Laboratório em destaque: LabPlasma (UFRN) – do pioneirismo em nitretação iônica às mais diversas aplicações do plasma.

20/03/2014

Laboratório de Processamento de Materiais por Plasma (LabPlasma) ocupa uma área de 150 m² do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN). Inicialmente, a partir de 1985, as pesquisas no LabPlasma se limitavam ao estudo da nitretação iônica ou nitretação por plasma aplicada em aços. De fato, o LabPlasma foi um dos laboratórios pioneiros no desenvolvimento de pesquisa em nitretação por plasma no Brasil.

Com o passar do tempo, a interação do LabPlasma com diferentes grupos de pesquisa da UFRN foi criando um ambiente fértil para a engenharia de plasma, abrindo o espectro das pesquisas. Assim, após a década de 1990, além da técnica de nitretação iônica, outras técnicas assistidas por plasma passaram a ser utilizadas para modificação de superfícies, visando aplicações biomédicas, tribo-mecânicas e têxteis.

Em 2012, o LabPlasma deu início a pesquisas de plasma frio produzido a pressão atmosférica através de descarga por barreira dielétrica (DBD), com aplicação na agricultura, saúde e meio ambiente.

Pesquisas atuais

imagem labplasma

Foto mostrando um jato de plasma criado na água quando aplicada uma descarga DBD.

Atualmente o laboratório continua desenvolvendo pesquisas na área de nitretação iônica de aços, principalmente usando a técnica de descarga em gaiola catódica, recentemente patenteada pelo grupo. Na área biomédica, o laboratório tem focado a modificação química e/ou topográfica de superfícies de titânio através do uso da nitretação/oxidação por plasma e bombardeamento com íons de argônio. Ainda nessa área estuda-se o efeito do tratamento por plasma nas propriedades físico-químicas de membranas de quitosana. Na área têxtil, tecidos de algodão, poliéster e TNT são modificados por plasma visando modificação da tensão superficial.

O grupo do LabPlasma também tem realizado um trabalho sistemático do sistema Ti (N,C,O,H) visando aplicações tribo-mecânicas, biomédicas e foto-catalíticas. Nele é utilizada a mistura Ar+N2+O2+H2+CH4 com diferentes concentrações dos gases intersticiais para produção de superfícies de titânio modificadas por tratamentos termoquímicos e deposição por magnetron sputtering.

O professor Clodomiro Alves, pesquisador líder do LabPlasma, possui agora a missão de desenvolver um laboratório de plasma na Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), na cidade potiguar de Mossoró. As pesquisas do novo laboratório visam aplicações de dispositivos de plasma produzido a partir de descarga por barreira dielétrica (DBD) para uso na agricultura e na cadeia produtiva da água marinha. Na agricultura, estuda-se o uso do plasma para quebra de dormência e inativação de fungos em sementes. Na presença de radiação UV, elétrons e/ou ozônio produzidos pelo plasma interagem com a superfície de sementes, inativando ou destruindo fungos existentes. Além disso, novos grupos funcionais polares são criados, tornando a superfície mais molhável. A semente nessas condições terá uma germinação mais uniforme e em menor tempo. Na cadeia produtiva da água marinha, pretende-se usar o plasma para purificação da água do mar e extração de elementos como sódio, cálcio e magnésio. Quando um jato de plasma é incidido sobre a água, ligações químicas da água e de sais existentes são quebradas, formando íons e liberando gases como H2 e Cl.

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foto clodomiroMinientrevista com o coordenador do LabPlasma no Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, professor Clodomiro Alves Junior. Contato: clodomiro.jr@hotmail.com

O professor Clodomiro Alves Junior, um dos pioneiros da pesquisa em nitretação iônica no Brasil, é professor titular aposentado do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), aonde ingressou como professor em 1978. Na UFRN fundou o LabPlasma (Laboratório de Processamento de Materiais por Plasma) e foi seu coordenador entre 1985-2013. Foi orientador de 59 dissertações de mestrado e 25 teses de doutorado.

Atualmente é pesquisador visitante sênior da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), na cidade potiguar de Mossoró, aonde está implantando um laboratório de plasma. Alves Junior também é presidente da Sociedade latino-americana de biomateriais, órgãos artificiais e engenharia de tecidos (SLABO).

Possui graduação em Física pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (1978) e mestrado e doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São Carlos (1984 e 1994, respectivamente). Tem ampla experiência em técnicas de modificação de superfícies assistidas a plasma, com aplicações em aços, polímeros, tecidos, biomateriais, entre outras.

É bolsista de produtividade em pesquisa 1B do CNPq.

1. Quais foram, na sua avaliação, os principais resultados conseguidos por seu grupo no contexto do nosso INCT?

a) Desenvolvimento de uma técnica para nitretação a plasma, sem incidência direta de íons, denominada de gaiola catódica

b) Desenvolvimento de um acessório para nitretação em três dimensões, por gaiola catódica, de pequenas peças, denominada de gaiola catódica rotatória.

c) Volume expressivo de orientações de pós-graduação e trabalhos indexados em engenharia de superfície durante o projeto: 37 artigos, 16 dissertações e 7 teses.

2. Escolha os artigos científicos mais destacados publicados por seu grupo no contexto do Instituto.

Ferraz, Emanuela P. ; Sa, Juliana C. ; De Oliveira, Paulo T. ; Alves, Clodomiro; Beloti, Marcio M.; Rosa, Adalberto L. The effect of plasma-nitrided titanium surfaces on osteoblastic cell adhesion, proliferation and differentiation. Journal of Biomedical Materials Research. Part A, v. 12, p. 91-98, 2013.

Macedo, M. O. C.; Macedo, H.R.A.; Gomes, D. L.; Daudt, Natalia de Freitas; Rocha, H. A. O.; Alves C. Inhibition of Microbial Growth on Chitosan Membranes by Plasma Treatment. The International Journal of Artificial Organs (Testo stampato), v. 37, p. 998-1002, 2013.

Daudt, Natalia de Freitas ; Barbosa, Julio Cesar Pereira; Macêdo, Marina De Oliveira Cardoso ; Pereira, Marcelo Barbalho; Alves Junior, Clodomiro . Effect of cage configuration in structural and optical properties of TiN films grown by cathodic cage discharge. Materials Research (São Carlos. Impresso), v. 10, p. 1-6, 2013.

de Sousa, R.R.M.; de Araújo, F. O.; Gontijo, L.C.; Alves, C.; da Costa, J.A.P.; Alves, C. Cathodic Cage Plasma Nitriding (CCPN) of austenitic stainless steel (AISI 316): Influence of the different Ratios of the (N2 / H2) on the nitrided layers properties.Vacuum (Oxford), v. 86, p. 2048-2053, 2012.

3.Quais benefícios trouxe a seu grupo de pesquisa o fato de ser participante de nosso Instituto.

Maior visibilidade do grupo, pesquisa compartilhada e facilidade na mobilidade de pesquisadores e estudantes.

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Material de divulgação produzido pelo LabPlasma no contexto no Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies

– Capítulos do livro eletrônico “Engenharia de Superfícies” sobre nitretação iônica, nitretação pulsada e nitretação por gaiola catódica (página 49) e sobre modificação da superfície de polímeros por plasma (página 54):http://pt.slideshare.net/Engenharia.de.Superficies/livro-eletrnico-engenharia-de-superfcies

– Postagens no Blog da Engenharia de Superfícies sobre história da nitretação iônica no Brasil e sobre algodão repelente à água após tratamento a plasma: https://engenhariadesuperficies.wordpress.com/author/clodomiro12345/

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Jubileu de prata da nitretação iônica no Brasil – parte 2

28/01/2011
primeiro artigo sobre nitretação

Primeiro artigo publicado em revista nacional (Metalurgia, da ABM) sobre nitretação iônica, em 1991: repercussão na indústria.

primeiro equipamento nitretação

Primeiro equipamento de nitretação iônica construído na UFRN em 1985.

Gostaria de resgatar mais alguns dados históricos da nitretação iônica que tiveram importância na disseminação da técnica no Brasil, bem como seu desdobramento para o uso do plasma em outras aplicações industriais.

Em 1989 aconteceu o  I Seminário Brasileiro de Materiais Resistentes ao Desgaste, promovido pela ABM com apoio da Escola Politécnica – USP. Esse foi o primeiro palco de discussão da técnica para um público constituído por estudantes, pesquisadores e profissionais da indústria nacional. Lembro-me que nesse fórum apresentei um trabalho intitulado: “Desenvolvimento de um sistema para nitretação iônica”, no qual apresentei resultados ainda preliminares em aços inoxidáveis e aço carbono. Esse trabalho abriu discussões e motivou uma aproximação com profissionais de indústrias nacionais como a Ermeto S.A., Cofap e Brasimet.

A primeira possuía um problema bem definido, que consistia na nitretação de anilhas de aço inox, usada para engate rápido, recentemente desenvolvida pela empresa. Essas anilhas necessitavam “cravar” uniformemente, quando apertadas contra as paredes de um tubo de inox, para vedar saídas de fluídos. Quando as mesmas eram nitretadas por banho de sais, apresentavam camadas irregulares, inviabilizando a vedação. Com a nitretação iônica foi possível solucionar esse problema. Isso motivou a construção, pela empresa, de um protótipo com capacidade para nitretar 1500 peças/batelada.  O reator foi desenhado, construído e montado em Jundiaí. A fonte, de 40 kW, também foi desenvolvida na própria empresa. Participei como consultor na montagem e testes preliminares. Os testes foram positivos, necessitando de pequenos ajustes no sistema de refrigeração, quando necessitava usar mais de 40% da capacidade de potência. Infelizmente, por questões econômicas, o projeto foi abortado e a consolidação do primeiro equipamento industrial genuinamente nacional não ocorreu.

As empresas Cofap, representada na época pelo eng. Jan Vatavuk, e a Brasimet, representada pelo eng. João Vendramin, tiveram também uma participação importante na disseminação da técnica no Brasil. Foram eles que “costuraram” a vinda, em 1994, do primeiro equipamento industrial de nitretação, o qual foi adquirido pela Brasimet. Também nesse período foi adquirido outro equipamento semi-industrial pela Universidade de Mogi das Cruzes (UMC), tendo o Prof. Carlos Pinedo e esses engenheiros como principais articuladores de um evento que reuniu mais de 70 engenheiros de empresas para divulgar o serviço disponível naquela instituição.

Nesse período (90-94) aconteceram muitos fatos importantes também na academia. O DEMa-UFSCar construiu um equipamento de plasma pulsado, que era parte do tema do meu doutorado. Mais dois equipamentos semelhantes foram em seguida construídos para a EESC-USP e DF-UFSCar. Por outro lado, a UFSC produzia grande número de teses e dissertações, algumas delas desenvolvidas em empresas como Embraco e Lupatech, que resultaram em parcerias com a indústria e disseminaram novos grupos de pesquisa. A UFRGS produzia trabalhos com base na implantação iônica de nitrogênio em aços, o que culminaria na área de nitretação iônica. Também outras instituições que possuíam facilidades para o desenvolvimento de pesquisas em plasma, como fontes de alta tensão, sistemas de vácuo, espectrômetros de emissão, entre outras, passaram a desenvolver pesquisas na área. Esses são os casos do ITA-INPE (São José dos Campos), Unicamp e USP-SP.

Atualmente a técnica está completamente disseminada no país, com 4 grupos na região nordeste, 1 na região centro-oeste, 15 na região sudeste e 10 na região sul, que formam os pilares para aplicação da tecnologia de plasma em diferentes aplicações.

Clodomiro Alves Junior
Professor titular – UFRN

Veja a parte 1 de “Jubileu de prata da nitretação iônica no Brasil”


Algodão repelente à água

08/07/2010

Discente: Duciane Oliveira de Freitas, M.Sc.

Orientador: Clodomiro Alves Júnior, Dr.

De maciez e conforto incomparáveis, a fibra de algodão é a matéria-prima base da indústria têxtil. Entretanto, seu elevado grau de absorção da água e umidade restringe sua utilização em algumas áreas ou diminui a sua durabilidade. Superfícies sujeitas ao contato com líquidos contaminantes, corrosivos e/ou impregnantes são fortemente suscetíveis ao uso do algodão. Exemplos dessa aplicação se encontram em vestimentas da área biomédica e para profissionais em geral e em alguns revestimentos de produtos para automóveis e aeronaves. Deste modo, a repelência à água dos produtos fabricados com tal fibra desperta interesse dos pesquisadores.

Visando a diversidade de produtos multifuncionais, a indústria têxtil busca inovações que vão ao encontro das necessidades dos consumidores e do mercado em geral, unindo o conforto da fibra de algodão com a hidrofobicidade (repelência à água) de uma fibra sintética, e atendem também aos aspectos ambientais. Para isso, na etapa de acabamento do tecido, são aplicados produtos químicos que aumentam sua hidrofobicidade.

Na nossa pesquisa, aplicamos tratamentos em tecidos de algodão para obter hidrofobicidade utilizando técnicas por plasma*, as quais eliminam produtos químicos tóxicos do processo e diminuem o consumo de água na linha de produção.

Uma gota de água sobre um tecido de algodão antes (esquerda) e depois (direita) do tratamento com plasma

*Leia o trabalho completo no link Produção científica do site do Labplasma. Título: Modificação superficial do tecido 100% algodão tratado com plasma.