Aprimoramento das propriedades térmicas e mecânicas de isolantes refratários macroporosos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Finhana, Icaro Caldeira
Orientador(a): Pandolfelli, Victor Carlos lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
CAC
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19937
Resumo: The pursuit of environmentally friendly and health-conscious solutions has driven the replacement of ceramic fiber-based thermal insulators with macroporous refractories. The latter offer several benefits, including reduced thermal conductivity at high temperatures and toxicity, depending on the processing route applied. The literature underscores that surfactant-stabilized foams, achieved through the direct foaming of an optimized blend of raw materials and additives, yield highly porous ceramics with appropriate mechanical strength and thermal conductivity. Furthermore, the introduction of CaCO3 into alumina-based compositions has emerged as an effective means to lower the mechanical strengthening temperature (TS) and counteract the sintering-induced shrinkage of these porous refractories through in situ formation of CA6. However, such systems have not yet attained the desired pore size and require pre-firing at elevated temperatures before installation. Aiming to enhance these materials, diverse approaches have been examined. Firstly, the reduction of the particle size of calcium aluminate cement (CAC), utilized as a binder, was investigated for both ultrastable systems and those stabilized by surfactants. This led to a decrease in the average pore size in the former case but yielded no significant alterations in the latter. Hence, for the latter case, pre-expanded polymeric microspheres (Expancel) were utilized as a sacrificial template to generate smaller pores. The combination of direct foaming with the incorporation of these microspheres resulted in highly porous ceramics with suitable mechanical strength and lower thermal conductivity (0.36 - 0.49 W.m-1.K-1). Finally, with the aim of reducing energy consumption during the sintering of these ceramics, the use of microwaves was assessed. It was concluded that a firing process at 1400 °C for 15 minutes, proved sufficient to sinter these materials and produce an amount of CA6 equivalent to traditional firing at 1600 °C for 5 hours, delivering substantial time and energy savings.
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The literature underscores that surfactant-stabilized foams, achieved through the direct foaming of an optimized blend of raw materials and additives, yield highly porous ceramics with appropriate mechanical strength and thermal conductivity. Furthermore, the introduction of CaCO3 into alumina-based compositions has emerged as an effective means to lower the mechanical strengthening temperature (TS) and counteract the sintering-induced shrinkage of these porous refractories through in situ formation of CA6. However, such systems have not yet attained the desired pore size and require pre-firing at elevated temperatures before installation. Aiming to enhance these materials, diverse approaches have been examined. Firstly, the reduction of the particle size of calcium aluminate cement (CAC), utilized as a binder, was investigated for both ultrastable systems and those stabilized by surfactants. This led to a decrease in the average pore size in the former case but yielded no significant alterations in the latter. Hence, for the latter case, pre-expanded polymeric microspheres (Expancel) were utilized as a sacrificial template to generate smaller pores. The combination of direct foaming with the incorporation of these microspheres resulted in highly porous ceramics with suitable mechanical strength and lower thermal conductivity (0.36 - 0.49 W.m-1.K-1). Finally, with the aim of reducing energy consumption during the sintering of these ceramics, the use of microwaves was assessed. It was concluded that a firing process at 1400 °C for 15 minutes, proved sufficient to sinter these materials and produce an amount of CA6 equivalent to traditional firing at 1600 °C for 5 hours, delivering substantial time and energy savings.A busca por soluções ambientalmente amigáveis e atentas à saúde tem impulsionado a substituição dos isolantes térmicos à base de fibras cerâmicas por refratários macroporosos. Estes últimos apresentam diversas vantagens, como menores condutividade térmica a alta temperatura e toxicidade, dependendo do processo de produção adotado. A literatura destaca que as espumas estabilizadas por surfactantes, obtidas pela espumação direta de uma combinação otimizada de matérias-primas e aditivos, resultam em cerâmicas altamente porosas com resistência mecânica e condutividade térmica adequadas. Além disso, a incorporação de CaCO3 em composições à base de alumina (Al2O3) foi identificada como uma forma eficaz de reduzir a temperatura de fortalecimento mecânico e compensar a retração de queima desses refratários porosos pela formação de CA6 in situ. No entanto, tais sistemas ainda não atingem o tamanho de poros desejado e requerem uma queima prévia a altas temperaturas antes da instalação. Nesse sentido, visando aprimorar esses materiais, diversas abordagens foram analisadas. Primeiramente, a redução do tamanho de partícula do cimento de aluminato de cálcio (CAC), usado como ligante, foi investigada tanto para sistemas ultraestáveis como para àqueles estabilizados por surfactante. Isso resultou em uma diminuição no tamanho médio de poro no primeiro caso, mas não produziu mudanças significativas no segundo. Assim, para este último, microesferas poliméricas pré-expandidas (Expancel) foram empregadas como modelo de sacrifício para gerar poros menores. A combinação de espumação direta com o uso dessas microesferas resultou em cerâmicas altamente porosas, com resistência mecânica adequada e menor condutividade térmica (0,36 - 0,49 W.m-1.K-1). Finalmente, visando reduzir o gasto energético na sinterização dessas cerâmicas, o uso de micro-ondas foi avaliado. Constatou-se que um processo de queima a 1400 °C/15 min, foi suficiente para sinterizar estes materiais e produzir uma quantidade de CA6 equivalente à queima tradicional a 1600 °C/5 h, proporcionando uma significativa economia de tempo e energia.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.639814/2021-00porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessRefratários macroporososEspumação diretaCACMicro-ondasCACExpancelExpancelMacroporous refractoriesDirect foamingMicrowavesENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICAAprimoramento das propriedades térmicas e mecânicas de isolantes refratários macroporososEnhancing the thermal and mechanical properties of macroporous refractory insulatorsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTIcaro Caldeira Finhana - Dissertação.pdf.txtIcaro Caldeira Finhana - Dissertação.pdf.txtExtracted texttext/plain103335https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/147abb7f-92a3-472c-b0a6-7ca71f5fd96e/download38cdfa723024c873a3c9f761d370a13bMD53falseAnonymousREADTHUMBNAILIcaro Caldeira Finhana - Dissertação.pdf.jpgIcaro Caldeira Finhana - Dissertação.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3804https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/556285a8-b8b4-4f43-ad18-caaf15cc2e8f/download767fa1156489f4c578e8f44c286d17ddMD54falseAnonymousREADORIGINALIcaro Caldeira Finhana - Dissertação.pdfIcaro Caldeira Finhana - Dissertação.pdfIcaro Caldeira Finhana - Dissertaçãoapplication/pdf5046953https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b6d338da-7577-4c9b-9f77-f087c1f3fcf5/download0cb1957b2bc68ac5da2e61fb549277d9MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/90136e40-b98c-4c72-9b94-5d04420461fd/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREAD20.500.14289/199372025-02-06 02:20:15.857http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/19937https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T05:20:15Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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