Desenvolvimento de superfícies autolimpantes superhidrofílicas e fotocatalíticas obtidas pela deposição de filmes finos de TiO2 e TiO2 /SiO2 pelo método sol-gel

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dc.contributor.advisorFerreira, Ângela de Mello
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/1228978469230164
dc.contributor.authorJesus, Magnum Augusto Moraes Lopes de
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/1462960107674708
dc.contributor.refereeCalado, Claudinei Rezende
dc.contributor.refereePaiva, Paulo Renato Perdigão de
dc.contributor.refereeMohallem, Nelcy Della Santina
dc.date.accessioned2025-04-22T12:22:51Z
dc.date.available2025-04-22T12:22:51Z
dc.date.issued2015-04-22
dc.description.abstractAs superfícies autolimpantes se destacaram nos últimos anos nas áreas de energia e meio ambiente. Estritamente, na área de energia solar, essas superfícies são utilizadas para evitar a acumulação de sujidades, que afetam a eficiência da célula solar devido ao espalhamento da radiação. Os filmes finos de TiO2 aparecem como o principal material utilizado nessas superfícies devido a sua atividade fotocatalítica (capacidade de decompor compostos orgânicos na presença de luz ultravioleta) e superhidrofilicidade foto-induzida (baixo ângulo de contato com a água). Entretanto, esse material apresenta algumas limitações como a redução da transmitância do vidro e o rápido reestabelecimento do ângulo de contato em ambientes escuros. Os filmes de TiO2/SiO2 podem apresentar um bom efeito fotocatalítico aliado à uma boa transmitância dependendo da sua composição e tratamento térmico. Além disso, estudos da literatura apontam que estes compósitos podem também apresentar efeito autolimpante prolongado na ausência de luz. Neste trabalho, filmes de TiO2 puro e de TiO2/SiO2 foram obtidos em substratos de vidro pelo método sol-gel dip-coating com diferentes proporções molares Si/Ti (Si86Ti14, Si40Ti60) e temperaturas de calcinação (400, 500, 600°C). Resultados da caracterização mostraram que os filmes TiO2/SiO2 obtidos apresentaram elevada transmitância e afetaram pouco a transmitância do vidro enquanto que os filmes de TiO2 puro afetaram a transmitância de forma mais significativa. O aumento da temperatura de calcinação diminuiu a transmitância dos filmes, mas melhorou a aderência dos mesmos. Todos os filmes apresentaram caráter superhidrofílico após 30 minutos de irradiação com luz ultravioleta e mantiveram a transmitância após 25000 ciclos no ensaio de abrasão por desgaste com esponja e detergente. Os filmes Si86Ti14 não apresentaram a fase anatásio em sua estrutura, enquanto os filmes Si40Ti60 apresentaram a fase anatásio de acordo com os resultados do Raman. Os filmes de TiO2 apresentaram a fase anatásio a partir de 400 ºC de acordo com os resultados do DRX e do Raman. De 400 ºC para 500 ºC, a atividade fotocatalítica aumentou substancialmente. Esse aumento de temperatura proporcionou uma melhora significativa nas propriedades mecânicas e na diminuição do ângulo de contato, mantendo uma transmitância similar. Os filmes de TiO2/SiO2 apresentaram uma atividade fotocatalítica considerável, mesmo sem apresentar a fase anatásio em sua estrutura. Os filmes tratados a 500ºC apresentaram uma maior transmitância que os filmes tratados a 600ºC e as demais propriedades foram similares. Os filmes de TiO2 apresentaram uma morfologia cristalina típica e com rugosidade menor que os filmes de TiO2/SiO2, que apresentaram uma morfologia parecida a de uma esponja, com largas e abundantes cavidades, o que indica uma importante porosidade superficial desse filme, de acordo com as imagens de MFA. No teste de exposição das superfícies ao tempo, as amostras DP5_B (TECNALIA) e Si86Ti14 500 (CEFET-MG) apresentaram melhor desempenho como superfície autolimpante, já que resultaram em menores perdas de transmitância tanto em períodos secos como em períodos chuvosos. As sujidades depositadas nesse teste foram caracterizadas e os resultados corroboraram bastante com o da literatura. Filmes de TiO2/SiO2 com elevada transmitância, autolimpantes, fotocatalíticos, aderentes e com boa resistência a abrasão foram obtidos por uma solução sol-gel estável.
dc.description.abstractotherSelf-cleaning surfaces have excelled in recent years in energy and environmental fields. Strictly, in solar energy area, these surfaces are used to avoid soiling accumulation, which affects solar cell efficiency due to radiation scattering. TiO2 thin films appear as the main material used on these surfaces due to its photocatalytic activity (ability to decompose organic compounds in the presence of ultraviolet light) and photo-induced superhydrophilicity (low water contact angle). However, this material has some limitations as decreasing glass transmittance and rapid re-establishment of water contact angle in dark environments. TiO2/SiO2 films can provide a good photocatalytic effect combined with a good transmittance depending on their composition and heat treatment. Moreover, studies in the literature have showed that TiO2/SiO2 film can also provide extended self-cleaning effect in the absence of light. In this work, pure TiO2 films and TiO2/SiO2 composite were obtained in glass substrates by sol-gel dip-coating with different Si/Ti molar rate (Si86Ti14, Si40Ti60) and calcination temperatures (400, 500, 600°C). Characterization results have showed that TiO2/SiO2 films presented high transmittance and low effect on transmittance of the glass while pure TiO2 films affected the transmittance significantly. Increasing calcination temperature decreased transmittance of the films, but improved film adherence. All films presented superhydrophilic character after 30 minutes of ultraviolet irradiation and mantained transmittance after 25000 cycles in abrasion wear test with sponge and detergent. Si86Ti14 films haven't shown anatase phase in their structure, while Si40Ti60 films have showed anatase phase poorly crystallized, according to Raman results. TiO2 films have presented anatase phase after 400ºC, according to XRD and Raman results. From 400°C to 500°C, the photocatalytic activity increased substantially. This temperature increasing caused a significant improvement in the mechanical properties and decreasing in contact angle while maintaining a similar transmittance. TiO2/SiO2 films presented a significant photocatalytic activity, even with poorly anatase phase formation in its structure. Films treated at 500°C had higher transmittance than films treated at 600°C and the remaining properties were similar. TiO2 films showed a typical crystalline morphology and roughness smaller than TiO2/SiO2, which had a morphology similar to a sponge, with large and plentiful cavities; indicating an important surface porosity of the film according to AFM images. In the soiling test, DP5_B (TECNALIA) and Si86Ti14 500 (CEFET-MG) samples had the best performance as self-cleaning surface, because they had lower losses in transmittance both in dry and rainy periods. The dirt deposited in this test was characterized and the results corroborate well with the literature. High transmittance, self-cleaning, photocatalytic, adherent and abrasive resistant TiO2/SiO2 films were obtained by a stable sol-gel solution.
dc.description.sponsorshipCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
dc.identifier.urihttps://repositorio.cefetmg.br//handle/123456789/1243
dc.language.isopt
dc.publisherCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.initialsCEFET-MG
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais
dc.subjectProcesso Sol-Gel
dc.subjectFilmes finos
dc.subjectDióxido de titânio
dc.subjectMateriais - Superfícies
dc.titleDesenvolvimento de superfícies autolimpantes superhidrofílicas e fotocatalíticas obtidas pela deposição de filmes finos de TiO2 e TiO2 /SiO2 pelo método sol-gel
dc.typeDissertação

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