BR112021012028A2

BR112021012028A2 - Processo para o preparo de titanatos alcalinos não fibrosos com superfície e porosidades altamente específicos

Info

Publication number: BR112021012028A2
Application number: BR112021012028-9A
Authority: BR
Inventors: Mario Gerardo Terruzzi
Original assignee: Mario Gerardo Terruzzi
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-09-21
Also published as: CA3123998A1; EP3898519A1; MX2021007380A; US20220081316A1; IT201800020470A1; JP2022514333A; KR20210107751A; WO2020128882A1; CN113365949A

Abstract

processo para o preparo de titanatos alcalinos não fibrosos com superfície e porosidades altamente específicos. a presente invenção refere-se a um processo para o preparo de titanatos alcalinos não fibrosos compreendendo as etapas de: derreter titanato alcalino em um forno a uma temperatura variando de 1300ºc a 1500ºc para formar um produto derretido; resfriar o referido produto derretido colocando-o em contato com um material com uma temperatura igual ou menor que 15ºc.

Description

PROCESSO PARA O PREPARO DE TITANATOS ALCALINOS NÃO FIBROSOS COM SUPERFÍCIE ESPECÍFICA E POROSIDADE ELEVADAS” CAMPO DA INVENÇÃO

[001]. A presente invenção se refere a um processo para o preparo de titanatos alcalinos não fibrosos com superfície específica e porosidade elevadas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002]. Os titanatos alcalinos podem ser utilizados em pastilhas de freio, lonas de freio, revestimentos do disco de embreagem para automóveis, caminhões, vagões ferroviários, aeronaves e várias máquinas industriais e para eletrodos de eletrodos de solda.

[003]. O dano e os riscos à saúde causados pelo amianto são bem conhecidos para todos.

[004]. A partir dos anos 90, o amianto foi banido nos Estados Unidos e na Europa.

[005]. Desde então, vários outros materiais têm sido testados e utilizados, incluindo o potássio e o titanato de sódio.

[006]. Entre outras coisas, o potássio e o titanato de sódio têm mostrado uma melhora considerável na estabilidade do coeficiente de atrito com redução ou anulação da deterioração da resina fenólica que provoca o deslizamento dos discos sem frear, no jargão chamado de "Fadiga", um fenômeno perigoso, por exemplo, no uso das pastilhas de freio.

[007]. Os materiais de atrito são utilizados para controlar a desaceleração de muitos veículos de vários tipos, como equipamento industrial, automóveis, aeronaves, bicicletas e motocicletas.

[008]. Em particular, no campo dos materiais de atrito, alguns compostos à base de titânio têm sido estudados e utilizados como, por exemplo, hexatitanato de potássio, hexatitanato de sódio e octatitanato de potássio.

[009]. O potássio e o sódio são caracterizados por fibras alongadas e demonstraram um comportamento adequado para uso no setor mencionado acima.

[0010]. No entanto, as fibras deste tipo também foram consideradas recentemente perigos potenciais à saúde, e a UE e os EUA estabeleceram limites de tamanho máximos para fibras que podem ser utilizadas.

[0011]. Por exemplo, o Regulamento da UE (CE) n o 761/2009 da

Comissão de 23 de julho de 2009 define cristais com uma relação de diâmetro/comprimento igual ou maior do que 1:3 como fibras, e exige que todos os materiais com um teor das referidas fibras maior do que 0,1% para serem definidos como “fibrosos” e classificados de acordo com o nível de risco Car 2 (possível carcinógeno).

[0012]. Desta forma, cristais com uma relação inferior a 1:3 não são considerados fibras e podem, portanto, ser utilizados sem determinadas precauções.

[0013]. Os produtos obtidos de acordo com o estado da técnica, no entanto, compreendem o titanato na forma de fibras que, mesmo que misturadas com resinas ou utilizadas em diferentes usos conforme descrito, representam um problema potencial e não são considerados adequados porque são potencialmente perigosos e, portanto, sujeitos a regulamentos particulares.

DESCRIÇÃO DA PRESENTE INVENÇÃO

[0014]. O objetivo da presente invenção é apresentar um processo para o preparo de titanato alcalinos que resulta em um material de pó não fibroso.

[0015]. Um objetivo adicional é apresentar um processo que resulta em cristais com uma relação de diâmetro/comprimento inferior a 1:3.

[0016]. Um objetivo adicional é apresentar um processo que resulta em cristais com superfície específica e porosidade elevadas.

[0017]. De acordo com a presente invenção, os referidos objetivos e outros ainda são alcançados por um processo para o preparo de titanatos alcalino s não fibrosos compreendendo as etapas de: derreter titanato alcalino em um forno a uma temperatura variando de 1300ºC a 1500ºC para formar um produto derretido; resfriar o referido produto derretido colocando-o em contato com um material com uma temperatura igual ou menor que 15ºC.

[0018]. Os referidos objetivos são adicionalmente alcançados por um pó de titanato alcalino com fórmula A 2TixO2x+1 onde A é um metal alcalino incluído no grupo que compreende Na, K, Li, Rb, e x representa qualquer número compreendido entre 2 e 6; onde o referido pó compreende partículas com uma relação de diâmetro/comprimento menor do que 1:3 e uma superfície específica maior do que 10 m2/g.

[0019]. Características adicionais da invenção são descritas nas reivindicações dependentes.

[0020]. Esta solução oferece várias vantagens com relação às soluções do estado da técnica.

[0021]. O processo apresenta titanatos alcalinos, em particular titanato de potássio e titanato de sódio, que apresentam cristais com um formato substancialmente arredondado, livre de estruturas de forma fibrosa conforme definido anteriormente e, além disso, extremamente esponjosas com uma superfície específica muito elevada e alta porosidade. Estas características deram a eles uma reatividade mais marcante frente à resina fenólica, se utilizados em sistemas de frenagem.

[0022]. O produto obtido pode ser utilizado como um componente de materiais com alto coeficiente de atrito, em materiais plásticos, em tintas, em materiais resistentes ao calor e em lubrificantes.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0023]. As características e vantagens da presente invenção se tornarão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir de uma configuração prática dela, ilustrada por meio de exemplo não limitante nos desenhos anexos, nos quais:

[0024]. a figura 1 mostra uma cristalografia de raio-X (XRD) do produto obtido, de acordo com a presente invenção mostrando, a partir da posição 2 teta dos picos, que ele pertence à estrutura monoclínica, portanto, idêntica àquela do titanato fibroso;

[0025]. a figura 2 mostra uma cristalografia de raio-X (XRD) de um produto comercial de hexatitanato de potássio na forma fibrosa;

[0026]. as figuras 3-7 mostram fotografias de microscopia eletrônica do produto obtido, em diferentes ampliações, de acordo com a presente invenção, demonstrando que o mesmo não está na forma fibrosa, destacando sua morfologia esponjosa e superfície específica elevada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0027]. Os titanatos alcalinos são representados pela fórmula genérica A2TiXO2X+1 onde A é um metal alcalino como Na, K, Li, Rb, e x representa qualquer número entre 2 e 6.

[0028]. O processo para o preparo de titanatos alcalinos, em particular os titanatos de potássio e de sódio, envolve o uso de TiO 2 como Rútilo ou Anátase, ou também, Rútilo natural com uma concentração mínima de 90% em TiO 2 na forma de farinha ou de areia, ou, também, o mineral Leucoxênio sozinho ou em uma mistura com ele.

[0029]. Carbonato de potássio ou de sódio e/ou hidróxido de potássio ou hidróxido de sódio podem ser utilizados como reagentes de partida ou, também, outros derivados orgânicos de metais alcalinos, embora, isto represente um aumento nos custos.

[0030]. Se utilizar o mineral Rútilo ou Leucoxênio como matérias-primas ou suas misturas, traços de diferentes óxidos podem estar presentes como impurezas.

[0031]. Por exemplo, Ca, Mg, Si, Zr, Al, V, Mn, P e óxidos de S e também traços de diferentes óxidos podem estar presentes.

[0032]. Embora as impurezas possam alcançar quantidades consideráveis, elas não são levadas em consideração; elas estão ausentes se matérias-primas puras forem utilizadas e não influenciam, de maneira alguma, a eficácia do produto.

[0033]. Os materiais são misturados em um misturador de qualquer tipo e são, então, colocados em um forno de qualquer tipo, elétrico ou de indução ou de chama aberta, caso em que combustíveis, diesel, gás metano ou GPL (gás propano líquido) podem ser utilizados.

[0034]. O material pode ser cozido em lotes ou continuamente. As temperaturas operacionais do forno variam de 700ºC a 1000ºC, e a duração varia de 2 a 8 horas ou, de outra forma, com base na quantidade de material no processo e na facilidade com a qual o forno alcança a temperatura desejada.

[0035]. O material produzido desta forma, na forma de pó depois de ser resfriado é, então, adequadamente moído, por exemplo, em um moinho de esferas, onde o tipo de esfera e o revestimento são escolhidos com base nas exigências granulométricas do produto acabado.

[0036]. Os titanatos alcalinos produzidos desta maneira são fibrosos.

[0037]. Os referidos titanatos são utilizados como matéria-prima para o tratamento final subsequente que os tornará não fibrosos.

[0038]. O mesmo resultado pode ser obtido começando com matérias- primas em um processo direto, sem passar pelo estágio descrito acima.

[0039]. O mesmo resultado pode ser obtido começando com matérias-

primas em um processo direto.

[0040]. Os titanatos alcalinos ou as respectivas matérias-primas são derretidos em um cadinho ou em fornos de derretimento por meio de processos por lote, isto é, processos descontínuos, ou em fornos específicos que permitem a produção contínua dos mesmos tipos descritos acima.

[0041]. Se começar com as respectivas matérias-primas, a fusão deve ser mantida até que todo o dióxido de titânio seja derretido pelo sal alcalino que derreter primeiro. Se titanatos “pré-produzidos” forem utilizados como matéria- prima, é suficiente que eles alcancem a fusão que é obtida entre 1300 e 1500ºC.

[0042]. O produto derretido é despejado de forma extremamente rápida ou deixado gotejando em bacias de água, na temperatura do poço (12-15ºC), preferivelmente sob agitação para promover troca térmica, ou despejado em superfícies preferivelmente abaixo de 15ºC ou comprimido entre cilindros preferivelmente resfriados abaixo de 15ºC que simultaneamente resfriam e comprimem o material, fazendo que ele volte ao estado sólido rapidamente, ou gotejado em um banho de nitrogênio líquido.

[0043]. Em qualquer caso, o referido produto derretido é colocado em contato com um material (sólido ou líquido) a uma temperatura igual ou menor do que 15ºC.

[0044]. O resfriamento rápido e a repentina passagem do estado líquido para o estado sólido são um estágio fundamental da invenção. Quanto mais rápido o resfriamento, melhor é o produto obtido.

[0045]. A passagem da temperatura de reação (1400°C) para a temperatura ambiente ou menor (caso nitrogênio líquido seja utilizado) ocorre em frações de segundos.

[0046]. De acordo com o método de resfriamento utilizado, o produto é secado no caso de resfriamento em um líquido, então, moído com qualquer tipo de moinho considerado adequado para a granulometria exigida pelo mercado em que será utilizado.

[0047]. Titanatos alcalinos produzidos desta maneira resultam em

99.9% de cristais não fibrosos.

[0048]. Os materiais de partida utilizados para a produção de titanato de potássio são o pó mineral de Rútilo em uma quantidade compreendida entre 60%

e 90% do peso total, e reagente (por exemplo, carbonato de potássio) em uma quantidade compreendida entre 40% e 10% do peso total.

[0049]. Em uma configuração exemplar, os materiais de partida são carregados no misturador, em uma quantidade de 100 kg de K 2CO3 e 350 kg de rútilo para cada lote, misturados até que estejam totalmente homogeneizados e, então, o material é carregado em um tanque com uma válvula na parte inferior para carregamento no forno.

[0050]. A quantidade total de material carregado no forno para cada lote é de 450 kg e a quantidade teórica do produto final é de 415 kg por lote, porque o material normalmente dispersado nas fumaças é de aproximadamente 15-20 kg para cada lote. O forno funciona com GPL.

[0051]. Cada lote é feito para reagir por três horas a uma temperatura de 1000°C. No final da reação, o lote é esvaziado em uma superfície de aço plana com uma temperatura preferivelmente abaixo de 15ºC, e colocada em temperatura ambiente e dispersa na mesma superfície.

[0052]. Neste ponto, o material tem uma aparência de aglomerados granulares com dimensões variando de poucos milímetros a diversos centímetros, e é fibroso.

[0053]. Neste ponto, ele pode ser colocado ainda quente, ou escaldante, ou frio em um forno de derretimento e levado à fusão, depois do que o forno é aberto e o material no estado derretido é despejado em um tanque cheio de água a uma temperatura menor ou igual a 15ºC, de forma que o choque térmico impeça o desenvolvimento de cristais.

[0054]. Caso seja utilizada água para resfriar, ele é, então, separado da água e seco, mas também pode ser moído molhado.

[0055]. Alternativamente, ele pode ser seco em uma secadora e, então, moído seco.

[0056]. Ele pode ser utilizado no estado em que se encontra, moído em um moinho de martelo, por exemplo, do tipo “Danioni”, com um motor elétrico de 50 Kw, com um rendimento de 100 kg/h.

[0057]. Opcionalmente, o material moído pode ser peneirado utilizando- se uma peneira com malha de 1 mm.

[0058]. No final da moagem, o material é coletado e embalado de acordo com o uso e destino, por exemplo, em sacos. A análise percentual do material produzido é apresentada na Tabela 1.

[0059]. Uma difratometria de raio-X do produto obtido é mostrada na figura 1 onde no eixo X temos a posição medida em 2 teta e no eixo Y temos a intensidade medida em CPS (contagens por segundo).

[0060]. Uma difratometria de raio-X de um produto comercial de hexatitanato de potássio na forma fibrosa é mostrada na figura 2.

[0061]. Uma diferença muito marcante na intensidade relativa dos picos mostra claramente que os planos nos quais os cristais se encontram são extremamente diferentes daqueles de materiais fibrosos, confirmando que a estrutura não fibrosa do material produzido é uma característica intrínseca do cristal.

[0062]. As figuras 2-7 mostram fotografias do microscópio eletrônico FESEM em diferentes ampliações (2000-17000) do produto obtido a partir do qual a ausência de fibras pode ser observada, destacando a morfologia esponjosa com superfície específica muito elevada e porosidade muito alta.

[0063]. O produto obtido (pó) apresenta uma superfície específica maior do que 10 m2/g, onde a superfície específica (às vezes também definida como área superficial específica) é a área superficial dos grânulos de um determinado material, por unidade de massa, geralmente expressa em metros quadrados/grama (m 2/g).

[0064]. O produto obtido apresenta uma cor preta devido ao estado não estequiométrico de oxidação do titânio. Tabela 1 Elemento % K2O 15,569 TiO2 79,232 ZrO2 + HfO2 1,686 SiO2 1,601 Fe2O3 0,843 CaO 0,101 MgO 0,025 Al2O3 0,480

Tabela 1 Elemento % V 2O5 0,430 MnO 0,008 P 0,017 S 0,008

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. PROCESSO PARA O PREPARO DE TITANATOS ALCALINOS NÃO FIBROSOS caracterizado pelo fato de que compreendeo as etapas de: derreter titanato alcalino em um forno a uma temperatura variando de 1300ºC a 1500ºC para formar um produto derretido; resfriar o referido produto derretido colocando-o em contato com um material com uma temperatura igual ou menor que 15ºC.

2. PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido titanato alcalino obtido dessa forma apresente uma estrutura não fibrosa e seja obtido misturando-se fontes de dióxido de titânio com um material reagente, ou seja obtido a partir de titanatos fibrosos.

3. PROCESSO de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o referido material reagente seja incluído no grupo que compreende carbonato de potássio, carbonato de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de sódio ou outros derivados orgânicos de metais alcalinos.

4. PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de resfriar o referido produto derretido compreenda a etapa de resfriamento por meio de água, ou por meio de superfícies abaixo de 15ºC ou por meio de cilindros resfriados a menos de 15ºC ou por meio de nitrogênio líquido.

5. PROCESSO de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a referida fonte de dióxido de titânio compreenda rutilo sintético e/ou rutilo natural e/ou Anátase e/ou Leucoxênio.

6. PROCESSO de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o referido dióxido de titânio seja utilizado em quantidades variando de 60% a 90% do peso total, e o referido reagente seja utilizado em uma quantidade variando de 40% a 10% do peso total.

7. PÓ DE TITANATOS ALCALINOS caracterizado pelo fato de que possui fórmula A 2TixO2x+1 onde A seja um metal alcalino incluído no grupo que compreende Na, K, Li, Rb, e x represente qualquer número entre 2 e 6; onde o referido pó compreenda partículas com uma relação de diâmetro/comprimento menor do que 1:3 e uma superfície específica maior do que 10 m 2/g.

8. PÓ de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que um dos referidos titanatos alcalinos tenha a fórmula K 2Ti6O13 ou Na2Ti6O13.

9. PÓ de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que é preto.