INFLUENCIA DA DOPAGEM COM MAGNESIA E SEUS EFEITOS NA SINTERABILIDADE DA ALUMINA

INSTITUTO FEDERAL DO ESPIRITO SANTO

INFLUENCIA DA DOPAGEM COM MAGNESIA E SEUS EFEITOS NA SINTERABILIDADE DA ALUMINA

Bruno nogueira scopel

Resumo

O conjunto de propriedades da alumina tem criado um leque de aplicações para este material e para obtenção de novos e eficientes produtos a síntese, adições e sinterização devem ser compreendidas. Neste trabalho foram sintetizados pós de Al2O3 e Al2O3-MgO pelo método Pechini. Ao se comparar os resultados de medida de área superficial especifica com os resultados do ensaio granulométrico, concluiu-se que os pós são constituídos de partículas finas, mas que se encontram aglomeradas. Após calcinação em diferentes temperaturas foram encontradas as fases alfa da alumina, juntamente com a fase espinélio nos casos em que houve a dopagem da alumina com MgO. A densificação se torna mais pronunciada com o aumento da temperatura, sofrendo influencia da dopagem de maneira significante em teores maiores que 5% em massa de MgO.

Palavras-chave: Alumina. Espinélio. Sinterização. Pechini. Dopagem

Abstract

The set of properties of alumina has created a range of applications for this material and to obtain new and efficient products the synthesis, additions and sintering must be understood. In this work, Al2O3 and Al2O3-MgO powders were synthesized using the Pechini method. When comparing the results of measurement of specific surface area with the results of the granulometric test, it was concluded that the powders are composed of fine particles, but are agglomerated. After calcination at different temperatures the alpha phases of the alumina were found, together with the spinel phase in the cases in which the alumina was doped with MgO. The densification becomes more pronounced with increasing temperature, undergoes doping influence significantly in contents greater than 5% by mass of MgO.

Palavras-chave: Alumina. Spinel. Sintering. Pechini. Doping

Introdução

Os estudos da sinterização de sistemas à base de alumina são fundamentais para a obtenção de refratários de alta eficiência.

O material escolhido foi a alumina e alumina-espinélio nanométricos obtidos pelo processo Pechini devido à alta pureza conseguida por essa rota de síntese. O processo também possibilita a fabricação de materiais com microestrutura refinada e controlada. A verificação dos modelos de sinterização será feita através por medidas sistemáticas de tamanho de grãos e densidade para durante tratamentos isotérmicos.

Este trabalho tem como meta verificar o efeito da sinterização para os diferentes teores de dopagem da alumina e deste modo, explicar os fenômenos observados durante a sinterização, como densificação e crescimento de grãos.

OBJETIvos

1) O objetivo deste trabalho foi caracterizar os pós de Al2O3 e Al2O3-MgO sintetizados pelo método Pechini correlacionando ao seu comportamento na sinterização.

2) O trabalho buscou analisar a influência da adição de diferentes teores de MgO numa matriz de alumina, bem como a estabilização das fases formadas em cada um dos diferentes teores de dopagem.

revisão da literatura 

APLICAÇÕES E ESTRUTURAS DA ALUMINA

As cerâmicas à base de óxido de alumínio têm sido amplamente estudadas nos últimos anos, devido às suas notáveis propriedades características físico-químicas e ao seu baixo custo. Apesar de possuir uma relevante resistência mecânica, sua primeira utilização prática foi em equipamentos de laboratório e como isolante em velas de ignição, posteriormente na área da eletrônica e engenharia. As aplicações no campo da eletrônica estão associadas a alta resistividade elétrica em temperaturas elevadas, já que a alumina se mostra aplicável para problemas surgidos da transferência de calor, necessidade de precisão dimensional e superfícies isentas de substratos (CASTRO, 2005).

As diferentes propriedades da alumina e suas aplicações estão relacionadas com suas diversas fases. Fatores como microestrutura, forma cristalina e impureza na estrutura alteram consideravelmente a natureza da alumina, apesar de sua formula simples Al2O3. Em seu estado calcinada livre de água, estudos revelaram a existência de pelo menos sete fases: alfa, gama, delta, eta, teta, kappa e chi (CASTRO, 2005).

A fase mais comum e estável termodinamicamente é a alfa alumina, que possui elevada resistência a corrosão e ao calor e resistência mecânica. Também chamada de corundum, esta é a fase da alumina mais utilizada em aplicações estruturais. Devido a suas fortes ligações iônicas possui ponto fusão em torno de 2054 ºC e baixo coeficiente de condutividade elétrica (CASTRO, 2005).

Outras fases metaestáveis da alumina são encontradas na temperatura ambiente e são chamadas de aluminas de transição. São estabilizadas pelas baixas energias superficiais e a forma mais comum é a gama-alumina, com alta área superficial especifica e aplicação principalmente relacionada a catalisadores (CASTRO, 2005).

TRANSFORMAÇÃO DE FASES DA ALUMINA 

A tabela 1 apresenta as principais fases existentes para a alumina (LÓPEZ; CASTELLÓ; CORDONCILLO, 2001). As formas de transição foram identificadas como produtos da reação de pirólise da gibsita e algumas delas, associadas ao α-Al2O3, tem grande importância na indústria de cerâmicas (ϴ-Al2O3) (BARBIER-JR; DUPREZ, 1994; LIPPENS; STEGGERDA, 1970) como precursores na produção de cerâmicas avançadas, ou na produção de adsorventes e catalisadores (γ-Al2O3) (SANTOS, 1986).

Polimorfismo da aluminaPolimorfismo da aluminaLópez; Castelló; Cordoncillo, 2001

Em materiais de uso catalítico a γ-Al2O3 é a mais importante, apesar de transforma-se rapidamente em α-Al2O3 quando exposta a temperaturas elevadas. Surge daí a necessidade de melhor entendimento das transformações polimórficas de fases para preparação dos materiais com um melhor controle da sinterização (CAI; et al, 2002).

A estrutura cristalina α-Al2O3 será utilizada neste trabalho como matriz para dopagem com óxido de magnésio – MgO. Segue uma breve descrição sobre esta estrutura.

Alfa-Al2O3 

A alfa alumina se cristaliza sob o sistema hexagonal – romboédrico, diversos óxidos metálicos com fórmula M2O3 apresentam esse tipo de estrutura que é denominada “coríndon”. Essa estrutura é formada devido um empacotamento hexagonal compacto de íons oxigênio, com íons alumínio nos interstícios octaédricos, tendo 6 como número de coordenação. O alumínio possui valência de 3, por isso cada íon oxigênio possui quatro íons alumínio adjacentes, fazendo com que apenas dois terços dos interstícios sejam ocupados por íons alumínio, e as camadas posteriores organizadas da maneira a manter a maior distância possível entre os íons alumínio. Chamando as camadas de oxigênio de A e B e as camadas de alumínio de a, b e c, a sequência de empilhamento é A-a-B-b-A-c-B-a-A-b-B-C-A, de acordo com a Figura 1. Calculada com os parâmetros de rede, a densidade teórica da alfa alumina é 3,985 g.cm-3 (CAI; et al, 2002).

Com o aumento da temperatura, que leva à sinterização, o tamanho da partícula e o controle da morfologia na alfa alumina só é possível com a redução das temperaturas de transformações de fases (KUMAGAI; MESSING, 1985).

Estrutura cristalina da alfa-aluminaEstrutura cristalina da alfa-aluminaCAI; et al, 2002

Espinélio – MgAl2O4 

É um óxido ternário com fórmula química AB2O4, com A sendo um cátion divalente, que usualmente ocupa um sítio tetraédrico e B sendo um cátion trivalente, que normalmente ocupa um sítio octaédrico em um cristal de estrutura cúbica. O espinélio possui MgAl2O4 possui como propriedades: alto ponto de fusão (2135 ºC), boa resistência mecânica a temperatura ambiente e a temperaturas elevadas, alta resistência ao ataque químico, baixa constante dielétrica, excelentes propriedades ópticas, baixa expansão térmica e boas propriedades catalíticas. No campo de aplicações em processos químicos industriais, o MgAl2O4 possui propriedades que o torna um potencial catalisador para reações de transesterificação de óleos vegetais com álcoois de cadeia curta, visando à produção de biodiesel (HECK, 2005).

 O diagrama de fases Al2O3 – MgO é representado na Figura 2. Ocorre uma reação eutética em cerca de
2000°C, na composição de aproximadamente 55%wt/Al2O3. Ocorre a existência de uma fase intermediária identificada como MgAl2O4. Todavia, esta fase não é estequiométrica, uma vez
que ela é estável em um pequeno intervalo de composições, de acordo com a temperatura. Sua solubilidade chega a se estender por 30 pontos percentuais acima de 1800°C. Isto significa que nesta temperatura, íons magnésio podem substituir um número razoável de íons Al e vice-versa. Percebe-se também que esta fase intermetálica passa diretamente do estado sólido para o estado líquido na composição de aproximadamente 72wt/Al2O3, na temperatura de cerca de 2100°C. Age, portanto, como se fosse um componente puro. Nestas condições de composição e temperatura, fases sólida e líquida estão equilibradas. Este comportamento é chamado de fusão congruente. Percebe-se também que as fases MgO e Al2O3 têm limite de solubilidade nulo (CALLISTER, 2000).

Revestimentos de panelas refratárias de siderurgia ficam expostos a severos ambientes durante o refino secundário, envolvendo elevadas temperaturas, escórias agressivas e altos tempos de residência. Nesse contexto, destacam-se os concretos do sistema alumina-magnésia, os quais apresentam a característica particular da formação do espinélio em temperaturas superiores a 1000ºC, que quando incorporados nesses sistemas com alfa alumina auxiliam na diminuição do desgaste do revestimento, por meio do aumento de resistência a corrosão (BRAULIO, 2008).

Diagrama de fases Al2O3 – MgODiagrama de fases Al2O3 - MgOCALLISTER, 2000

SÍNTESE DE PÓS

As principais características de pós cerâmicos ditos como ideias são: distribuição controlada do tamanho das partículas, forma uniforme e equiaxial, tamanho nanométrico das partículas, alta pureza química, baixo grau de aglomeração, baixa volatilidade, controle de homogeneidade química e de fases, elevado empacotamento das partículas e controle químico superficial (RIMAN, 1994). O estudo das técnicas de processamento cerâmico visa a produção de pós com características controladas, permitindo que se obtenha compactados com densidade próxima a teórica após a sinterização, minimizando defeitos estruturais na cerâmica e condicionando certas propriedades (LANGE, 1984).

Das diversas técnicas de síntese de pós, as mais utilizadas são a co-precipitação dos hidróxidos, sol-gel e dos precursores poliméricos. Na co-precipitação dos hidróxidos ou precipitação simultânea ocorre a preparação de uma solução homogênea contendo os cátions de interesse que é misturada com um agente precipitante, com o objetivo de extrapolar o limite de solubilidade das espécies formadas contendo o cátion desejado. O precipitado formado é separado através de uma filtração e geralmente decomposto termicamente na cerâmica final (JOHNSON,1981).

O sol-gel é um conjunto de técnicas que possibilita a obtenção de produtos com homogeneidade em nível molecular com elevada pureza química. Esta técnica consiste na preparação de uma suspensão estável de partículas coloidais pequenas, geralmente por hidrólise de compostos orgânicos de metais em óxidos hidratados. Alterando a concentração (por evaporação de liquido), adição de eletrólito ou por envelhecimento, é induzida a união dessas pequenas partículas coloidais, que forma uma rede tridimensional preenchendo a fase liquida como um gel. A migração e/ou segregação dos átomos durante a secagem é garantida pela rigidez do gel, assegurando assim, a homogeneidade molecular. O pó obtido possui tamanho de partícula consideravelmente reduzido e com elevada área superficial, favorecendo sua densificação em temperaturas menores quando comparados com os pós produzidos mecanicamente. O produto final é obtido com a conformação e sinterização do gel (ILER, 1986).

Método Pechini 

No método de síntese através dos precursores poliméricos, métodos dos citratos ou técnica de mistura de líquidos ocorre a formação de um quelato de cátions misturados (na forma de sais, dissolvidos em solução aquosa) por um ácido hidroxicarboxílico. A solução de sal (diversos sais de cátions podem ser utilizados como: cloretos, carbonatos e nitratos) no ácido é adicionada a um álcool polidroxilado (geralmente etilenoglicol) que sofre aquecimento (de 70 até 120ºC), até que se obtenha uma solução translúcida (PECHINI,1967).

No aquecimento o álcool esterifica as moléculas complexadas e não complexadas do ácido hidrocarboxílico, gerando água que é retirada do sistema. Devido a polifuncionalidade do álcool e do ácido, há a formação de uma resina polimérica na qual os cátions estão distribuídos atomicamente ao longo da estrutura da resina. A segregação dos componentes é evitada devido a viscosidade da resina (PECHINI,1967).

Na queima da resina, a cerca de 400ºC ocorre o colapso do polímero e sua carbonização. O material obtido da queima é oxidado para formação dos cristalitos de óxidos com os cátions do metal de interesse em temperaturas da ordem de 500ºC a 900ºC (PECHINI,1967). Com esse processo é possível obter pós com tamanho de partícula reduzido, distribuição de fases controladas, alta homogeneidade e elevada área superficial (LESSING,1989). A figura 3 exibe as reações genéricas que ocorrem nesse método.

Reações genéricas do método PechiniReações genéricas do método PechiniENTRINGER, 2012

SINTERIZAÇÃO 

A sinterização é o processo térmico que tem como objetivo a forte adesão entre as partículas quando estas são termicamente ativadas. A sinterização ocorre abaixo da temperatura de fusão do material, geralmente em cerca de 60% desta temperatura, por meio da difusão de massa. Quando ocorre em materiais no estado sólido é conhecida como sinterização via fase sólida (SFS), e sua ocorrência na fase liquida (SFL), se dá por meio da incorporação de aditivos, os quais se fundem em temperaturas inferiores ao do material principal ou por meio do produto de uma reação entre os materiais constituintes (THUMMLER; OBERACKER, 1993; KINGERY; BOWEN; UHLMANN, 1976 e GERMAN, 1996).

Sinterização Via Fase Sólida 

Na sinterização por fase sólida se analisa o efeito do calor sobre duas ou mais partículas em contato, com a formação do pescoço, que gera uma interface, provocando uma diminuição da superfície total, conforme Figura 4.

Modelo de duas partículas esféricas na fase inicial do estudo na sinterização em fase sólida.Modelo de duas partículas esféricas na fase inicial do estudo na sinterização em fase sólida.Reed, 1995

O processo de sinterização via fase sólida é normalmente dividido em três etapas (GERMAN, 1996; REED, 1995 e RAHAMAN, 1995):

• Etapa Inicial: Ocorre o contato entre as partículas, ativando o transporte de massa, provocando a formação e crescimento dos “pescoços”. Em função disso, existe a diminuição da porosidade aberta, da área superficial e um consequente aumento da interface inter particular.

• Etapa Intermediária: Ocorre a densificação da peça e diminuição nos diâmetros dos poros interligados. Nesta fase acontece o alargamento do pescoço, fechamento dos canais de poros e os poros tornam-se esféricos. Extinção quase total da porosidade aberta.

• Etapa Final: Os poros residuais são gradualmente isolados e eliminados.

As etapas da sinterização via fase sólida são esquematizadas na Figura 5.

Etapas de ligação entre partículas durante o processo de sinterizaçãoEtapas de ligação entre partículas durante o processo de sinterizaçãoKingery; Bowen; Uhlmann, 1976

Sinterização Via Fase Líquida 

A sinterização por fase líquida consiste de um processo envolvendo a existência de um liquido e partículas sólidas durante o ciclo térmico da sinterização. É difícil de descrever esse a influência das variáveis nesse processo devido a existência de três fases (sólido, liquido e vapor) durante o processamento. A formação da fase líquida pode ocorrer devido a fusão do aditivo ou com a formação de um líquido eutético devido a reação entre os pós dos materiais constituintes. A fase líquida ocorrida devido a fusão do aditivo é normal em sistemas metálicos. No entanto, a formação de líquido eutético é mais comum em sistemas cerâmicos (GERMAN, 1985; RAHAMAN, 1995b).

Durante o processo de sinterização o líquido fica presente na maior parte do ciclo térmico e, assim pode: entrar em solução sólida, cristalizar ou evaporar (RAHAMAN, 1995b). O processo de sinterização por fase líquida pode ser dividido em três etapas: rearranjo, solução–reprecipitação e coalescência (KINGERY, 1959). A Figura 6 apresenta as etapas da sinterização com fase líquida.

Etapas da sinterização por fase líquidaEtapas da sinterização por fase líquidaGerman, 1985

MATERIAIS E MÉTODOS

MATERIAIS E METODOLOGIA PARA SÍNTESE

A síntese dos pós de Al2O3-MgO foi realizada com os seguintes reagentes:

 – Ácido cítrico anidro P.A. – C6H8O7

 – Etilenoglicol P. A. – C2H8O2

 – Óxido de magnésio P. A. – MgO

 – Nitrato de alumínio P.A. – Al(NO3)3·9H2O

A síntese do material foi baseada no método de Pechini e consistiu a princípio na solubilização dos reagentes. Inicialmente foi feita a dissolução de ácido cítrico em água destilada dentro de um Becker sobre uma placa aquecedora com agitação a 70ºC. Após a homogeneização completa da mistura foi adicionado o nitrato de alumínio. A adição consistiu numa mistura final na proporção molar de 1 mol de cátion metálico para cada 4 mols de ácido cítrico, quantidade esta necessária para complexar o ácido cítrico.

Após 6h sob aquecimento o complexo ácido cítrico/alumínio foi misturado ao etilenoglicol numa relação em massa da ordem de 60%:40% entre o ácido e o etilenoglicol. Com a homogeneização da mistura e aquecimento até 105ºC passa a ocorrer a reação de polimerização. Nesta temperatura inicia-se a reação de esterificação com a evaporação de H2O por aproximadamente 40 minutos, momento em que ocorre a liberação de vapores alaranjados, resultantes da presença de NOx, que denuncia o fim da polimerização. O produto final da reação é uma resina âmbar, homogênea, límpida e sem precipitados.

Na produção do Al2O3-MgO procedimento semelhante a produção de alumina foi adotado, a mudança ocorreu na adição dos cátions metálicos. Foram sintetizadas amostras com 1, 2 e 5% de MgO e o restante de Al2O3 para cada mol de cátion metálico. O restante do processo se passou conforme o ocorrido sem a adição do magnésio.

O diagrama da síntese dos pós é apresenta na Figura 7.

Fluxograma da síntese do precursor poliméricoFluxograma da síntese do precursor poliméricoO autor, 2017

Foi realizado teste de rendimento na síntese da alumina pela queima de uma quantidade de resina em um cadinho de alumina em mufla a 110ºC durante 2h para eliminação de água e posterior aquecimento até 1000ºC durante 24h para eliminação de toda a matéria orgânica.

Os óxidos foram obtidos através de uma sequência de tratamentos térmicos na resina em fornos elétricos de resistências. Os beckers com as resinas foram aquecidos até 200ºC a uma taxa de 1ºC/min e mantidos durante 2h, para início da pirolise; posteriormente houve aumento da temperatura até 700ºC a uma taxa de 5ºC/min e mantidos por 2h, para término da pirólise. Os pós resultantes foram desaglomerados com o auxílio de um pistilo e almofariz de ágata.

TÉCNICAS PARA CARACTERIZAÇÃO DOS PÓS

Difração de raios X

A lei de Bragg é conhecida pelo efeito de refração causado pelos raios X e os espaçamentos entre os átomos de materiais, que são da mesma ordem de grandeza (CULLITY; STOCK, 2001):

nʎ = 2dsenϴ                                                                                                    (1)

Esta técnica foi utilizada para determinas as fases da alumina e da alumina dopada com magnésia, partindo da ideia que cada material cristalino possui distancias interplanares características. O difratometro utilizado foi o Bruker modelo D8 Advance do LAMULT, do laboratório de redução do IFES – Campus Viória e as análises ocorreram com radiação monocromática de Cu-Kα1 (1.54060 Å) numa tensão de 40kV, varredura com passo de 0,05º pelo intervalo 2ϴ de 20 a 80º com exposição de 5s.

Granulometria e área superficial específica 

O método usado nestas análises foi baseado no espalhamento de luz a laser, com o equipamento MasterSize 2000 do laboratório de redução do IFES – Campus Vitória. A técnica consiste em um feixe de laser que percorre uma célula óptica, onde circula a amostra num meio aquoso, parte da luz é espalhada pelas partículas e o restante incide sobre um conjunto de lentes focais. Um sistema de 31 anéis fotossensíveis concêntricos forma um detector de estado sólido, que reúne a luz espalhada por um intervalo de ângulos sólidos de espalhamento. Os ângulos são relacionas com o diâmetro médio das partículas. Ângulos altos estão associados a tamanhos de partículas menores, enquanto os ângulos baixos associam-se a tamanhos de partículas maiores (ORR; DALLAVALLE, 1959). Esse sistema é limitado a partículas de 0,2 a 2000 μm. O equipamento foi fabricado pela Malvern Instruments Ltd. As medições foram realizadas em meio aquoso com para avaliar o estado de aglomeração das partículas.

Fluorescência de raios X 

A análise de Fluorescência de Raios X tem como objetivo a determinação da quantidade de um elemento na amostra. A técnica é amplamente difundida principalmente por muitas de suas vantagens: rapidez, não-destrutibilidade e por não alterar as amostras, pode ser feita sobre sólidos ou líquidos, além de poder ser uma análise qualitativa ou quantitativa. A maioria dos elementos da tabela periódica podem ser dosados, assim como os respectivos ânions. A exatidão e reprodutibilidade são altas e as faixas de concentração são amplas (de ppm a cerca de 100%). A técnica é fundamental, pois tem-se uma quantificação de todos os elementos (desejáveis ou indesejáveis) que podem interferir no material analisado (BRUNDLE; EVANS; WILSON, 1992).

A técnica usa a radiação X cuja energia provocará os fenômenos de remoção total de elétrons no material irradiado, que por sua vez se rearranjará e emitirá uma radiação secundária através de fótons denominada fluorescente. As análises foram feitas pelo Laboratório XXXXX da UFRN, utilizando o equipamento XXXXX

SINTERIZAÇÃO

As pastilhas das amostras foram feitas por prensagem uniaxial com pressão 1,5 ton/cm2. Foi adicionado ao pó cerca de 2% em massa de água destilada para lubrificação do pó e melhora da compactação. Para garantir a homogeneidade de água pelo pó, após a adição da água e antes da prensagem, o pó foi mantido em um pequeno saco fechado. Cada pastilha, antes da sinterização, apresenta em média 1,00g e 12,00 mm de diâmetro. 

Quatro amostras são colocadas sobre um suporte de alumina e são introduzidas até a zona de 500°C para serem secas por 2h e a partir deste ponto são aquecidas rapidamente até a temperatura de sinterização por 2h. As taxas de aquecimento são de cerca de 5°C/ min. A sinterização foi feita a 1000°C, 1100°C e 1200°C, gerando 12 amostras a serem analisadas, conforme Tabela 2.

Amostras obtidas após a sinterizaçãoAmostras obtidas após a sinterizaçãoO autor, 2017

DENSIDADE

O volume da amostra será determinado medindo-se o diâmetro, Φ, espessura, E, e a massa, m, das pastilhas. As médias dos valores obtidos para o diâmetro e para a espessura, medidas em diferentes pontos serão usadas para calcular a densidade, ρ, assumindo a forma cilíndrica da amostra: 

ρ = 4m/π Φ2E                                                                                                  (2)

RESULTADOS E DISCUSSÕES

DIFRAÇÃO DE RAIOS X

O difratograma dos pós obtidos pelo método Pechini são exibidos na sequência. A análise das fases cristalinas foi realizada utilizando-se como referência as fichas cristalográficas PDF 01-076-8056 (α-Al2O3) e PDF 01-070-6979 (MgAl2O4), as quais podem ser consultadas nos ANEXOS. 

Difratograma dos pós de alumínio sem dopagemDifratograma dos pós de alumínio sem dopagemLaboratório de redução IFES – Campus Vitória

Difratograma dos pós de alumínio dopados com 1% de magnésioDifratograma dos pós de alumínio dopados com 1% de magnésioLaboratório de redução IFES – Campus Vitória

Difratograma dos pós de alumínio dopados com 2% de magnésioDifratograma dos pós de alumínio dopados com 2% de magnésioLaboratório de redução IFES – Campus Vitória

Difratograma dos pós de alumínio dopados com 5% de magnésioDifratograma dos pós de alumínio dopados com 5% de magnésioLaboratório de redução IFES – Campus Vitória

 Pode-se verificar a presença da fase cristalina α-Al2O3 na Figura 8 o que era esperado devido a temperatura que o material foi pirolisado e a ausência de magnésio na composição. Nas figuras 9, 10 e 11 percebe-se o aumento gradativo na intensidade dos ângulos referentes a fase espinélio (MgAl2O4), isso ocorre devido ao aumento nas quantidades de magnésio dopado em cada amostra.

Fluorescência de raios X  

A composição química do pó resultante da análise por fluorescência de raios X é apresentada na tabela 3. Temos como principais impurezas o CaO, SiO2 e o Fe2O3 que são provenientes dos reagentes químicos utilizados, uma vez que essas são impurezas do minério e são difíceis de serem totalmente removidas devido às suas semelhanças com o Mg e Al.

Composição química dos pós sinterizados pelo metodo PechiniComposição química dos pós sinterizados pelo metodo PechiniO autor (2017)

Área de superfície específica e granulometria

As medidas de área de superfície específica resultam em 0,305; 0,25; 0,253 e 0,189 m2/g, para as sem dopagem, com 1, 2 e 5% de MgO, respectivamente. Supondo que as partículas são esféricas, pode-se estimar o tamanho do grão partindo das seguintes equações:

S = N4πR2                                                                                                       (3)

Vesp = N(4πR3)/3                                                                                             (4)

Vesp = 1/ρt                                                                                                        (5)

Sendo S a área de superfície específica, N o número de grãos por
grama, R o raio da esfera, Vesp o volume específico e ρt a densidade teórica do material, chega-se à seguinte expressão:

D =   6                                                                                                              (6)

       ρtS

onde D é o diâmetro da partícula.

  Assumindo que a densidade teórica da α-Al2O3 é 3,985 g.cm-3 (CAI; et al, 2002), a equação (6) resulta em um diâmetro médio das partículas de:

Pós de alumina sem dopagem:     D = 4,936 μm

Pós de alumina com 1% de MgO: D = 6,022 μm

Pós de alumina com 2% de MgO: D = 5,951 μm

Pós de alumina com 5% de MgO: D = 7,966 μm

Os resultados dos ensaios granulométricos são apresentados nas Figura 12, 13, 14 e 15. Por meio dessa técnica foram encontrados tamanhos médios de partículas de aproximadamente 47,520; 57,085; 57,978 e 81,659 μm para as amostras sem dopagem, com 1, 2 e 5% de MgO, respectivamente. Ao comparar os resultados com as medidas de área específica, conclui-se que o pó sintetizado é bastante fino, porém apresenta aglomerados.

Distribuição granulométrica do pós de alumina sem dopagemDistribuição granulométrica do pós de alumina sem dopagemO autor (2017)

Distribuição granulométrica do pós de alumina com 1% de MgODistribuição granulométrica do pós de alumina com 1% de MgOO autor (2017)

Distribuição granulométrica do pós de alumina com 2% de MgODistribuição granulométrica do pós de alumina com 2% de MgOO autor (2017)

Distribuição granulométrica do pós de alumina com 5% de MgODistribuição granulométrica do pós de alumina com 5% de MgOO autor (2017)

DENSIFICAÇÃO

As medidas das densidades de todas as pastilhas antes e após o processo de sinterização nas diversas temperaturas é mostrada nas Tabela 4 e 5

Densidade das pastilhas antes da sinterizaçãoDensidade das pastilhas antes da sinterizaçãoO autor (2017)

Densidade das pastilhas após a sinterizaçãoDensidade das pastilhas após a sinterizaçãoO autor (2017)

De acordo com os dados de densidades calculados é possível observar um aumento,de maneira geral, na densificação das pastilhas após a sinterização. Ao se comparar a temperatura final do processo nas pastilhas, percebeu-se que as amostras sinterizadas a  temperaturas maiores apresentaram maior densidade final, devido ao crescimento dos grãos. O aumento na quantidade de MgO provocou acréscimo na densidade do material, principalmente nas amostras com adições de 5% em massa desse óxido.

Conclusão

As pastilhas sintetizadas apresentaram uma divergência na quantidade molar de MgO esperada devido a possíveis erros de pesagem e contaminações causadas pelo uso de reagentes antigos. Tal erro, entretanto, não influenciou significativamente nos resultados, umas vez que somente a diferença entre os teores é suficiente para analisar a influência da dopagem.

Os pós preparados pelo método Pechini apresentaram grande área superficial ao mesmo tempo que o ensaio granulométrico indicou o crescimento dos aglomerados conforme aumentava o teor de MgO.

A sinterização mostrou que adições de MgO aumentam a densidade do produto final e quando presente em altos teores tendem a ter essa propriedade próxima a da alumina sem dopagem. O aumento na temperatura final de processamento foi o fator determinante na sinterização e consequente densificação do material em todos os teores de dopagem.

ANEXO A — PDF 01-076-8056 – Ficha catalográfica Al2O3 – fase alfa

ANEXO B — PDF 01-070-6979 – Ficha catalográfica Óxido de magnésio – Fase espinélio

feito

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