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Projeto de dissertação de mestrado em Engenharia Urbana, Agências governamentais gastam uma grande quantia do orçamento para melhorar a segurança, a fim de reduzir os acidentes rodoviários. Revestimentos superhidrofóbicos sobre misturas betuminosas estão sendo estudados para proporcionar repelência rápida da água e também efeitos de autolimpeza. Essas novas capacidades, superhidrofóbicas e autolimpantes, podem ser uma solução para se ter estradas mais seguras, removendo a água rapidamente e também removendo a sujidade. Desta forma, evita-se a formação de gelo e a aderência entre o pavimento e o gelo é reduzida, sendo mais eficiente que os métodos convencionais de remoção de gelo. Em outro contexto, devido à sua capacidade de degradar poluentes orgânicos como óleos e gorduras adsorvidas, as superfícies fotocatalíticas também são consideradas autolimpantes. Esta característica é de grande importância na segurança viária por evitar derrapagens causadas pela presença desses compostos. Ainda, os setores de transporte e de atividades industriais são as principais fontes que contribuem para a emissão de poluentes como os óxidos de azoto NOx (principalmente NO e NO2) e compostos orgânicos voláteis, que estão entre os mais perigosos, aumentando o risco de problemas respiratórios sendo altamente desejável a redução destes poluentes. Nesse sentido, o processo de oxidação avançada baseado no uso de materiais semicondutores demonstra alta eficiência na purificação de ar. Nesta investigação, as misturas betuminosas foram funcionalizadas com politetrafluoretileno (PTFE), em microescala, e dióxido de titânio (TiO2), em nano escala. O método camada por camada (LBL) foi utilizado para aplicar a resina epóxi, de metacrilato ou de poliuretano de modo a aderir as partículas de PTFE e TiO2 à superfície do pavimento. Um programa de ensaios experimentais foi desenvolvido e conduzido para avaliar o efeito de diferentes fatores incluindo o tipo de mistura (AC 6 e AC 10), a concentração de partículas de PTFE e TiO2, taxa de aplicação e tipos de resinas, e com base nisso se definir o melhor revestimento. As misturas betuminosas funcionalizadas foram caracterizadas pelo ângulo de contato da água (WCA), observação da formação de gelo, eficiência fotocatalítica, ensaio da fita-cola, ensaio do pêndulo britânico, ensaio de resistência à adesão ao gelo e avaliação da macrotextura por laser. Pelos resultados obtidos, pode-se concluir que a aplicação desses materiais sobre as misturas betuminosas foi realizada com sucesso, alcançando ou melhorando as novas capacidades., Government agencies spend a large amount of the budget to improve safety in order to reduce road accidents. Superhydrophobic coatings are being studied over asphalt mixtures in order to provide fast water repelling and also self-cleaning effects. These new capabilities, superhydrophobic and self-cleaning ones, can be a solution to have safer roads by removing the water quickly and also cleaning the dirt particles. In this way, the ice formation is avoided and the adhesion between the pavement and the ice is reduced, being more efficient than the conventional ice removal methods. In another context, due to its ability to degrade organic pollutants such as oils, photocatalytic surfaces are also considered selfcleaning. This feature is of great importance in road safety by avoiding skidding caused by the presence of these compounds. In addition, the transportation and industrial sectors are the main sources of emission of pollutants such as NOx (mainly NO and NO2) and volatile organic compounds, which are among the most dangerous, increasing the risk of respiratory problems. Having said that, the reduction of these pollutants is highly desirable. In this sense, the advanced oxidation process based on the use of semiconductor materials demonstrates high efficiency in air purification. In this research, asphalt mixtures were functionalized by Polytetrafluorethylene (PTFE), in microscale, and Titanium Dioxide (TiO2), in nanoscale, for this purpose. The layer-by-layer method (LBL) was used to apply the epoxy, methacrylate or the polyurethane resin in order to adhere the PTFE and the TiO2 particles to the pavement surface. A program of experimental tests was developed and conducted to evaluate the effect of different factors including the type of blend, PTFE and TiO2 particle concentration and its application rate and the resin type for the purpose of finding the best superhydrophobic coating. The functionalized asphalt mixtures were characterized by the Water Contact Angle (WCA), Icing Observation, Photocatalytic Efficiency, Scotch Tape Test, British Pendulum Test, Ice Adhesion Strength Test and Evaluation of Macrotexture using Laser. By the results, it can be concluded that the application of these nano/micromaterials over asphalt mixtures was carried out successfully, achieving or improving the new capabilities.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Our study to investigate the wettability of flat and structured surfaces in pillars based on two- dimensional simulations, using the Potts cellular model (CPM). We can find a superhydropic character on the surface when they presented: (I) High value of the contact angle (θ > 150°) formed between the liquid and the surface and (II)low hysteresis of the contact angle (Δθ< 10°). The drop on a surface may have two states of wettability: Cassie- Baxter, the liquid remains on the pillars surface, known as heterogeneous state or "fakir", and Wenzel, the liquid enters the cavities of the surface and is called state homogeneous. These studies show that between these two states there is an energy barrier that, when overcome, causes the transition of states. In our previous works, we also presented a model of at surface with a hydrophobic character, in order to obtain a surface with superhypophobic behavior (minimum contact between the drop and the surface). We studied which parameters can intensify this behavior and facilitate a possible transition. Thus, our structure of the surface with pillars and we vary the distance between them (b) and their height (h) to determine the transition zone of states. From the transition diagram, it was possible to analyze the behavior of parameters, such as contact angle, hysteresis and solid contact fraction in the regions near and far from the transition and also. We analyze how the parameters of the Potts model interfere in the wettability. In this study of the transition of states, we compared our model with the molecular dynamics model and therefore, having our results consistent with the experimental results found in the literature. Finally, we analyze how the reentrancy on the pillars influence the transition line. Nosso estudo sobre molhabilidade de superfícies planas e estruturadas em pilares é baseado em simulações bidimensionais, com o auxílio do modelo celular de Potts (CPM). Podemos encontrar um caráter superhidróbico na superfície quando forem apresentados: (I) Alto valor do ângulo de contato (θ > 150°) formado entre o líquido e a superfície e (II) baixa histerese do ângulo de contato (Δθ< 10°). A gota sobre uma superfície poderá ter dois estados de molhabilidade: Cassie-Baxter, o líquido permanece sobre os pilares da superfície, conhecido como estado heterogêneo ou “faquir”, e Wenzel, o líquido entra nas cavidades da superfície e é chamado de estado homogêneo. Estudos mostram que entre esses dois estados existe uma barreira de energia que, quando superada, ocasiona a transição de estados. Em nossos trabalhos anteriores, modelamos uma superfície plana com caráter hidrofóbico, a fim de obter uma superfície com comportamento superhidrofóbico (mínimo contato entre a gota e a superfície). Estudamos quais parâmetros podem intensificar esse comportamento e facilitar uma possível transição. Assim, estruturamos a superfície com pilares e variamos a distância entre eles (b) e sua altura (h) para determinar a zona de transição entre estados. A partir do diagrama de transição, foi possível analisar o comportamento de parâmetros, como o ângulo de contato, a histerese e a fração de contato sólido, nas regiões próximas e distantes da transição. Analisamos como os parâmetros do modelo de Potts interferem na molhabilidade. No estudo da transição de estados, comparamos nosso modelo com o modelo de dinâmica molecular, tendo, assim, resultados coerentes com os resultados experimentais e teóricos encontrados na literatura. E por fim, analisamos como as reentrâncias sobre os pilares influencia na linha de transição.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil, Atualmente, existe uma preocupação crescente acerca do esgotamento dos recursos naturais e do dano ao meio ambiente. A engenharia rodoviária em geral e particularmente o domínio dos pavimentos rodoviários pode contribuir de forma significativa para a mitigação destes problemas. A integração de nano/micromateriais nas misturas asfálticas que constituem as camadas superficiais dos pavimentos dotará essas superfícies de novas capacidades (funcionalização) particularmente em termos ambientais e em termos de segurança viária: (i) fotocatalíticas: capazes de fotodegradarem poluentes com o intuito de limparem o meio ambiente; (ii) superhidrofóbicas: melhor resistência à água e uma maior segurança rodoviária em períodos de chuva e de baixas temperaturas; (iii) autolimpantes: evitar problemas de derrapagem, facilitar a drenabilidade da água e dificultar o fenômeno da colmatação dos poros. Com o objetivo de dotar as superfícies dos pavimentos com estas novas capacidades funcionais, misturas asfálticas do tipo AC 6 e AC 14 foram funcionalizadas a partir da aspersão superficial dos semicondutores nano-TiO2 e/ou micro-ZnO. Previamente, a fim de avaliar o impacto químico e morfológico da aplicação dos semicondutores, foram realizados ensaios de Microscopia de Força Atômica (AFM) e Espectroscopia de Infravermelho Transformada de Fourier (FTIR) nos ligantes asfálticos usados para compor as misturas. A seguir, para verificar as novas capacidades, foram realizados ensaios de Ângulo de Contato e de Avaliação Fotocatalítica. Por fim, a melhor solução foi avaliada mecanicamente pela resistência à tração após o condicionamento por água para avaliar o impacto dos semicondutores. Os resultados indicam que houve um maior impacto superficial e químico pela técnica de aspersão da solução aquosa contendo ZnO. A combinação de TiO2 com ZnO promoveu propriedades fotocatalíticas, superhidrofóbicas e auto-limpantes, proporcionando a ambas as misturas asfálticas essas novas capacidades. Ademais a aspersão não causou impacto mecânico. Com o desenvolvimento dessas camadas, prevêem-se grandes benefícios para o ambiente e para a segurança rodoviária., Presently, there is a growing concern about the depletion of natural resources and environmental damage. The road engineering in general and road pavements can contribute significantly to mitigate these problems. The integration of micro/nanoparticles in asphalt mixtures that compose the top layer of the pavements will provide their surfaces with new capabilities (functionalization) particularly in environmental and safety related terms: (i) photocatalytic: able to photodegrade pollutants for the purpose of cleaning the environment; (ii) superhydrophobic: better water resistance and better road safety in periods of rains and low temperatures; (iii) self-cleaning: avoid slipping problems, facilitate the water drainability and prevent the pore clogging phenomenon. In order to provide the new functional capabilities to the surface of the pavements, asphalt mixtures AC 6 and AC 14 were functionalized with superficial spraying of semiconductors nano-TiO2 and/or micro-ZnO. First, in order to evaluate the chemical and morphological impacts of the application of the semiconductors, tests of Atomic Force Microscopy (AFM) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) onto the asphalt binder that compose the mixtures were carried out. Next, in order to verify the new capabilities, tests of Water Contact Angle and Photocatalytic Evaluation were carried out. Finally, the best solution was mechanically evaluated through Indirect Tensile Strength after immersion to analyze the impact of semiconductors. The results show that there was a higher superficial and chemical impact onto the bitumen by the spray technique of the ZnO aqueous solution. The combination of TiO2 and ZnO promoted photocatalytic, superhydrophobic and self-cleaning properties, providing the asphalt mixtures these new capabilities. Besides the spraying technique did not cause mechanical impact. With the development of these layers, benefits to the environment and road safety are foreseen.

As nanopartículas de óxido de ferro possuem altos valores de magnetização de saturação, são biocompatíveis, apresentam baixa toxicidade e suas superfícies são facilmente modificadas pela inserção de grupos funcionais, tais como ácidos carboxílicos, tensoativos e polímeros. O uso de nanopartículas funcionalizadas com moléculas de glicerol que foram modificadas através de reação de esterificação com ácido monocarboxílico é proposto, neste trabalho, visando sua aplicação na remoção de óleos em superfícies aquosa. As partículas de óxido de ferro foram preparadas pelo método de coprecipitação por hidrólise alcalina de íons Fe2+ e Fe3+ em meio aquoso. O precursor utilizado no revestimento foi obtido a partir da funcionalização do glicerol com ácido esteárico através de reação de condensação. O revestimento das superfícies dos óxidos de ferro magnético foi realizado através de dois procedimentos distintos: (i) adição do glicerol funcionalizado à suspensão aquosa das partículas de óxido de ferro purificadas; e (ii) preparação, purificação e secagem das partículas de óxido de ferro, e posterior mistura com glicerol funcionalizado em isopropanol. O glicerol funcionalizado foi caracterizado por espectroscopia vibracional na região do infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TG) e ressonância magnética nuclear de hidrogênio (RMN 1H) e carbono (RMN 13C) e as partículas de óxido de ferro foram caracterizadas por FTIR, TG, difração de raios X (DRX), espectroscopia Mössbauer, magnetometria de amostra vibrante (VSM), microscopia eletrônica de transmissão (MET), medidas de ângulo de contato e composição química por titulação potenciométrica. Os resultados obtidos através das caracterizações evidenciaram a formação do glicerol funcionalizado. O espectro FTIR apresentou bandas de absorção em 1.737 e 1.180 cm-1 característicos do grupo éster e juntamente com os espectros de RMN foi possível propor a estrutura química, além disso, a amostra apresentou melhor estabilidade térmica em relação aos seus constituintes. As caracterizações realizadas nas amostras de óxido de ferro sugerem à presença de estrutura cúbica de espinélio inverso, com parâmetros de rede e estequiometrias próximas à magnetita, diâmetro médio dos cristalitos de 8,29 nm, valor de magnetização de saturação de 62 emu/g e comportamento superparamagnético. Os resultados obtidos por FTIR, termogravimetria e VSM das nanopartículas revestidas com glicerol funcionalizado indicam a presença de matéria orgânica nas partículas magnéticas. As partículas apresentaram certa esfericidade, tamanho médio de 11,17 nm e alta hidrofobicidade (164°), característico de comportamento superhidrofóbico. Essas nanopartículas apresentam afinidade química pelo óleo e são capazes de mover a mancha de óleo sobre a superfície aquosa aplicando um campo magnético externo, sendo possível remover completamente a mancha de óleo aproximando um imã sobre a mancha. Esses resultados são promissores para a aplicação dessas partículas na limpeza de óleos derramados sobre a superfície aquosa. The iron oxide nanoparticles have high saturation magnetization, are biocompatible, have low toxicity and their surfaces are easily modified by the insertion of functional groups such as carboxylic acids, surfactants and polymers. The use of functionalized nanoparticles with glycerol molecules that have been modified by reaction of esterification with mono-carboxylic acid is proposed in this work, for their application in the removal of oils in aqueous surfaces. The particles of iron oxide were prepared by the coprecipitation method by alkaline hydrolysis of Fe2+ and Fe3+ in aqueous medium. The precursor used in the coating was obtained by glycerol functionalization with stearic acid via condensation reaction. The coating surfaces of magnetic iron oxides was carried out by two different procedures: (i) addition of glycerol functionalized to the aqueous suspension of the purified iron oxide particles; and (ii) the preparation, purification and drying of the iron oxide particles and subsequent mixing with functionalized glycerol in isopropanol. The functionalized glycerol was characterized by vibrational spectroscopy in the infrared region (FTIR), thermogravimetric analysis (TG) and nuclear magnetic resonance of hydrogen (NMR 1H) and carbon (NMR 13C) and particles of iron oxide were characterized by FTIR, TG, X ray diffraction (XRD), Mössbauer spectroscopy, vibrating sample magnetometer (VSM), transmission electron microscopy (TEM), contact angle measurements and chemical composition by potentiometric titration. The results obtained from the characterization showed formation of the functionalized glycerol. The FTIR spectrum showed absorption bands at 1737 and 1180 cm-1 characteristic of ester group and with the NMR spectra was proposed chemical structure, the sample showed better thermal stability compared to their constituents. The characterizations carried out on samples of iron oxide suggest the presence of inverse spinel cubic structure with lattice parameters and stoichiometry close to magnetite, average diameter of the crystallites of 8.29 nm, saturation magnetization value of 62 emu/g and behavior superparamagnetic. The results obtained by FTIR, thermogravimetric analysis and VSM of nanoparticles coated with glycerol functionalized indicates the presence of organic matter on the magnetic particles. The particles have spherical shape with an average size of 11.17 nm and high hydrophobicity (164°), characteristic of superhydrofobic behavior. These nanoparticles have chemical affinity for oil and are able to move the oil slick on the water surface by applying an external magnetic field, it is possible to completely remove the oil slick approaching a magnet to the stain. These results are promising for the application of these particles in cleaning oil spills on the water surface. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES