotônica como amplificadores ópticos (EDWA) em telecomunicações, em circuitos fotônicos, lasers na região do visível (explorando conversão ascendente de energia), marcadores ópticos, dependendo fundamentalmente dos íons lantanídeos utilizados na dopagem. No caso especifico de amplificadores ópticos para telecomunicações, pôde-se concluir que as propriedades mais adequadas foram observadas nos materiais nanocompósitos (100-x)SiO2-xNb2O5 guias de onda planares contendo as proporções 80Si-20Nb e 70Si-30Nb tratados termicamente a 900oC co-dopados com íons Er3+/Yb3+ e Tm3+/Yb3+ / In the present work are reported the synthesis and structural, optical and spectroscopic characterizations of lanthanide doped (100-x)SiO2-xNb2O5 nanocomposites materials as planar waveguides and powders prepared by the sol gel method for photonic applications. The controlled phase separation and crystallization observed, as well as the particle size and distribution depended on the composition (%Nb) and the annealing temperature. The structural characterization revealed the formation of two Nb2O5 crystalline phases, orthorhombic (T-phase) and monoclinic (M-phase), with nanoparticle size distribution from 7 to 30 nm. The two crystalline phases were observed as nanocrystals dispersed in an amorphous matrix, constituting transparent nanocomposite systems. The formation of the different crystalline phases affected directly the materials luminescent properties which showed an intense near infrared emission (with maximum peak at 1530 nm) under 980 nm excitation, with bandwidth values from 48 to 84 nm. The dependence of emission spectra (inhomogeneous broadening and Stark components), the bandwidth values and the 4I13/2 excited state lifetimes dependence upon the different Nb2O5 crystalline phases formation, led to the Er3+ ions preferential occupation on low phonon energy, Nb2O5-rich environment. Spectroscopic studies with Eu3+-doped nanocomposites provided additional evidences of the lanthanide occupation of different symmetry sites on the Nb2O5-rich environment. The nanocomposites co-doping with Er3+ and Yb3+ ions allowed intensification on the near infrared emission, corresponding to the 4I13/24I15/2 transition, which resulted from the higher cross section of Yb3+ ions at 980 nm and an efficient energy transfer process between the Yb3+ ions and the Er3+ ions. This efficient energy transfer process also intensified the emissions both in green and red range, deriving from upconversion processes. A detailed study on the upconversion processes was made for nanocomposites and waveguides. In the present work, Er3+-doped and Er3+ and Yb3+ co-doped planar waveguides (100-x)SiO2-xNb2O5 with excellent optical, morphological and spectroscopic properties were also obtained, such as, crack free surfaces, a uniform refractive index profile across the surface and the thickness, low rugosity, high light confinement, low optical losses, and an excellent infrared and visible range matrix transparency, as well as emission used on optical telecommunication transmission. The waveguides showed emission both on near infrared and visible range, resulting from upconversion processes, showing an interesting color tuning phenomena in the green and red ranges, dependent on the excitation power and Nb content (mol%). After the excellent results verified with Er3+ and Yb3+, Tm3+ and Yb3+ co-doped nanocomposites and planar waveguides were prepared, which showed a bandwidth of 120 nm in the infrared range (with maximum peak at 1650 nm) and blue (475 nm) and near infrared (785 nm) emissions deriving from upconversion processes. Finally, channel writing using a femtosecond Ti:sapphire laser was successfully performed on the planar waveguides. Therefore, the (100-x)SiO2-xNb2O5 nanocomposite materials have shown great potential application, especially in photonic, such as, optical amplifiers (EDWA), photonic circuits, visible range lasers (exploring upconversion processes), and optical markers, depending on the lanthanide doping. In the specific case of optical amplifiers for telecommunication application, it could be concluded that the most adequate properties were observed on the ions Er3+/Yb3+ and Tm3+/Yb3+ co-doped (100-x)SiO2-xNb2O5 nanocomposites at 80Si-20Nb and 70Si-30Nb ratios, annealed at 900°C

Esse trabalho descreve um implantador iônico em termos de sua caracterização e aplicação. O texto está dividido em três capítulos que são apresentados resumidamente a seguir. O primeiro capítulo descreve em detalhes um novo tipo de implantador, denominado implantador invertido. Nesse capítulo é descrito o desenvolvimento e a caracterização do implantador invertido. A otimização de uma parte dos circuitos eletrônicos e o desenvolvimento e construção do restante dos circuitos é dada em detalhes. Uma caracterização do implantador quanto à maximização do feixe iônico é apresentada, onde é realizado um estudo sistemático com a variação de parâmetros como potencial extrator, corrente do canhão de plasma (arco catódico) dentre outros. Finalizando o primeiro capítulo, é apresentado um mapeamento da densidade do feixe iônico no porta amostras do implantador invertido. No segundo capítulo é discutida a neutralidade do feixe iônico do implantador invertido. Um feixe neutro viabiliza implantações em amostras isolantes, sem que haja acúmulo de cargas positivas, o que levaria a amostra a um potencial diferente do planejado. A energia de implantação efetiva foi avaliada estudando os perfis de implantação através de microscopia de força atômica condutiva (AFM-C) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), e comparando com simulações numéricas realizadas pelo programa TRIDYN. Os resultados sugerem que o feixe não é neutro. No terceiro capítulo, o implantador invertido foi utilizado para modificação de superfície de alumina, gerando uma camada de nanocompósito logo abaixo de sua superfície, formada por nanopartículas de titânio na matriz de alumina. A formação dessas nanopartículas se dá espontaneamente e pode ser explicada pela ocorrência de concentração dos átomos metálicos acima do limite de solubilidade no substrato implantado, levando à nucleação e crescimento das nanopartículas metálicas. Caracterização por TEM foi utilizada para a visualização direta das nanopartículas que apresentaram dimensões da ordem de 20 nm. Simulações utilizando o programa TRIDYN foram realizadas, gerando perfis de profundidade dos íons de titânio implantados no substrato de alumina, que mostraram excelente acordo com o perfil em profundidade obtido por RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Medidas de resistividade da camada compósita foram obtidas, in situ, em função da dose implantada. Utilizando modelos teóricos de percolação foi possível determinar a dose de saturação &#966;0 = 2,2 x 1016 átomos/cm2, que é a dose máxima para a qual o material continua a ser um nanocompósito, e para a condutividade de saturação foi &#966;0 = 480 S/m. A dose de percolação obtida foi &#966;c = 0,84 x 1016 átomos/cm2, que é a dose abaixo da qual o material tem a mesma condutividade que a matriz isolante. O expoente crítico obtido foi t = 1,4 e, como a condição t < 2 é satisfeita, o processo de condutividade se dá devido a percolação, sendo o tunelamento desprezível. / This work describes an ion implanter in terms of characterization and application. The text is divided in three chapters that are briefly presented below. The first chapter describes in detail a new type of implanter called inverted implanter. In this chapter is considered my contribution in the development and characterization of the inverted implanter. The optimization of part of the electronic circuits, and development and construction of other circuits are given in details. A characterization of the implanter by the maximization the ion beam is presented, where is carried out a systematic study through the variation of parameters such as extractor potential, plasma gun current (cathodic arc) and others. Finally, it presents a mapping of the ion beam density at the sample holder of the inverted implanter. The second chapter discusses the neutrality of the ion beam of the inverted implanter. A neutral beam allows implantation into insulating samples without positive charges accumulation, which would lead sample at a different potential than expected. The effective energy evaluation was carried out studying the implantation profiles by conductive atomic force microscopy (AFM-C) and transmission electron microscopy (TEM), and compared with numerical simulations performed by TRIDYN program. The results suggest that the ion beam isn\'t neutral. In the third chapter, the inverted implanter was used for alumina surface modification, generating a nanocomposite layer just below the surface, formed by titanium nanoparticles in alumina matrix. The nanoparticles formation occurs spontaneously and can be explained by the occurrence of metal atom concentration above the solubility limit in the impalnted substrate, leading to nucleation and growth of metal nanoparticles. Characterization by TEM was used for direct visualization of the nanoparticles what presented dimensions of about 20 nm. Simulations using the TRIDYN program were performed, generating depth profiles of titanium ions implanted into the alumina substrate, which showed excellent agreement with the depth profile obtained by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Resistivity measurements were obtained from the composite layer, in situ, as function of implanted dose. Using theoretical percolation models, it was possible to determine the saturation dose &#966;0 = 2,2 x 1016 atoms/cm2, that is the maximum dose for which the material remains a nanocomposite, and the saturation conductivity &#966;0 = 480 S/m. The percolation was achieved for dose &#966;c = 0,84 x 1016 atoms/cm2, that is the dose below which the material has the same conductivity as the insulating matrix. The critical exponent obtained was t = 1,4 and, since it satisfies to condition t < 2, the conductivity process is due to percolation, tunneling being negligible.

Made available in DSpace on 2017-07-21T20:42:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALEXEYOSA.pdf: 5421732 bytes, checksum: d315c8a952abc240783ef27ca2d03d74 (MD5) Previous issue date: 2011-03-30 / The ceramic materials have great potential for structural applications because of their have excellent mechanical properties, eg, high hardness, high mechanical strength and resistance to aggressive media. However their low toughness and bending resistance, limiting their range of applications and open interest for researchers for better mechanical properties. Inclusions of nanometric particles in ceramic matrix, called nanocomposites, and the control of ceramic processing, by controlling grain size and densification, can be used for produce ceramic products with higher strength and toughness. One method to control the microstructure that has been studied is the two-step sintering, which has been successfully applied for the densification of nanometric and ultra fine ceramic powders without grain growth. In this work, the two-step sintering of nanocomposite of alumina with 5% volume nanoparticles zirconia was studied. Two proposals in two-step of sintering were studied, of which one consisted to heat the nanocomposite to a high temperature and then rapid cool down to a lower temperature sintering, and on the other proposal was made a step at a temperature below the initiation of densification, followed by heating to the maximum densification rate temperature. The sintering temperature for steps were chosen from constant-heating-rate and conventional sintering. The results showed that the two proposals were efficient to control the grain growth and densification in alumina-zirconia nanocomposites, and, with the sintering in twosteps, it was possible to reduce the grain size up to 70% of the grain size of nanocomposite sintered conventionally. / Os materiais cerâmicos apresentam grande potencial para aplicações estruturais, pois possuem excelentes propriedades mecânicas como, por exemplo, alta dureza, alta resistência mecânica à compressão e inércia química. Porém, a sua baixa tenacidade à fratura e baixa resistência à flexão, limitam sua gama de aplicações e gera interesse para estudos em busca de melhores propriedades mecânicas. A inclusão de partículas nanométricas numa matriz cerâmica, que são os chamados nanocompósitos, e o controle do processamento cerâmico, através do controle do tamanho de grão e densificação, podem auxiliar na obtenção de produtos cerâmicos de maior resistência mecânica e tenacidade. Um método de controle da microestrutura que vem sendo estudado é a sinterização em duasetapas, a qual vem sendo aplicada com sucesso para a densificação de pós cerâmicos nanométricos e ultra finos sem crescimento de grãos. Nesse trabalho, foi estudada a sinterização em duas-etapas de nanocompósitos de alumina com 5% em volume de partículas de zircônia nanométrica. Duas propostas de sinterização em duas etapas foram estudadas. Uma consistiu em aquecer o nanocompósito rapidamente a uma alta temperatura e em seguida resfria-lo ao patamar de sinterização; na outra proposta foi feito um patamar de queima numa temperatura abaixo do início do processo de densificação, seguido do aquecimento do nanocompósito até a temperatura de máxima taxa de densificação. As temperaturas para as etapas de sinterização foram escolhidas a partir da sinterização a taxa de aquecimento constante e da sinterização convencional. Os resultados mostraram que a duas propostas estudadas foram eficientes para controlar o crescimento de grãos e a densificação nos nanocompósitos alumina-zircônia, sendo que, com as sinterizações em duas-etapas, foi possível reduzir o tamanho de grão em até 70% do valor do tamanho de grão do nanocompósito sinterizado convencionalmente.

Made available in DSpace on 2017-07-21T20:42:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carlos Alberto Silva de LIma.pdf: 3634642 bytes, checksum: 8583be31697ada29693d8e5c36b484b5 (MD5) Previous issue date: 2014-01-07 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nowadays, polymeric nanocomposites are well established in terms of their importance. However, there is still a long way to be investigated, since its methods for obtaining, processing and characterization, as there are many variables to be changed to optimize the responses. There is need in understanding the behavior of such materials when subjected to degradative processes, such as nanoparticles influence responses, and maximize or minimize the occurrence of these effects. In this work the behavior of neat polypropylene, polypropylene with organically modified montmorillonite, with and without the presence of a coupling agent (polypropylene-graft-maleic anhydride) when subjected to reprocessing in a twin screw extruder. It was investigated the effect of molar mass of the polypropylene matrix. For this purpose, three types of polypropylenes (high, middle and low molar mass) were processed one, or up to five times. Compositions were prepared neat or with 5% by weight montmorillonite, with and without the presence of coupling agent in the ratio 3:1. The properties is going to be investigated by the techniques of X-ray diffraction, scanning electron microscopy, rheology, infrared spectroscopy by Fourier transform, thermogravimetry, differential scanning calorimetry, tests of Izod impact and colorimetry. First of all, it was proved the presence of iron in the nanoclay, which affects the color of the sample due to oxidation of the iron cation. It was found that the samples became darker, redder, and more yellow because of the presence of the nanoparticles, iron and degradation. These results agreed with the changes observed by infrared spectroscopy, which generally showed low occurrence of the degradation rates of carbonyl and unsaturation, concluding that the greatest degradation occurred by the reduction in molar mass due to the β -scission process, confirming the reduction the values of complex viscosity. It was possible to monitor via rheology by different modes narrowing of the distribution of molar masses and the reduction in molar mass. Along with this information the values and behaviors of the slopes of the curves allowed us to infer the possible microstructure formed state of dispersion and distribution. XRD results indicated the formation of only a sample with an increase in the interlayer spacing, while the rheological results suggest that there is more than one sample with intercalated structure. Thus, there was a little difficulty using just one technique among them to state what actually occurred, concluding that it is essential to perform the technique of transmission electron microscopy. Addition of MMT and MMT / PP - g-MA afforded more thermally stable samples compared to pure PP, this was attributed to the effect of labyrinth. Finally, the impact resistance by the addition of montmorillonite was greater, it means that the clay did not act as stress concentrators, but as energy absorbers and hindered propagation of microcracks. But with PP-g-MA had a fracture behavior intermediate between PP and PP/MMT, with intermediate values of impact resistance. The fracture analysis was possible via SEM and allows to observe the morphology of the different samples. / Nanocompósitos poliméricos são materiais bem estabelecidos do ponto de vista da sua importância, mas ainda há um longo caminho a ser investigado, desde seus métodos de obtenção, processamento e caracterização, pois existem muitas variáveis a serem alteradas para otimização das respostas apresentadas por esses materiais. Há também uma necessidade em compreender o comportamento de tais materiais quando submetidos a processos degradativos, como as nanocargas influenciam o comportamento, bem como maximizar ou minimizar determinados desempenhos. Neste trabalho, foi estudado o comportamento das composições de polipropileno puro, polipropileno com montmorilonita, com e sem agente compatibilizante (polipropileno graftizado com anidrido maleico) quando submetidos a múltiplas extrusões em extrusora dupla rosca; investigando ainda o efeito da massa molar da matriz polimérica. Para tanto, três tipos de polipropilenos com diferentes massas molares (baixa, média e alta) foram processados uma, ou em até cinco vezes. As composições elaboradas foram puras ou com 5% de montmorilonita em peso, com e sem a presença de agente compatibilizante na razão 3:1. Em seguida, as amostras foram investigadas por meio das técnicas de difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, reometria de placas paralelas, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, termogravimetria, ensaios de impacto Izod com entalhe e colorimetria. Primeiramente comprovou-se a presença de ferro na nanoargila, o qual afetou a coloração das amostras, devido à oxidação do cátion de ferro. Verificou-se que as amostras tornaram-se mais escuras, mais vermelhas e mais amarelas, por causa da presença das nanopartículas, do ferro e da degradação. Estes resultados concordaram com as variações observadas por espectroscopia de infravermelho, que em geral revelou pouca ocorrência de degradação pelos índices de carbonila e insaturação, concluindo que a maior degradação ocorreu pela redução na massa molar, devido ao processo de cisão-β, comprovado pela redução nos valores de viscosidade complexa. Foi possível via reologia acompanhar por diferentes modos o estreitamento da distribuição de massas molares e a redução na massa molar. Juntamente com essas informações os valores das inclinações e comportamentos das curvas permitiram inferir sobre a possível microestrutura formada, estado de dispersão e distribuição. Os resultados de DRX indicaram a formação de apenas uma amostra com aumento no espaçamento interlamelar, enquanto que os resultados reológicos apresentaram indícios de haver mais de uma amostra com estrutura intercalada. Deste modo, ocorreu uma pequena dificuldade em utilizar apenas uma técnica entre elas para afirmar o que de fato ocorreu, concluindo que é imprescindível a realização da técnica de microscopia eletrônica de transmissão. A adição de MMT ou MMT/PP-g-AM permitiu obter amostras termicamente mais estáveis em relação ao PP puro, isso se atribuiu ao efeito de labirinto. Finalmente, a resistência ao impacto com a adição de montmorilonita foi maior, ou seja, não atuaram como concentradores de tensão, mas auxiliaram na absorção de energia e dificultando a propagação de microfissuras. Já com PP-g-AM ocorreu um comportamento de fratura intermediário entre PP e PP/MMT, apresentando valores intermediários de resistência ao impacto. A análise da fratura foi possível via MEV, além de permitir observar a morfologia das diferentes amostras.

Made available in DSpace on 2017-07-21T20:42:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nayana Reggiani Peres.pdf: 6432613 bytes, checksum: 9c46ae14abc57b5978dfcd678165787b (MD5) Previous issue date: 2013-12-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The development of new materials takes into account factors such as need and sustentabilidade.Novas trends in modifying properties of polymeric materials have been observed due to increasing concern about the environment and the constant search by the use of fillers in polymeric materials. Among them, there are the lignocellulosic fibers, which in addition to reinforcing the polymer, are biodegradable low cost, low density and have no abrasive characteristic. The agro-industrial residues are a great source of raw materials, especially in the case of soybean hulls, which is a waste in abundance in our region ( Paraná ). However, it is not always possible to obtain the best features with the Shell Soy Gross ( CSB ) . Thus , in a first step we sought to obtain microfibrillated pulp from the CSB . Conducted to obtain microfibrillated pulp by grinding the colloid mill, proven by analysis of Zeta Potential . And then be obtained twin screw extruder via nanocomposites with the incorporation of 1, 3 and 5% of microfibrillated cellulose. Finally, the nanocomposites were characterized by analysis of tensile test scanning electron microscopy, atomic force microscopy, X-ray diffraction, rheological analysis, thermogravimetry, and mechanical impact tests. Through the zeta potential was proved that the dimensions were namometricas the SEM and AFM demonstrated good adhesion of the microfibrillated cellulose, XRD confirmed the crystallinity. According to rheological analysis showed an increase in molecular weight , with the incorporation of cellulose microfibrillated there was a slight increase in impact strength, and an increase in the stiffness of nanocomposites. / O desenvolvimento de novos materiais leva em conta fatores como necessidade e sustentabilidade. Novas tendências na modificação de propriedades dos materiais poliméricos têm sido observadas devido à crescente preocupação com o meio ambiente e a constante busca pela utilização de cargas em materiais poliméricos. Entre elas, destacam-se as fibras lignocelulósicas, que além de reforçar o polímero, são biodegradáveis, de baixo custo, baixa massa específica e não possuem característica abrasiva. Os resíduos agroindustriais são uma ótima fonte de matériaprima, principalmente no caso da casca de soja, que é um resíduo em abundância em nossa região (Paraná). No entanto, nem sempre é possível obter as melhores características com a Casca de Soja Bruta (CSB). Deste modo, em uma primeira etapa buscou-se a obtenção de celulose microfibrilada, a partir da CSB. Realizou-se a obtenção da celulose microfibrilada através da moagem no moinho coloidal, comprovada pela análise de Potencial Zeta. E em seguida, obtiveram-se via extrusora dupla rosca os nanocompósitos com a incorporação de 1, 3 e 5% de celulose microfibrilada. Finalmente, os nanocompósitos foram caracterizados através das análises de microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atômica, difração de raios X, analise reológica, termogravimetria, ensaios mecânicos de impacto e ensaios mecânicos de tração. Através do potencial zeta provou-se que as dimensões são namometricas, o MEV e MFA comprovou a boa adesão da celulose microfibrilada, o DRX comprovou a cristalinidade. Segundo, a analise reológica houve aumento da massa molar. Com a incorporação da celulose microfibrilada houve um ligeiro aumento na resistência ao impacto, e um aumento na rigidez dos nanocompositos,