Link: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025540804002454

Interpretação do Artigo

Síntese de pós de alumina pelo processo de combustão de nitrato de glicina

A técnica de síntese por combustão utilizando glicina como combustível e nitrato de alumínio como um oxidante é capaz de produzir pós de alumina. A modelagem termodinâmica da reação de combustão mostra que na relação combustível-oxidante,o aumento da quantidade de gases produzidos está relacionado com a temperatura adiabática que também aumenta.

1. Introdução

Pós de alumina com distribuição de tamanho controlado podem encontrar uma grande variedade de aplicações para materiais de engenharia avançado. Em geral, eles são produzidos comercialmente pelo processo Bayer, que tem algumas limitações para se obter partículas finas e puras. Nos últimos anos, cada vez mais atenção tem sido focada no desenvolvimento de pós de alumina nanométricos.

Elas apresentam um elevado potencial para serem utilizados como revestimentos de abrasivos, suportes de catalisadores, isoladores térmicos, materiais de prevenção à poluição, auxiliar de sinterização para a cerâmica, material biocompatível para uso médico e compósitos odontológicos, nanocompósitos para aplicação estrutural, aplicação em componentes elétricos. Estes materiais oferecem novas características, em comparação com a cerâmica de alumina convencional, devido às suas propriedades, como a elevada dureza, tenacidade, resistência à compressão, a transparência e resistência ao desgaste.

A fim de alcançar estes requisitos muitas pesquisas têm se dedicado a encontrar alternativas, tais como processos químicos para a obtenção de aluminas nanométricas.

Síntese por combustão é particularmente um processo de produção fácil, segura e rápida em que a principal vantagem é a economia de energia e de tempo. Este processo rápido, simples pode ser usado para produzir pós-cerâmicos homogêneos de alta pureza.

Este método é versátil para sintetizar uma ampla gama de tamanhos de partículas, incluindo alumina de tamanho nano. A base da técnica de síntese por combustão vem dos conceitos utilizados no campo termoquímico de fabricação de propulsores e explosivos.

O sucesso do processo é devido a uma mistura íntima entre os constituintes, utilizando um agente complexante ou de combustível adequada (por exemplo, ácido cítrico, ureia, glicina, etc), num meio aquoso e uma reacção redox exotérmica entre o combustível e um oxidante (nitratos).

Na verdade, o mecanismo da reação de combustão é bastante complexo. Os parâmetros que influenciam na reação incluem: tipo de combustível, o combustível a razão oxidante, a utilização de excesso de oxidante, a temperatura de ignição, eo teor de água da mistura precursora. Em geral, um bom combustível deve reagir de forma não violenta, produzir gases atóxicos , e agir como um complexante para cátions metálicos.

Um dos mais baratos aminoácidos,  a glicina (NH2CH2COOH), é conhecida por atuar como um agente de complexação para um certo número de íons de metal, uma vez que contém um grupo ácido carboxílico em uma extremidade e um grupo amino na outra. Aminoácidos se tornam íons quando dissolvidos em água. Estas características zwiteriônicas de uma molécula de glicina complexa, produz eficazmente tamanhos iônicos variados, isto ajuda na prevenção da precipitação seletiva e mantém uma composição homogênea entre os componentes. Por outro lado, a glicina pode também servir como um combustível durante uma reação de combustão, sendo oxidado pelo íon nitrato.

A combustão da glicina-nitrato produz gases N2, CO2 e H2O. A composição inicial da solução contendo nitrato de alumínio e glicina foi derivada a partir da oxidação total e da redução das valências do oxidante e combustível usando os conceitos da propulsão química. Carbono, hidrogénio e de alumínio foram considerados como elementos reduzidos, com valências de +4, 1 e 3, respectivamente. O oxigénio foi considerado como um elemento oxidante com a valência de - 2, o azoto foi considerado zero.

As características do pó, como tamanho de cristalito, área de superfície, a extensão e natureza (duro ou mole) da aglomeração são regidos principalmente pela temperatura ou entalpia gerados durante a combustão.

A investigação recente sobre a síntese por combustão foi conduzida a fim de compreender melhor o papel do combustível no controle do tamanho de partícula e microestrutura de combustão do produto. Apenas alguns cientistas tentaram investigar o efeito de diferentes proporções de combustível/oxidante.

Neste artigo, relatamos a síntese de pós  de alumina, por diferentes razões molares de combustível/oxidante utilizando glicina como combustível e nitrato como um oxidante. Os pós obtidos por meio de síntese por combustão foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura, raio-X linha de difração análise da ampliação da área da superfície.

Entalpias e temperaturas de chama adiabática foram calculadas teoricamente para a reação de combustão, envolvendo diferentes relações combustível/oxidante. A natureza da combustão e a variação nas características obtidas do pó com  relações combustível/oxidante é explicado na base das temperaturas da chama adiabática.

Procedimento experimental

Nitrato de alumínio Al (NO3) 3+ 9H2O (Vetec Quı'mica, Brasil) e glicina (Bio-Rad, EUA) com 98 e 98,5% de pureza, respectivamente, foram misturados com uma quantidade mínima de água desionizada. A solução foi aquecida de forma contínua, sem qualquer desidratação térmica anterior. Em seguida tornou-se uma solução com aspecto de gel viscoso e transparente, o produto que originou da combustão foi um produto expandido e volumoso.  Um pó sem fases cristalinas se formou espontaneamente após a combustão com aquecimento forte e contínuo, para todos os índices de combustível/oxidante avaliados, resultaram em um produto acastanhado volumoso, o produto obtido foi identificado como amorfo pela análise de DRX, este resultado indica uma combustão incompleta, provavelmente ocasionada devido as características do combustível utilizado.

Subsequentemente, estes pós foram calcinados a 800, 900, 1000, 1050 e 1100 °C, a uma taxa de aquecimento de aproximadamente 9 K / min, durante 1 h de tempo de imersão.

Foi necessário um bico de Bulsen para aquecer o reservatório. Cada solução foi levada com tampa para evitar perdas de gás. As temperaturas da combustão eram medidas utilizando um pirômetro óptico (modelo 300 AF) e um termopar tipo ajustável.

Os pós obtidos foram analisados e caracterizados por difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura.

3 Resultados e discussão

A reatividade da reação de combustão é dependente dos grupos de ligantes da molécula e da proporção composicional de combustível de nitrato. Por consequência, a reatividade e a fase de produto a partir de nitratos de alumínio com glicina foram investigadas antes da síntese de Al2O3 ser realizada. Há evidências de que o Al iônico pode ser complexado com o grupo amina da glicina. Neste caso, o íon Al é fortemente complexado devido à presença de duas aminas sobre o combustível. Por outro lado, o processo de nitrato de alumínio-glicina promove inferior temperatura de chama adiabática, e um fenômeno de combustão mais lenta em comparação ao mesmo processo com o par alumínio/nitrato de ureia. A natureza auto-sustentável da combustão pode ser clarificados do seguinte modo. A combinação de reagentes químicos contém um oxidante forte e um bom combustível.

Esta mistura precursora, após a desidratação térmica, faz com que a decomposição do nitrato gere óxidos de azoto. A reação exotérmica homogênea de oxidação-redução aumenta a temperatura da mistura viscosa, fazendo-a reagir, o processo de reação ocorre rapidamente e se sustenta até que toda a parte intacta seja consumida.

Os valores obtidos com termopar e pirómetro óptico mostraram diferentes temperaturas de reação, mas não ocorreu diferenças significativas para as temperaturas máximas envolvidas, estes resultados podem ter sido ocasionados devido à uma provável presença de medição imprecisa.

Nenhuma mudança significativa foi verificada na quantidade de água residual da solução, as temperaturas resultantes da chama são reduzidas, devido ao líquido residual provavelmente ter sido convertido para vapor, os precursores que se inflamam em temperaturas relativamente baixas são mais propensos a este efeito. Nenhuma mudança significativa foi verificada na relação entre as quantidades dos pós de alumina formados pelas relações combustível/oxidante das matérias-primas empregadas nos experimentos. Uma eficiência média de 75% de rendimento foi alcançada.

3.1. Modelagem termodinâmica

Reações redox são geralmente exotérmicas e muitas vezes levam a explosão se não forem controladas. A combustão da mistura de nitrato de alumínio/glicina parece sofrer uma auto-propagação com reação exotérmica. Uma mistura estequiométrica de combustível e de oxidante é aquela em que a quantidade de oxidante é teoricamente correta para completar a oxidação.

3.2. Formação de fases e a morfologia

Foi realizada uma análise termogravimétrica e térmica diferencial (TG-DTA,a uma taxa de aquecimento de 5 K / min). A curva de DTA indicou que um componente anterior ao Al2O3 foi decomposto exotermicamente, com picos em 534 e 362 °C. Todas as temperaturas adiabáticas calculadas para as reações de síntese por combustão são muito mais elevadas do que a temperatura de  decomposição do Al (NO3) 3 + 9H2O. A DRX do pó tal como sintetizado também confirmou a formação de uma estrutura amorfa, o que indica a ausência de fase cristalina na solução anterior  para todas as composições.

A formação de alumina cristalina in situ não ocorreu para todas as experiências, porque a temperatura gerada não foi suficiente para promover a cristalização na alumina como era esperado. Após o processo de calcinação a caracterização por DRX revelou a presença cristais de alumina para todas as proporções de glicina/nitrato. Uma quantidade mínima de combustível foi utilizada, com isto a temperatura de entalpia das partículas permanece baixa, o que pode impedir a formação de uma estrutura densa.

A evolução do gás associado resulta na estrutura altamente porosa, isto é, como a quantidade de gás aumenta, aglomerados são mais propensos a quebrar-se e mais porosidade irá ser observada, os resultados tendem a indicar que o combustível tem um papel predominante, os valores obtidos são considerados altos para um combustível considerado pobre, isto provavelmente está sendo compensado pela quantidade de combustível, o que torna a composição rica em combustível.

O aumento do tamanho dos cristalitos está relacionado com o aumento da relação glicina/nitrato. O crescimento dos cristais é atribuído ao aumento da temperatura da chama. Existe uma correlação entre o aumento do tamanho de cristalito e a redução da área superficial em função do teor de combustível no caso da combustão de nitrato-glicina.

A morfologia dos aglomerados de alumina exibiu aglomerados expandidos com ampla distribuição de partículas e presença de espaços vazios ao longo da estrutura. A formação destas características é atribuído à evolução de uma maior quantidade de gás durante a combustão.

4. Conclusão

 A síntese por combustão de Glicina/nitrato tem um excelente potencial para a produção de pós de alumina pura. Área de superfície ótima poderia ser obtida com 0,51 de proporção molar de glicina/nitrato. A modelagem termodinâmica da reação de combustão mostra que quando a relação de combustível/oxidante aumenta a quantidade de gás produzido e a temperatura da chama adiabática também aumenta.

Resumo

Nos últimos anos, cada vez mais atenção tem sido focada no desenvolvimento de materiais nano métricos, este artigo expõe experimentos realizados para a obtenção de pós de alumina nano métricos, estes pós apresentam um elevado potencial para serem utilizados como revestimentos de abrasivos, suportes de catalisadores, isoladores térmicos, materiais de prevenção à poluição, auxiliar de sinterização para a cerâmica, material biocompatível para uso médico e compósitos odontológicos, nanocompósitos para aplicação estrutural e aplicação em componentes elétricos.

 Estes materiais oferecem novas características em comparação com a cerâmica de alumina convencional, devido às suas propriedades, como a elevada dureza, tenacidade, resistência à compressão, a transparência e resistência ao desgaste. A fim de alcançar estes requisitos muitas pesquisas têm se dedicado a encontrar alternativas obtenção de aluminas nano métricas, a síntese por combustão é particularmente um processo de produção fácil, segura e rápida em que a principal vantagem é a economia de energia e de tempo. Este processo rápido, simples pode ser usado para produzir pós-cerâmicos homogêneos de alta pureza.

Este método é versátil para sintetizar uma ampla gama de tamanhos de partículas, incluindo alumina de tamanho nano. A base da técnica de síntese por combustão vem dos conceitos utilizados no campo termoquímico de fabricação de propulsores e explosivos.

A síntese por combustão de Glicina/nitrato tem um excelente potencial para a produção de pós de alumina pura. Área de superfície ótima poderia ser obtida com 0,51 de proporção molar de glicina/nitrato. A modelagem termodinâmica da reação de combustão mostra que quando a relação de combustível/oxidante aumenta a quantidade de gás produzido e temperatura da chama adiabática também aumenta.