Materiais nanoestruturados. Desenvolvimento e aplicações nos

revestimentos de proteção anticorrosiva

Rute Fontinha e Manuela Salta

Departamento de Materiais

Núcleo de Materiais Metálicos

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cidades e desenvolvimento | LNEC, Lisboa, 18 – 20 junho 2012engenharia para a sociedade investigação e inovação

Materiais nanoestruturados – o que são ?

� Não existe uma definição universal

� (SCENIHR) - materiais que contêm estruturas internas ou externas com uma ou mais dimensões na escala de 1 nm a 100 nm

Tipos de materiais nanoestruturados: (a) 3D<100 nm – partículas e “clusters”; (b) 2D<100 nm - nanofibras, fios e nanotubos; (c) 1D<100 nm filmes, revestimentos, redes; (d) “0”D – outros nanomateriais.

(a) (b) (c) (d)

Fonte: Office of Basic Energy SciencesOffice of Science, U.S. DOE

glóbulos vermelhos(~7-8 µm)

Cinza volante

~ 10-20 µm

cabeça de um prego1-2 mm

“48 átomos de ferro numa superfície de cobre diâmetro: 14 nm

cabelo humano~ 60-120 µm (diâmetro)

formiga~ 5 mm

ácaro

200 µm

ATP sintase

~10 nm de diâmetro Eléctrodo de nanotubos

Nanotubo de carbono~1.3 nm de diâmetro

Mic

rom

un

do

0.1 nm

1 nanómetro (nm)

0.01 µµµµm

10 nm

0.1 µµµµm

100 nm

1 micrómetro (µµµµm)

0.01 mm

10 µµµµm

0.1 mm

100 µµµµm

1 milímetro (mm)

1 cm

10 mm10-2 m

10-3 m

10-4 m

10-5 m

10-6 m

10-7 m

10-8 m

10-9 m

10-10 m

Vis

ível

Nan

om

un

do

1,000 nanómetros = Infr

aver

mel

ho

Ult

ravi

ole

taM

icro

on

das

Rai

os

X

1,000,000 nanómetros =

dispositivosMicroelectromecânicos

(MEMS)largura : 10 -100 µm

glóbulosvermelhos

grão de pólen

Fulereno

~1 nm de diâmetro

Estrutura “Self-assembled”Várias dezenas de nm

átomos de silícioEspaçamento: 0.078 nm

DNA~2-1/2 nm de diâmetro

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Alguns produtos da construção podem ser considerados ou constituídos por materiais nanoestruturados :

Alumínio anodizado Betão

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Aplicação de materiais nanoestruturados na construção

MATERIAIS NANOESTRUTURADOS

MATERIAIS NANOESTRUTURADOS

Resistência química

Leveza Flexibilidade

Resistência mecânica

Durabilidade

AutolimpezaAutolimpeza

biocidabiocida

Isolamento térmico

Isolamento térmico

AnticorrosãoAnticorrosão

sensorsensor

Produção de energia

Produção de energia

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Adição de nanomateriais ao betão � nano-SiO2

Função: � melhoria da resistência e trabalhabilidade

� aumenta a resistência à penetração de água e lixiviação de Ca

� microestrutura promove as reações pozolânicas e de hidratação

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Nano cristais que aceleram o processo de endurecimento do betão

Adição de nanomateriais ao betão (ação à nanoescala)

Função:

BASF – X-SEED

� aumento da resistência à compressão mais rápido

� redução consumo energético e de emissões de carbono

� Nano-cristais � Nanotubos de C

Função:

� aumento da resistência mecânica geral e da resistência à fissuração

futuro

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Aço com microestrutura modificada (ação à nanoescala)

Microestrutura lamelar

minimiza efeitos microgalvânicos

Função:

� aumento da resistência à mecânica, ductilidade e rigidez

� aumento resistência à corrosão

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Adição de nanomateriais ao betão � nanofibras ópticas

World Expo

Shanghai, China,

Pavilhão Italiano

Função:

� tornar o betão transluzente

A transmissão

de luz é maior na

direção em que as fibras

estão alinhadas

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Aerogel de sílica� leveza

� isolamento térmico e acústico

� iluminação

� Nanomaterial como produto da construção

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Adição de nanomateriais ao betão � nano-TiO2

Função: � auto-limpeza

� promove a degradação de poluentes atmosféricos (NOx, CO, SOx )

� melhoria de resistência à compressão e à abrasão

Ação fotocatalítica Igreja da Divina Misericórdia (Roma)

Paredes brancas, limpas por muito tempo

TiO2 anatase

UV

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Revestimentos nanoestruturados contendo nano-TiO2

• vidros

Função: � auto-limpeza

� anti-embaciamento

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• fachadas de edifícios

Revestimentos nanoestruturados híbridos contendo nano-SiO2

Função:

� auto-limpeza

� anti-envelhecimento:

menor retenção de poeiras

resistência ao enfarinhamento

resistência à fissuração

melhor retenção de cor

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Revestimentos nanoestruturados proteção anticorrosiva (metais)

em desenvolvimento

Substituição dos pré-tratamentos à base de crómio (VI)

� Elevada toxicidade ambiental

Sistemas integrados de revestimento multifuncionais

� Dispensa pré-tratamento

� Mais amigos do ambiente

iníciofu

turo

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HÍBRIDO

orgânico inorgânico

• flexibilidade• compatibilidade orgânica•hidrofobicidade

• resistência química• dureza• aderência à base

polímeros cerâmicos

Ef. Sinérgico

Propriedades ÚNICAS

Revestimentos híbridos nanoestruturados � promissores

� reduzida espessura

� resistência química

� ação anticorrosiva – barreira

Existem algum aplicações comerciais:

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Espécies

corrosivas

Alumínio

Revestimento

Inibidor

nanopartículas

Óxidos passivantes

Revestimentos híbridos nanoestruturados � Estudos LNEC

• Ligas de alumínio

� promotor aderência (s/ Cr)

� ação anticorrosiva (barreira+ativa)

Função:

Após ensaio de corrosão

Esquema do revestimento nanoestruturado [a](AFM) Morfologia da superfície do revestimento

Incorporação de inibidores de corrosão em nanopartículas formadas in situ Ação anticorrosiva ativa

Rev. hibridos

com lacagem

[a] I. Rute Fontinha - Tese doutoramento

Nanoestruturade SiO2-ZrO2

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Revestimentos híbridos nanoestruturados � Estudos LNEC

• Aço e aço galvanizado

Esquema do revestimento nanoestruturado [b]

[b] Rita Figueira - Tese doutoramento (em curso)

� auto-reparadora“self-healing”

� ação anticorrosiva (barreira+ativa)

� maior durabilidade

Função:

Para além da introdução de inibidores de corrosão, são incorporados no revestimento híbrido agentes reparadores da matriz deste

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Ligas de alumínio

Revestimentos nanoestrurados

Desenhados à medida

FIM

Revestimentos híbridos nanoestruturados � Estudos LNEC

Aço, aço galvanizado

DIFERENTES SUBSTRATOS

Ligas de cobre

Materiais vítreos

Madeira

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O revestimento de oxidação anódica do alumínio anodizado é constituído por uma estrutura nanoporosa

Camada barreira~ 2-200 nm

Alumínio

Camada porosa: Øporo~ 20 – 100 nm

Estrutura do revestimento anódico

Imagem no MEV

Até

15

-3

0 µ

m

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O betão é um material complexo, nanoestrurado: é constituído por uma faseamorfa, nano-micro cristais, e água. A fase amorfa, silicatos de cálcio hidratados(CSH) – a “cola” que mantem o betão agregado – também é nanoestruturada

CSH

macro micro nano

Resolução atómica 20 x 20 nm2

As propriedades e os processos à nanoescala definem interações entre partículas efases que ocorrem à microescala e os efeitos das cargas aplicadas e do meioenvolvente à macroescala.

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Nanotubos de carbono

O betão auto sensor – propriedades elétricas sensíveis à variação de tensões(compressão)

� segurança estrutural

� sensor de tráfico

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Obrigada pela atenção

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