Nenhuma / A presença do carbono em materiais refratários modifica a tensão superficial entre o sólido (refratário) e o líquido (metal-escória) diminuindo a penetração do líquido e, consequentemente, reduzindo o processo de corrosão das cerâmicas refratárias durante os processos siderúrgicos. Além deste efeito protetor, o carbono desempenha ainda papel importante quanto à resistência mecânica e ao choque térmico dos tijolos refratários.
Nos anos recentes, têm sido desenvolvidos nanocompósitos refratários, incorporando-se na matriz cerâmica uma segunda fase de carbono com dimensões em escala nanométrica. Esta estratégia visa ao desenvolvimento de materiais com desempenhos aprimorados em relação aos materiais hoje utilizados, lançando mão das propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e físico-químicas únicas dos nanomateriais de carbono. Duas barreiras tecnológicas, entretanto, devem ser contornadas para o efetivo uso de nanocompostos de carbono em refratários: i) o controle eficiente de sua dispersão na matriz cerâmica e resina polimérica; ii) a melhoria/otimização de sua resistência à oxidação em temperaturas elevadas.
Este trabalho teve como objetivos a avaliação dos aspectos termodinâmicos e cinéticos do processo de oxidação de materiais de carbono nanoestruturados (nanotubos de múltiplas paredes, nanofibras e negro de fumo) em compósitos refratários de alumina contendo ligante polimérico. Vale ressaltar que o carbono amorfo proveniente da transformação da resina polimérica é simultaneamente analisado. A análise cinética foi realizada empregando-se a termogravimetria semi-isotérmica e isotérmica, nas quais a amostra é submetida a diferentes patamares de temperatura e aquecida até atingir massa constante. Os dados das diferentes composições foram tratados de forma a obter e ajustar modelos matemáticos que representam o processo de oxidação. Foi também investigado o efeito do acréscimo de elementos com elevada afinidade termodinâmica pelo oxigênio, especificamente boro, titânio e silício, com o objetivo de reduzir ou eliminar a oxidação dos carbonos nanoestruturados incorporados.
Utilizando planejamento fatorial de experimentos foi possível avaliar, acompanhar e modelar o comportamento da oxidação dos diferentes compósitos e observar os efeitos de proteção de elementos antioxidantes selecionados sobre a perda de massa dos diferentes nanocarbonos. O modelo cinético básico obtido indica que o processo de oxidação segue o modelo de difusão por poros.
As análises obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) demonstraram que, para algumas formulações contendo formas nanoestruturadas de carbono e aditivos antioxidantes, houve efeito protetor do carbono, em maior ou menor grau, como evidenciado pelas análises de espectroscopia de energia dispersiva (EDS) efetuadas sob os materiais pós queima. Em determinadas situações foi possível detectar até mesmo formas aparentemente íntegras de carbono nanoestruturado pouco ou nada afetadas pelo processo de oxidação pelo qual o material foi submetido. Estas técnicas permitiram também observar por microscopia eletrônica de varredura, a aparente presença de depósito formado sobre os nanotubos de carbono, sugerindo a presença de composto não determinado, possivelmente um carbeto, o que teria efeito protetor diante do processo oxidativo. / The presence of carbon in refractory materials increases the surface tension between the solid (refractory) and the liquid (metal-slug), decreases the liquid penetration and, consequently, reduces the corrosion of refractory ceramics used in steel-making processes. Besides this protecting effect, carbon also plays an important role in the mechanical strength and thermal shock of refractory bricks.
In recent year, refractory nanocomposites have been developed by incorporating a second carbon phase of nanometric dimensions into the ceramic matrix. This strategy aims at the development of materials with improved performance in relation to the currently used materials by taking advantage of the singular mechanical, thermal, electrical, and physical and chemical properties of carbon nanomateriais. Nevertheness, two technological barriers must be overcome for the effective use of carbon nanocomposites in refractory materials: i) the efficient control of dispersion in the ceramic matrix and the polymer resin, ii) improvement of the resistance to oxidation at high temperatures.
This study sought to evaluate the thermodynamic and kinectic aspects of the oxidation of nanostructured carbon materials (multi-walled nanotubes (MWNT), nonofibers, and carbon black) in alumina refractory composite using a polymeric ligand. It is worth pointing out that amorphous carbon obtained by the transformation of the polymer resin was analyzed simultaneously. The kinetic analysis was conducted using semi-thermal thermogravimetry. The sample was submitted to different temperature gradients and heated until the mass was constant. Different compositions were tested in order to obtain and adjust mathematical models that represented the oxidation process. The effect of the addition of elements with high thermodynamic affinity for oxygen, specifically boron, titanium, and silica, was investigated seeking to reduce or prevent the oxidation of the incorporated nanostructured carbons.
The use of experimental factorial planning allowed the evaluation, follow-up, and modeling of the oxidation behavior of the planned formulations and the observation of the effects of the protection of the antioxidation elements selected on the mass loss of the different nanocarbons. The kinetic model obtained indicates that the oxidation process follows the pore diffusion model.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:bdtd.cdtn.br:132 |
| Date | 31 August 2011 |
| Creators | Leonardo Mitre |
| Contributors | Adelina Pinheiro Santos, Guilherme Frederico Bernardo Lenz e Silva, Fernando Soares Lameiras, Clenice Moreira Galinari |
| Publisher | CNEN - Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, Belo Horizonte, CTMA - Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais, CDTN, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do CDTN, instname:Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, instacron:CDTN |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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