OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DA α-Al2O3 POR SÍNTESE DE REAÇÃO DE COMBUSTÃO EM DIFERENTES COMPOSIÇÕES
N. L de FREITAS1*, H. L. LIRA1, R. H. G. A. KIMINAMI2, A. C. F. M. COSTA1
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Departamento de Engenharia de Materiais – Universidade Federal de São Carlos
, RESUMO
Vários métodos de sínteses químicas têm sido desenvolvidos e utilizados na obtenção da α-Al2O3. Dentre os métodos alternativos utilizados em escala de laboratório, o método por reação de combustão tem sido empregado com sucesso para a obtenção de diversos tipos de materiais. Assim, este trabalho tem como objetivo sintetizar e caracterizar pós de α-Al2O3 obtidos por várias composições utilizando a uréia como combustível. A composição inicial da solução foi baseada na valência total dos reagentes oxidantes e redutores, utilizando os conceitos da química dos propelentes. Os pós obtidos para cada composição foram caracterizados por DRX, infravermelho, BET e densidade. Os resultados mostram que a redução do teor de uréia na reação leva a alterações no comportamento da síntese, reduzindo a temperatura da chama de combustão e conseqüentemente as características finais dos pós.
Palavras chave: reação de combustão, uréia, α-alumina
INTRODUÇÃO
A alumina apresenta uma ampla e variada área de aplicação, principalmente nos produtos químicos, farmacêuticos, catalisadores, plásticos, pigmentos, substitutos sintéticos, papéis, cerâmicos aluminosos, refratários, isolantes, abrasivos, eletrônicos etc. Esta matéria prima apresenta algumas propriedades
especiais tais como: alta dureza, alta força mecânica, boa resistência a choques térmicos, etc. Embora a alumina seja um material cerâmico clássico, ela continua a despertar interesse em vários pesquisadores (1).
Vários métodos químicos inorgânicos especiais vêm sendo desenvolvidos em laboratório para a obtenção da α-Al2O3, visando, principalmente, o controle de suas
características (pureza, morfologia, tamanho médio das partículas e homogeneidade química), dentre eles podem-se citar sol-gel (2)-(4), citrato precursor (5)-(7), coprecipitação (8), vitrocerâmica (9), síntese por reação de combustão, etc (10)(11). O processo de síntese por reação de combustão tem sido empregado com sucesso para a obtenção de diversos tipos de materiais, visto que possibilita a obtenção de pós com partículas nanométricas e elevada área superficial. Com relação a outros métodos de síntese, o processo de reação por combustão torna-se vantajoso devido à sua simplicidade, pequeno tempo de duração entre a preparação de reagentes, produto final não necessitar de etapas intermediárias de calcinação subseqüentes, e baixo consumo de energia envolvido durante a síntese (11). Além do mais, o método
não-convencional de reação por combustão sintetiza pós com alta pureza, homogeneidade química, e normalmente gera produtos com estruturas e composição desejadas, devido à elevada homogeneidade favorecida pela solubilidade dos sais em água (5), (6). Baseado nesse contexto, este trabalho tem como objetivo sintetizar e caracterizar pós de α-Al2O3 obtidos por reação de
combustão para várias composições utilizando a uréia como combustível.
MATERIAIS E MÉTODOS
O processo de síntese por reação de combustão envolveu uma mistura contendo íons metálicos, como reagente oxidante (nitrato), e um combustível, como agente redutor. Para esta mistura redox foram utilizados nitrato de alumínio - Al(NO3)3. 9H2O (Synth) e uréia – CO(NH2)2 (Vetec).
A composição inicial da solução contendo os nitratos e a uréia foi baseada na valência total dos reagentes oxidantes e redutores usando conceitos da química dos propelentes (12). Carbono, hidrogênio e alumínio foram considerados como elementos redutores com as seguintes valências de 4+, 1+ e 3+, respectivamente. O oxigênio foi considerado como elemento oxidante com valência de 2- e a valência do nitrogênio foi considerada 0. A valência total calculada do nitrato por soma
aritmétrica a partir das valências dos reagentes oxidantes e redutores foi 30-, o que significa que o nitrato foi fortemente oxidado. A valência calculada da uréia foi 6+. A proporção de uréia com relação à composição estequiométrica foi de 10% e 20% em redução (abaixo da composição estequiométrica). As composições foram designadas CE (composição estequiométrica), R10 (com 10% de redução de uréia) e R20 (20% de redução de uréia). A solução resultante para as composições CE, R10 e R20 foram aquecidas inicialmente sobre uma placa de aquecimento à temperatura de aproximadamente 4800C em um becker Pyrex de 250ml, onde rapidamente entrou em ebulição e tornou-se viscosa. Com a continuidade do aquecimento, a solução aumentou de volume tornando-se espumosa. Uma grande quantidade de gases começou a se desprender, e foram liberados até ocorrer à auto-ignição (combustão). O tempo da chama de combustão para cada composição estudada foi determinado com um cronômetro digital. As medições experimentais das temperaturas de combustão das reações foram determinadas utilizando um espectrofotômetro Perkin Elmer Spectrum GX (± 2oC). Para todas as composições
(CE, R10 e R20), quando a chama da combustão cessou, o produto da combustão, foi transferido imediatamente para uma mufla pré-aquecida à 500oC, onde permaneceu por 10 minutos para eliminação de voláteis (advindos da decomposição da uréia e dos nitratos) que poderiam estar ainda presentes. O pó resultante para todas as composições, apresentou-se na forma de uma espuma porosa, volumosa e de coloração branca. As espumas foram desaglomeradas em almofariz de ágata e passadas em peneira # 325 (0,045mm) para posterior caracterização.
Os pós obtidos para cada composição foram caracterizados quanto à formação de fases por difratometria de raios-X (DRX), área superficial específica, utilizando a técnica desenvolvida por Brunauer, Emmett e Teller (BET), infravermelho e picnometria de hélio. O tamanho das partículas foi calculado a partir do valor da área superficial e da densidade teórica da alumina.
Caracterização do pó de α-Al2O3
A caracterização do pó consistiu em: i) determinação da área superficial específica e tamanho mediano das partículas, calculado a partir do método do BET usando um equipamento GEMINI – 2370, Micromerictis, ii) identificação das fases presentes nos pós e determinação do grau de cristalinidade nos espectros de
difração de raios-X determinados usando um difratômetro de raios-X Siemens modelo D5000, radiação CuKα, iii), a formação da ligação Al-O, nos pós foram caracterizadas por espectroscopia de infravermelho em um equipamento Avatar, modelo 360 FT- IR. Para realização da análise, foi preparada uma pastilha de α-Al2O3 com KBr.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Segundo alguns autores, a condição em que o processo de síntese por reação de combustão é realizada, interfere de forma decisiva nas características finais dos pós. Por meio do controle dos parâmetros em que a síntese é realizada, garante-se a obtenção de pós puros, cristalinos e com formação de aglomerados de fácil desaglomeração (friáveis), resultando em produtos com excelentes propriedades (13),
(14).
A Figura 1 mostra os resultados de temperatura e tempo de chama de combustão em função da composição para os pós de α-Al2O3 obtidos por reação de
combustão utilizando becker pirex para realização da síntese.
CE R10 R20 460 470 480 490 500 510 520 530 CE - Composição Estequiométrica R10 - 10% em redução de uréia R20 - 20% em redução de uréia Temperatura Tempo Composição (%) Tem per at ur a da c hama d e co m bust ão ( o C) 16 18 20 22 24 Tempo d a c hama de co m b us tã o ( s)
Figura 1 – Tempo e temperatura de combustão para os pós de alumina com diferentes teores de uréia obtidos por reação de combustão.
Pode-se observar por meio da Figura 1 que a diminuição na concentração do teor de uréia na mistura diminuiu a temperatura e o tempo da chama de combustão significativamente, passando de 525±2 oC e 22 segundos (CE) para 464±2 oC e 18
segundos (R20), propiciando, assim, a formação de aluminas com características diferentes.
A Tabela I mostra as características dos pós (tamanho das partículas e área superficial específica – BET) resultantes da reação por combustão referente a cada composição. Por meio da Tabela I observou-se que os valores de área superficial específica e tamanho de partícula variaram na faixa de 8,27, 37,87 e 43,53 m2/g e 182,23; 39,81 e 34,59 nm, respectivamente. Pode-se observar que os valores da área superficial aumentaram à medida que o teor de combustível foi reduzido, conseqüentemente, observou-se uma redução no tamanho das partículas calculado a partir da área superficial. Isso ocorreu devido à diminuição da temperatura de chama de combustão à medida que se reduziu o teor de uréia na reação, fazendo com que se diminua a difusão entre as partículas, evitando que elas coalesçam e cresçam.
Tabela I – Características dos pós de α-Al2O3 sintetizados por reação de combustão
COMPOSIÇÕES CE R10 R20
Área superficial (BET) (m2/g) 8,27 37,87 43,58
Densidade média (g/cm3)* 3,38 3,27 3,17
Grau de cristalinidade (%) 92,3 91,8 89,5 Tamanho de partícula** (nm) 182,23 39,81 34,59
Temperatura da chama de combustão (oC) 525 488 464 Tempo da chama de combustão (s) 22 20 18
*obtido por picnometria de Hélio; Densidade teórica = 3,98 g/cm3(15)
**calculado a partir da área superficial (BET)
A Figura 2 apresenta os difratogramas de raios-X dos pós de α-Al2O3,
resultantes da reação de combustão para cada composição. De acordo com os difratogramas obtidos, podemos observar que para todas as composições estudadas houve apenas a formação da fase cristalina estável da α-Al2O3 (alfa alumina) e que a
redução no teor de combustível (uréia) com relação à composição estequiométrica estudada não alterou a formação de α-Al2O3 polimórficas. O grau de cristalinidade
diminuiu com a redução do teor de uréia e com a diminuição da temperatura (Tabela I). 20 30 40 50 60 70 a a - αAl2O3 a a a a a a a a a Intensidad e ( u.a) 2θ (Graus) CE R10 R20
Figura 2 – Difratogramas de raios-X dos pós de Al2O3 obtidos por reação de
combustão com diferentes teores de uréia.
A Figura 3 mostra o espectro vibracional na região do infravermelho da α-Al2O3
obtido por reação de combustão. Segundo Pradhan et al. (2000) (16), quando obtiveram e caracterizaram a alumina por síntese de um precursor químico, observaram uma vibração entre 900 e 500 cm-1 que indicou a presença de vibrações Al-O. Nos espectros da Figura 3 obtidos para este trabalho, foram observados vibrações na faixa de 500 a 1000 cm-1 uma banda larga muito discreta que segundo Pradhan et al. (2000) (16) é da vibração Al-O. Para comprimentos de onda acima de 1000 cm-1, também foram observados alguns picos que são característicos provavelmente da pastilha de KBr, com a qual foi realizada o experimento ou possivelmente de alguma vibração H-O-H proveniente de hidratação sofrida pelas amostras antes da análise.
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Transm itância (u.a) Comprimento de onda (cm-1) CE R10 R20
Figura 3. Espectro vibracional na região do infravermelho da α-Al2O3 obtida por
reação de combustão.
CONCLUSÕES
Com base nos resultados obtidos neste trabalho pode-se concluir que:
1. A síntese por reação de combustão é um processo favorável para a obtenção da α-Al2O3 cristalina como única fase em temperaturas abaixo de 1000oC (525, 488 e
464 oC, para composição estequiométrica (CE), 10 e 20% em redução, respectivamente), usando a uréia como combustível.
2. A redução do teor de uréia na reação ocasionou a diminuição da temperatura da chama de combustão, no grau de cristalinidade e no tamanho das partículas.
3. O controle do teor de combustível é um parâmetro importante que precisa ser avaliado, pois este altera a temperatura da chama de combustão, a qual é um dos parâmetros principais que determina as características finais do pó.
AGRADECIMENTOS
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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14 - V. C. Sousa. Tese (Doutorado em Ciências e Engenharia de Materiais), Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de São Carlos. São Carlos, 2000.
OBTAINMENT AND CHARACTERIZATION OF THE α-Al2O3 BY COMBUSTION REACTION SYNTHESIS IN DIFFERENT COMPOSITIONS
ABSTRACT
Several methods of chemical synthesises have been developed and used in the obtainment of the α-Al2O3. Among the alternative methods used in laboratory scale,
the method by combustion reaction has been being employed with success for the materials several kinds obtainment. So, the main of this work is to synthesize and characterize (α-Al2O3) alumina powder obtained by several compositions using the
urea as fuel. The initial solution composition was based on total valence of the oxidation and reductor reagents, by using the chemical concept of the of propellant. The powders obtained for each composition were characterized by XRD, infrared spectroscopy, BET and density. The results show that the reduction on urea content can cause alterations in the behavior of the synthesis by reducing the temperature of the combustion and consequently the final characteristics of the powders.
