PT107613A - Processo de extrusão de emulsões cerâmicas - Google Patents

Abstract

A METODOLOGIA PROPOSTA PARA PROCESSAR MATERIAIS CERÂMICOS CELULARES POROSOS CONSISTE NA EXTRUSÃO DE EMULSÕES CERÂMICAS PREPARADAS POR EMULSIFICAÇÃO DE UMA SUSPENSÃO CERÂMICA EM LÍQUIDOS ORGÂNICOS, USANDO AGENTES SURFATANTES E GELIFICANTES PARA GARANTIR A ESTABILIDADE DA EMULSÃO. A SOLIDIFICAÇÃO DA PARAFINA IMPOSSIBILITA A COALESCÊNCIA DAS GOTAS DE FASE DISPERSA, PERMITINDO CONTROLAR AS CARACTERÍSTICAS MICROESTRUTURAIS DA MATRIZ DURANTE A EXTRUSÃO E A SECAGEM. ESTUDOU-SE O PROCESSO DE EXTRUSÃO DE CERÂMICOS CELULARES COM DIFERENTES MATÉRIAS-PRIMAS. APÓS PIRÓLISE DA FASE ORGÂNICA DISPERSA E POSTERIOR SINTERIZAÇÃO AS AMOSTRAS CERÂMICAS RESULTANTES POSSUEM AS SEGUINTES CARACTERÍSTICAS: I) POROSIDADES 40-85 %; II) TAMANHO MÉDIO DE CAVIDADE ENTRE 1 E 100 UM; III) PERMEABILIDADE A LÍQUIDOS NA GAMA 10-5-10-7 M S-1 E A GASES ENTRE 5X10-10 A 10-14 M2; IV) RESISTÊNCIA MECÂNICA À COMPRESSÃO ATÉ 70 MPA E À FLEXÃO ATÉ 40 MPA.

Description

DESCRIÇÃO "Processo de extrusão de emulsões cerâmicas" A exerusâo ê lia operaçi© unitária amglamenta utilizada na i ndúst. r í a cerâm·! ca, met.a 3 urqí ca , de polímeros, alimentar, farmacêutica;, etc·., que permite a produção .em larga escala do formas regulares o de secção constante como tubos (maciços ou ocos), tijolos, etc.. No entanto, o sucesso da operação de extrusão é dependente da plasticidade do material a exi: rud.i r, que determina a deformação sem rutura, sob tensão, mantendo essa deformação após a dimi nuiçio/remoçao da cauiga aplicada -

Nd cas:d: particular da extrúsãO: de materiais cerâmicos, a. pl a si f i cidade e s tá aspoeiada a. â g na .loca 1 i z pd a no g.. e gp:aç og: intersticiais entre as part.icuias do: material, que atua como um filme lubçifi cante,· permitindo o deslizamento das .................: parti. cu 1 as., .uma s.. noibre. a:s... o u. tf as £ a rendo... com... que·, o a j ,u st e do..................... teor do água do imaterial seja fundamental para o sucesso do processo de extrusão. Cent udo, se o teor de água for demasia do elevado,......a p a:.st a pode t or n ar “ se.... oxees $ 1 varoent® fluida, pão permitindo que esta. conserve a sua forma. Por outro lado, se i a quantidade de água for muito baixa, o de s 1.1 r ament: o da s: par ti eu las é: did icul tédio.: Tipi carne n te., fies. casos em que: as composições cerâmicas não têm natureza argilosa, o teoir de água ê insuficiente para que a pasta adquira a pias t icidade: dese j ada:, sondo por i s se neces sa r i o recorrer a aditivos (pia st if i cantes c lubrificantes) como: derivados de celulose:, hídroearbonetos, pç lie ti leno gj i o cl, meti icelulose ou bidroxlpropi 1 “met II çeiu lo se. iPara além dos parâmetros associados à pasta, â qual idade dos produtos obtidos por extrusão também depende: de ..................pai filme ti r o.v> í nêf ên t e S á.a ê qu ipámênf b, (ti poi de ext ru s or a,....................... carâcteristiçâs! da fielra, ©tea) e condi oóos de operàçád (aplicação de vácuo, etc.). A influência ;:ia plasticidade no processo de extrusão faz cora que a deferral nação desta propriedade; seja de elevada íraportâneia. For este motivo, e atendendo à variedade, de métodos (di retos e .indiretos) para determinar a plasticidade, a obtenção de curvas tensão-deformação é o método ma is utilizado, per inibindo saber para cada pasta o o® ura determinado teor de água qual a tensão necessária para que a pasta sofra defópraação plástica e qual a amplitude da zona plástica, : Sb seja qual a deformação máxima, sem que ocorra formação de fissuras/racfeas ou outros defeitos macroscópicos η o ext.ru d ido . O processarnento de cerârai cos porosos é um campo onde u d: timamente tem i en i. s ti do des envolvimentos in te r es sa nfc €: S:, cem destaque para ; o desenvolvimento de metodologias de preparação: de cerâmicos celulares cora elevada porosidade como : 1.} inf i.itração de inatr 1 zes ceiuiares polimèricas que são p o s t e r i or mente pirolisadas: durante uma fase preliminar da cosedurá do cerâmico; ii) conformação utilizando: um agente gel if λ ca n te como precursor de sacrifício; i i ij r evo st iraont o de formas pré-estabelecidas (orgânicas ou poliméricas) com uma suspensão: eeramiea para produ z i r corpos ocos /poros os; i v} erau 1.s if ica cão de: suspen soe $ e e r âm I cas com: ura liquido orgânico voiáv.i 1, seguido de evaporação lenta ou, tal como apresentado petos autores: numa pufelicação recent:e Hl, á emu 1 si f: ica cão de susp en soes cerâru cas num: orgânico com.................... mudança de fa.se (sólido-liquido) por arrefecimento após a emulsifi cação que é poste ri carmen le removi Co durante a .....................ç o n SO X1 dação do CO rpo , A grande .maioria: desce S estudos ,.................... base í a-se na ava_iação dos parâmetros de preparação nas ca raster i sti cas finais do material como a:: resi stôncia meça nica, t aman h o de p of· d, poros ida de, permeabi) idade a gases e/ou líquidos, etc.. A erauis.i ficação é uma estratégia: de processamento atrativa uma v e r que supera desvantagens dos restantes métodos c.i t.ados, tais como a talta de uni rormidado na: impregnação das espumas poi.imé::icas corn a sx;spensào cerâmica e a formação ide fissuras durante a queima da matrir polimética, Contudo., também apresenta dificuldades de processamento, sobretudo no controlo das características microestruturais como a distribuição do tamanho do cavidades, porosidade e percolação entre cavidades, devido â irssiabi 1 idade dos sistemas emulei! içados durante a volátilizâÇcio da fase orgânica , Por este motivo, a ut i 1 i ração de uma fase orgãníea com ponto de fusão superior â temperar ura ambiente permite a solidificação da fase orgânica após i a emulsiíioaçào, garantindo assim a és bafei· 1 idade mioroestruturai durante a secagem,

Po ponto de vista tecnológico,: este tipo de materiais sã o t i p í ca men te:: a s s o Ci lados, as segui n t e s a pi i ca ç de s : f i 11 r os, supor tes cie catálise, iso ί antes rei ra tâ ri os, b i oce r âm i c os, elétrodos, sensores, etc. . Neste sentido, as estratégias de: processamento com potencial pera serera utlliçadâs para process a. r ma ter lai s c e.râni coe porosos para as apii caçoe s enunciadas são o tape casting, slip darting, gelcasi Jnç, Spin cos t: i ng, ser i g ra £ i a e ext r usao . deste cent ext o, foi uti i irado um método de extrusào de emulsões cerâmicas preparadas: por enrols if 1 cação de uma suspensão cerâmica num orgânico com temperatura do fusão superior â temper a t u r a amb 1 en te:, E:s ta: rae t odol o gl a e omb x na a estabilidade mi croe-st rutura:], garantida pela metodologia de preparação da emulsão utilitada, com a adequação da éxtrusão para ρ roces s ar em larga es cal a mato ri ai s com see çâo de c orbe constante.

Dominio técnico da invenção 0 presente;invento ê do domínio das Ciências exatas e da engenharlã, e did respeito ao processamento por extrusào de emulsões cerâmicas,· que após tx'atamento térmico or iginam materiais cerâmicos porosos cost; caracteri sticas microestruturaís a justáveis por manipuiaçao das coraiiçdes de sintericação e de preparação da emulsão.

Sumário da invenção 0 estudo ;e desenvolvimento: de rna to ri a is porosos, neméadâmente céfâm idos, tem aplí caçdés mui.to espoei ficas, com requ :.s i tos muito propriòs,- e çqjo processamento é. Critico devido a utillzâção de precursores que se decompõem· durante o tratamento térmico do cerâmico, conferindo assim: porosidade: ao produto final. tara além disso, o seu processamento é condicionado pelas pré-formas utilizadas para a preparação do material o a conformação do material antes da sinterIração pode ser dramática para a estabilidade m i croes trut ura 1;do mat e r i a 1

Beste enquadrumeπ to, o objetivo da presente invenção é tirar: partido ; da ext fusão de suspsmsôe s cera mi cas emiti sit içadas para processar materiais cerâmicos de elevada porosidade, com base rios requisitos Impostos por aplicações o sped fida s como a f i 11 ração, s upo rtes catai it i cos, isolamento térmico, biomatoriais, etd.. A pxes ente; in vença o o u t II pois pops i b i li ta 0 processamento em larga escala de matcriais cerâmicos com caracter!sticasimicroestruturais estáveis, conseguidas pela ...................U: t 11 i ração........de..... uma.........f a:se........dispef s. a.........que........solidlfloa........por:..................... arrefecimento apôs a preparação da emulsão.

Antecedentes da Invenção

Na literatura relevante ears tem varie a trabalhe a onde são propostas várias roetodoiogian hão só de prepara cá o de materiais oetãmiees ealuigres por emrilsíl reação de suspensões cerâmicas ent meios cr gani cos, mas também de processamos 1..0 de cerâmicos poroses conformados por extrusâO. Contudo,: existem, diferenças claras entre as metodologias apresentadas na: literatura relevante e a invenção proposta, porque a extrusão é um mêtodõ raramente utilizado no processamento de ce ramlcos com porosidade elevada e ciiustável é porque nâo foi ainda proposta a sua cornbinactuo cem a etapa anterior de emnlslfioaç:ãO: para a, obtenção do porosidade elevada e de tipo celular, tal comic se pode v e r i i ear na.... Tabela 1.,

Descrição geral da invenção A presente invenção diz respeito à implementação de urna estratégia de pro se seara e.ntó per extrusão de materiais cerâmicos porosos preparados por emulsifreação de uma suspensão cerâmica num material orgânico fundido, asando surfatanfces e gelifleantes para garantir a estabilidade da emulsão. Após solidificação, a fase orgânica impossibilita a coalescência das gotas de fase dispersa, garantindo: desta forma o controle das caracicr isf ,;.cas mi croestruturaíf. da ma tris não só durante a secagem, mas também, fia entrasão da .................erauisâpi............................. 0 produto final é um: material cerâmico com elevada porosidade e consequente permeabilidade a gases e líquidos,, mas com. resistências mecânicas á flexão e à: compressão suficientemente elevadas para permitir a sua uti1 inação ern aplicações de Γ i11 ração, catálise e isolamento térmico.

Descrição detalhada da invenção A preparagão dos cerâmicos celulares baseia-se na emulsifícação do uma suspensão cerâmica* usando: uma fase orgânica, cem temperatura de fusão superior à temperatura ambiente e inferior a 1QG °C, segundo o esquema da f.i qura 1. A suspensão cerâmica estabilizada com teor de sólidos: controlado {Tabela 1} ê adicionada a fase orgânica previamente fundida,- em proporções ajustadas em função da poros idade- f í na X pretendida, Sendo usadO: .s.:Ur:f afant e e i eu outros: aditivos que favorecem. a onurisxíi cação e a estabilização d:a i ase i.no r qâní ca . As quant idades de st es .................gd i t i vos são: a j ustada a em f u;n.çã.o: das car act exist Leas....................... microestrutu:ra:is·: pretendidas, na gama: apresentada na Tabela 2 . A emuIsí f ieaçao é promovi da por agitação mecânica com tempos/veloeidade de agitação ajustáveis:,: e/ou agitação· por ultra son;.?, a uma temperatura superior â temperatura de fusão da parafina, para evitar a solldifídação da fase orgânica.

Gs teores dè ;sutfatante e estão 11leader determinam a distribuição de gotas no s.i s tema omuls if içado e, deste modo, tornam possível ajustar a distribuição de tamanhos1 de cá lulas, a espessura de parede e a coneotividade ent re 'cédulas.. Apôs emulsifícação, o sistema ê arrefecido ate à temperatura ambiente para promover gei íi icação da suspensão e a sQJddffí cação da fase oogãhiça, segui do de urna etapa de secagem a uma temperutura Inferior à temperatura de fusão da fase orgânica, para evitar a coalescência. das gotas do luso dispersa, sender que a etapa de secagem termina guando for ...................a tingida.. a. hnmà dada:... p r et end ida.. p a ra... a... extrasão.. da:... era u 1 s ã o,...................... uma vez quo é um parâmetro que afeta de forma inequívoca a trabalhabilidade da emulsão gue se pretende extrudl.r. Λ ...................F.i gu ca 2 oossu i cu rvas tensão:-def b rma çào de uma emu.X são.................... preparada a partir de uma suspensão de uma argila comum com ai terost.es teores de humidade, onde se verifica quê á semeihauça dâ e.dtr:usão de Cdfãmídos tradici.onaio, a humidade ihfluênoia: a tensão necessária para promover © escoamento do material ã ebtrudir, sendo os teores átimos de humidade para ...................ao ar g i la s es tudadas cio /0-72 %,.......................................................................................................................

For ultimo, o tratamento térmico· envolve ura 1“ estágio de vaporização lenta da parafina., a temperaturas inferiores à temp et: at. ura de ebu 1 içào da fase organ i ca.. :Õ cl dio' f i na: 1 de cozedura dos cerâmicos celulares ê ajustado ora funoio da composição do material cerâmico, e das caractéristicas f: i na i s: p re t end i das,p cl si '"ta 1" cdmd: n da' 1«t e r x.& i a" ccrami cos em geral, e de a c. or do corn a Figura 3, a temperatura e o t. empo de ccredura têm unia influência relevante na resistência, ..................po r dsldáde'' e ro tf ação" do s d d r p os'''' ce r arai cos................................................................................. 0 present©:invento permite obter (por extrusãoi corpos cerâmicos porosos, com diferentes caracteristi cas mi orces t ruturai s e d i str i bu içâo de porosidades, Fi qo ra 4 , conseguidas mediante ajuste das oondíçoes de preparação da emulsão, Note-se que o processaraonto por extrusã© deste tipo de materiais não a feta: as ©ãraeteristioas microestruttxraís do produto final.

1 Rolativamente à quantidade de água. uti iisada na preparação da suspensão, 2 Reiativamente ao volume de emulsão.

Descrição das Figuras

Figura 1 - Esquema de preparação dos cerâmicos celulares <

Figura 2: ~ Curvos c e n s á o-do f o rma ç a o do duas argilas coma os (1: - esquerda i e £ - aireiia) com di:£erentes teores de humidade.

Figura 3 —· Evolução da resistência mecanícar retração e porosidade de omul soes de argilas comuns (1 - esquerda e 2 - direita) com diferentes temperaturas de sinteriração.

Figura 4 - Distribuição de tamanho das cavidades nas argilas 1 e 2, processadas com extrusão (símbolos a cheio) e sem extrusão isímbolos ocos) ..

Exemplos de aplicação

Tipicamen te, dependendo das ca rac te ris ti cas microestruturas, os mater iais cerâmi cos ceiulares são assoei ados a ; aplicações con-o o i solarnento térmico, b ioceramí cos, sensores, fi.ltração e catálise. Contudo, acendendo a que a extrusão é uma es t. r at é g i a cie process a men t o de materiais cosi secção const an te, o produto da invenção tem. como potenciais! api i caçoes o i solarnento té muco, a filtração de gases e/ou líquidos e a catálise eru leitos fix os.

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Aveiro, 20 de j ul.ho de 2015

Claims (4)

1. RBXVINDICAÇGES 1. Processo de exfcrusão de emulsões cerâmicas, caracfcerizada pela preparação por emulsi£ ícação de suspensões de oxido -de alumínio, argila caulírs.itica comum e argila. vermelha eôttíM» ém parafina,
2. 2. Processo de extrusão de emulsões cerâmicas de acordo com a reivindicação n.:> 1, caracterizada por uma elevada, estabilidade raicroestratural ao longo do processo.
3. 3 . Processo de extrusão de emulsões cerâmicas de acordo com a reivindicação ix.* l f caraetsriaads por conferi r aos produtos sinterirados entre 1050 e ISSO "; C, uma adequada resistência raecánica, à compressão até ?0 KPa , e à f lexão até 4 0 MPa.
4. 4. Processo de extrusão de emulsões cerâmicas de acordo com a reivindicação n. - 1, caracterirada por permitir a obtenção de produtos, que após sinterleaçâo possuem porosidades entre 40 é 85 % e um tamanho médio das cavidades celulares de 1 a 100 pm, garantindo a percolação entre as cavidades e coxiseqruentemente permeabilidade a gases de 5x1-0.·· 33 a 20'34 m3 e a líquidos na gama. 10 3-10 ? m s~:í. Aveiro, 20 ide julho de 2015