Uso do Tetrahidrofurano (THF) como solvente na síntese de mulita por Sol Gel / Use of Tetrahydrofuran (THF) as a solvent in the synthesis of mullite by Sol Gel

(1)

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 73056-73063, sep. 2020. ISSN 2525-8761

Uso do Tetrahidrofurano (THF) como solvente na síntese de mulita por Sol Gel

Use of Tetrahydrofuran (THF) as a solvent in the synthesis of mullite by Sol

Gel

DOI:10.34117/bjdv6n9-674

Recebimento dos originais: 08/08/2020 Aceitação para publicação: 29/09/2020

Veruska do Nascimento Simões Mestre

Instituição: Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Endereço: Av. Senador Salgado Filho, s/n, Lagoa Nova, 59077000, Natal, RN, Brasil E-mail: veruskasimoes@hotmail.com

Geysivana Késsya Garcia Carvalho Mestre

Instituição: Universidade Federal do Piauí

Endereço: Av. Universitária, s/n, Ininga, 64.049-550, Teresina, PI, Brasil E-mail: geysivanacarvalho@hotmail.com

José Rosa de Souza Farias Graduando em Engenharia de Materiais Instituição: Universidade Federal do Piauí

Endereço: Av. Universitária, s/n, Ininga, 64.049-550, Teresina, PI, Brasil E-mail: josefarias2100@gmail.com

Aluska do Nascimento Simões Braga Doutor

Instituição: Universidade Federal do Piauí

Endereço: Av. Universitária, s/n, Ininga, 64.049-550, Teresina, PI, Brasil E-mail: Aluskasimoes@hotmail.com

RESUMO

O objetivo deste trabalho foi sintetizar mulita pelo método sol gel, analisando a influência do solvente tetrahidrofurano (THF) e da concentração da solução, nas características finais da fase. Os pós obtidos foram caracterizados por difração de raios X, por análise termogravimétrica e diferencial. Os resultados evidenciaram que o uso do solvente THF possibilitou a formação da mulita, e que as diferentes concentrações das soluções não influenciaram significativamente nos resultados.

Palavras-chave: Síntese, mulita, sol gel. ABSTRACT

The objective of this work was to synthesize mullite by the sol gel method, analyzing the influence of tetrahydrofuran solvent (THF) and the concentration of the solution, in the final characteristics of the phase. The powders obtained were characterized by X-ray diffraction, by thermogravimetric and differential analysis. The results showed that the use of THF solvent allowed the formation of mullite, and that the different concentrations of the solutions did not significantly influence the results.

(2)

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 73056-73063, sep. 2020. ISSN 2525-8761 Keywords: Synthesis, mullite, sol gel.

1 INTRODUÇÃO

Há um interesse considerável nas últimas décadas no estudo e aplicação da mulita, devido às suas propriedades, dentre elas: baixa expansão térmica (20/200°C= 4 x 10-6 K-1), alta estabilidade térmica, baixa densidade (3,17 g/cm3), baixa condutividade térmica (k = 2,0Wm-1K-1), boa resistência mecânica e resistência à fluência, boa estabilidade em ambientes químicos severos, entre outras (Dokko et al., 1977; Jaymes et al., 1996). Além do fato de que, as matérias-primas para sua produção (ex: alumina, sílica, silicatos de alumínio, folhas de silicatos ricos em Al2O3, argilas, entre outros) são vastamente encontradas na natureza (Schneider et al., 2008).

Por possuir essas propriedades, a mulita é muito utilizada em aplicações em altas temperaturas, como filtros para gases aquecidos, trocadores de calor, turbinas a gás, motores de combustão interna, em compósitos cerâmicos nos motores de aeronaves, na fabricação de tijolos e cadinhos, e ainda como janelas ópticas em uma faixa de comprimento de onda no infravermelho (3 a 5 μm) (Schneider et al., 1994; Osendi e Baudin, 1996; Iwahiro et al. 2001). Essas aplicações em altas temperaturas se devem a sua alta resistência a fluência, ao choque térmico e a sua estabilidade térmica intrínseca em condições de oxidação (Aksay et al., 1991; Montanaro et al.,1997; Kanka et al.,1994).

As propriedades das cerâmicas de mulita dependem, por sua vez, principalmente, da composição, pureza dos reagentes, da homogeneidade da mistura de substâncias que irão reagir para formar a mulita e do processo de síntese utilizado. Nesse sentido, muitos métodos de síntese vêm sendo estudados a fim de atingir melhores propriedades estruturais e morfológicas e atomizar a aplicação final da peça. Geralmente, mulita é produzida por sinterização reativa de aluminossilicatos, tais como silimanita, caulinita, andalusita, cianita (Mazel et al., 2002), em temperaturas superiores a 1000°C (Jain, 1997). Porém, o produto final geralmente inclui impurezas, particularmente elevada quantidade de fase vítrea, que podem deteriorar suas propriedades (Kim et al., 2003). Para minimizar esses problemas de contaminação, a síntese pode ser feita partindo-se de misturas de pós de fontes de alumina, constituídos por óxidos ou hidróxidos de alumínio e por fontes de sílica com maior pureza. Porém, são necessárias temperaturas superiores a 1650°C, pois misturas de pós apresentam domínios da ordem de micrômetros (Kansal et al., 1997), o que diminui significativamente a cinética de reação e síntese.

Em se tratando dos métodos químicos utilizados na obtenção da mulita, todos consistem em se colocar íons alumínio e silício em contato íntimo, de preferência com a estrutura Al-O-Si já

(3)

formada. Para isso, utilizam-se reações químicas entre diversos tipos de compostos. Com base na literatura, o método químico mais utilizado para produção de mulita é o método sol-gel (Chu et al., 1997; Dong et al., 2019; Ilić et al., 2020), que faz com que a temperatura mínima de formação de mulita seja inferior à temperatura utilizada pelos métodos convencionais.

O método sol gel é um método químico via úmida, o qual dispensa a utilização de alto vácuo e temperaturas elevadas, sendo considerada uma das técnicas mais flexível e promissora (Hwang et al., 2000). Na síntese de mulita pelo método sol-gel a temperatura de cristalização e as fases cristalizadas são influenciadas significativamente pelo tipo de solvente, fontes de silício e alumínio usados, a presença ou ausência de aditivos, etc. (Chen e Gu, 2009; Campos et al., 2012; Braga et al., 2019). Porém, percebe-se a necessidade de mais estudos envolvendo a síntese de mulita pelo método sol gel, que analisem a influência desses parâmetros na síntese.

Assim, este trabalho teve por objetivo a produção de mulita, pelo método sol gel, estudando o efeito do tetrahidrofurano (THF) como solvente, e da concentração das soluções, nas características finais da fase.

2 MATERIAL E MÉTODOS

Para a preparação da mulita foi estudado a influências do THF como solvente s e da concentração das soluções. Foram estudados dados da literatura (Yoshida et al., 2010; Zhang et al., 2009; Kurajica et al., 2011) e analisado as quantidades dos reagentes usados na síntese de mulita pelo método sol gel. Comparando-se valores da literatura com os valores usados nesse trabalho, classificou-se as soluções como de baixa e alta concentração. As soluções foram realizadas da seguinte maneira: 100 ml do solvente THF foi aquecido a uma temperatura de 60°C sobre uma placa de aquecimento. Então, foi adicionado à solução o TEOS e o nitrato de alumínio. Este sistema foi mantido sob refluxo durante 5 dias com agitação constante e temperatura controlada em 60°C. Passados os 5 dias, a solução obtida foi mantida em estufa por mais 4 dias, também com temperatura controlada em 60°C, formando um gel. Passados os 4 dias na estufa, os géis obtidos foram calcinados a 450°C/2 horas, com taxa de aquecimento de 5°C/min. Em seguida, os pós obtidos foram desaglomerados, passados em peneira ABNT n°200 e calcinados na temperatura de 1200°C, durante 2 horas, com taxa de aquecimento de 5°C/min, para obtenção da fase mulita. As amostras obtidas foram denominadas de THF-B e THF-A, quando sintetizadas em baixa e alta concentração da solução, respectivamente.

Os pós de mulita obtidos da calcinação foram então submetidos às análises de difração de raios X (DRX) para identificação das fases formadas e cálculo da cristalinidade, e por análise

(4)

termogravimétrica e diferencial (TG/ATD). A análise de DRX foi realizada em difratômetro de raios X modelo XRD-6000 da Shimadzu com radiação kα do cobre e varredura de 10 a 70º. Para identificação das fases utilizou-se o programa da Shimadzu (Pmgr) e o banco de dados JCPDF. A cristalinidade foi obtida no programa da Shimadzu Cristalinity o qual utilizou o coeficiente de correção de Lorentz, onde foi possível calcular o percentual de fase cristalina. A análise termogravimétrica e diferencial foi realizada em um analisador térmico, modelo TA-60, da Shimadzu, com taxa de aquecimento de 10°C/min, em atmosfera de ar, usando um cadinho de platina e faixa de temperatura do ambiente (25ºC) até a temperatura máxima de 1200ºC.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 1 ilustra os difratogramas de raios X das amostras THF-B e THF-A, que foram sintetizadas em baixa e alta concentração, respectivamente.

Figura 1. Difratogramas de raios X das amostras THF-B e THF-A.

De acordo com os difratogramas da Figura 1, quando o THF é usado como solvente se observa a cristalização da mulita (ficha padrão JCPDS 15-0776), juntamente com uma discreta formação de espinélio Al1,9Si0,05O2,95 (ficha padrão JCPDS 37-1483), para ambas as amostras. Nota-se que a concentração não influenciou na formação das fases, porém, houve aumento na cristalinidade em alta concentração. A amostra sintetizada em baixa concentração (THF-B) obteve uma cristalinidade de 61,3%, enquanto a amostra sintetizada em alta concentração (THF-A) obteve uma cristalinidade de 73,7 %.

Sola et al. (2006) também prepararam géis de mulita sob condições de refluxo durante 7 dias, porém, usando o álcool etílico como solvente. A formação da fase mulita foi observada em baixas temperaturas, 900°C, no entanto, elevados tempos de envelhecimento, 1 mês, foram necessários, o que vem de encontro as condições de síntese praticadas neste estudo, que indicam que o

(5)

envelhecimento de no máximo 4 dias é suficiente para a formação da mulita, mas que temperaturas de calcinação mais elevadas são necessárias.

Braga et al. (2016) também estudaram o efeito do THF na síntese de mulita por outra rota sol gel. Nesse estudo, a alumina foi formada como fase majoritária, além de grande percentual de fase amorfa. O que evidencia a forte influência dos solventes e da rota síntese utilizada na formação de mulita.

As Figuras 2 e 3 apresentam as curvas de TG e ATD das amostras THF-B e THF-A, que foram sintetizadas em baixa e alta concentração da solução, respectivamente.

Figura 2. Curvas de TG/ATD da amostra THF-B

Figura 3. Curvas de TG/ATD da amostra THF-A

Analisando a curva de TG da amostra THF-B, nota-se que a decomposição ocorreu em duas etapas. A primeira etapa ocorreu no intervalo de 50°C até 140°C, correspondendo a perda de água. A segunda etapa ocorreu no intervalo de 140°C até 500°C, referente a combustão de matéria orgânica e da decomposição dos precursores metálicos (TEOS e nitrato). A perda de massa dessa amostra foi de 60%. A curva de ATD da amostra THF-B apresentou um pico exotérmico em aproximadamente 140°C. Esse pico é referente a formação da rede de ligações Si-O-Si e Al-O-Al, devido a rápida liberação do solvente THF. Esse comportamento também foi observado por Kansal

(6)

(1997) ao sintetizar mulita, onde a perda do solvente ocasionou as reações das espécies, formando a rede de ligações Si-O-Al, em baixas temperaturas, fornecendo liberação de calor, interpretado por um pico exotérmico. A amostra THF-B também apresentou um discreto ombro exotérmico, em aproximadamente 400°C, atribuído a formação dos óxidos.

Analisando a curva de TG da amostra THF-A, percebe-se que a concentração não influenciou nos resultados, onde as amostras apresentaram aproximadamente as mesmas quantidades de perdas de massa, e as perdas são associadas com as mesmas decomposições e faixas de temperaturas que se observou na síntese com baixa concentração. Observa-se apenas uma pequena diferença na curva de ATD da amostra THF-A, onde o pico exotérmico em torno de 400°C é mais intenso, devido a maior quantidade dos íons Al e Si, formando assim, mais óxidos.

4 CONCLUSÃO

O método sol-gel foi eficaz na obtenção de mulita usando o tetrahidrofurano como solvente. O uso do THF como solvente possibilitou a formação da mulita como fase majoritária, com baixo percentual de espinélio como segunda fase. As diferentes concentrações das soluções tiveram pouca influência nas características finais da mulita obtida, formando as mesmas fases cristalinas, com um leve aumento da cristalinidade ao se aumentar a concentração. As perdas de massa foram semelhantes, e as perdas foram associadas com as mesmas decomposições e em faixas de temperaturas, para todas as amostras analisadas.

(7)

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 73056-73063, sep. 2020. ISSN 2525-8761 REFERÊNCIAS

Aksay, L. A; Dabbs, D. M; Sarikaya, M. Mullite for structure, electronic, and optical applications. Journal of the American Ceramic Society, vol. 74, p.2343-2358, 1991.

Braga, A. N. S.; Santos, V. B.; Simões, V. N.; Neves, G. A.; Lira, H. L.; Menezes, R. R. Efeito do tetrahidrofurano como solvente na síntese de mulita pelo método Pechini. In: Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Natal, 2016. Anais do 22° Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 2016.

Braga, A. N. S.; Simões, V. N.; Lira, H. L.; Neves, G. A.; Menezes, R. R. Influência do tipo de solvente na síntese de mulita pelo método Pechini. Cerâmica, vol. 65, p.388-393, 2019.

Campos, T.M.B.; Cividanes, L.S.; Brunelli, D.D.; Sakane, K.K.; Thim, G. P. Effect of ethylene glycol on the mullite crystallization. Journal of the European Ceramic Society, vol.32, p.835-842, 2012.

Chen, X.; Gu, L. Sol–gel dry spinning of mullite fibers from AN/TEOS/AIP system. Materials Research Bulletin, vol.44, p.865-873, 2009

Chu, L.; Tejedor-tejedor, M.I.; Anderson, M.A. Particulate sol-gel route for microporous silica gels, Microporous materials, vol.8, p.207-213, 1997.

Dokko, P. C.; Pask, J. A.; Mazdiyasni, K. S. High-temperature mechanical properties of mullite under compression. Journal American Ceramic Society, vol.60, p.150-155, 1977.

Dong, B.; Yang, M.; Wang, F.; Hao, L.; Xu, X.; Wang, G.; Agathopoulos, S. Novel fabrication processing of porous alumina/mullite membrane supports by combining direct foaming, sol-gel, and tape-casting methods. Materials Letters, vol. 240, p.140-143, 2019.

Hwang, K.; Song, J.; Kang, B.; Park, Y. Sol–gel derived hydroxyapatite films on alumina substrates. Surface and Coatings Technology, vol. 123, p. 252 – 255, 2000.

Ilić, S.; Babić, B.; Bjelajac, A.; Stoimenov, N.; Kljajević, L.; Marković, M. P.; Matović, B. Structural and morphological characterization of iron-doped sol-gel derived mullite powders. Ceramics International, vol. 46, p.13107-13113, 2020.

Iwahiro, T.; Nakamura, Y.; Komatsu, R.; Ikeda, K. Crystallization behavior and characteristics of mullites formed from alumina-silica gels prepared by the geopolymer technique acidic conditions. Journal of the European Ceramic Society, vol.21, p.2515-2519, 2001.

Jain, D. C. Mullite. American Ceramic Society Bulletin, vol.76, p. 118-118, 1997

Jaymes, I.; Douy, A.; Massiot, D.; Coutures, J.P. Characterization of mono and diphasic mullite precursor powders prepared by aqueous routes, Al and Si MAS-NMR spectroscopy investigations. Journal of Materials Science, vol.31, p.4581-4589, 1996.

Kanka, B.; Schneider, H. Sintering mechanisms and microstructural development of coprecipitated mullite. Journal of Materials Science, vol.29, p.1239-1249, 1994.

(8)

Kansal, P.; Laine, R. M.; Babonneau, F. A processable mullite precursor prepared by reacting silica and aluminum hydroxide with triethanolamine in ethylene glycol: structural evolution on pyrolysis. Journal of the American Ceramic Society, vol.88, p. 2597–2606, 1997.

Kim, J. W.; Lee, J. E.; Jung, Y. G.; Jo, C. Y.; Lee, J. H.; Paik, U. Synthesis behavior and grain morphology in mullite ceramics with precursor pH and sintering temperature. Journal of Materials Research, vol.18, p.81-87, 2003.

Kurajica, S.; Tkalcec, E.; Mandic, V.; Schmauch, J. Mullite crystallization kinetics of lanthanum doped sol-gel derived precursors. Journal of the European Ceramic Society, vol.31, p.377-383, 2011.

Mazel, F.; Gonon, M.; Fantozzi, G. Manufacture of mullite substrates from andalusite for the development of thin film solar cells. Journal of the European Ceramic Society, vol.22, p.453-461, 2002.

Montanaro, L.; Tulliani, M.; Perrot, C.; Negro, A. Sintering of industrial mullites. Journal of the European Ceramic Society, vol.17, p.1715-1723, 1997.

Osendi, M.I.; Baudin, C. Mechanical properties of mullite materials. Journal of the European Ceramic Society, vol.16, p.217-224, 1996.

Schneider, H.; Okada, K.; Pask, J. Mullite and mullite ceramics. New York: John Wiley & Sons, 1994.

Schneider, H.; Schreuer, J.; Hildmann, B. Structure and properties of mullite- A review. Journal of the European Ceramic Society, vol.28, p. 329-344, 2008.

Sola, E. R.; Torres, F. J.; Alarcon, J. Thermal evolution and structural study of 2:1 mullite from monophasic gels. Journal of the European Ceramic Society, vol. 26, p.2279-2284, 2006.

Yoshida, K.; Hyuga, H.; Kondo, N.; Kita, H. Synthesis of precursor for fibrous mullite powder by alkoxide hydrolysis method. Materials Science and Engineering B, vol.173, p.66-71, 2010.

Zhang, Y.; Ding, Y.; Gao, J.; Yang, J. Mullite fibres prepared by sol gel method using polyvinyl butyral. Journal of the European Ceramic Society, vol.29, p.1101-1107, 2009.