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CARACTERIZAÇÃO DE CERÂMICAS DE TIO2 CONFORMADAS POR CONSOLIDAÇÃO COM PROTEÍNA COMERCIAL DE SOJA

Santana¹, J.G.A., Minatti¹, J.L., Santos, F.P.², Campos, E.²

¹ Laboratório de Cerâmica, Departamento de Materiais e Tecnologia

UNESP, campus de Guaratinguetá, SP - CEP 12.516-410

² Escola de Especialistas de Aeronáutica (EEAR) – Guaratinguetá, SP

[email protected]

RESUMO

O uso do TiO2, que se restringia à produção de tintas, cosméticos,

medicamentos e microeletrônica, tem se diversificado devido às novas técnicas de

fabricação como a de conformação por consolidação. Esta utiliza propriedades,

como a do amido, de formar ligações resistentes, elevando o valor da resistência

mecânica. Este trabalho propôs verificar e comparar algumas características

mecânicas de cerâmicas de TiO2 consolidadas com amido comercial de milho e

com proteína de soja, aproveitando o potencial de produção brasileira de soja.

Foram confeccionadas amostras sob a forma de barras, segundo a norma ASTM

C1161/94. A caracterização constou de ensaio de flexão por três pontos, medidas

de rugosidade superficial e densidade aparente, além da verificação através de

microscopia óptica. Os resultados mostraram que a utilização da soja é uma boa

opção para produção destas cerâmicas.

Palavras-chaves: Dióxido de titânio, amido de milho, soja, consolidação

Anais do 48º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

28 de junho a 1º de julho de 2004 – Curitiba-PR

1

INTRODUÇÃO O processo de conformação com proteínas é relativamente novo. Em estudos

recentes, foram utilizadas proteínas globulares como albumina existente no

plasma do sangue e na clara do ovo, para obtenção de cerâmicas densas (1).

A soja é uma cultura originada da região leste da China (século XI a.C.) e foi

introduzida na Europa a partir do século XVIII, chegando ao continente americano

em 1765, com registro de plantio na Geórgia (2). No Brasil, o plantio para produção

de grãos foi realizado em 1941 no Rio Grande do Sul, quando foram cultivadas

450 toneladas (2).

Atualmente ela é utilizada nos mais variados setores como o alimentício

(leites, sopas, molhos, etc), químico (produção de tintas e colas), farmacêutico

(protetores solares) e na área médica (através do combate ao câncer e

alcoolismo). Pode ser encontrada nas seguintes formas alimentícias: feijão,

alternativo para carne, concentrado de proteína de soja, farinha de soja, leite de

soja, óleo de soja, proteína de soja isolada (92% de proteína), proteína texturizada

de soja (70% de proteína), tofu, etc.(3). Aproveitando-se da capacidade do Brasil

de segundo maior produtor de soja (52 milhões de toneladas colhidas em 2003)

superado apenas pelos EUA (4), foi utilizada nesse trabalho tal matéria prima para

conformação de corpos cerâmicos porosos, através da técnica de conformação

direta. Foi feita uma comparação entre as características e propriedades

mecânicas obtidas com as cerâmicas conformadas com proteínas vegetais e as

conformadas com amido de milho.

MATERIAIS E MÉTODOS

Conformação utilizando proteínas de soja

Foram utilizados na obtenção dos corpos cerâmicos dióxido de titânio (TiO2),

dois tipos de proteínas (texturizada e extrato de soja) e açúcar.

O TiO2 (rutilo), utilizado na forma de pó com 98,5% de pureza e densidade

média de 4,23 g/cm3, foi comercializado pela LABSYNTH SA. O extrato e a

proteína texturizada de soja utilizados foram fabricados pela Yoki Alimentos S.A



2

(MaisVita). A proteína texturizada de soja foi obtida por um processo de cozimento

específico (extrusão), seguido por uma secagem. A Tabela I fornece os elementos

constantes tanto na composição da proteína texturizada como na do extrato de

soja.

Tabela I – Composição da proteína texturizada e do extrato de soja de acordo

com informação do fabricante.

Proteína Texturizada Extrato de Soja (porção de 50g) (porção de 30g) Carboidratos 10g 8g Proteínas 24g 13g Gorduras Totais 0 0 Gorduras Saturadas 0 1g Colesterol 0 0 Fibra Alimentar 10g 0 Cálcio 142mg 83mg Ferro 4,90mg 1,50mg Sódio 0 65mg

Para manter a estabilidade da suspensão utilizou-se Disperlam LA como

defloculante.

Na conformação dos corpos cerâmicos, foi utilizada uma composição de 40%

de sólidos, dos quais 10% com agente ligante e formador de poros (proteína de

soja e açúcar) em percentuais de soja que variaram de 70 a 90%, em massa.

A proteína texturizada e o extrato de soja (densidades de 1,44 e 1,20 g/cm3)

foram usados, respectivamente, na forma granular desidratada e na forma de pó.

Em função disso, para a preparação da proteína texturizada, primeiro fez-se uma

moagem em almofariz mecânico seguido de peneiramento. Quanto ao extrato, na

forma de pó, em virtude da grande tendência de aglomeração, foi utilizado sem

nenhum tipo de tratamento.

No processamento, os pós (TiO2, proteínas texturizada ou extrato e açúcar)

foram misturados em meio aquoso (barbotina) e colocados em um agitador

mecânico, durante aproximadamente 20 minutos, quando então foram vertidos em

moldes lubrificados.



3

Os moldes contendo a solução foram colocados em estufa e deixados para

gelatinizar durante duas horas à temperatura de 80°C, seguidos de secagem por

igual tempo à temperatura entre 100 e 110°C. Quando aquecidas, as moléculas

das proteínas gelatinizam na presença de água. Isso ocorre porque as cadeias

constituídas por peptídeos formam uma rede de gel tridimensional e termo–

irreversível (coagulação) pela formação de novas pontes de hidrogênio (1) . Nessa

fase há formação de uma solução coloidal de proteínas, exibindo propriedades

mais associadas a um sólido do que a um líquido (5).

As peças foram então pré-sinterizadas a 1000ºC e sinterizadas a 1450°C,

com taxa de aquecimento de 3°C/min e patamar de 60 minutos, sendo retiradas a

temperatura ambiente, após 24 h.

As proteínas de soja, em virtude da sua alta hidrofobicidade e suficiente

flexibilidade molecular (6), possuem grande tendência para a formação e

estabilização de espumas devido à rápida atração na interface ar-água. Supõe-se

que ao colocá-las em soluções aquosas, sejam introduzidas bolhas de ar e as

moléculas de proteínas sejam adsorvidas à interface entre o ar e a água por áreas

hidrofóbicas (1). A redução na tensão de superfície causada por adsorção da

proteína facilita a formação de novas interfaces e mais bolhas são criadas (1). Isto

gera um grande problema quando a finalidade é conformar peças cerâmicas

densas, ou mesmo porosas. Para evitá-lo, deve ser utilizado um agente

antiespumante (lipídios, por exemplo).

Observou-se, no decorrer da confecção das cerâmicas, que em determinadas

concentrações de proteínas havia uma dificuldade na execução da barbotina em

virtude do aumento da sua consistência. Tal fato ocorria pela absorção de grande

parte da água pela proteína texturizada ou pelo extrato de soja. Para viabilizar a

execução do processo, introduziu-se açúcar à mistura que, além de reforçar o

efeito ligante junto à soja, por ser um pó inerte e orgânico, individualiza os grãos

atuando como dispersante mecânico durante o processo de mistura (7).

Aparentemente, assim como ocorre com o amido (8), há uma competição entre a

soja e o açúcar pela água dificultando o processo de hidratação.



4

Conformação utilizando amido

Para comparar os resultados obtidos com as cerâmicas conformadas com

proteínas foram utilizadas como referência dados das cerâmicas conformadas

com TiO2 (rutilo) e amido de milho comercial, este último produzido pela

Refinações de Milho Brasil SA. Para obtenção destas cerâmicas foram utilizadas

composições com 50% de sólidos, em volume, dos quais 5 e 15% em massa de

amido (9). Seu processamento seguiu as seguintes etapas: gelatinização (≈ 70ºC),

secagem (≈ 110ºC), pré-sinterização (≈ 1000ºC) e sinterização, que ocorreu a

1450ºC, com taxa de aquecimento de 3°C/min e patamar de 60 minutos.

Caracterização das amostras

A determinação da rugosidade superficial foi realizada utilizando-se um

rugosímetro MITUTOYO-SURFTEST 301 com ponta de diamante, sendo medidos

para análise os parâmetros: Ra (rugosidade média) e Rt (rugosidade total).

A determinação da resistência mecânica foi realizada através do ensaio de

flexão por 3 pontos, segundo a norma ASTM C-1161/94. Onde se obteve o valor

médio da tensão de ruptura do material (σ).

Após a execução do processo de lixamento e polimento foi realizado ataque

térmico a uma temperatura de 1000°C com patamar à mesma temperatura

durante 15 min e taxa de aquecimento de 3°C/min. Este procedimento tornou os

elementos da microestrutura mais visíveis, facilitando o processamento das

imagens.

Para captura e caracterização das imagens e, em função do tamanho dos

poros, utilizou-se estereóscopio Leica GZ6 (ampliação de 20 vezes), microscópio

Neophot 30 (ampliação de 8 vezes) e os softwares Imagem-Pro Express (captura

das Imagens) e Imagem J (tratamento e análise quantitativa).

RESULTADOS E DISCUSSÕES

A utilização de proteínas vegetais mostrou ser possível a conformação de

cerâmicas porosas. A grande quantidade de espumas causou problemas



5

relacionados com o aparecimento de trincas e laminações no processo de

secagem. É possível que tal fato tenha ocorrido em virtude da não

homogeneização do material, em decorrência da interface ar-água, embora a

solução tenha permanecido em agitador mecânico, a velocidade constante,

durante o período de 20 minutos. Percebeu-se, também, através da análise visual

das amostras, que a quantidade de trincas e laminações crescia com o aumento

do percentual de proteínas (e conseqüente diminuição do açúcar), provocando um

aumento excessivo do espessamento da solução como decorrência da grande

quantidade de carregamento sólido. Nessas condições, as soluções cerâmicas

eram vertidas com dificuldade.

A Figura 1 mostra a diferença de comportamento da soja quando gelatinizada

na presença ou não de açúcar. Primeiro, foi utilizada proteína texturizada ou

extrato de soja misturado com água e depois, a esses materiais foi acrescentado o

açúcar.

CCoomm aaççúúccaarr CCoomm aaççúúccaarr

(a) (b) Figura 1 – Influência do açúcar no processo de absorção de água quando

utilizada respectivamente com: (a) proteína e (b) extrato de soja.

À medida que a quantidade de açúcar vai diminuindo, em função do aumento

da soja, o engrossamento da solução vai dificultando a sua homogeneização até

que se torna impossível sua conformação.

Algumas peças, após a sinterização, apresentaram grandes trincas e

laminações, que em algumas vezes permitiam sua fratura com facilidade.

Observou-se que tal fenômeno ocorria comumente naquelas peças com alto teor

de proteína, possivelmente causadas pela quantidade de bolhas de ar formadas.



6

Os resultados obtidos através do ensaio de flexão por três pontos e a

densidade aparente, confirmam a influência das proteínas na formação de bolhas.

A maior quantidade de fibra alimentar e carboidratos nas amostras com

proteína texturizada produziu um aumento considerável no nível de porosidade,

com conseqüente redução na resistência mecânica, como é apresentado nas

Tabelas II e III.

Tabela II - Valores obtidos após ensaio de flexão por três pontos.

Composição inicial: carregamento de sólidos

Material orgânico Parâmetro

Extrato de soja (%) Açúcar (%) σ (MPa) 70 30 3,23 80 20 3,76

90% de TiO2 e 10% de extrato de soja e açúcar

90 10 3,67 Proteína de soja (%) Açúcar (%) σ (MPa)

70 30 5,90 80 20 2,17

90% de TiO2 e 10% de proteína texturizada de

soja e açúcar 90 10 1,50

Amido de milho (%) σ (MPa) 5 48,80

TiO2 e amido de milho

15 88,00

Tabela III – Valores de porosidade aparente (Pa), densidade aparente (da) e

densificação (dens.)

Composição inicial -sólidos

Material orgânico Parâmetros

Extrato de soja (%) Açúcar (%) Pa(%) da(g/cm3) dens.(%)70 30 12,92 3,11 73,55 80 20 18,37 2,65 62,70

90% de TiO2 e 10% de extrato e açúcar 90 10 11,35 3,17 75,05

Proteína de soja (%) Açúcar (%) Pa(%) da(g/cm3) dens.(%)70 30 10,82 3,31 78,15 80 20 34,07 2,56 60,56

90% de TiO2 e 10% de proteína e

açúcar 90 10 44,80 2,20 52,12 Amido de milho (%) Pa(%) da(g/cm3) dens.(%)

5 4,31 3,85 90,60


15 7,35 3,57 84,00 Provavelmente, durante o corte, o excesso de bolhas existentes nas

amostras produzidas com proteínas, provocou a aparecimento de microtrincas que



7

se propagaram quando as peças foram submetidas a tensões, provocando a sua

fratura.

Observa-se, no caso das amostras consolidadas com extrato de soja um

pequeno aumento no valor da resistência mecânica à medida que seu percentual

aumenta na composição. Possivelmente isso ocorre devido à presença de sódio

que favoreceu uma melhor ligação entre as partículas. Esta característica pode,

também, estar relacionada com um estado de agregação entre carboidrato e TiO2

mais efetivo, fato que foi citado por Santos (2002) (9).

O contrário ocorreu com a proteína texturizada de soja, cujos valores da

tensão de ruptura diminuíam consideravelmente à medida que seu percentual

aumentava na composição. Quando comparadas com as amostras consolidadas

com amido, as cerâmicas conformadas com proteínas são mais frágeis.

A Tabela IV resume os valores da rugosidade encontrados para as cerâmicas

conformadas com proteína texturizada, extrato de soja e amido de milho.

As análises dos parâmetros Ra e Rt mostram que as cerâmicas

confeccionadas com proteína texturizada de soja possuem uma superfície mais

rugosa quando comparadas com as de amido, provavelmente, em virtude das

grandes dimensões apresentadas por seus poros. O mesmo ocorre com as

amostras confeccionadas com extrato de soja.

Tabela IV – Parâmetros Ra e Rt obtidos por rugosímetro, nas amostras de TiO2

consolidadas com proteína texturizada, extrato de soja e amido de milho.

Composição inicial carregamento de sólidos

Material orgânico

Parâmetros

Extrato de soja (%) Açúcar (%) Ra (µm) Rt (µm)70 30 5,67 53,47 80 20 4,90 41,75

90% de TiO2 e 10% de extrato de soja e açúcar

90 10 2,05 18,72 Proteína de soja (%) Açúcar (%) Ra (µm) Rt(µm)

70 30 8,01 59,89 80 20 9,36 67,14

90% de TiO2 e 10% de proteína texturizada de

soja e açúcar 90 10 7,26 56,61

Amido de milho (%) Ra (µm) Rt (µm)5 0,91 6,93


15 2,07 15,88



8

A caracterização microscópica das amostras revelou que entre as cerâmicas

analisadas, aquelas conformadas com proteína texturizada de soja apresentaram

maior quantidade e tamanho de poros. Esses parâmetros aumentavam, à medida

que aumentava a concentração de proteína de soja na composição. Poros em

menor quantidade, porém mais circulares e mais homogêneos foram observados

nas cerâmicas conformadas com extrato de soja. Estes resultados serão mais

detalhados em trabalhos futuros a serem encaminhados para publicação.

A Figura 2 mostra imagens das amostras conformadas com TiO2 e açúcar

contendo respectivamente extrato e proteína texturizada de soja, obtidas com

estereoscópio Leica GZ6 (ampliação de 20 vezes).

(a) (b)

Figura 2 – Imagens das amostras de TiO2 obtidas das composições contendo,

respectivamente, extrato de soja e açúcar (a) e proteína texturizada de soja e

açúcar (b).

CONCLUSÕES

A diversidade de soja utilizada neste trabalho permitiu a obtenção de

cerâmicas com características próprias. Algumas propriedades foram observadas,

como por exemplo, a capacidade menos hidrofóbica da proteína texturizada de

soja que permitiu conformar cerâmicas com vários percentuais de massa. No caso

das amostras conformadas com o extrato de soja, em alguns percentuais

adotados, não houve possibilidade de execução da mistura em virtude do aumento

excessivo do carregamento sólido. Como resultado, a mistura homogeneizava



9

pouco e a solução fluida era vertida com dificuldades nos moldes. Certamente,

deverão ocorrer ajustes no processo de conformação dos corpos cerâmicos, no

sentido de alterar essa baixa homogeneização da mistura para evitar o

aparecimento de bolhas de ar, que dificultam a execução dos processos descritos.

A utilização de um agente antiespumante, nesse sentido, se faz necessário,

uma vez que ao reduzir o aparecimento de espumas, diminui-se os danos

causados à amostra durante as etapas de gelatinização, secagem e sinterização.

As amostras conformadas com proteína texturizada apresentaram uma maior

variação nos valores de tensão de ruptura, que diminuíam à medida que seu

percentual aumentava na composição. Uma variação pequena foi observada

naquelas cerâmicas conformadas com extrato de soja. Em comparação com as

cerâmicas consolidadas com amido de milho (9), as cerâmicas obtidas com a soja

apresentaram valores de tensão de ruptura muito menores. Esta variação de

resultados entre os materiais, é decorrente principalmente, da diferença de

porosidade entre as mesmas.

Na caracterização microscópica observou-se uma maior formação de poros

das cerâmicas de proteína texturizada de soja. Muito embora a quantidade de

poros seja uma característica importante no desenvolvimento de uma cerâmica

filtrante, são necessárias também homogeneidades, maior circularidade e

resistência, em virtude das concentrações de tensões sobre os mesmos. Entre as

amostras analisadas, preliminarmente, as conformadas com extrato de soja

parecem ser mais indicadas para desenvolvimento de filtros, embora existam

testes a serem realizados antes de uma conclusão definitiva.

Esse trabalho foi realizado com o objetivo de se verificar e analisar as

propriedades exibidas pela proteína de soja quando utilizada como elemento

conformador, e sua possível aplicabilidade como elemento formador de poros em

componentes cerâmicos destinados a filtros. Embora o processo seja ainda

complexo, exigindo cuidados especiais, esse material parece ser uma boa opção,

pois, além do baixo custo possui a vantagem de não ser agressivo ao meio

ambiente.



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AGRADECIMENTOS

Ao técnico Domingos H. Neto, cuja ajuda foi imprescindível para o desen-

volvimento deste trabalho. Ao Prof. Dr. Luís Rogério de O. Hein, pelo apoio na

parte de Ceramografia e a FAPESP (Projeto Cerâmicas Porosas 2003/06769-2).

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) Ola Lyckfeldt, Jesper Brandt, Sílvia Lesca, Protein forming – a Novel Shaping

Technique for Ceramics, Journal of European Ceramic Society 20 (2000) 2551-

2559.

(2) Cultura da Soja. Agromil. Disponível em: www.agromil.com.br/origemsoja.html

(3) I. C. Fernandes. Soja. Disponível em: www.geocities.com/HotSprings/4234/

Soja.html.

(4) Revista IstoÉ, n° 1755, Editora Abril, páginas 80-81 de 10/03/04.

(5) Catálogo Proteína Isolada de Soja. Bunge alimentos. Disponível em:

www.bungealimentos.com.br/industrial/produtos/SamprosoyCarnes.pdf.

(6) D. J. Carp . Desarrollo de proteínas de funcionalidad específica. Departamento

de Industrias, Tecnol. De Alim., Faculdad de Ciencias Exatas y Naturales de

Buenos Aires. Secretaria de Ciencia y Técnicas. Disponível em:

www.rec.uba.ar/becarios/ex/icarp.html.

(7) A. L. B. Penna, Hidrocolóides – Usos em Alimentos Caderno de Tecnologia de

alimentos & Bebidas Dept°. de Engenharia e tecnologia de Alimentos da unesp

de São José do Rio Preto/SP.

(8) D. Albernaz, R. Pontes, Gelificação. UFSC. Disponível em:

http://www.inf.ufsc.br/~taciano/temp/GELEIFICACAO.doc

(9) F. P. SANTOS. Desenvolvimento de Cerâmicas de Dióxido de Titânio para

Utilização como Biomaterial. ). Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica),

Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista,

2002.



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TIO2 CERAMICS PROPERTIES CONFORMED BY CONSOLIDATION WITH SOYA COMERCIAL PROTEIN

ABSTRACT

TiO2 use was restricted for paints, cosmetics, medicines and microeletronic

products and nowadays its application has a diversification due to new production

techiniques as consolidation forming. This method uses properties to form resistent

binders with higher mechanical strength as starch properties. This work purpose to

verify and to compare some mechanical features of TiO2 ceramic formed with corn

commercial starch and soya protein, taking advantage of the capacity of soya

brazilian production. Samples were produced in bar forms, according to ASTM

C1161/94.norm.Characterization was made by three-point flexural test, superficial

roughness and apparent density measurements besides to verification by light

microscopy. Results showed the soya utilization is a good option to produce these

ceramics.

KEY-WORDS: Titanium dioxide, corn starches, soya protein, consolidation



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