Avaliação de aditivos poliméricos e cerâmicos para a otimização microestrutural de refratários semi-isolantes

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Farias, Thiago Wisley Barbosa de
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18346
Resumo: Macroporous insulating refractories have been extensively investigated due to their low thermal conductivity, low density, and non-toxicity compared to fibrous ceramic insulators. However, there are still challenges in adjusting the processing parameters of these materials to obtain microstructures with optimized characteristics. In this context, the present project aimed to evaluate the feasibility of using expanded polymeric microspheres or hollow ceramic microspheres in semi-insulating refractory compositions, with the goal of identifying the most suitable conditions for achieving materials with apparent density of up to 1.7 g/cm3 and thermal conductivity lower than 1 W/m·K in the temperature range between 30 and 800°C. Additionally, to optimize the mechanical strength of the prepared semi-insulating materials, compositions containing calcium aluminate cements or geopolymers as binders were prepared and compared. Formulations based on fused silica were processed and characterized for their rheological, physical, mechanical, and thermal properties. The results indicated that the selected microspheres acted effectively as pore-forming agents, with the polymeric additives promoting the formation of closed pores in the resulting microstructure. In particular, the ceramic containing 0.6 wt.% of polymeric microspheres and a calcium aluminate cement richer in alumina (Secar 71) exhibited the best performance among the studied systems. This castable achieved a flexural strength of 9.21 MPa (after drying at 110°C) and 4.29 MPa (after firing at 815°C), an apparent density of 1.62 g/cm3, and a thermal conductivity of 0.668 W/m·K at 800°C. The semi-insulating materials prepared with geopolymers also demonstrated promising properties, as even in the absence of pore-forming agents, it was obtained refractories with superior flexural strength (surpassing the compositions with cement), an apparent density of 1.68 g/cm3, and a thermal conductivity of 0.735 W/m·K at 800°C.
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However, there are still challenges in adjusting the processing parameters of these materials to obtain microstructures with optimized characteristics. In this context, the present project aimed to evaluate the feasibility of using expanded polymeric microspheres or hollow ceramic microspheres in semi-insulating refractory compositions, with the goal of identifying the most suitable conditions for achieving materials with apparent density of up to 1.7 g/cm3 and thermal conductivity lower than 1 W/m·K in the temperature range between 30 and 800°C. Additionally, to optimize the mechanical strength of the prepared semi-insulating materials, compositions containing calcium aluminate cements or geopolymers as binders were prepared and compared. Formulations based on fused silica were processed and characterized for their rheological, physical, mechanical, and thermal properties. The results indicated that the selected microspheres acted effectively as pore-forming agents, with the polymeric additives promoting the formation of closed pores in the resulting microstructure. In particular, the ceramic containing 0.6 wt.% of polymeric microspheres and a calcium aluminate cement richer in alumina (Secar 71) exhibited the best performance among the studied systems. This castable achieved a flexural strength of 9.21 MPa (after drying at 110°C) and 4.29 MPa (after firing at 815°C), an apparent density of 1.62 g/cm3, and a thermal conductivity of 0.668 W/m·K at 800°C. The semi-insulating materials prepared with geopolymers also demonstrated promising properties, as even in the absence of pore-forming agents, it was obtained refractories with superior flexural strength (surpassing the compositions with cement), an apparent density of 1.68 g/cm3, and a thermal conductivity of 0.735 W/m·K at 800°C.Refratários isolantes macroporosos têm sido amplamente investigados devido à sua reduzida condutividade térmica, baixa densidade e não toxicidade quando comparado aos isolantes cerâmicos fibrosos. Entretanto, ainda existem desafios quanto ao ajuste dos parâmetros do processamento destes materiais para se obter microestruturas com características otimizadas. Neste sentido, o presente projeto teve como objetivo avaliar a viabilidade do uso de microesferas poliméricas expandidas ou microesferas ocas cerâmicas em composições refratárias do tipo semi-isolante, visando identificar as condições mais adequadas para se obter materiais com densidade aparente de até 1,7 g/cm3 e condutividade térmica menor do que 1 W/m.K na faixa de temperatura entre 30 e 800C. Além disso, a fim de se otimizar a resistência mecânica dos semi-isolantes preparados, efetuou-se a preparação e comparação de composições contendo cimentos de aluminato de cálcio ou geopolímeros como ligantes. Formulações a base de sílica fundida foram processadas e caracterizadas quanto às suas propriedades reológicas, físicas, mecânicas e térmicas. Os resultados indicaram que as microesferas selecionadas atuaram adequadamente como agentes porogênicos, sendo que os aditivos poliméricos favoreceram a formação de poros fechados na microestrutura resultante. Em especial, a cerâmica que continha 0,6%-p de microesferas poliméricas e um cimento de aluminato de cálcio mais rico em alumina (Secar 71) apresentou o melhor desempenho dentre os sistemas estudados. Tal concreto obteve módulo de ruptura à flexão de 9,21 MPa (após secagem a 110C) e 4,29 MPa (após queima a 815°C), densidade aparente de 1,62 g/cm3 e condutividade térmica de 0,668 W/m.K a 800°C. Os semi-isolantes preparados com geopolímeros também demonstraram propriedades promissoras, pois, mesmo na ausência dos agentes porogênicos, foi possível obter refratários com superior módulo de ruptura à flexão (superando as composições com cimento), densidade aparente de 1,68 g/cm3 e condutividade térmica de 0,735 W/m.K a 800°C.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.648024/2021-00porUniversidade 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/openAccessRefratáriosSemi-isolanteMacroporososIsolantes térmicosMicroesferasSílicaRefractoriesSemi-insulatingMacroporousThermal insulatingMicrospheresSilicaENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSAvaliação de aditivos poliméricos e cerâmicos para a otimização microestrutural de refratários semi-isolantesEvaluation of polymeric and ceramic additives for the microstructural optimization of semi-insulating refractoriesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600600d4d6a50b-075e-42d6-9d88-8906d7fd551ereponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALThiago Wisley Barbosa de Farias - Dissertação.pdfThiago Wisley Barbosa de Farias - Dissertação.pdfArquivo Finalapplication/pdf3181895https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18346/1/Thiago%20Wisley%20Barbosa%20de%20Farias%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf18bf6128fef657db222fc3e0ce6ff358MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18346/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXTThiago Wisley Barbosa de Farias - Dissertação.pdf.txtThiago Wisley Barbosa de Farias - Dissertação.pdf.txtExtracted texttext/plain192742https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18346/3/Thiago%20Wisley%20Barbosa%20de%20Farias%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf.txt0927a29f6e64dac7169bb48ba78144eaMD53ufscar/183462024-05-14 18:28:07.891oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/18346Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T18:28:07Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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