Cerâmicas refratárias macroporosas derivadas de espumas ultraestáveis estabilizadas com partículas cerâmicas
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Data de Publicação: | 2020 |
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Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/13475 |
Resumo: | Innovation on materials for heat conservation in high-temperature industrial processes is seen as an important strategy for Energy Efficiency. Fundamental studies can support the development of these materials and the adoption of processing routes resulting in lower environmental impact should be considered to produce them. This thesis presents the development of Al2O3-based refractory macroporous ceramics prepared by direct foaming with the help of mechanoquantum simulations. Liquid foams stabilised with Al2O3 particles were developed after partial hydrophobisation of their surfaces with nontoxic amino acids. These foams attained extended lifetime and were stable for more than 100 hours. To produce solid samples derived from them, a binder based on calcium aluminate cement was developed based on mechano-quantum simulations. This binder is comprised of an aqueous suspension of calcium aluminate particles stabilised by gluconate, a non-toxic molecule. The hydration reactions of calcium aluminates were reactivated with a weak organic acid and allowed the production of solid samples with elevated porosity (≥ 70%) and cold crushing strength reaching 30 MPa after thermal treatment. Also, the in situ formation of a phase with lower volumetric density was studied to counteract the volumetric shrinkage of solid samples after firing. Calcium carbonate was used and, after processing at 1600°C for 5 hours, calcium hexaluminate (CA6) was identified. The formation of this phase helped to reduce the linear shrinkage from values close to 19% down to 4% maintaining the total porosity above 80%. The results presented in this thesis pointed out that the combination of computational techniques on quantum level and experimental routes can favour the development of new materials and advanced technologies combining superior performance and a higher commitment to the environment. |
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This thesis presents the development of Al2O3-based refractory macroporous ceramics prepared by direct foaming with the help of mechanoquantum simulations. Liquid foams stabilised with Al2O3 particles were developed after partial hydrophobisation of their surfaces with nontoxic amino acids. These foams attained extended lifetime and were stable for more than 100 hours. To produce solid samples derived from them, a binder based on calcium aluminate cement was developed based on mechano-quantum simulations. This binder is comprised of an aqueous suspension of calcium aluminate particles stabilised by gluconate, a non-toxic molecule. The hydration reactions of calcium aluminates were reactivated with a weak organic acid and allowed the production of solid samples with elevated porosity (≥ 70%) and cold crushing strength reaching 30 MPa after thermal treatment. Also, the in situ formation of a phase with lower volumetric density was studied to counteract the volumetric shrinkage of solid samples after firing. Calcium carbonate was used and, after processing at 1600°C for 5 hours, calcium hexaluminate (CA6) was identified. The formation of this phase helped to reduce the linear shrinkage from values close to 19% down to 4% maintaining the total porosity above 80%. The results presented in this thesis pointed out that the combination of computational techniques on quantum level and experimental routes can favour the development of new materials and advanced technologies combining superior performance and a higher commitment to the environment.A inovação em materiais para conservação do calor em processos industriais operantes em elevadas temperaturas é uma importante estratégia para a Eficiência Energética. Estudos fundamentais podem apoiar o desenvolvimento de novos materiais refratários e a adoção de rotas de processamento que causem menor impacto ambiental também deve ser um compromisso social. Esta tese apresenta o desenvolvimento de cerâmicas refratárias macroporosas à base de Al2O3 por meio da técnica de espumação direta. Baseando-se em simulações mecânico-quânticas, espumas líquidas estabilizadas com partículas de Al2O3 foram desenvolvidas por meio da hidrofobização parcial de suas superfícies com aminoácidos atóxicos. Tais espumas apresentaram longo tempo de vida, sendo estáveis por mais de 100 horas. Para a produção de sólidos com resistência mecânica adequada ao manuseio, um ligante baseado em cimento de aluminato de cálcio foi desenvolvido, também com suporte de simulações mecânico-quânticas. Tal ligante consiste em uma suspensão aquosa de partículas de cimento cuja estabilidade é devida à ação do gluconato, uma molécula atóxica. As reações de hidratação dos aluminatos de cálcio foram reativadas com o uso de um ácido orgânico fraco, e permitiram a produção de corpos cerâmicos com elevada porosidade (≥ 70%), com resistência mecânica à compressão uniaxial atingindo 30 MPa. Também se investigou a formação de uma fase de menor densidade volumétrica para a redução da retração volumétrica durante a queima. Carbonato de cálcio foi utilizado e, após processamento a 1600°C por 5 horas, a fase hexaluminato de cálcio (CA6) se formou, contribuindo para a redução da retração, de 19% para 4%, mantendo a porosidade total superior a 80%. Os resultados desta tese demonstram que a associação de técnicas computacionais a nível quântico e técnicas experimentais favorecem o desenvolvimento de novos materiais e tecnologias avançadas que associem desempenho avançado e maior comprometimento com o meio-ambiente.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Capes: 88882.332705/2019-01porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessEspumas ultraestáveisCerâmicas refratárias macroporosasCimento de aluminato de cálcioEspumas estabilizadas com partículasSimulações mecânico-quânticasUltrastable foamsMacroporous refractory ceramicsCalcium aluminate cementParticle stabilised foamsMechano-quantum simulationsENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSCerâmicas refratárias macroporosas derivadas de espumas ultraestáveis estabilizadas com partículas cerâmicasRefractory macroporous ceramics derived from ultrastable particle stabilised foamsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis600600390bd4d1-c505-4015-b043-b075d197c61freponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTiago dos Santos Junior - Tese.pdfTiago dos Santos Junior - Tese.pdfTeseapplication/pdf7237398https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/13475/1/Tiago%20dos%20Santos%20Junior%20-%20Tese.pdf29721fd0799cc8b81808c24a62eec4f7MD51BCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfCarta comprovante arquivamentoapplication/pdf306412https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/13475/2/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf5cf1e2a357e8d62376da4c6693ac20c1MD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/13475/3/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53TEXTTiago dos Santos Junior - Tese.pdf.txtTiago dos Santos Junior - Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain502478https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/13475/4/Tiago%20dos%20Santos%20Junior%20-%20Tese.pdf.txt80726279b7e2900f61494e4d52f9f3afMD54BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtExtracted texttext/plain1481https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/13475/6/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.txt5b2ea31020e32a05e26fa37bbc6c18e3MD56THUMBNAILTiago dos Santos Junior - Tese.pdf.jpgTiago dos Santos Junior - Tese.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6332https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/13475/5/Tiago%20dos%20Santos%20Junior%20-%20Tese.pdf.jpgaa1dc6ae8c70207f805ce5464dc5b70aMD55BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg10017https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/13475/7/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.jpg2b7f35e9da667b2c21bfa95e1b6c6f31MD57ufscar/134752023-09-18 18:32:04.035oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/13475Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:04Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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