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Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2020. O vidro, tal como o conhecemos hoje em dia, apresenta propriedades atrativas tais como dureza relativamente elevada, alta transparência, resistência térmica e química elevadas. Devido às suas características variáveis, existe uma grande atratividade para o desenvolvimento de materiais novos e avançados, através de técnicas de fabricação consolidadas e inovadoras. No presente trabalho a produção de vidro à base de dióxido de silício foi escolhido, dada a grande abundância na crosta terrestre e a sua multiplicidade de aplicações. Os objetivos deste trabalho consistiram em obter produtos à base de sílica a partir de dois métodos de produção: slip casting para vidro transparente e impressão em 3D para scaffolds com estruturas avançadas. As matérias-primas consistiram basicamente em nano (NS) e micro (MS) sílica amorfa e aditivos. Para slip casting, a suspensão foi preparada primeiro pela adição da NS em água, seguida por uma agitação mecânica por 4h a 1500 rpm. Em seguida, foi utilizada a técnica de sonicação por 30 minutos para evitar aglomeração e então a MS foi adicionada, com uma agitação por 3h a 1500 rpm. A suspensão foi vertida em moldes de gesso para o procedimento de slip casting, seguido de secagem, tratamento térmico, e depois polimento para obter o vidro transparente. Para a técnica de impressão 3D, foi produzido um novo pó com as matérias-primas (NMS). Foram preparadas duas suspensões: alginato de sódio e PVA, ambos com NMS. O processo consistiu na impressão das estruturas, seguida de secagem (temperatura ambiente e liofilização) e tratamento térmico. Os pós foram caracterizados: tamanho, com D50 de 227,8 nm para NS, 9,85 µm para MS e 7,47 µm para NMS, microestruturas (TEM/FESEM), e estabilidade térmica (DSC). As suspensões de slip casting e de robocasting foram estudadas quanto estabilidade através da reologia, com a observação de comportamento de shear-thinning para a suspensão de slip casting, bem como para as suspensões para impressão 3D. Os potenciais Zeta mostraram os valores de -30mV para NS, -50mV para MS e -35mV nos correspondentes pHs de trabalho. O material produzido por slip casting foi caracterizado quanto densidade com um valor resultante de 2,21 g/cm³ e propriedades ópticas, utilizando o índice de translucidez (TP) com um valor médio de ~38 % e de Opacidade de ~22 %, visualizando as possíveis aplicações ópticas relacionadas. Foram investigados os filamentos impressos quanto ao comportamento térmico utilizando dilatometria, mostrando que a suspensão de alginato de sódio encolheu cerca de 2% e o PVA cerca de 4%. A microestrutura das amostras impressas (disposição dos poros) foi avaliada com SEM, apontando a formação de porosidade unidirecional para estruturas de PVA. A densidade picnométrica foi de 2,41 g/cm³ para amostras de alginato de sódio com ~69% de porosidade e 2,41 g/cm³ com ~75% de porosidade para amostras de PVA. Os resultados foram exaustivamente discutidos, e foi fornecida uma ideia geral da taxa de sucesso. Para concluir, este trabalho dá uma visão geral da aplicabilidade da sílica como material de base para vidro transparente e scaffolds visando bioaplicações e abre possibilidades de maiores pesquisas nesses tópicos. Abstract: Glass as we know today presents appealing properties such as relatively high hardness, high transparency, thermal and very high chemical durability. Due to its varying features, there is a great attractiveness for the development of new and advanced materials, through consolidated and novel manufacturing techniques. In the present work silicon dioxide-based glass was chosen given the great abundance in Earth?s crust and its multiapplication. The objectives of this work consisted of achieving silica-based products from two production methods: slip casting for transparent glass and 3D printing towards advanced structures/scaffolds. The raw materials consisted basically of nano (NS) and micro (MS) scaled amorphous silica and additives. For slip casting, the suspension was prepared firstly by the addition of the NS into water, followed by a 4h stirring at 1500 rpm. Next, a 10 min sonication was used to prevent aggregation and the MS added, with a 3h stirring and 1500 rpm. The suspension was poured into gypsum molds for the slip casting procedure, followed by drying, firing, and then polishing to achieve the transparent glass. For the 3D printing technique, a new powder was produced with an occlusion organization with the nano and micro silicas (NMS). Two suspensions were prepared: sodium alginate with NMS and PVA gel with NMS. The process consisted of printing the structures, followed by drying (room temperature and lyophilization) and firing. The powders were characterized for: their size, with a D50 of 227.8 nm for NS, 9.85 µm for MS and 7.47 µm for NMS, microstructures using TEM and FESEM, and thermal stability through DSC data, in order to ascertain the possibility of achieving the expected results. Slip casting suspension and robocasting suspension were studied for its stability through rheology with the observance of a shear-thinning behavior for the slip casting suspension, as well as for the suspensions. Zeta potential experiments showed the values of -30mV for the NS, -50mV for MS and -35mV at their corresponding working pHs. Slip cast glass was characterized for its density with a resulting value of 2.21 g/cm³ and optical properties, using translucency index (TP) with an average value of ~38 and % Opacity of ~22%, visualizing the optical related possible applications. 3D printed filaments were investigated for its thermal behavior using dilatometry, showing that sodium alginate suspension shrinked around 2% and PVA gel around 4%. The printed samples? microstructure (pores arrangement) were evaluated with SEM pointing the formation of unidirectional porosity for PVA based structures. Picnometric density was of 2.41 g/cm³ for sodium alginate samples with ~65% porosity and 2.41 g/cm³ with ~75% of porosity for PVA based. Results were thoroughly discussed, and a general idea of success rate provided. To conclude, this work gives an overview of the applicability of silica as the basis material for transparent glass and bio scaffolds and opens the possibility of further research.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Gradução em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2016. A cinética de crescimento de camadas cristalinas superficiais e sua influência nas propriedades mecânicas, foram estudadas em vidros dos sistemas LZS, 9,56Li2O?22,36ZrO2?68,08SiO2 (% massa) e LZSA, 11,70Li2O?12,60ZrO2?7,10Al2O3?68,60SiO2 (% massa). O vidro foi produzido a partir de matérias-primas (Li2CO3, ZrSiO4, Al2O3 e SiO2), comercialmente disponíveis. Estas foram dosadas, homogeneizadas e fundidas a 1550 °C/ 120 min e, os líquidos obtidos, vazados em molde metálico. Foi determinada a composição química dos vidros obtidos e análises térmicas foram realizadas para a determinação do coeficiente de expansão térmica e das temperaturas características dos vidros produzidos por meio de calorimetria diferencial exploratória. Analisou-se a cinética de cristalização superficial onde, primeiramente, determinou-se, usando o método não isotérmico de Kissinger, a energia para a cristalização dos vidros. Em seguida, amostras dos vidros foram preparadas e submetidas a tratamentos térmicos em diferentes temperaturas (825 950 °C) e tempos (30 150 min), formando camadas cristalinas superficiais. Foi realizado o corte e a preparação ceramográfica (seção transversal), tal que imagens das camadas cristalizadas formadas puderam ser visualizadas (MO/MEV) e medidas. Os resultados mostraram que é possível obter-se vitrocerâmicos dos sistemas LZS e LZSA, contendo silicatos de lítio e de zircônio e espodumênio-ß. As espessuras variaram entre 13 e 3480 µm, com taxas de crescimento entre 0,4 e 25 µm/min. Amostras dos vidros foram submetidas a tratamentos térmicos (775 °C/ 540 780 min, LZS, 700 °C/ 480 720 min, LZSA) para a formação de uma camada cristalina superficial e posterior análise das propriedades mecânicas dos vitrocerâmicos formados. Para ambos os sistemas, houve um incremento nas propriedades analisadas que foram módulo de elasticidade, resistência mecânica à flexão e microdureza Vickers. Este incremento está ligado a formação de uma camada de forças compressivas superficiais geradas em função da evolução da camada cristalina. Abstract : The growth kinetics of surface crystalline layers and its effect on mechanical properties were studied in glasses system LZS, 9,56Li2O?22,36ZrO2?68,08SiO2 (wt. %) and LZSA, 11,70Li2O?12,60ZrO2?7,10Al2O3?68,60SiO2 (wt. %). The glasses were produced from commercial raw materials (Li2CO3, ZrSiO4, Al2O3 e SiO2). These, were weighted, homogenized and melted (1550 °C/ 120 min) and casted in metal mold. Was determined the chemical composition of the glasses and thermal analysis were done in order to determine thermal expansion coefficient and the characteristic temperatures of the glasses produced by differential scanning calorimetry. We analyzed the surface crystallization kinetics; first, it was determined, using the non-isothermal method of Kissinger to determine the energy for crystallizing the glasses. Then samples were prepared and heat-treated at different temperatures (825 ? 950 °C) and times (30 ? 150 min) making the crystal layers. After, the samples were cutted, ground and polished (cross-section), such that images of the crystallized layer formed could be visualized (OM/SEM) and measured. The results shown that is possible to obtain glass-ceramics from LZS and LZSA system, with lithium and zirconium silicates and spodumene-ß. The thickness varied between 13 and 3480 µm, with growth rate between 0.4 and 25 µm/min. Other samples were heat-treated (775 °C/ 540 ? 780 min, LZS, 700 °C/ 480 ? 720 min, LZSA) to generate crystalline layer and evaluate the mechanical properties in the glassceramics obtained. For both, there has been an increase in the analyzed properties, which were elastic modulus, flexural strength and Vickers hardness. This growth is linked to the formation of a compressive layer on surface generated due to the evolution of the crystalline layer.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2014. O termo areia industrial compreende areias com elevado conteúdo de quartzo e com uma variedade de aplicações, cada uma com especificações físicas e químicas bem definidas. A mesorregião Centro-Norte do estado de Mato Grosso do Sul oferece um grande potencial para o uso eficiente e sustentável de areia de quartzo. Levando-se em conta o grande montante de areia presente e, atualmente utilizado, basicamente para fins de baixo valor agregado. Sendo assim, 100 pontos de perfuração foram definidos, tal que as amostras obtidas foram caracterizadas por difração de raios X, espectroscopia de fluorescência de raios X, microscopia óptica, distribuição de tamanho de partícula e espectrofotometria. Os resultados principais mostraram que as amostras de areias apresentaram teores relativamente elevados de sílica (SiO2) e baixos de hematita (Fe2O3), isto é, 70% contêm mais que 90% de SiO2 e 63% contêm menos que 1% de Fe2O3. As areias ainda apresentaram alumina (Al2O3) em sua composição química, sendo que 91% das amostras contêm menos que 8% de Al2O3, indicando uma pequena presença de material argiloso. Análises cristalográficas indicaram picos característicos de quartzo e, para algumas amostras, picos de caulinita e hematita. Análises de tamanho de partícula mostraram que 90% das amostras apresentaram tamanho médio entre 200 e 500 µm. A partir dos resultados das caracterizações, foram propostas aplicações industriais compatíveis com as características apresentadas pelas areias, que incluíram os setores vidreiro e de revestimentos cerâmicos. Assim e com a finalidade de se verificar ainda o potencial deste mineral, vidros, fritas e vidrados cerâmicos foram desenvolvidos, em nível laboratorial, e caracterizados quanto as suas propriedades físicas, químicas, estruturais, térmicas e ópticas, e comparados com produtos comerciais. Os principais resultados mostraram um vidro com sua estrutura amorfa característica e, elevada transparência, com transmitância entre 80 e 90% na faixa de comprimento de onda da luz visível. As fritas, mate e transparente, revelaram-se fundentes quando utilizadas isoladamente em vidrados cerâmicos de mesma natureza, porém adequadas quando em conjunto com fritas de caráter refratário. Os vidrados mate e transparente produzidos, a partir das fritas, apresentaram adequado efeito estético e características típicas de vidrados comerciais. Abstract : The term industrial sand comprises sand with a high content of quartz and variety of applications, each one with well-defined physical and chemical specifications. The North-Central region state of Mato Grosso do Sul offers great potential for the efficient and sustainable use of quartz sand. Taking into account the large amount of sand present and currently used primarily for the purpose of low added value. Thus, 100 drilling points were defined such that the samples obtained were characterized by X-ray diffraction, X-ray fluorescence spectroscopy, optical microscopy, particle size distribution and by spectrophotometry. The main results showed sands samples with relatively high contents of silica (SiO2) and low contents of hematite (Fe2O3), i.e., 70% contain more than 90% SiO2 and 63% contain less than 1% Fe2O3. The sands also showed alumina (Al2O3) in its chemical composition, which 91% of the samples containing less than 8% of Al2O3, indicating a small content of clay minerals. Crystallographic analysis indicated characteristic peaks of quartz and, for some samples, peaks of kaolinite and hematite. Particle size analysis showed that 90% of the samples showed an average size between 200 and 500 µm. From characterization results, it was proposed some industrial applications compatible with the characteristics presented by the sands, such as glasses and ceramic glazes for ceramic tiles. Thus aiming to verify the potential of this mineral glasses and ceramic frits were produced in laboratory scale and characterized according to their physical, chemical, structural, thermal and optical properties and results compared to those of commercial products. The mainly results showed a glass, with characteristic of amorphous structure and, high transparency with a transmittance from 80 to 90% in the wavelength range of visible light. The frits, matt and transparent ones, are fluxes when used alone in ceramic glazes of the same nature, but appropriate when paired with frits of the refractory character. Matte and transparent glazes, produced from frits, showed adequate aesthetic aspect and typical characteristics of commercial glazes.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. Curso de Pós-Graduação em Química Neste trabalho encontra-se descrita a preparação de vidros e vitro-cerâmicos de composição 29 % Li2O - 1% ZrO2 - x% BaO - (70 - x %) SiO2, onde x = 0, 2, 3, 5, e 6 % em mol de BaO, obtidos pelo método clássico de fusão. Os materiais foram caracterizados por Difração de Raios-X, Espectroscopia Raman, Espectroscopia no Infravermelho, Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por Raio-X, Microscopia Eletrônica de Varredura e Análise Térmica Diferencial. Determinaram-se o mecanismo e a cinética de cristalização dos vidros, além das propriedades físico-químicas microdureza e durabilidade química.