Ciência & Tecnologia dos Materiais

Valorização das escórias da celulose do caima por técnicas de vitrificação

Um dos mais graves problemas ambientais com que se debatem actualmente os países civilizados está relacionado com a dificuldade de encontrar o destino certo para os resíduos industriais. Um exemplo destes resíduos são as escórias produzidas pelas caldeiras de biomassa, as quais são habitualmente reutilizadas em misturas com lamas para correctivo de solos, no enchimento de estradas, na inertização de lamas de etares ou são simplesmente depositadas em aterros. São estes resíduos, sem utilização ou indesejáveis pelo seu detentor, que podem apresentar potencialidades para valorização. O objectivo deste trabalho foi testar uma forma de valorizar este tipo de resíduos. Foram utilizadas escórias provenientes do leito da caldeira de biomassa da Celulose do Caima, indústria produtora de papel situada em Constância-Sul que origina cerca de 70 toneladas de escórias por mês. A vitrificação destas escórias foi o processo testado, tendo em conta a sua composição química e mineralógica. As escórias foram caracterizadas física, química, mineralógica e termicamente, sendo notório o seu elevado teor em SiO2 (> 81%) e o reduzido tamanho médio de partículas (entre 0,06 e 53 mm). Para favorecer a formação de um fundido com viscosidade adequada ao vazamento utilizou-se Na2O, como agente fundente, proveniente da soda Solvay. A mistura fundida a 1450 ºC deu origem a um vidro de cor verde, homogéneo e trabalhável. Os resultados da caracterização deste vidro por Análise Térmica Diferencial e por Análise Dilatométrica sugeriram que o material obtido tem propriedades térmicas idênticas à de outros materiais obtidos por vitrificação de resíduos e tem potencialidades para ser submetido a tratamentos térmicos posteriores que conduzam à obtenção de materiais estruturais com aplicação na construção civil tais como revestimento e pavimento.

One of the most serious environmental problems of the developed countries is related with the difficulty in finding alternative treatments for the produced industrial wastes. Slag produced by biomass boilers is an example of these industrial wastes and is usually used for road wadding, land corrective mixtures, sludge inertization or landfilling. However, these undesirable wastes can offer interesting valorisation capabilities. The main purpose of this work was to try an alternative way of recycling industrial wastes from a biomass boiler. The slag was produced in a Portuguese plant Celulose do Caima, located in Constância-Sul, and producing about 70 tons of slag per month. Vitrification of the slag was the tested procedure as suggested by its chemical and mineralogical composition. Physical, chemical, mineralogical and thermal characterisation of the slag indicated a high proportion of SiO2 (>81%) and a particle size distribution in the range 0,06-53 mm. In order to produce a melt of suitable viscosity for casting and aiming to favour vitrification, Na2O was used as fluxing agent, which was provided by soda Solvay. The mixture was heated at 1450 ºC and gave rise to a castable melt and a homogeneous green coloured glass on cooling. Characterisation of the obtained glass by differential thermal analysis and dilatometry showed thermal properties similar to the ones of other glasses obtained from waste vitrification. The results also indicated that these glasses are capable of being further heat treated to obtain structural materials to be used in building applications, such as floor and wall cladding panels.

Análise do desempenho de pilhas de combustível do tipo pemfc com cátodo aberto ao ar

As pilhas de combustível a hidrogénio do tipo membrana de permuta protónica (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC), produzidas pela empresa SRE - Soluções Racionais de Energia, SA caracterizam-se pela inserção do hidrogénio no ânodo ser efectuada através de um sistema de canais fechados e pelo facto do cátodo ser aberto ao ar. O presente trabalho teve como objectivo efectuar uma análise do desempenho e dos efeitos do envelhecimento das pilhas modelo SRE 10SR4-A, que são constituídas por 8 células, com potência nominal de 10 W. Para tal, diferentes pilhas foram ensaiadas em situações de funcionamento real sob corrente constante, por diferentes períodos de tempo (808h, 1503h e 2126h) em condições de pressão e temperatura ambiente. O desempenho das pilhas foi estudado examinando as curvas de polarização. Após o período de testes, as MEA (Membrane Electrode Assembly) que apresentaram melhor e pior tensão individual foram retiradas de cada uma das pilhas para caracterização por Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM).

This work is focused on the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack, model 10SR4-A from SRE - Soluções Racionais de Energia, SA. It is a stack composed of 8 cells, with nominal power of 10 W and its most remarking characteristic consist of an open-air cathode while hydrogen is supplied to the anode in a dead-end mode. In order to study the performance and aging effects on morphological features of the Membrane Electrode Assembly (MEA) stacks were assembled and tested in a real life functioning situation under ambient pressure and temperature. The stacks were operated under steady load for different lengths of time: 808h, 1503h and 2126h. Stacks performance was studied by examining the stacks polarization curves. After the lifetime tests, the MEAs from the cells that presented better and worst individual voltage, for each stack, were taken for characterization by Scanning Electron Microscopy (SEM).

Lead-free soldering processes in the electronic industry: industrial implementation at SMES

Following the implementation of the new European environmental directives, Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances (RoHS) and Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE), which involve the ban of lead from electronic and electrical products, this work presents process development work, production and reliability testing of real products from several electric and electronic assemblers using lead-free commercial solders that have been tested and monitored to ensure the reliability of the final products. The results were compared with the ones using tin/lead solders, in terms of performance and reliability of the joints obtained. This work aims to help the implementation of the lead-free solders in the soldering processes and supply the SMEs more information about real products and conditions that might be compared with theirs. The reliability tests and characterisation of the real products from several companies showed that the lead-free boards demonstrated a good performance under testing, being equivalent or better than the tin/lead ones. The defects or anomalies found in most of the joints (voiding and pad lifting) result from the manufacturing process. Most of the defects were found in through-hole devices and were due to component failures and not from the joint integrity. The degradation after the reliability tests of both types of solders is similar. The SMEs are engaged in taking this opportunity to reach a higher quality performance level in their processes. Some of the companies embraced this forced transition to upgrade and improve their process and facilities, bringing better capabilities and opportunities to their businesses. The objective of this work aims to be a tool of information to the SMEs of the electrical and electronic sector, in order to help them in the transition to lead-free soldering.

No decorrer da implementação das recentes directivas ambientais Europeias: Restrição do Uso de Substâncias Perigosas (RUSP) e Resíduos de Equipamentos Eléctricos e Electrónicos (REEE) surge a proibição do uso de chumbo em produtos eléctricos e electrónicos. Este trabalho apresenta o estudo de desenvolvimento de processo, produção e testes de fiabilidade em produtos reais de diversas empresas do sector eléctrico e electrónico. Vários tipos de soldas comerciais foram usadas e testadas de modo a permitir a comparação em termos de performance das soldas sem chumbo face às com chumbo. O presente trabalho tem como objectivo o apoio às PMEs (Pequenas e Médias Empresas) durante a implementação da soldadura sem chumbo nos seus processos industriais e fornecer-lhes mais informação sobre produtos reais que lhes permita comparar com a sua própria produção. Os testes de fiabilidade e a caracterização feita nos produtos em estudo demonstraram que as placas soldadas sem chumbo possuem uma boa performance em teste e são equivalentes ou superiores às placas soldadas com soldas com chumbo. Os defeitos e anomalias encontradas nas juntas soldadas resultam, essencialmente, do processo de fabrico e não das pastas e soldas utilizadas. Na sua maioria, as falhas encontradas nas placas são devidas a falha de componentes e não da integridade das juntas. A degradação das soldas após teste é similar nos dois tipos de solda. As PMEs estão motivadas em aproveitar esta transição forçada para melhorar as suas capacidades, equipamentos, processo e oportunidades de negócio. O objectivo final deste trabalho é fornecer informação às PMEs do sector eléctrico e electrónico, de modo a apoiar a sua transição para a soldadura sem chumbo.

Lead-acid battery evolution axis

The recent environmental requirements had compelled the automobile and energy production industries to look for new solutions. The hybrid and electric vehicles and the photovoltaic and wind systems are examples of this research. Thus, it became necessary to find energy storage systems (ESSs) for these new applications. This study is developed in this direction, taking as starting-point the most common SAE: the lead-acid (LAB). Subsequently, alternatives to LAB were studied. The work focused in two points: electrodes and their components. The solutions implicate the total or partial substitution of the lead electrodes by polymers, ceramic or fiber glass, being almost ready to commercialization bipolar batteries with ceramic base that announce the double of specific energy. These ceramics can also be added to the positive paste. The negative paste has been less investigated than the other. As alternative, the Li-ion battery is close to reach its development peak and his mineral reserves are an order of magnitude lower than the ones of lead/nickel. The nickel is used in the hybrid vehicles NiMH batteries, also constituted by other elements that limit their production and increase the battery cost. ZEBRA Battery is a valid option, although it requires working with temperatures above 200ºC. The ultra battery, based in LAB, can be an alternative in a near future, as well as the bipolar ones. The conclusion for storage systems for renewable energy sources is that the LAB will continue to prevail in the next decade.

As recentes imposições ambientais obrigaram a indústria automóvel e a de produção de energia a procurar novas soluções. Os veículos híbridos e eléctricos e os sistemas fotovoltaicos e eólicos são casos paradigmáticos dessa pesquisa. Assim, torna-se necessário encontrar sistemas de armazenamento de energia (SAE) para estas novas aplicações. É neste sentido que este estudo se desenvolve, tomando como ponto de partida o SAE mais difundido: o chumbo ácido (PbA). Foram posteriormente estudadas alternativas ao PbA. Devido à elevada complexidade deste, o trabalho incidiu em dois pontos: os eléctrodos e os seus constituintes. As soluções passam por substituir total ou parcialmente o chumbo dos eléctrodos por polímeros, cerâmicos ou fibra de vidro, estando próximas da comercialização baterias bipolares com base cerâmica que anunciam o dobro da energia específica. Estes cerâmicos podem também ser aditivados à matéria activa positiva. A matéria activa negativa tem sido pouco investigada. Dentro das alternativas, a bateria de Li-ião está a alcançar o seu limite de desenvolvimento e as reservas minerais estão uma ordem de grandeza abaixo das do chumbo/níquel. O níquel é utilizado nas baterias de NiMH dos veículos híbridos, constituídas também por outros elementos que limitam a sua produção e aumentam o preço da bateria. A bateria ZEBRA é uma opção válida, embora seja necessário trabalhar a temperaturas acima dos 200ºC. A ultra bateria, baseada no PbA, poderá ser uma alternativa a médio prazo, bem como as bipolares. Nos SAE para fontes de energia renováveis, concluiu-se que nenhum conseguirá substituir o PbA na próxima década.

Os materiais na história da escrita

Les élastomères cristaux liquides: Comportement élastique

Liquid Crystal Elastomers (LCE) are materials that present unique elastic properties: not only their elastic behavior changes as a function of the phase and most abruptly near the phase transitions, but also due to the possibility of spontaneous elongation. In this paper we introduce the main properties of the LCE, and we discuss the elasticity of these materials based on the thermodynamical stability of their networks. The possibility of spontaneous elongation is interpreted theoretically according to the formulation proposed by P.-G. de Gennes, by adapting the expressions of Landau, an approach known as the Landau-de Gennes theory.

Os Elastómeros Cristais Líquidos (LCE) são materiais que apresentam propriedades elásticas únicas: não somente o seu comportamento elástico varia em função da fase em que se encontram, com variações abruptas próximo das transições de fase, como apresentam ainda a possibilidade de extensão espontânea. Neste artigo, apresentamos as principais propriedades dos LCE, e discutimos o seu comportamento elástico com base na estabilidade termodinâmica da rede polimérica. A possibilidade de extensão espontânea é interpretada teoricamente de acordo com a formulação proposta por P.-G. de Gennes, adaptando as expressões de Landau, uma aproximação conhecida como a teoria de Landau-de Gennes.

Efeito da geometria na resistência residual à tracção de reparações por sobreposição simples de laminados de carbono-epóxido

The present work consists on an experimental and numerical study of the tensile residual strength of single-strap adhesively bonded repairs made of carbon-epoxy composites. It is considered the failure mode, the remote failure stress and the equivalent stiffness of the repairs, as a function of the overlap length and patch thickness. In order to numerically simulate damage onset and growth, leading to the repair failure, a mixed-mode cohesive damage model based on the indirect use of Fracture Mechanics was used. Good agreement between experimental and numerical results was found, concerning the studied parameters.

O presente trabalho consiste num estudo experimental e numérico relativo à resistência residual à tracção de reparações adesivas por sobreposição simples de laminados de carbono-epóxido. São considerados o modo de rotura, a tensão de colapso e a rigidez equivalente das reparações em função do comprimento de sobreposição e da espessura do remendo. Para simular numericamente o início e crescimento do dano, conducentes à rotura das reparações, é utilizado um modelo de dano coesivo em modo misto baseado no uso indirecto da mecânica da fractura. Obteve-se boa concordância entre os resultados numéricos e os experimentais, no que diz respeito aos parâmetros estudados.

Optimização da Reacção de Síntese de Hidroxiapatite por Precipitação Aquosa

Hydroxyapatite (HAP) is a bioceramic material widely used in medical applications such as coatings of metallic prosthesis or filling cavities of body hard tissues resulting from traumatisms or diseases. HAP can be produced by different methods, namely hydrothermal, precipitation or sol-gel processes. For this study, HAP was produced by precipitation of solutions Ca(OH)2 (0,5M) and H3PO4 (0,3M), varying the reaction temperature, pH, acid addition flow rate, mixing velocity and inertization medium. The obtained products were dryed and sintered and then characterised by IR, XRD and SEM. The obtained HAP shows a high purity, is thermodynamic and stoichiometrically stable, when produced at a pH ranging from 7 to 9, a reaction temperature of 60 °C in an inert medium. The synthetized HAP nano particles are identical to biological ones, allowing its industrial production for application in bone implants.

A hidroxiapatite (HAP) é um material biocerâmico amplamente utilizado em aplicações médicas e no revestimento de próteses metálicas ou preenchimento de cavidades nos tecidos duros do corpo resultantes de traumatismos ou de doenças. A HAP pode ser produzida por diferentes métodos, nomeadamente por processos hidrotérmicos, de precipitação ou de sol-gel, etc. A HAP no contexto deste estudo foi produzida por precipitação a partir de soluções de Ca(OH)2 (0,5M) e de H3PO4 (0,3M) variando a temperatura reaccional, o pH, o caudal de adição de ácido, a velocidade de agitação e o grau de inertização. Os produtos resultantes foram secos e posteriormente sinterizados, e caracterizados por IV, difracção de raios X (DRX) e Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM). A HAP apresenta uma pureza elevada, é estequiométrica e termicamente estável quando sintetizada a um pH entre 7 e 9, à temperatura reaccional de 60ºC num meio adequadamente inertizado. As nano partículas de HAP sintetizadas são idênticas às biológicas permitindo a sua produção industrial para utilização na aplicação de implantes ósseos.

Furação com alta velocidade de corte em compósitos poliméricos reforçados com fibras de vidro

High speed machining is an outstanding technology which allows increasing competitiveness with regard to both the quality of the machined component and machining costs. This work is concerned with high speed drilling of fiber reinforced polymeric composites. In spite of the advantages offered by this category of materials generally associated to their specific strength, fiber reinforced composites are considered difficult to machine materials owing to the accelerated tool wear rates resulting from abrasion, in addition to the fact that the fibers anisotropy affects chip formation. Therefore, the knowledge related to the machinability of metallic alloys cannot be directly applied to polymeric composite.

Dentre as novas tecnologias que começaram a ser empregadas na busca da competitividade, está à tecnologia de usinagem com alta velocidade de corte - HSC (high speed machining). O presente trabalho estuda a furação com alta velocidade de corte em compósitos poliméricos reforçados com fibras de vidro, que são conhecidos como materiais cujas propriedades e desempenho são superiores as principais propriedades dos materiais plásticos, tais como resistência mecânica, rigidez e resistência à fluência, através da adição de reforços na forma de fibras de vidro. Em contrapartida, torna-se um material de difícil usinabilidade devido à aceleração do desgaste da ferramenta, causado principalmente por abrasão, além do fato da anisotropia das fibras interferirem no mecanismo de formação de cavacos, de forma que os conhecimentos disponíveis para o corte de metais não podem ser transferidos diretamente para os plásticos reforçados.

Regeneração de óleos isolantes usados.: Solução ou problema?

The disposal of great quantities of degraded insulating oils has become more and more an environmental concern. This situation played an important role in the development of insulating oil reclamation methods, whose application intends to minimize this problem. This paper reviews the most common reclamation methods used for insulating oils, the basic process mechanism, and the main reclamation technologies. Furthermore, the advantages, and drawbacks of the on-line reclamation of insulating oil contained in power transformers (oil reclamation treatment while the transformer is energised at rated load) are also discussed here.

As crescentes preocupações com a preservação do ambiente, têm levado à adopção de medidas, com vista ao decréscimo da poluição ambiental, provocada, por exemplo, pelo desperdício de grandes quantidades de óleo isolante degradado, proveniente da substituição deste, no equipamento eléctrico em que o óleo é utilizado como dieléctrico (principalmente no caso da utilização deste em grandes quantidades, como por exemplo nos transformadores). Esta situação fez com que, desde há algum tempo, começassem a ser desenvolvidos métodos de tratamento do óleo isolante degradado, destinados a devolver a este as propriedades adequadas à sua reutilização, na prática, como fluído dieléctrico e arrefecedor, reduzindo assim a uma quantidade mínima, os resíduos de óleo a eliminar - a esse novo tipo de tratamento, foi dado o nome de regeneração do óleo São aqui abordados os métodos mais utilizados para a regeneração de óleos, o mecanismo básico do processo, assim como as principais tecnologias de regeneração. Para além disso, são ainda referidas as vantagens, inconvenientes e limitações, da aplicação deste método a transformadores em serviço (método de regeneração on-line).