Engenharia de Materiais e Nanotecnologia - Teses - EE Higienópolis
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- TeseAplicação de materiais lamelares inorgânicos no desenvolvimento de membranas nanoestruturadasAquino, Caroline Brambilla de (2024-08-26)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
A crescente demanda por processos eficientes na separação óleo-água em indústrias, como a petrolífera e a de tratamento de efluentes, evidencia a necessidade de desenvolver membranas com desempenho superior. Os principais obstáculos a serem superados são a incrustação (fouling), que reduz a eficiência e a durabilidade das membranas, e a dificuldade de equilibrar seletividade e permeabilidade. Este trabalho aborda o desenvolvimento de membranas nanoestruturadas utilizando materiais lamelares inorgânicos para a separação de misturas óleo-água. O principal objetivo na aplicação desses materiais foi encontrar a melhor condição para tratamento de água produzida, superando os desafios de incrustação. A água produzida, é composta por uma mistura de água que está presente no reservatório junto com o petróleo ou gás) e, em alguns casos, para ajudar a aumentar a pressão do reservatório e facilitar a produção. As membranas poliméricas comerciais apresentam 95% de efetividade na retenção de contaminantes; porém, não são uma solução para os efeitos de entupimento em sistemas de filtração, ocasionado pelas espécies orgânicas. A modificação dessas membranas com argilas minerais bidimensionais é uma estratégia para modular as propriedades das membranas, orientar as camadas, controlar a espessura, reter íons e moléculas menores, funcionalizar e promover maior seletividade. As argilas: Vermiculita (VMT), Montmorilonita (MMT) e Talco foram selecionadas para modificar a superfície de membranas comerciais. Como elas apresentam diferentes propriedades, tais como carga e caráter hidrofílico, foi possível identificar quais características são essenciais para melhorar a eficiência desses sistemas. Para isso diferentes métodos de esfoliação foram utilizados: esfoliação direta, esfoliação assistida por intercalação e esfoliação assistida por troca iônica. As análises para determinação do potencial zeta permitiram acompanhar as mudanças na carga das estruturas em função do íon intercalante, e as técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de força atômica (AFM) revelaram o sucesso da esfoliação. As suspensões das argilas esfoliadas foram utilizadas para a modificação da superfície da membrana de poliamida (PA) por meio do processo de filtração a vácuo. As membranas foram caracterizadas por difratometria de raios-X e por medidas do ângulo de contato em função do método de gota séssil. Os resultados obtidos permitiram identificar as propriedades de molhabilidade e hidrofilicidade das Aplicação de Materiais Lamelares Inorgânicos no Desenvolvimento de Membranas Nanoestruturadas 12 membranas produzidas. Cada uma das argilas modificou as propriedades de superfície da membrana PA de uma forma diferente, alterando sua característica hidrofílica para superhidrofílica ou hidrofóbica, dependendo do mineral. A atuação das membranas modificadas em um processo de separação óleo-água foi avaliada por meio de sistemas de filtração tangencial e axial, ambos em baixa pressão. As membranas tratadas foram eficientes na separação de uma emulsão tolueno-água, resultando em valores de rejeição da espécie oleosa superiores a 99%, com destaque para a membrana de VMT, que também apresentou uma excelente propriedade anti incrustante após 42 horas de fluxo no sistema de filtração. A permeabilidade da membrana nanoestruturada se mostrou estável ao longo desse período, mantendo sua capacidade de rejeição próxima a 100%, enquanto a membrana comercial mostrou efeitos de entupimento em oito horas de processo e redução na rejeição de contaminantes. Nesse contexto, o estudo mostrou que as argilas minerais possuem potencial significativo para modulação de propriedades de superfícies das membranas, tornando-as atraentes para resolver desafios em processos de separação óleo-água. - TeseDesenvolvimento de punção e matriz de alta resistência mecânica e ao desgaste para conformação de tampas twist off para industria de alimentosAugusto, Arnaldo (2024-08-30)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O foco na resistência ao desgaste neste processo de fabricação é a perda de produtividade e qualidade do produto na presença de impurezas ou desgaste natural da ferramenta. O estudo utilizou como referência a estampagem de tampas twist off de folhas de aço espessura 0,17mm com baixo teor de carbono com revestimento de cromo ou estanho para potes de vidro na indústria alimentícia. Outro fator a ser considerado no processo fabril diz respeito a reutilização do ferramental através da reafição. O aço AISI-D6 foi substituído pelo aço ferramenta temperado e revenido S790 Microclean® com revestimento duplex de PVD. Apesar do apreciável ganho em produtividade que a ferramenta de aço S790 Microclean® com revestimento duplex (nitretação+PVD de AlCrN), constatou-se grande dificuldade na reutilização dos punções, pois a reafiação obriga a se submeter a ferramenta ao mesmo tratamento, após remoção química do revestimento. Esta operação é demorada e onerosa e por este motivo se partiu para uma quebra de paradigma, estudando-se a possibilidade de utilização de outra classe de material nesta aplicação com uma resistência ao desgaste eventualmente superior, procurando correr o menor risco em termos de redução de resistência mecânica, além de considerar custo de ferramental, manutenção e tempo de set-up de máquina. Analisando cerâmicos e cerâmicos com baixa porcentagem de matriz metálica, optou-se pelo metal duro WC-Co, consagrado em várias aplicações. Estudaram-se três classes de metal duro de elevado teor de cobalto com controle de granulometria dos carbonetos de tungstênio, otimizado em termos de resistência mecânica, com teores de cobalto crescentes: GD30, GD40 e GD50. Tomando-se as características mecânica e de resistência ao desgaste do S790 Microclean® revestido (punção) determinadas em estudo anterior, resistência à compressão de 3,75 GPa, dureza HRV 1129 e a rugosidade do aço S790 com revestimento, o que mais se aproxima do último é o GD40. O desgaste do GD30 foi observado na matriz. A montagem do ferramental (punção) contou com 08 em aço S790 revestido, 02 com GD40 e 02 com GD50. O GD50 não prosseguiu nos testes por apresentar elevada concentração de porosidade. A liga GD40 apresentou bom comportamento, após 3000 horas de trabalho, sendo uma ótima possibilidade para os punções. Comparando o punção em GD40 com relação ao S790 Microclean® com revestimento duplex PVD, o mesmo produziu o triplo com um custo inferior de 42,5%. Dentro da variada oferta de classes de metal duro (WC-Co) após verificação dos dados disponíveis na indústria e alguns testes mecânicos optou-se pela utilização da classe GD30 como matriz e GD40 como punção. - TeseEstudo da influência da microadição de nióbio nas variáveis térmicas de solidificação e microestruturas da liga CuAl10Ni5Fe5Teram, Rogerio (2024-08-09)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O objetivo deste trabalho é analisar a influência da microadição de nióbio sobre as variáveis térmicas de solidificação e microestruturas da liga de bronze-alumínio níquel (CuAl10Ni5Fe5) obtida após a solidificação do lingote. O lingote foi obtido por fundição da liga comercial (CuAl10Ni5Fe5) com adição de liga-mãe de nióbio (Nb 22Al-1Fe) solidificada em uma lingoteira de grafite montada em um dispositivo de solidificação com sistema de resfriamento acoplado. O calor foi extraído de forma unidirecional ascendente através de refrigeração por água na base da lingoteira de grafite. As variáveis térmicas de solidificação, entre elas, velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL), taxa de resfriamento (TR) e gradiente térmico (GL) foram avaliadas em função da distância da superfície de extração de calor no lingote. As análises e ensaios foram realizadas na estrutura bruta de solidificação. A composição química foi analisada por espectrometria de emissão atômica por plasma indutivamente acoplado (ICP-OES). As microestruturas foram analisadas por microscopia óptica (MO) e por microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia por energia dispersiva (MEV-EDS) em cada posição do termopar. A dureza foi medida nas posições dos termopares no lingote e correlacionadas com as variáveis térmicas de solidificação. Foram medidas a permeabilidade magnética, a condutividade elétrica e calculada a resistividade elétrica para o lingote obtido. Pôde se observar que maiores taxas de resfriamento e velocidades de deslocamento da isoterma liquidus maiores apresentaram maiores valores de dureza. Evidenciou-se por EDS que o nióbio se associou a partículas com alto teor de ferro, no caso, partículas kappa II (κII). As análises por difração de raios X (DRX) permitiram quantificar os intermetálicos presentes na liga fundida. - TeseInfluência do nióbio e morfologia dos seus carbonetos nas propriedades dos ferros fundidos cinzentos utilizados em discos de freioNocera, Eduardo (2024-08-15)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Foi estudado como controlar a morfologia dos carbonetos de nióbio com e sem a adição de titânio em ferro fundido cinzento classe FC250. O controle da morfologia dos carbonetos de nióbio através da adição de titânio pode ser uma ferramenta valiosa no projeto de ligas avançadas com propriedades mecânicas superiores. A formação de carbonetos tipo “escrita chinesa” pode fragilizar a matriz devido a complexa forma geométrica e alta dureza situados em uma matriz metálica com dureza menor. O presente trabalho visou estabelecer uma quebra de paradigma com relação a limitação da porcentagem de nióbio e sua influência nas propriedades mecânicas, uma vez que o mercado automotivo limita a adição em 0,2% para discos de freio devido a uma influência no espaçamento interlamelar da perlita e o número de células eutéticas, aumentando assim a resistência mecânica e causando dificuldades de usinagem. Primeiramente foi vazado por fundição em areia 05 (cinco) ligas com teores de nióbio que variam entre 0,00% e 0,681% com diferentes taxas de resfriamento. Um segundo vazamento foi realizado com teores de nióbio de 0,9% onde uma liga possuía 0,122% de titânio e a outra sem a adição deste elemento. A evolução da microestrutura para todas as condições de vazamento foi caracterizada por microscopia óptica, por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e por microscopia digital (DSX). As ligas contendo 0,9% de nióbio, com e sem titânio, foram avaliadas em teste de riscamento (Scrtach Test) para avaliação da fragilidade dos carbonetos e correlação com resistência ao desgaste. Na sequência foi feito um teste de fadiga térmica utilizando-se equipamento para ensaio de fadiga térmica. Os resultados indicaram que o processo de fundição tem maior influência na distribuição e tamanho das grafitas do que o efeito do nióbio como agente refinador. Além disso foi possível observar que não houve influência do nióbio no espaçamento da perlita e que os valores de dureza não se alteraram com a adição deste elemento. O ensaio de fadiga térmica não detectou diferenças entre as amostras com 0,00% e 0,681% de nióbio onde ambas trincaram após 200 ciclos. O titânio exerce uma forte influência no controle da morfologia dos carbonetos de nióbio, transformando-o de uma estrutura tipo “escrita chinesa” para poligonal. Foi possível observar também que os carbonetos tipo “escrita chinesa” são mais frágeis e menos resistentes ao desgaste. - TeseInfluência do tratamento de criogenia nas propriedades tribológicas do ferro fundido branco alto cromoBussoloti, Robson Silva (2024-06-07)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
As ligas de ferro fundido branco alto cromo de elevada dureza foram desenvolvidas para aplicações onde requerem excelente resistência ao desgaste abrasivo, como, por exemplo, nas indústrias de mineração, fabricação de bombas de sucção, componentes das máquinas de limpeza mecânica por jateamento entre outras aplicações. A resistência ao desgaste abrasivo destes materiais está relacionada a sua microestrutura, usualmente composta por carbonetos primários / eutéticos e secundários em uma matriz metálica constituída por martensita e uma elevada % de austenita retida, entretanto, a austenita retida presente nestes materiais possui baixa dureza prejudicando a resistência à abrasão. Este trabalho tem como objetivo investigar a influência dos tratamentos térmicos de têmpera; criogenia e revenimento na estrutura bruta de solidificação do ferro fundido branco alto cromo em termos de sua microestrutura e comportamento quanto ao desgaste. Após a têmpera as amostras foram submetidos ao tratamento de criogenia em tanque com nitrogênio líquido por 2, 4, 8, 12 horas a – 196 °C, fixando-se este tratamento em 4 horas, pois o tempo adicional pouco influenciou na redução do teor de austenita retida, considerando-se que na prática tempos muito prolongados podem impactar negativamente na rota de fabricação destes componentes prejudicando em produtividade e custo. Na sequência estabeleceu-se para o estudo as condições de tratamento térmico: têmpera a partir de 950 °C; têmpera seguida de criogenia; têmpera criogenia e revenimento a 500 °C. Para avaliação da resistência ao desgaste, os ensaios foram conduzidos em um tribômetro tipo roda de borracha e abrasivo conforme norma ASTM G65 e paralelamente foi avaliado o desempenho em condições reais de aplicação em uma turbina de jateamento por 900 horas de trabalho. A evolução da microestrutura para estrutura bruta e após as três condições de tratamento térmico foi caracterizada por microscopia óptica e por microscopia eletrônica de varredura (MEV). A quantificação da austenita retida foi realizada por DRX (Difração de raio X). Os resultados indicaram grande redução da porcentagem de austenita retida. Foram perceptíveis as evoluções microestruturais com aumento da resistência ao desgaste nos materiais tratados por criogenia.