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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL Escola de Engenharia Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais-PPGEM CONFORMAÇÃO POR DEPOSIÇÃO ELETROFORÉTICA E AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES DE MATERIAIS CERÂMICOS À BASE DE CORDIERITA Caio Marcelo Marques Engenheiro Mecânico Dissertação para obtenção do título de Mestre em Engenharia Porto Alegre 2001

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Escola de Engenharia

Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais-PPGEM

CONFORMAÇÃO POR DEPOSIÇÃO ELETROFORÉTICA E AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES DE MATERIAIS CERÂMICOS À BASE DE CORDIERITA

Caio Marcelo Marques Engenheiro Mecânico

Dissertação para obtenção do título de Mestre

em Engenharia

Porto Alegre

2001

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Escola de Engenharia

Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais-PPGEM

CONFORMAÇÃO POR DEPOSIÇÃO ELETROFORÉTICA E AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES DE MATERIAIS CERÂMICOS À BASE DE CORDIERITA

por

CAIO MARCELO MARQUES Engenheiro Mecânico

Trabalho realizado no Departamento de Materiais da Escola de Engenharia da

UFRGS, dentro do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas,

Metalúrgica e de Materiais - PPGEM, como parte dos requisitos para obtenção

do título de mestre em Engenharia.

Área de Concentração: Ciências dos Materiais

Porto Alegre

2001

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Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do Título de

Mestre em Engenharia e aprovada em sua forma final pelo Orientador e pela

Banca Examinadora do Curso de Pós-Graduação.

Orientador: Prof. Dr. Carlos Pérez Bergmann

Banca Examinadora:

Prof. Dr. Renato Cataluña Veres

Profa. Dra. Margarete Regina de Freitas Gonçalves

Prof. Dr. Milton Zaro

Prof. Dr. Carlos Pérez Bergmann

Prof. Dr. Jair Carlos Koppe

Coordenador do PPGEM

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SUMÁRIO RESUMO ....................................................................................................................................................7

ABSTRACT ................................................................................................................................................9

1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................................................10

2. OBJETIVOS.........................................................................................................................................13

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................................14 3.1 PROCESSOS CONVENCIONAIS DE CONFORMAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS..................................20

3.1.1 Métodos de conformação a seco ........................................................................................20 3.1.1.1 Prensagem uniaxial ............................................................................................................................. 21 3.1.1.2 Prensagem a quente............................................................................................................................. 22 3.1.1.3 Prensagem isostática ........................................................................................................................... 22 3.1.1.4 Prensagem isostática a quente ............................................................................................................. 24

3.1.2 Métodos de conformação a úmido ......................................................................................25 3.1.2.1 Colagem.............................................................................................................................................. 25 3.1.2.2 “Tape casting”.................................................................................................................................... 27 3.1.2.3. Extrusão ............................................................................................................................................. 28 3.1.2.4. Moldagem por injeção ....................................................................................................................... 29

3.2 CONFORMAÇÃO POR DEPOSIÇÃO ELETROFORÉTICA..........................................................................30 3.2.1 Dupla camada elétrica ..........................................................................................................31 3.2.2 Teoria da estabilidade de suspensão .................................................................................33

3.2.1.1- Mobilidade eletroforética................................................................................................................... 34 3.2.2. Aplicações da Eletroforese..................................................................................................35

3.3. SECAGEM .........................................................................................................................................38 3.3.1 Fenômenos de transporte durante a secagem .................................................................39 3.3.2 Tipos de umidades ................................................................................................................40 3.3.3 Contração de secagem .........................................................................................................41

3.4 CORDIERITA ......................................................................................................................................44 3.5 CHAMOTA COMO ADITIVO NÃO-PLÁSTICO ........................................................................................46 3.6 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES.................................................................................................48

4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL...............................................................................................51 4.1 MATERIAIS ........................................................................................................................................51

4.1.1 Cordierita.................................................................................................................................51 4.2 MÉTODOS ..........................................................................................................................................53

4.2.1 Formulação/Moagem ............................................................................................................53 4.2.2 Preparo da barbotina.............................................................................................................54 4.2.3 Conformação por deposição eletroforética ........................................................................54 4.2.4 Secagem e queima................................................................................................................56 4.2.5 Caracterização de propriedades .........................................................................................59

4.2.5.1. Porosidade.......................................................................................................................................... 59 4.2.5.2. Resistência mecânica ......................................................................................................................... 59 4.2.5.3. Erro das medidas................................................................................................................................ 61

4.2.6 Análise Microestrutural..........................................................................................................61 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................................................................62

5.1 DEPOSIÇÃO ELETROFORÉTICA...........................................................................................................62 5.1.1 Obtenção dos corpos-de-prova ...........................................................................................62 5.1.1.1 Controle do processo .........................................................................................................66

5.2 CARACTERIZAÇÃO DE PROPRIEDADES: RESISTÊNCIA MECÂNICA E POROSIDADE .............................68 5.2.1 Uso de aditivos.......................................................................................................................70

5.2.1.1 Chamota .............................................................................................................................................. 70 5.2.1.2 Fibra cerâmica..................................................................................................................................... 73 5.2.1.3 Serragem ............................................................................................................................................. 75 5.2.2.4 Comparação entre os diferentes aditivos............................................................................................. 77

6. CONCLUSÕES ...................................................................................................................................83

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7. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS..................................................................................85

8. BIBLIOGRAFIA...................................................................................................................................86

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AGRADECIMENTOS

Ao CNPq e a esta fantástica Universidade pela oportunidade de

desenvolver este trabalho, possibilitando um enriquecimento científico, cultural

e humano.

Ao professor orientador Dr. Carlos Pérez Bergmann, pela oportunidade

de realização deste trabalho, e pela paciência e dedicação durante sua

orientação.

Ao amigo quase doutor M. Sc. Carlos Alberto Picinini, pelo incentivo e

oportunidade de desenvolver um estudo na área de eletroforese.

Aos bolsistas de iniciação científica Hugo Leonardo Rocha Alves e

Maurício Infantini, pela ajuda na realização da parte prática deste trabalho.

A querida amiga M. Sc. Juliane Vicenzi, pelo auxílio dado durante a

elaboração do trabalho, bem como a dedicação e paciência que apenas os

amigos tem uns com os outros.

Ao amigo M. Sc. Saulo Roca Bragança, que auxiliou na correção do

abstract.

Aos demais amigos do LACER, colegas de pós-graduação, Hélio,

Tania, Felipe, Daniela, Margarete, André, Márcio e bolsistas de iniciação

científica, Antônio, Cassiano, Juliano, Inocêncio, Carla, Michele, Andrea,

Eduardo, Mônica, Caroline e Ana Paula; com quem convivemos diariamente,

pela parceria e pelas cervejas de fim de tarde.

A todos que colaboraram direta e indiretamente na elaboração deste

trabalho, o meu humilde reconhecimento.

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RESUMO

Este trabalho investigou o efeito do fenômeno da eletroforese como meio

de conformação para materiais cerâmicos. A matéria-prima utilizada foi a

cordierita (2MgO.2Al2O3.5SiO2) que tem um de seus campos de aplicação o

emprego como filtros e suportes catalíticos devido a propriedades como baixa

expansão térmica.

O estudo envolveu a fabricação e caracterização de corpos-de-prova

cerâmicos produzidos por eletroforese. O processo de fabricação consiste na

aplicação de um campo elétrico em uma suspensão aquosa de cordierita, com

aproximadamente 35% em peso de água. Para a dispersão das partículas de

cordierita foi empregado um defloculante comercial (base: silicato de sódio). Os

eletrodos de aplicação do campo elétrico constituem a matriz de conformação

que dão a forma ao material retirando água até um valor mínimo (cerca de

25%).

Os aditivos utilizados foram fibra cerâmica, chamota e serragem com o

objetivo de estudar separadamente os efeitos destes inertes sobre a

porosidade e a resistência mecânica. A serragem é comumente utilizada com a

função de conferir porosidade ao material. A chamota tem um papel importante

na secagem evitando a retração. A fibra cerâmica é um material que pode

também ajudar na secagem e conferir uma melhora na resistência mecânica.

O estudo foi monitorado através de variáveis como diferença de

potencial e intensidade corrente elétrica, com o auxílio de um sistema

computadorizado para aquisição e processamento de dados. Também foram

estudadas variáveis processuais como quantidade de aditivos e temperatura de

queima. Na caracterização dos corpos-de-prova cerâmicos, os critérios

utilizados foram a porosidade total (aberta e fechada) e resistência mecânica à

flexão por quatro pontos.

Os resultados obtidos indicam que o processo eletroforético é uma

alternativa prática para conformação de materiais cerâmicos. Os aditivos

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utilizados possibilitaram um controle da variação de porosidade e resistência

mecânica dos corpos-de-prova.

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ABSTRACT

This work investigated the effect of the electrophoresis phenomenon as a

forming way for ceramic materials. Cordierite (2MgO.2Al2O3.5SiO2) was used

as raw material. The pieces produced can be used as filters and catalytic

supports due to the cordierite properties like low thermal expansion.

This study involved the production and characterization of ceramic

specimens conformed by electrophoresis. The production process consists of

the application of an electric field in an aqueous suspension of cordierita, with

approximately 35% weight of water. For the dispersion of the cordierita particles

a commercial defloculant was used. The forming die is the electrode itself that

gives the final form of the material. The water is expelled out the pieces by an

electric field reaching a minimum value of moisture (about 22%) in the pieces.

Ceramic fibrous, chamote and sawdust were the addictive used. The aim

of this work was the study of the effects of these additives on the porosity and

the mechanical strenght. The sawdust is used commonly with the function of

giving porosity to the material. The chamote influences the drying process

decreasing the retraction. The ceramic fibrous is a material that helps the drying

step and gives an improvement in the mechanical strenght.

The experimental procedure was monitored measuring the voltage and

the electric current intensity, with the aid of a system computerized for

acquisition and data processing. It was also analized the influence of the

amount of addictive and firing temperature. The total porosity and mechanical

strenght (four points bending test) was measured for the characterization of the

ceramic specimens.

The results obtained indicate that the electrophoretic process is a

practical and economical alternative for forming ceramic materials. The

addictive used made it possible to control the porosity level and the mechanical

strenght of the specimens.

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1. INTRODUÇÃO

No processamento de materiais cerâmicos, a etapa de conformação

consiste na compactação de um pó na forma final, ou próxima da forma final.

Usualmente, procura-se obter o mais alto grau de compactação das partículas

sem perda da homogeneidade. Isto é obtido através de um empacotamento

fechado das partículas, que promove a aproximação das mesmas. Esta maior

compactação das partículas concorre para uma maior redução da porosidade

remanescente durante a sinterização (queima) do corpo cerâmico.

O compactado cerâmico é formado pelo pó ao qual são adicionados

comumente aditivos com diferentes funções, como ligantes e plastificantes,

quase sempre compostos orgânicos dissolvidos em meio aquoso. Estes

aditivos ficam presos nos poros do compactado e devem ser removidos antes

que o pó cerâmico venha a ser queimado à alta temperatura. Uma

excessivamente rápida remoção desses aditivos pode causar defeitos na peça

cerâmica, como trincas, bolhas, distorções ou mesmo sua fratura.

Muitos métodos têm sido desenvolvidos para conformar pós cerâmicos

como a prensagem direcional e prensagem isostática (a frio ou a quente),

colagem, extrusão e moldagem por injeção. Embora cada um destes métodos

tenha requisitos diferentes de pó, todos têm o mesmo objetivo: a densificação

da massa cerâmica em uma determinada geometria e dimensão, mantendo

sua homogeneidade.

A busca de um processo alternativo aos processos convencionais para

conformação de peças cerâmicas baseia-se na investigação de fenômenos que

concorrem para a redução do teor de água necessária a conformação da

massa cerâmica, sem que esta perca suas propriedades. A atuação de um

campo elétrico no sentido de orientar as partículas da argila, reduzindo a

viscosidade da solução, apresenta-se com excelente potencial para auxiliar a

extrusão de massas cerâmicas, pois com o alinhamento das partículas, menor

pressão seria aplicada para a conformação, para o mesmo teor de água.

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Os métodos convencionais de conformação, como a prensagem ou

extrusão, apresentam custo de instalação e funcional relativamente elevados,

pois exigem equipamentos caros, altamente depreciativos e que demandam

manutenção freqüente. A técnica de deposição eletroforética dispensa

equipamentos de grande porte e o potencial elétrico envolvido é muito pequeno

comparado com equipamentos usuais.

Com um equipamento simples para a aplicação de um campo elétrico e

um sistema de aquisição de dados é possível medir o consumo de energia e

comparar com os métodos tradicionais de conformação de materiais

cerâmicos. O processo eletroforético dispensa a aplicação de forças mecânicas

pois o potencial elétrico é suficiente para compactar o pó cerâmico.

De fato, o desenvolvimento da deposição eletroforética vem da busca de

alternativas na conformação da argila sob a ação de esforços mecânicos como

na extrusão e na prensagem. Quando se aplica um campo elétrico retificado

em uma pasta ou solução aquosa de argila, as partículas de argila movem-se

em direção ao pólo positivo. Este fenômeno é capaz de compactar o material

cerâmico dispensando a aplicação de forças mecânicas. Assim, a deposição

eletroforética é capaz de produzir corpos cerâmicos de formas variadas, como

alternativa, muitas vezes vantajosas, aos processos tradicionais. Estruturas

como substratos de catalisadores empregados na indústria automotiva, que

são produzidos por extrusão, podem ser obtidos pela deposição eletroforética.

A utilização de massas cerâmicas à base de cordierita

(2MgO.2Al2O3.5SiO2) na indústria cerâmica vem crescendo muito nos últimos

anos. Apesar de não refratária, apresenta baixa expansão térmica podendo

resistir a variações de temperatura em diversos ciclos de queima. Isto tem

proporcionado à cordierita aplicações crescentes em trocadores de calor, filtros

para máquinas a diesel, partes de turbinas a gás e substratos para conversores

catalíticos automotivos, entre outras.

O estudo da viabilidade técnica e econômica de processos alternativos

de conformação de massas cerâmicas à base cordierita em formas complexas

tem despertado o interesse da indústria cerâmica, notadamente dos fabricantes

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de suporte de catalisadores automotivos. Uma dessas alternativas é a

utilização da eletroforese para promover a deposição da massa cerâmica de

forma direcionada. Com um molde apropriado, poder-se-ia obter a geometria

desejada. Para tanto, é necessário avaliar-se o comportamento dessas massas

cerâmicas, sem e com aditivos, quando submetidas a um campo elétrico em

meio aquoso e, obtida a deposição, caracterizar-se as propriedades

tecnológicas de interesse no corpo cerâmico após sua sinterização. É neste

escopo que enquadra-se o presente trabalho.

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2. OBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivos:

a) avaliar o comportamento de uma massa cerâmica à base de cordierita sob

a ação de um campo elétrico em um meio aquoso;

b) investigar a viabilidade da conformação de massas cerâmicas à base de

cordierita por eletroforese;

c) desenvolver um sistema de conformação por eletroforese de corpos

cerâmicos à base de cordierita;

d) conformar por eletroforese e caracterizar quanto a propriedades de

interesse tecnológico, corpos cerâmicos à base de cordierita.

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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O processo de fabricação de um produto cerâmico converte o material

bruto em uma peça utilizável. Envolve a elaboração da matéria-prima, a

conformação na forma desejada e, após, uma etapa de sinterização (processo

de densificação termicamente ativado) a altas temperaturas. Existe uma grande

variedade de processos de conformação e a sua escolha depende

simultaneamente da forma da peça e das propriedades previstas no projeto.

O processo geral de fabricação de materiais cerâmicos pode ser

esquematizado conforme o fluxograma apresentado na Figura 3.1.

EXTRAÇÃO/BENEFICIAMENTODA MATÉRIA-PRIMA

MOAGEM/FORMULAÇÃO

CONFORMAÇÃO

SECAGEM/EXTRAÇÃO DE ADITIVOS

QUEIMA

PRODUTO FINAL

Figura 3.1. Fluxograma genérico das etapas de fabricação de materiais cerâmicos.

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O entendimento do papel de cada uma das etapas da Figura 3.1 e,

principalmente, da interrelação entre essas, é de suma importância para a

obtenção de uma determinada microestrutura no material cerâmico objeto de

processamento. É essa microestrutura que comportará as propriedades

tecnológicas projetadas no produto final. Assim sendo, qualquer tentativa de

controle das propriedades de um produto deve passar pelo entendimento das

propriedades básicas da matéria-prima bem como das transformações que

esta sofre durante o processo de fabricação.

A moagem é uma etapa do processamento cerâmico que permite ao

mesmo tempo a cominuição das partículas e a homogeneização da massa

cerâmica. A diminuição do tamanho médio das partículas através da moagem

promove a aumento da área superficial das mesmas, sendo a redução desta a

força-motriz da sinterização do corpo cerâmico.

Na formulação de massas cerâmicas, são utilizados aditivos cuja função

pode ser a de desplastificante (reduzir a plasticidade da mistura, melhorando,

por exemplo, sua secagem pós conformação) ou plastificante/ligante, cuja

função é fornecer um meio para a acomodação das partículas em busca de um

maior empacotamento e sua manutenção neste estado até a queima.

De forma genérica, as matérias-primas para a formulação de massas

cerâmicas constituem-se basicamente de:

i) matérias-primas plásticas, como as argilas, que proporcionam à peça

plasticidade e resistência mecânica a verde, adequada para a manipulação;

ii) materiais não-plásticos que melhoram a secagem e reduzem a

contração de queima;

iii) fundentes que proporcionam uma fase vítrea na queima, suficiente

para garantir uma adequada resistência mecânica;

iv) óxidos alcalinos terrosos, que estabilizam as fases amorfas

presentes, provenientes da decomposição de argilominerais e que

proporcionam uma longa faixa de sinterização com baixa contração linear e

absorção de água no produto final.

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Como visto, as matérias-primas plásticas são representadas pelas

argilas, que por sua vez são compostas por materiais plásticos e não-plásticos.

Porém, sobretudo as argilas de granulometria muito fina, extremamente

plásticas, apresentam o processamento dificultado, pois precisam de uma

considerável quantidade de água para desenvolver completamente a

plasticidade. Devido a este fato, ocorre um alto grau de compactação da massa

cerâmica e os canais internos existentes entre as partículas são reduzidos,

dificultando a eliminação da água durante o processo de secagem. Com isso,

ocorre um aumento do gradiente de umidade no interior do produto,

provocando retrações diferenciadas e deformações, aumentando as perdas no

processo de fabricação.

Os materiais não-plásticos modificam o comportamento das argilas

durante a queima. Estas matérias-primas podem atuar em três formas distintas

durante esta etapa: como formadores de fases cristalinas, formadores de fases

líquidas (fundentes) ou como inertes (Barba, 1997).

Os formadores de fases cristalinas decompõem-se durante a queima,

formando os óxidos correspondentes e o dióxido de carbono. Posteriormente,

os óxidos reagem com o quartzo e o feldspato com pequeno tamanho de

partícula e com a sílica e alumina procedentes da decomposição dos minerais

argilosos, formando fases cristalinas. A presença destas fases, a escassez de

fase vítrea e as elevadas perdas por calcinação conferem às peças elevada

porosidade e baixas contrações de queima.

Os fundentes utilizados melhoram a sinterabilidade via fase vítrea das

argilas e diminuem a perda por calcinação, reduzindo portanto a absorção de

água. A temperaturas elevadas, apresentam um alto poder fundente,

diminuindo a porosidade da peça pela formação de fase vítrea e aumentando a

contração linear.

A etapa de conformação é realizada principalmente por extrusão ou

prensagem. Para o controle da plasticidade, é adicionada água, que no entanto

deve ser eliminada na secagem, antes da queima. Portanto, quanto maior a

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umidade da massa cerâmica, maior será a quantidade de energia necessária

para a retirada da mesma na etapa de secagem.

A etapa de queima é utilizada para que a peça cerâmica conformada

alcance, nos níveis necessários, propriedades tecnológicas de interesse, como

resistência mecânica e porosidade, propriedades normalmente associadas.

Na queima, irá ocorrer o processo de densificação do corpo cerâmico,

denominado de sinterização, que minimiza a energia livre do sistema. Sua

força-motriz é portanto a diminuição da energia superficial total das partículas,

através da redução da área interfacial partícula/partícula e partícula-poro. A

redução da área superficial dá-se pelo crescimento das partículas maiores em

detrimento das menores a altas temperaturas. Os átomos das partículas

pequenas são transferidos para os maiores, e os poros entre partículas são

consumidos no processo. As superfícies de energia mais elevada são aquelas

que apresentam raio pequeno de curvatura côncavo ou convexo; as superfícies

de energia mais baixa são aquelas que superfícies planas.

A transferência de massa envolvida na sinterização pode ocorrer por

mecanismos distintos, algumas vezes simultâneos, e dependem do sistema

cerâmico envolvido. A Figura 3.2 ilustra esquematicamente diferentes

mecanismos que promovem a sinterização. Cada um dos mecanismos pode

predominar, em relação aos outros, conforme a composição

química/mineralógica do corpo cerâmico. Os mecanismos secundários co-

operam então em uma extensão menor ou insignificante. Três mecanismos

principais podem ser destacados:

i) difusão, não somente ao longo dos contornos dos grãos ou entre as

partículas, mas também no interior dos grãos;

ii) evaporação de materiais altamente voláteis nas superfícies convexas

e que se condensam nas superfícies côncavas, devido aos diferenciais de

pressão-vapor;

iii) escoamento viscoso ou plástico.

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Figura 3.2. Mecanismos de sinterização.

A difusão é aparentemente o principal mecanismo de sinterização dos

produtos cerâmicos sem fases vítreas. No processo, há uma redução do

volume total devido ao contato entre as partículas, de modo tal que os centros

dos grãos fiquem mais próximos uns dos outros. Essa contração, ∆L/Lo, pode

ser expressa pela relação:

ntKL

L .0

=∆

(3.1)

Nessa equação, t é o tempo, n é uma constante próxima de 0,4 e K é

uma constante de proporcionalidade que depende da temperatura e que se

comporta como:

KK

eQ

RT

0

= −

(3.2)

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onde Q é a energia de ativação da difusão, R é a constante dos gases e T é a

temperatura. Combinando as duas equações acima, obtém-se:

ln tt

QR T T

1

2 1 2

1 1= −

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ (3.3)

Através dessas equações, pode-se comparar os tempos necessários

para ocorrer as contrações nas várias temperaturas de queima. Embora tais

equações sejam puramente teóricas e tenham sido satisfatoriamente

comprovadas experimentalmente, deve-se estar a par de suas limitações, de

tal forma que se possa efetuar as extrapolações possíveis. Especificamente, as

relações não são aplicáveis próximo à densidade teórica (porosidade de 0%)

do cerâmico; e também não são aplicáveis nos processos muito lentos de

eliminação dos poros internos que se isolam dos contornos dos grãos.

Entretanto, as relações acima citadas são utilizáveis nas fases iniciais da

sinterização, onde se desenvolve a resistência mecânica do produto queimado

(van Vlack 1973).

A volatilização e a condensação em materiais cerâmicos não são muito

estudadas. O uso de atmosferas redutoras facilita o desenvolvimento de sub-

óxidos voláteis, como por exemplo, o SiO do SiO2 e, possivelmente, o Al2O a

partir do Al2O3. Os princípios da sinterização por transporte de vapor são

idênticos àqueles da sinterização por transporte de líquido.

A alta temperatura envolvida no processo de queima do corpo cerâmico

pode promover a formação de uma fase líquida no seu interior, o que ocorre

tipicamente com materiais argilosos. A sinterização com a presença de fase

líquida envolve a remoção dos íons ou átomos das superfícies de maior

energia e deposição dos mesmos nas superfícies de menor energia. Em

temperaturas baixas, a solidificação ou aumento da viscosidade da fase vítrea

contribui para a resistência mecânica.

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O escoamento viscoso de silicatos de baixo ponto de fluidez predomina

no processo de queima de argilas. Temperaturas elevadas, aumentam

intensamente a velocidade de sinterização, pois a velocidade do fluxo,

analogamente à viscosidade, está relacionada logaritmicamente com o inverso

da temperatura. Algo semelhante a esse escoamento viscoso ocorre na

prensagem a quente, que densifica termicamente as partículas, onde as forças

superficiais são complementadas por forças externamente aplicadas.

A relação, que normalmente é complexa, pode ser resumida para

temperaturas elevadas, onde a densificação aumenta à medida que diminui a

viscosidade do líquido. A densificação é afetada também pela tensão

superficial do líquido e pela tensão de cisalhamento inicial, necessária para que

se processe a densificação. Outro fator limitante é a presença de poros e sua

distribuição.

A densificação acima descrita induz a contração onde o tempo e

temperatura de sinterização influem diretamente nestes parâmetros. Assim, a

despeito da larga faixa de técnicas de fabricação disponíveis para os produtos

cerâmicos, as microestruturas resultantes possuem algumas características

comuns, tais como a presença de uma ou mais fases cristalinas, algumas

vezes associadas a fases vítreas; uma grande variação no tamanho de grão,

geralmente entre 1 - 1000 µm e uma porosidade, fina/grosseira, fechada/aberta

que depende dos parâmetros tempo/temperatura na sinterização.

3.1 Processos Convencionais de Conformação de Materiais Cerâmicos

3.1.1 Métodos de conformação a seco

A maioria das peças cerâmicas são produzidas pelas técnicas de

conformação a seco, destacando-se principalmente a prensagem uniaxial. Os

pós que são usados devem estar pré-aglomerados de modo a preencherem

com mais fluidez os moldes ou formas. Enchimento completo e homogêneo é

necessário para se obter uma densificação uniforme. Na prática industrial, é

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possível empregar a vibração do molde, quando o pó não apresentar a fluidez

necessária para o rápido, uniforme e completo preenchimento do molde.

3.1.1.1 Prensagem uniaxial

Os processos mais utilizados na conformação de pós finos são a

prensagem a seco (< 3% de água em peso) e semi-seco (3-12% de água). A

prensagem tradicional pode ser definida como uma compactação uniaxial de

pós confinados a uma matriz de prensagem, onde pequenas quantidades de

água e/ou aditivos auxiliam sua densificação. As principais vantagens da

prensagem estão relacionadas a sua alta produtividade e precisão dimensional.

Para um entendimento básico do processo de compactação de pós seria

desejável um equacionamento generalizado dos mecanismos de compactação.

Para tal, necessita-se informações sobre o comportamento dos pós sob tensão,

distribuição de pressão dentro dos compactados, forças de fricção

partícula/partícula, entre outros fatores. Tal número de variáveis torna o estudo

essencialmente particular, caso a caso.

Dos modelos genéricos propostos, o de Cooper e Eaton (1962) tem sido

o de maior aceitação. Descrevem a compactação como um processo dinâmico

de preenchimento de poros, decorrente da ruptura e rearranjo de aglomerados

nos diversos estágios de aplicação de carga.

Estudos subseqüentes feitos por Leiser e Whittemore (1970) mostraram

que no processo de compactação, além da dureza do material enfatizada por

Cooper, o tamanho das partículas, a taxa de aplicação de carga, a forma e a

distribuição do tamanho de partículas também influenciam os mecanismos de

densificação.

A geometria das partes prensadas são geralmente simples com algumas

variações, pois a pressão de compactação deve ser transmitida uniformemente

através de todo o compactado. Plastificantes e ligantes são usados para

reduzir o atrito entre as partículas durante a conformação e manter as

partículas mecânica/quimicamente ligadas após a conformação. Assim, o

compactado será o suficientemente resistente ao manuseio.

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3.1.1.2 Prensagem a quente

Mecanicamente, prensagem a quente é idêntica à prensagem a frio. A

diferença está no aquecimento do molde, que sintetiza o pó durante a operação

de prensagem. Isto resulta em uma densificação a uma temperatura mais

baixa, comparada à sinterização sem prensagem. Prensagem a quente é a

única entre as técnicas de consolidação mecânica onde não são usados

normalmente aditivos, já que qualquer aditivo orgânico, como os que são

usualmente empregados na prensagem a frio, seria transformado pela

temperatura em um resíduo carbonizado sem qualquer efeito na massa

cerâmica.

A variante a quente do processo de prensagem uniaxial de materiais

cerâmicos é ilustrada esquematicamente na Figura 3.3.

Figura 3.3. Representação em corte de prensa utilizada no processo de conformação por prensagem uniaxial a quente (Enciclopédia Britânica Internet, outubro de 2000).

3.1.1.3 Prensagem isostática

A prensagem isostática a frio utiliza um fluido em uma câmara

pressurizada para transmitir isostaticamente a pressão de compactação à peça

submetida à conformação. Em relação à prensagem uniaxial, obtém-se com

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isso uma distribuição mais homogênea da pressão ao pó cerâmico. As peças

conformadas por prensagem isostática a frio apresentam uma microestrutura

mais uniforme, resultado da densificação mais homogênea. A Figura 3.4 ilustra

esquematicamente a prensagem isostática a frio de pós cerâmicos.

Figura 3.4. Representação esquemática da prensagem isostática a frio. (Enciclopédia Britânica Internet, outubro de 2000).

A prensagem isostática a frio admite duas variantes: molde a seco e

molde a úmido. O primeiro método usa um molde elastomérico fixo que é

pressurizado externamente com um fluido. Pelo fato do molde ser normalmente

unido a partes limitadas que o fixam, a pressurização ocorre no interior em uma

direção radial. O resultado é uma condição quasi-isostática, usualmente

emprega para fabricação de produtos de forma cilíndrica.

A prensagem de bolsa seca é tipicamente uma operação automatizada.

Muitos dos requisitos para prensagem uniaxial aplicam-se a este método. Um

requisito adicional é evitar a aderência do ligante à bolsa elastomérica.

A prensagem isostática de bolsa úmida (wet bag) usa um molde

elastomérico que não é fixo, colocado em uma câmara cheia de fluido. A Figura

3.5 apresenta ilustrativamente as etapas do processo de prensagem isostática

a frio na sua variante a úmido. Muitos moldes podem ser colocados em uma

câmara, dependendo do tamanho. É tipicamente uma operação manual em

batelada. Pelo fato de o molde ser pressurizado em todas as direções, este

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método aproxima-se da prensagem isostática verdadeira. Um

ligante/plastificante deve ser usado para facilitar o escorregamento das

partículas durante sua compactação no molde, notadamente quando da

presença de curvaturas mais fechadas.

Figura 3.5. Representação esquemática da prensagem isostática a frio: processo wet bag (Kennard, 1991).

3.1.1.4 Prensagem isostática a quente

A variante a quente do processo de prensagem isostática de materiais

cerâmicos é ilustrada esquematicamente na Figura 3.6. Por esse processo, é

possível obter as mais altas taxas de densificação de pós durante sua

compactação/sinterização, ao combinar a pressão isostática com temperaturas

elevadas. Normalmente, empregado quando necessita-se a densificação

próxima da densidade teórica do material cerâmico, maximizando-se assim a

resistência mecânica da peça conformada/sinterizada pela eliminação de

poros, com homogeneidade de propriedades dada pela distribuição isostática

da pressão aplicada. Seu custo de instalação e operação porém são os mais

elevados dentro do elenco de processos de fabricação de materiais cerâmicos.

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Figura 3.6. Representação esquemática da prensagem isostática a quente (Enciclopédia Britânica Internet, outubro de 2000).

3.1.2 Métodos de conformação a úmido

Métodos de conformação a úmido são técnicas especiais baseadas na

fluidoplasticidade de massas cerâmicas. O pó inorgânico pode ser considerado

como um soluto em um solvente aquoso ou orgânico. Assim, as propriedades

do sistema são determinadas principalmente pela fase fluida. O controle do

tamanho de partícula é essencial para o ajuste da reologia do sistema, no

intuito da obtenção das propriedades desejadas na peça cerâmica.

3.1.2.1 Colagem

A técnica de colagem é uma das mais antigas para formação de peças

cerâmicas. Nesta técnica, uma suspensão coloidal (usualmente aquosa, mas

também podem ser de outros solventes) é derramada em um molde poroso

(tipicamente gesso). Como o líquido é sugado pelas paredes do molde, uma

camada de pó consolida-se na superfície do molde. Esta camada continua a

crescer à medida que o líquido penetra nas paredes do molde. A peça adquire

a forma da superfície interna do molde, que pode ser oco ou sólido,

dependendo se a suspensão é removida ou não do molde. Em sistemas sem

argila, ligantes devem ser adicionados à suspensão para fornecer ao artigo

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moldado resistência suficiente para ser manuseado. Todos os sistemas contêm

dispersantes e, comumente, outros aditivos para controlar a viscosidade. Os

pós usados na colagem devem ter um tamanho médio de partículas pequeno

com uma ampla distribuição de tamanho. Pós grosseiros preferencialmente

precipitarão, resultando em uma peça não uniforme. Uma distribuição estreita

de partículas produzirá uma suspensão de baixo teor de sólidos, resultando em

um baixo fator de empacotamento. Tais peças experimentarão uma grande

retração de secagem, que pode mais facilmente produzir quebras, já que há

maior possibilidade de ocorrer um tensionamento diferenciado no corpo da

peça, notadamente no caso de geometria complexas.

Partículas muito finas fecharão os poros do molde, prolongando

excessivamente o tempo de drenagem necessário para alcançar uma

determinada espessura. A Figura 3.7 apresenta esquematicamente as etapas

do processo de colagem.

Figura 3.7. Representação esquemática do processo de colagem: a) preenchimento do molde; b) deposição do material na superfície interna do molde e absorção de água pelo mesmo; c) retirada de água; d) retirada do material conformado (Enciclopédia Britânica Internet, outubro de 2000).

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3.1.2.2 “Tape casting”

Em sua forma mais simples, o processo de tape casting envolve o

espalhamento de uma suspensão coloidal sobre um substrato impermeável

para produzir um filme de certa espessura. A película pode secar somente a

partir da superfície de topo. Na prática, o substrato impermeável é um filme de

polímero que é enrolado à medida que a massa cerâmica é lançada sobre sua

superfície. Para que a fita seque antes de poder ser enrolada, normalmente

são usados solventes voláteis.

Figura 3.8. Representação esquemática do processo de tape casting. (Enciclopédia Britânica Internet, outubro de 2000).

A suspensão usada neste método é similar à requerida pela colagem

com pequenas diferenças importantes. Ambos requerem altos carregamentos

de sólidos em viscosidades baixas. Entretanto, pelo fato de que o processo de

tape casting não fazer uso de moldes porosos, faz-se uso de um solvente,

normalmente um liquido orgânico bastante volátil. Sistemas com ligante

orgânico (polimérico) são mais complexos e muitas vezes requerem outros

aditivos para plastificar o ligante. Em virtude da fita ser formada pela extração

de água só por um lado, há a tendência de formar-se estruturas não-

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homogêneas com o aumento de sua espessura. Um resultado típico desta

variação ocorre durante a sinterização, quando a retração diferencial deixa a

fita torcida. As etapas do processo são mostradas esquematicamente na Figura

3.8.

3.1.2.3. Extrusão

A extrusão de uma mistura plástica toma possível a formação de

geometria bidimensionais muito complexas. A principal limitação deste método

é que a terceira dimensão não pode ser mudada. Hastes, tubos e estruturas de

colmeia são conformadas quase que exclusivamente por extrusão. Misturas

plásticas compreendem pós inorgânicos, um ligante e um líquido, tal como a

água.

Figura 3.9. Representação esquemática do processo de extrusão (Enciclopédia Britânica Internet, outubro de 2000).

A massa cerâmica é formulada de maneira a diminuir sua viscosidade

com baixas tensões de cisalhamento, tornando possível extrudar rapidamente

sem que o extrudado perca a forma após passar pelo molde. Ligantes são

necessários em sistemas que não contenham argila para promover resistência

de manuseio quando verde. Lubrificantes são empregados para reduzir a

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fricção nas paredes do molde. Como a mistura nunca é um fluido de baixa

viscosidade, partículas muito grandes são toleradas, embora estas acarretem

em uma menor densificação do corpo cerâmico a verde e após queima. O

princípio de funcionamento de uma extrusora é mostrado na Figura 3.9.

3.1.2.4. Moldagem por injeção

É um dos métodos mais recentes desenvolvidos para formar cerâmicos:

as referências mais antigas são da década de 1940. Embora tenha grande

potencial para fazer peças de geometria complexa, é um método muitas vezes

escolhido como última opção. Na teoria, o método é simples: mistura-se pós

cerâmicos com um polímero termoplástico. Esta mistura será fundida e injetada

em um molde frio, onde há cavidades com as formas desejadas. Após a

moldagem, as peças são removidas. Na prática, a maior dificuldade é a

remoção do polímero da peça antes da queima. Há uma variedade de

alternativas quanto aos polímeros utilizados e outros aditivos. Genericamente,

são utilizados um ligante/plastificante, um dispersante para manter a

viscosidade da mistura baixa, modificadores de viscosidade, e lubrificantes

para reduzir a fricção no fuso e no molde. A Figura 3.10 apresenta o princípio

de funcionamento de uma injetora.

Figura 3.10. Representação esquemática do processo de moldagem por injeção (Enciclopédia Britânica Internet, outubro de 2000).

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3.2 Conformação por Deposição Eletroforética

A deposição eletroforética é um processo coloidal na qual corpos

cerâmicos são conformados diretamente a partir de uma suspensão coloidal

estável por um campo elétrico de corrente contínua. Fala-se em eletroforese

quando partículas suspensas na água migram sob a influência de um campo

elétrico em uma direção particular, que depende do sinal da carga.

Convencionalmente, foi estabelecida uma regra prática pelo meio da qual “o

componente com a maior constante dielétrica é positivamente carregado”

(Sarkar e Nicholson, 1996). Visto que a água tem uma constante dielétrica alta

de 81 (vidro: 5 a 7; porcelana: 4 a 7 e mica 4 a 10), partículas suspensas em

água devem estar negativamente carregadas (experimentalmente, percebe-se

o excesso de água no eletrodo negativo).

Quando um campo elétrico é aplicado a uma suspensão de partículas,

carregando uma carga negativa superfície, as partículas movem-se na direção

do eletrodo positivo, e os contra-íons movem-se para o eletrodo negativo,

exceto aqueles que estão localizados entre a superfície da partícula e o plano

de cisalhamento dentro das camadas da água que aderem à partícula em

movimento.

No estado estacionário, alcançado em um tempo muito curto depois que

o campo é aplicado, as partículas movem-se com uma velocidade constante, e

a força total na partícula é zero. Portanto, numa primeira aproximação, a força

elétrica (f1) na partícula carregada é igual à força friccional hidrodinâmica (f2) na

partícula pelo líquido. Uma análise mais detalhada mostra que duas forças

adicionais opõem-se à força elétrica. Uma força adicional friccional (f3), resulta

do movimento da água com os contra íons, que se move na direção oposta às

partículas. Uma segunda força retardadora (f4), é causada pela distorção da

camada difusa dos contra-íons ao redor da partícula. Visto que os contra-íons

movem-se em uma direção oposta, a dupla camada em frente das partículas

deve ser constantemente restaurada quando esta for rompida atrás da

partícula. A restauração da dupla camada leva um tempo, o tempo de

relaxação; portanto, na média, a dupla camada será alterada em relação à

partícula e assim exercerá uma força de retardação elétrica. A força f3 é

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chamada de força de retardação eletroforética; f4 é chamada de força de

relaxação (Sarkar e Nicholson, 1996).

3.2.1 Dupla camada elétrica

Os argilomenerais são estruturas cristalinas cujas partículas, quando em

dispersão aquosa, adquirem um comportamento elétrico. Isto acontece

basicamente por dois motivos: (a) imperfeições da estrutura cristalina da

partícula geram uma carga líquida negativa ou positiva, que é compensada

pelo acúmulo de uma quantidade equivalente de íons de sinal oposto do líquido

imediatamente vizinho à partícula; (b) a carga da partícula é criada por uma

adsorção de preferencial de certos íons específicos na superfície da partícula e

uma quantidade equivalente de contra-íons é acumulada próxima à superfície

da partícula. Em ambos os casos é formada uma dupla camada elétrica; a

camada interna é gerada ou pelo desequilíbrio elétrico da estrutura cristalina,

ou pela adsorsão de íons, e a camada externa é gerada pelos contra-íons (íons

de carga contraria aos primeiros) para neutralizar a primeira. A Figura 3.11

apresenta a configuração de uma dupla camada elétrica.

Figura 3.11. Formação da dupla camada elétrica. (1) Carga originada no interior do cristal. (2a) Carga superficial originada da adsorção específica de íons. (2b) Carga originada da adsorsão de íons do cristal (Olphen, 1977).

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Pode-se assumir que através do movimento browniano das partículas no

fluído, uma maior ou menor parte das cargas de compensação, em uma

atmosfera difusa de contra-íons, vem a ser separada e não migra com a

partícula. A diferença entre o potencial deste plano hipotético e aquele do fluído

da vizinhança é o potencial eletroforético.

Assim, o caráter difuso da dupla camada, através de seu processo de

separação, torna possível um carregamento de partículas através de seu déficit

de contra-íons, por um lado, e do fluído através do ganho de contra-íons, do

outro. Visto que os contra-íons das faces das placas dos argilominerais são

positivos (íons K, Na, Ca, etc), o fluído é neste caso positivamente carregado,

sendo as partículas por outro lado negativas.

Suspensões de argilas apresentam uma notável característica que é a

forma de placas relativamente grandes de suas partículas. Adicionalmente,

estas placas sustentam-se em suas faces e bordas duplas da camada elétrica

de estruturas diferentes (Olphen, 1977).

Nas bordas das partículas dos argilominerais, o que se tem são

superfícies com vínculos quebrados, que possuem uma capacidade ativa de

adsorção. Estes vínculos quebrados na superfície são imediatamente

saturados com água, formando um hidróxido Me-OH e, dependendo do valor

do pH, este pode assumir uma carga positiva ou negativa. Esta é então

compensada nas bordas das placas por contra-íons correspondentes, que

forma a dupla camada elétrica nas bordas. Em meio ácido, somente é possível

que as bordas das placas sejam positivamente carregadas e as faces, por

contraste, negativamente.

Há três caminhos possíveis nos quais partículas em forma de placas

podem entrar em contato uma com as outra: face-face; face-borda e borda-

borda. Cada caso também apresenta uma conjunção de duplas camadas

elétricas que variam nas forças de interação e por isto as três possibilidades

não acontecem simultaneamente e no mesmo grau de coagulação em uma

suspensão de argila.

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A adesão borda-face ocorrerá principalmente na faixa de pH acima de 7,

quando as cargas negativas dependem do pH, o que diminui as forças

eletrostáticas de repulsão entre faces e bordas. Como resultado, desenvolve-se

uma estrutura de “castelo de cartas” concedendo à suspensão uma alta

viscosidade e, quando a concentração de sólidos for alta, um comportamento

tixotrópico. Na adição de eletrólitos peptizantes (dispersantes), ânions destes

são adsorvidos nas bordas, reforçando a sua carga negativa. O “castelo de

cartas” entrará em colapso subitamente pela adição de quantidades muito

pequenas de dispersante, fazendo com que forças de repulsão da dupla

camada nas faces se sobreponham através do enfraquecimento das forças de

adesão borda-face. O resultado é um efeito de fluidização eficaz, já que na

estrutura borda-face as forças de atração entre as placas são forças de van der

Waals e as de repulsão são forças de natureza eletrostática entre as duas

camadas das placas que são mais intensas que as primeiras.

A espessura da dupla camada difusa decresce com o aumento da

concentração dos íons no fluído, visto que a energia de interação das

partículas é influenciada por este fator. A adição excessiva de dispersante leva

a um novo aumento da viscosidade.

3.2.2 Teoria da estabilidade de suspensão

A carga superficial da partícula é requerida para a obtenção da

estabilidade da dispersão em suspensões. Esta estabilidade pode ser o

resultado de quatro processos:

i) dissociação ou ionização de grupos superficiais nas partículas. Isto é

comum em ácido carboxílico adsorvido, aminas, e superfícies óxidas. Nestes

sistemas, o grau de carga desenvolvido e seu sinal dependem do pH da

solução, devido ao comportamento do H+ e/ou OH- como íons de potencial

determinado. Superfícies óxidas, por exemplo, podem ser consideradas

contendo um grande número de grupos hidroxilas anforéticos que podem sofrer

reações para produzir H+ ou OH-.

(M-OH)o superfície + H+ = (M-OH2)+ superfície em pH baixo

(M-OH)o superfície + OH- = (M-O)- superfície + H2O em pH alto

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ii) readsorsão de íons de potencial determinado: um exemplo deste

mecanismo é o sistema de AgI / água no qual ou Ag+ ou I- adsorvem íons na

superfície para estabelecer equilíbrio (isto é, o potencial eletroquímico dos íons

Ag+ ou I- são os mesmos na superfície de AgI e no meio da solução aquosa).

iii) adsorsão de surfactantes ionizados: por exemplo, carbono na forma

de “fuligem” pode tornar-se negativamente carregado pela adsorsão de

surfactantes aniônicos.

iv) substituição isomórfica: este mecanismo é comum em minerais de

argila, isto é, substituição isomórfica em camadas tetraedrais de Al2O3 e o

balanço de carga resultante pelos contra-íons cambiáveis.

Interações que ocorrem entre as cargas fixas na superfície da partícula e

cargas livres na solução são importantes para estabilidade de um sistema

coloidal (Sarkar e Nicholson, 1996).

3.2.1.1- Mobilidade eletroforética

Partículas carregadas atraem íons de carga oposta (isto é, contra-íons)

ao redor da partícula. Esta região circunvizinha é a liosfera. Quando as

partículas se movem no líquido, alguns íons na liosfera são arrastados

hidrodinamicamente. O potencial resultante entre a superfície e o plano de

arraste é denominado de potencial zeta.

A fórmula completa relacionando a mobilidade eletroforética e o

potencial zeta leva em consideração todas as forças que agem sobre a

partícula, porém, é apenas uma aproximação e não pode ser generalizada.

A velocidade eletroforética é calculada pela relação:

µe =∈ ξ E / 4 π η (3.4)

Ε é a intensidade do campo elétrico aplicado, ξ é o potencial zeta e ∈ e

η são a constante dielétrica e a viscosidade do fluido, respectivamente.

(Andrews et all, 1969).

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3.2.2. Aplicações da Eletroforese

No ano de 1979, Ryan e Massoud realizaram alguns experimentos com

deposição eletroforética, ao desenvolverem um processo para competir com a

colagem em moldagem hidroplástica (Hennicke et all, 1982). Em uma

comparação entre os dois processos, verificaram as seguintes vantagens da

deposição eletroforética sobre a colagem: menor tempo de conformação,

menos sensível à variação de viscosidade e tixotropia da barbotina e secagem

mais rápida do molde já que opera a maior temperatura.

Diversos autores encontraram uma solução elegante para os problemas

apresentados pela decomposição eletrolítica da água (que ocasionam

problemas como bolhas na peça cerâmica e fluxo alto de corrente) pelo uso de

fluidos orgânicos ao invés de água como meio dispersante. Seus altos custos

são suportados, entretanto, apenas para produtos de alto valor agregado. Um

exemplo, são bocais de foguetes que têm sido conformadas com sucesso por

eletroforese da alumina.

Outro pesquisador, Chronberg (59,61 apud J. Hennicke), igualmente

desenvolveu um processo, chamado Voluphant, para competir com a colagem.

A prevenção à formação de bolhas de oxigênio é obtida pelo uso de zinco

como o material do eletrodo, que é oxidado pelo oxigênio atômico reativo. O

óxido formado tem a vantagem, quando comparado com outros materiais de

eletrodos, de manter a sua cor branca mesmo quando queimado e assim não

prejudicar a aparência do produto. No processo, que se presta

predominantemente para a manufatura de peças grandes, dois ânodos,

colocados para formar as superfícies interna e externa da peça a ser

manufaturada, são imersos em um vaso contendo a barbotina (Figura 3.12).

Entre os ânodos está o cátodo de dupla face com uma diferença de 12 mm

entre os eletrodos. Este espaço é alimentado com barbotina através de um

orifício no centro de cada cátodo. Depois do processo de deposição (Figura

3.12a), que leva minutos, dependendo da espessura desejada da peça, os dois

ânodos são removidos e o cátodo colocado para o lado (Figura 3.12b). As duas

superfícies de depósitos são então prensadas juntas (Figura 3.12c) e a peça

completa removida do molde (Figura 3.12d). A simetria assim obtida na

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formação da peça permite elevar a resistência durante a secagem e a queima,

evitando deste modo trincas por contração diferenciada durante a secagem.

Figura 3.12. Etapas de operação no processo Voluphant: a) deposição; b) desengate do cátodo; c) prensagem e d) remoção do molde (Hennicke et all, 1982).

Um processo para manufatura contínua de produtos cerâmicos planos

foi introduzido em 1977, também por Chromberg (59,61 apud J. Hennicke). O

ânodo da instalação, que tem o nome de Elephant, consiste em dois cilindros

adjacentes (igualmente cobertos com zinco) rodando em movimentos

contrários. O cátodo situa-se acima destes com uma folga (Figura 3.13). A

barbotina cerâmica é bombeada na folga uniforme entre o ânodo e o cátodo e

os cilindros são pressionados com uma força correspondente à pressão

hidrostática da coluna da barbotina. As duas camadas depositadas

eletroforeticamente nas superfícies dos cilindros são soldadas quando elas se

encontram. O resultado é uma faixa cerâmica contínua, com um teor de 16 a

18% de água. Aqui, há a vantagem de uma peça simetricamente formada. Se

uma unidade de laminação e estampagem for incorporada depois do Elephant,

uma vasta faixa de cerâmicos planos das mais variadas formas e relevos pode

ser produzida, com um alto grau de flexibilidade e rapidez. Quando comparado

aos processos tradicionais, os custos de pessoal, energia e investimento são

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menores. Atualmente, uma indústria alemã produz uma instalação Elephant

tendo um cilindro de 70 cm de largura e 1,5 m de diâmetro, com a capacidade

de 250 a 500 kg por hora, produzindo de 500 a 1000 m2 de peças plana por

dia, dependendo do material e espessura.

Figura 3.13. Processo Elephant (Hennicke et all, 1982).

Provavelmente, a primeira aplicação em escala industrial da eletroforese

foi a “máquina de eletrosmose" para desidratar e purificar argilas (Figura 3.14).

O funcionamento desta máquina está baseado em um cilindro ânodo (1) de

chumbo com 15% de antimônio (profundidade de 1432 mm, diâmetro 600 mm),

girando em um vaso contendo barbotina, que é movimentada por dois

agitadores (4). Uma barbotina com 60% de água e 0,6% de silicato de sódio é

bombeada em (3) abaixo dos agitadores, e o excesso de barbotina em (6).

Uma malha de latão (2) serve como cátodo, sendo separado do ânodo por uma

distância de 23 cm. Argila desidratada é raspada do cilindro rotativo por uma

lâmina de aço (5). O consumo de energia para uma diferença de potencial de

aproximadamente 100 V e corrente de 1,7 A potência varia entre 64 e 79

kWh/ton de argila com uma umidade residual de 35% (Hennicke et all, 1982).

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Figura 3.14. Máquina de eletrosmose para purificar argilas: 1) ânodo cilíndrico; 2) malha de latão como cátodo; 3) alimentação da barbotina; 4) agitadores mecânicos; 5) raspagem; 6) sobrefluxo (Hennicke et all, 1982).

3.3. Secagem

A secagem é a retirada da água utilizada durante a etapa de

conformação. A retirada dessa água ocorre somente por evaporação na

superfície da peça. Por esta razão, a água do interior da peça deve migrar para

a superfície através dos poros interligados. Tanto a evaporação quanto a

migração por capilaridade são aceleradas pelo aquecimento (Facincani ,1993).

A operação de secagem consiste em expor um sólido úmido a ação de

uma corrente de ar quente e seco, com a finalidade de eliminar o líquido que

contém por evaporação superficial.

A etapa de secagem é de fundamental importância, pois se peças

cerâmicas chegarem à queima excessivamente úmidas no forno, ao elevar-se

a temperatura rapidamente, provocando uma evaporação brusca, vão ser

geradas tensões na peça, que poderão levar a formação de trincas, fissuras e,

casos extremos, a ruptura catastrófica da peça.

A indústria cerâmica tradicional utiliza matérias-primas constituídas

essencialmente de silicatos ou silico-aluminatos naturais, mais ou menos

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complexos. Estes silicatos, na maioria argilas ou caolins, apresentam uma

estrutura lamelar com propriedades de plasticidade notáveis na presença de

água. O aumento da água nas moléculas argilosas cria um estufamento da

matéria-prima, tanto maior quanto mais elevada for sua taxa de umidade. A

operação inversa de secagem terá então, uma diminuição de volume da

massa, caracterizada por uma contração linear observável sobre a massa crua

(Drews, 1984).

As partículas isoladas que compõem uma peça conformada com

umidade estão separadas umas das outras por camadas muito delgadas de

água. Essa água ao ser retirada deixa vazios que serão ocupados pelas

partículas que se aproximam, provocando uma redução no volume da peça.

Portanto, quanto maior a quantidade de água utilizada para a conformação,

maior será a contração na secagem (Barba, 1997).

Um maior conhecimento a respeito de secagem em materiais cerâmicos

necessita abordar os fenômenos de transporte de calor e massa envolvidos,

bem como os tipos de umidade presentes na massa cerâmica. A seguir, serão

abordados esses tópicos sobre secagem de materiais cerâmicos, bem como os

fatores que a afetam.

3.3.1 Fenômenos de transporte durante a secagem

Quando um sólido úmido se submete à operação de secagem, ocorrem

simultaneamente dois fenômenos de transporte, observados na Figura 3.15:

i) transporte de energia, em forma de calor, desde o começo da fase

gasosa, ao sólido úmido;

ii) transporte de matéria, água ou vapor de água, no sentido contrário ao

transporte de energia.

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Figura 3.15. Fenômenos de transporte envolvidos na secagem de corpos porosos (Barba, 1997).

O calor, segundo Reed (1991), pode ser transmitido desde a fase

gasosa até a superfície do sólido, por condução radiação ou convecção, e

desta ao interior por condução.

A água contida no sólido é eliminada por evaporação na interface sólido

gás. O transporte de água ocorre:

i) desde o interior do sólido até a superfície do mesmo por difusão e

capilaridade. A difusão processa-se quando a umidade do produto é baixa,

enquanto que a capilaridade predomina onde a umidade é bastante alta;

ii) desde a interface sólido-gás do começo da massa gasosa por

transporte turbulento (convecção forçada).

3.3.2 Tipos de umidades

A água presente nas peças cerâmicas provém da água adicionada

durante as etapas do processamento e da contida na matéria-prima. A união da

água com a argila pode ser de natureza diversa, conforme cita Reed (1991):

i) união química: é a água que forma parte do retículo cristalino dos

materiais argilosos e que não pode ser eliminada durante o processo de

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secagem, a não ser que se utilize temperaturas elevadas onde inicie-se a

desoxidrilação, o que não é comum;

ii) união física ou físico-química. Neste caso, a união pode ser de três

tipos:

a) adsorsão na superfície, formando uma camada delgada de água

na superfície da argila (em sólidos higroscópicos a quantidade de

água adsorvida depende de diversos fatores como a área superficial

específica das partículas, a tensão superficial da água, a

temperatura, entre outros);

b) água de contração, que se situa entre as partículas argilosas,

formando uma película de espessura variada e

c) água de capilaridade, que se encontra situada entre os canais e

cavidades existentes entre as partículas, após eliminada a água de

contração.

Por fim, Barba (1997) descreve que o transporte de água ocorrerá no

sentido indicado desde que se provoque um gradiente de umidade no interior

do sólido, que atue como força impulsora responsável pela migração da água

desde o interior até a interface sólido-gás. Mesmo assim, deve haver um

gradiente de umidade absoluta no ar, da interface até o início da fase gasosa.

Portanto, o ar deverá estar circulando continuamente com o objetivo de

eliminar a água que se está sendo retirada do sólido.

3.3.3 Contração de secagem

As partículas de argila em uma massa cerâmica se encontram em

posições de equilíbrio devido ao balanço existente entre as forças de atração e

repulsão. As forças de repulsão são de natureza eletrostática e estão

associadas ao potencial zeta das partículas, enquanto que as de atração são

consideradas devido as forças de van der Waals ou a tensão superficial da

água. Em conseqüência, as partículas sólidas se encontram rodeadas e

separadas por uma película de água (Reed, 1991).

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A Figura 3.16 ilustra o processo de secagem que ocorre no interior do

corpo cerâmico. A medida que se desenvolve a secagem, a água superficial

eliminada é substituída pela água proveniente do interior da peça. Assim, as

partículas vão se acomodando, de modo a produzir-se a retração que

inicialmente ocorre quando a umidade, suficientemente alta, é igual ao volume

de água eliminado (Figura 3.16a). Gradativamente, as partículas vão entrando

em contato umas com as outras, sendo a velocidade de contração menor que a

de expulsão da água. Quando todas as partículas estão em contato (Figura

3.16b), é alcançada a contração máxima. O ponto correspondente desta

umidade (Fk) denomina-se umidade crítica (Figura 3.17). Este ponto depende

do material, devendo ser determinado para cada caso.

Se a secagem prossegue, parte do espaço situado entre as partículas

deixa de estar completamente ocupado pela água (Figura 3.16c). Neste

momento, a secagem ocorre por fluxo capilar e por evaporação dentro dos

poros. Finalmente, chega-se a uma situação em que já não é possível extrair

mais água pois alcançou-se o estado de equilíbrio (Figura 3.16d).

A relação entre a contração linear de secagem e a perda de água pode

ser representada pela curva de Bigot, apresentada na Figura 3.17. Em geral, a

contração linear está compreendida entre 3 e 8% para peças conformadas no

estado plástico (como por exemplo a extrusão) e inferior a 0,5% para peças

conformadas por prensagem, visto que a umidade de prensagem se situa

abaixo da umidade crítica (SACME, 1986).

Figura 3.16. Mecanismo de contração durante a secagem (Barba, 1997).

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Assim, o conhecimento da curva de contração das argilas e das massas

cerâmicas é muito útil para estabelecer um ciclo de secagem, já que quando a

contração acaba, o resto de água pode ser eliminado facilmente, sem riscos

que se produzam defeitos.

Figura 3.17. Curva de Bigot, apresentando a umidade crítica de um material argiloso moldado no estado plástico (Barba, 1997).

Segundo Reed (1991), na variação da velocidade de secagem com o

tempo, representado pela curva na Figura 3.18, observa-se três zonas

distintas:

i) AB: período de indução;

ii) BC: período de velocidade de secagem constante;

iii) CE: período de velocidade de secagem decrescente.

Figura 3.18. Variação da velocidade de secagem com o tempo (Reed, 1991).

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No primeiro período, é iniciada a secagem, o material aquece-se,

adaptando-se às condições de secagem, e começa a evaporação da água

superficial. Este período apresenta-se mais acentuado quanto maior é a

quantidade de água na peça.

Na etapa BC, onde a evaporação depende das condições externas do

fluxo de ar, a água livre evapora na superfície da amostra, enquanto que a

água existente no interior da mesma migra por capilaridade até a superfície,

com rapidez suficiente para manter o exterior sempre úmido.

A partir do ponto C, inicia-se o terceiro período, que pode ser subdividido

em CD e DE. Nesta terceira etapa, a diminuição da velocidade de secagem é

devida à água livre, situada no interior da peça, que não é capaz de chegar ao

exterior com velocidade suficiente para mantê-la úmida, diminuindo a

evaporação desde a superfície até o interior da peça.

Na indústria, o final da secagem coincide com o final da etapa CD. A

seqüência da curva DE caracteriza a eliminação do resto de umidade do corpo,

diminuindo a velocidade de secagem até valores próximos a zero, alcançando-

se assim, o estado de equilíbrio, onde a umidade da amostra permanece

estacionária.

3.4 Cordierita

Convencionalmente, utilizada em aplicações industrial como mobília

para a queima de peças cerâmicas e suporte de catalisadores de reações

químicas, a fase cerâmica cordierita 2MgO.2Al2O3.5SiO2 associa resistência

mecânica com resistência ao choque térmico.

Embora não refratária (cone pirométrico abaixo de 1400oC), a cordierita

é muito utilizada em mobília para fornos de queima de louças, pois tem

excelente resistência a variações de temperaturas durante os ciclos de queima.

Um dos fatores que concorre para isso é seu baixo coeficiente de expansão

térmica (da ordem de 2,5 x 10-6K-1).

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Um interesse crescente tem surgido para aplicações de cordierita em

trocadores de calor, filtros para máquinas a diesel, partes de turbinas a gás e

substratos para convertedores catalíticos automotivos e outros (Buoso, 1995).

No entanto, a fabricação de produtos baseados em cordierita é

dificultada pela estreita faixa de temperatura de queima destes compostos.

Conforme a Figura 3.19, a cordierita faz parte de vários triângulos de

compatibilidade de fases que desenvolvem eutéticos e peritéticos de baixa

temperatura (Rankin e Merwin, 1918).

Rankin e Merwin, nos seus primeiros trabalhos sobre o sistema,

indicaram a possibilidade de uma solução sólida da cordierita não estar situada

na faixa estequiométrica (2:2:5) mas sim na faixa (2:2:6). Hummel e Reid, em

1951, estenderam a possibilidade para (1:1:4). Por outro lado, um estudo

intensivo da composição e estados estruturais de cordieritas anidras

concluíram que a composição da cordierita é (2:2:5) e que não existe solução

sólida dentro da faixa de erro experimental o que poderia indicar que todas as

soluções sólidas relacionadas são fases metaestáveis (Buoso, 1995).

A cordierita é conhecida em 6, ou pelo menos 5, formas polimórficas.

Rankin e Merwin em 1918 já tinham distinguido 2 formas polimórficas da

composição ternária 2MgO.2Al2O3.5SiO2: a forma alfa (α), estável e a forma mi

(µ), instável.

Kaikhanavala e Hummel, em 1953, indicaram um semelhança

considerável entre cordierita µ e spodumeno-β. Definia-se a cordierita β como

forma estável a baixa temperatura, similar ao proposto por Yoder, em 1952,

tendo um ponto de inversão reversível a 830oC. Esta forma poderia ser obtida a

partir das fases α e µ, ou a partir de vidros de mesma composição.

Ambas as cordieritas sintéticas µ e β mostram simetria hexagonal em

contraste com a cordierita natural, que é ortorrômbica. Esta forma, chamada

indialita, provou o fato de que existe uma transição contínua entre cordieritas

hexagonais e ortorrômbicas. Os mesmos autores usaram esse desvio da

estrutura hexagonal e os índices de refração para classificar 6 formas

polimórficas. Existem dados indicando que a alta e baixa inversão da cordierita

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é devida à desidratação. Existe uma classificação modificada da cordierita

coerente com o índice de distorção da alta cordierita (hexagonal), baixa

cordierita (com altos desvios de simetria hexagonal) e estados de cordierita

intermediários (Buoso, 1995).

Figura 3.19. Diagrama de fases SiO2.MgO.Al2O3 (Rankin e Merwin, 1918).

3.5 Chamota como Aditivo não-plástico

A chamota é obtida através da calcinação da argila a uma temperatura

tal que provoque a perda da água estrutural. Este material é considerado inerte

até a sua temperatura de obtenção, e a partir daí, começa a reagir com a

massa base do corpo cerâmico.

Foi através da indústria de materiais refratários que desenvolveu-se a

idéia da utilização da chamota em massas cerâmicas. Mais recentemente, a

indústria de materiais refratários, devido aos altos custos envolvidos com a

produção de chamota, vem diminuindo seu emprego na composição de

produtos refratários.

Para a utilização de chamota, faz-se necessária sua moagem e

classificação em diferentes tamanhos de partículas. A redução da

granulometria da chamota permite uma maior homogeneização da massa

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cerâmica além de uma maior reatividade com a matéria-prima (mais efetiva

sinterização) na etapa de queima (Obermeier e Vieira, 1998).

Quanto ao comportamento na secagem, a incorporação da chamota,

conforme sua granulometria, apresenta diferentes resultados. Se finamente

moída (cerca de 300 µm) e em baixas proporções, acelera a retirada da

umidade na secagem. Nos outros casos, provoca uma redução, que será maior

no caso de partículas grosseiras (cerca de 800 µm) e menor no caso de

partículas mais finas.

Facincani (1992) destaca que a quantidade de água necessária à

conformação também é modificada quando a chamota é adicionada à massa

cerâmica (Figura 3.20).

A chamota, bem como qualquer outro desplastificante, tende a diminuir a

resistência mecânica a verde das massas cerâmicas. Como as partículas de

chamota tendem a ser maiores que a massa argilosa, passam a ser o maior

defeito, controlando assim, como é bem conhecido, a resistência mecânica do

corpo cerâmico.

Segundo Facincani, 1993, a resistência mecânica após a sinterização de

produtos cerâmicos aumenta (para até 20% de adição de chamota finamente

moída). Para percentuais maiores, a resistência torna a cair, provavelmente

devido à reação da chamota fina na queima, com sua conseqüente integração

na estrutura silico-aluminosa, entre certos limites e quantidades (Facincani,

1993).

Figura 3.20. Variação da água de conformação devido a adição de chamota (Facincani, 1992).

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3.6 Microestrutura e Propriedades

A microestrutura pode ser considerada uma ponte entre o

processamento cerâmico e as propriedades tecnológicas de interesse

presentes no corpo cerâmico. Pelo conhecimento da cerâmica física pode-se

examinar, medir, interpretar e controlar a microestrutura e o processo cerâmico

de forma a produzir cerâmicas otimizadas em suas propriedades, mantendo-se

uma reprodutibilidade confiável do processo.

A análise da microestrutura durante o processamento cerâmico tem sido

normalmente usada menos do que se deveria, apesar de ser uma ferramenta

da maior importância no controle do processo, ao par da necessária

observação visual e medições experimentais. Convém salientar que a análise

de microestruturas cerâmicas tradicionais é difícil devido a complexidade de

suas estruturas, de sua heterogeneidade, por ter várias fases presentes

simultaneamente e por terem tamanhos e formas muito variados.

Os critérios de avaliação de uma microestrutura, na busca do controle de

propriedades em um material cerâmico, podem ser resumidos em:

i) fases presentes (fases primárias, secundárias, fases vítreas,

porosidade);

ii) composição das fases;

iii) proporção entre as fases;

iv) tamanho de grão;

v) orientação preferencial;

vi) forma dos grãos;

vii) distribuição dos grãos.

A eliminação da fase porosa provoca não somente a conhecida

conseqüência de aumentar o valor de propriedades (como a elasticidade e a

resistência mecânica), mas também um estágio de menor energia, já que os

gases inclusos nos poros estão numa condição de não equilíbrio e continuam a

reagir durante a estocagem e serviço, podendo comprometer o futuro

desempenho do material. Existem formas sofisticadas e eficientes de eliminar

poros como, por exemplo, sinterização à vácuo.

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A presença da fase vítrea afeta fortemente as propriedades do corpo

cerâmico uma vez que é contínua e envolve a fase primária. Influi também na

porosidade, já que tornando-se viscosa a uma temperatura relativamente baixa,

tende a fluir para a superfície, provocando o fechamento das vias de

escoamento dos gases oriundos da sinterização em uma etapa onde a

sinterização em si ainda é incipiente e portanto potencialmente uma grande

geradora de gases. Por outro lado, este mesmo mecanismo provoca também

uma melhora significativa na resistência mecânica, por promover o fechamento

dos defeitos superficiais minimizando os tamanho de defeitos controladores do

comportamento mecânico.

Como citado, a resistência mecânica de um sólido decresce com o

aumento na porosidade, porque os poros agem como fases frágeis de

resistência nula. A relação empírica entre a resistência mecânica e a

porosidade é dada pela Equação 3.5 (Callister, 1990).

bPTt eSS −= .0 (3.5)

So = resistência do material sem poros;

b = constante;

PT = porosidade total.

Em um material poroso, há uma redução da área disponível para

aplicação da carga. Também os poros podem ser concentradores de tensões,

agindo como defeitos para iniciação de fratura.

Ainda, a influência da porosidade no módulo elástico é dada pela

expressão empírica:

bPTeEE −= 0 (3.6)

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O comportamento elástico tem, portanto, a mesma dependência da

porosidade que a resistência mecânica do material, onde os poros constituem

fases de rigidez nula.

Entretanto, os poros, além de diminuírem o módulo de elasticidade e

constituirem-se em defeitos potencialmente nucleadores de microtrincas,

comprometendo a resistência mecânica do material, aliviam as tensões

presentes durante o resfriamento a partir da temperatura de sinterização,

dificultando a formação de microtrincas.

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4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

4.1 Materiais

4.1.1 Cordierita

A matéria-prima para a obtenção de cordierita foi fornecida pela empresa

Inducel, localizada no município de Urussanga, SC. A Tabela 4.1 apresenta

sua composição química, obtida por fluorescência de raio-x. A composição

mineralógica da matéria-prima antes da queima foi determinada por difração de

raios-x (Figura 4.1). Ambas análises foram realizadas no Instituto de

Geociências da UFRGS em um Espectômetro de fluorescência de raios-X

modelo RIX2000 da Rigaku.

Tabela 4.1. Composição química da matéria-prima utilizada na obtenção de cordierita.

Identificação %

SiO2 47,11

Al2O3 31,20

Fe2O3 2,17

MnO 0,07

MgO 6,89

CaO 0,57

Na2O 0,05

K2O 0,88

TiO2 1,30

P2O5 0,06

Perda ao fogo 9,2

Total 99,52

Pelo resultado das análises, percebe-se que a cordierita é formada a

partir de três matérias-primas: talco, caulinita e gibsita. O talco é um silicato de

magnésio hidratado. A caulinita é um silicato de alumínio hidratado, que é

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matéria-prima para se obter alumina (Al2O3) e sílica (SiO2). A gibsita é um

hidróxido de alumínio hidratado.

A análise por difração de raio-x do material sinterizado a 1100oC é

apresentada na Figura 4.2, onde verifica-se a presença de cordierita, talco,

sílica e também mulita, que é um aluminosilicato sem a presença do óxido

magnésio. A análise foi feita no Departamento de Materiais da UFRGS em um

difratômetro de raios-X Philips X`PERT MPD.

Figura 4.1. Análise por difração de raios-x do material antes da queima.

Figura 4.2. Análise por difração de raios-x do material após a queima.

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4.2 Métodos

O processamento cerâmico para a fabricação dos corpos-de-prova

seguiu o fluxograma apresentado na Figura 4.3.

4.2.1 Formulação/Moagem

A matéria-prima para a obtenção da cordierita foi peneirada para a

separação da fração +#150 – #80 (+106µm -180µm).

Em algumas formulações, foram empregados como aditivos à massa

cerâmica os inertes: chamota de cordierita (obtida neste trabalho) e fibra

cerâmica, e ainda serragem de madeira. A granulometria da chamota de

cordierita e da serrgem foi a fração +#100 -#35 (+150µm -425µm).

A fibra cerâmica (fabricante: Carborundum Brasil) tem como principal

função melhorar a resistência mecânica do material. A composição química da

fibra cerâmica é constituída basicamente de SiO2 e Al2O3 (48 a 53% em peso

de cada um) com cerca de 0,1% de FeO e MgO. A fração granulométrica foi a

retida entre as peneiras #28 e #80 (+180µm -600µm). Os aditivos são

adicionados em tamanhos de partículas maiores que o pó de cordierita. Isto se

dá pela intensão de promover uma melhor acomodação entre as partículas dos

diferentes materiais que fazem da massa cerâmica a ser conformada.

F O R M U L A Ç Ã O / M O A G E M

P R E P A R O D A B A R B O T I N A

C O N F O R M A Ç Ã O

S E C A G E M

Q U E I M A

C A R A C T E R I Z A Ç Ã O D E P R O P R I E D A D E S

Figura 4.3. Fluxograma das etapas de fabricação de corpos cerâmicos por deposição eletroforética neste trabalho.

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4.2.2 Preparo da barbotina

As barbotinas foram preparadas em um becher de 1000 ml com 35% de

água em peso e agitação mecânica. Foi empregado silicato de sódio como

defloculante, ou seja, para manter a solução em suspensão, aumentando a

quantidade de cargas no sistema. Os aditivos foram adicionados nas

proporções de 0, 1, 2, 4, 8 e 16 % em peso.

4.2.3 Conformação por deposição eletroforética

A conformação de materiais cerâmicos por deposição eletroforética é

feita em função da aplicação de um campo elétrico entre dois eletrodos que

constituem a matriz de conformação. A Figura 4.4 ilustra esquematicamente o

dispositivo utilizado.

Figura 4.4. Dispositivo montado para a conformação de cordierita por deposição eletroforética.

A solução de cordierita, água e aditivos, colocada na matriz (5), sofre a

ação de uma tensão elétrica aplicada através da fonte de tensão variável (1),

cuja função é variar e manter a tensão elétrica. A ponte retificadora (2)

transforma a corrente alternada em corrente contínua. O amperímetro (3) e o

voltímetro (4) indicam, respectivamente, a corrente e a tensão elétrica do

sistema. A corrente que passa entre as placas de eletrodos dentro da matriz

faz com que os ânions migrem para a placa positiva e a água (que funciona

como cátion) para a placa negativa.

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A matriz utilizada para a conformação da massa cerâmica obedeceu as

medidas dos padrões de corpos-de-prova para ensaios mecânicos usados no

Laboratório de Materiais Cerâmicos da Universidade Federal do Rio Grande do

Sul: 60x20x5 mm3. A Figura 4.5 apresenta esquematicamente a matriz

utilizada.

As partes (1) e (2) da matriz são feitas de uma resina fenólica (nome

comercial: celeron) que é um material de boa resistência mecânica e isolante

elétrico. A parte inferior da peça (2) contém duas telas de aço inox sobrepostas

de tal forma que impedem a passagem da barbotina. A parte (3) é uma chapa

de aço inox que faz o papel de eletrodo positivo onde se dá a deposição do

material.

Para conformar a argila por deposição eletroforética, foi preenchida toda

a matriz, visando manter o contato com os eletrodos (partes 2 e 3 da Figura

4.5). A tensão aplicada foi da ordem de 6 V, já que estudos prévios

comprovaram que a tensão aplicada deve ser bastante baixa, para que não

haja uma excessiva liberação de oxigênio no pólo positivo, devido à hidrólise

da água. A saída de oxigênio deve ser minimizada para que não comprometa a

estrutura do corpo-de-prova. Baixas tensões evitam também o

superaquecimento da barbotina, dificultando assim, o surgimento de trincas e

fissuras no corpo do produto cerâmico.

Após 4 minutos, a tensão era elevada para 8 V e assim mantida por 3

minutos. A deposição durava um total de cerca de 7 a 8 minutos até quando a

quantidade de água na barbotina fosse insuficiente para permitir a

condutividade elétrica entre os eletrodos. O comportamento da corrente elétrica

foi estudado por Picinini (1996) e mostra que a saída de água no processo é

limitada. Isto é percebido pela queda referida da corrente elétrica durante o

processo de conformação. O corpo-de-prova era extraído da matriz com

aproximadamente 22% de umidade.

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56

Figura 4.5. Matriz utilizada na conformação de corpos cerâmicos por deposição eletroforética (unidades em mm).

A medida da diferença de potencial foi obtida por um multiteste da marca

ICEL IK – 1000, cujo erro é de 0,5%. Para a medida da corrente, utilizou-se um

multiteste MD3500 (erro de 0,4%).

O processo de conformação por eletroforese foi monitorado por um

sistema de aquisição de dados acoplado a um microcomputador. O software

utilizado (SAD) foi desenvolvido pelo Laboratório de Medições Mecânicas da

UFRGS. A partir dos dados obtidos pelos multitestes, foi calibrado o sistema de

aquisição de dados, com o que foi possível registrar automaticamente os

valores de tensão e corrente elétricas, potência e energia consumida, em

função do tempo de deposição.

4.2.4 Secagem e queima

Após conformados, os corpos-de-prova foram colocados em uma caixa

de papelão e cobertos por um filme de PVC, por um período máximo de 120

horas. Este cuidado foi para reduzir a taxa de secagem de modo a evitar

trincas por contração diferenciada nos corpos-de-prova recém conformados.

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57

Após, as peças eram levadas a estufa (110oC durante 1 hora) para

completarem a secagem.

A queima dos corpos-de-prova foi feita em forno elétrico tipo mufla, com

taxas de aquecimento de 150 K por hora até atingir a temperatura de

sinterização, onde permaneciam em patamar de 2 horas. O esfriamento

ocorreu naturalmente dentro do forno, sem qualquer controle da taxa de

resfriamento.

Foram produzidas 15 amostras para cada formulação: 5 para 3

diferentes temperaturas de queima: 900, 1000 e 1100oC.

Para a determinação da temperatura de queima, procedeu-se

primeiramente a análise da curva termodilatométrica, apresentada no gráfico

da Figura 4.6. Por essa curva, pode-se verificar uma efetiva contração do

corpo-de-prova para o intervalo entre 900 e 1200oC, resultado da densificação

do corpo cerâmico em função do processo de sinterização. O equipamento

utilizado foi um xxxx do Departamento de Materiais da UFRGS.

Figura 4.6. Análise termodilatométrica do corpo cerâmico à base de cordierita durante o processo de queima.

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58

As temperaturas de queima para a cordierita conformada por

eletroforese foram também definidas em função das propriedades utilizadas

como critério neste trabalho: resistência mecânica e porosidade. Em pré-testes

realizados, observou-se a variação da resistência mecânica e porosidade em

função da temperatura de queima. O gráfico da Figura 4.7 apresenta os

resultados obtidos, para as temperaturas de 900, 1000, 1100 e 1200oC.

Pelo gráfico da Figura 4.7 pode-se observar que, até a temperatura de

1100oC inclusive, os valores de resistência mecânica e porosidade

respectivamente crescem e decrescem com a temperatura, em uma taxa quase

que constante. Porém, a 1200oC, a resistência mecânica permanece

praticamente constante, diminuindo apenas a porosidade. Para produtos

cerâmicos como suportes de catalisadores e filtros, aplicações potencialmente

interessantes para a cordierita processada por deposição eletroforética, a

combinação dos valores de resistência mecânica e porosidade como os obtidos

para a temperatura de 1100oC são os mais indicados.

0

5

10

15

20

25

900 1000 1100 1200

temperatura (oC)

resis

tênc

ia m

ecân

ica

(MPa

)

0

10

20

30

40

poro

sidad

e (%

)

resistênciaporosidade

Figura 4.7. Resistência mecânica e porosidade da cordierita produzida por eletroforese em função da temperatura de queima.

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59

4.2.5 Caracterização de propriedades

4.2.5.1. Porosidade

A porosidade aparente (P.A.) é obtida pela Equação 4.1:

100... ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

iu

su

MMMMAP (4.1)

onde:

Mu= peso da amostra úmida

Ms= peso da amostra seca

Mi= peso da amostra imersa

Para a determinação dos pesos da fórmula, obedeceu-se à seguinte

seqüência: i) preparo do corpo-de-prova ensaiado, retirando-se as partes soltas

da superfície; ii) pesagem a seco; iii) aquecimento do corpo-de-prova em água

fervente por duas horas; iv) esfriamento do corpo-de-prova em água fria; v)

determinação do peso corpo-de-prova imerso através de um suporte de apoio

imerso e preso junto à balança analítica; vi) secagem do material, com pano

úmido para retirar o excesso de umidade; vii) pesagem do corpo-de-prova

úmido.

4.2.5.2. Resistência mecânica

O teste de resistência mecânica foi feito em uma máquina universal de

ensaios ATS. Os corpos-de-prova foram submetidos a um carregamento em

quatro pontos (Figura 4.8), com velocidade de aplicação da carga de 0,02

mm/min e distância entre apoios (L – l) 15 mm. A resistência mecânica é

definida como a tensão máxima do carregamento na falha e, é muitas vezes

referida como módulo de ruptura (MOR) (Richerson, 1992). A resistência

mecânica para corpos-de-prova retangular pode ser calculada usando a

fórmula geral tensão em flexão da equação 4.2.

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60

IcMF .

= (4.2)

onde M é o momento, c a distância neutra axial à superfície tencionada, e I o

momento de inércia. Para um corpo-de-prova retangular I b d= * 3 12 e c d= 2

onde, d é a espessura do corpo-de-prova e, b é a largura, obtém-se a fórmula

geral para cálculo da resistência mecânica a flexão em quatro pontos, dada

pela equação 4.3.

Figura 4.8. Representação esquemática dos testes de resistência mecânica a quatro pontos (A) e esquema de distribuição de tensões (B).

( )2

.23

bdlLFT −

= (4.3)

Como ilustrado na Figura 4.8, onde é apresentada a distribuição

aproximada de tensões, a tensão decresce linearmente a zero, dos pontos de

carga ao pontos neutros, localizados nos suportes inferiores. A área e o volume

sobre um pico de tensões ou próximo ao pico de tensões é muito maior para o

caso de carregamento a quatro pontos do que para o caso em que o

carregamento é feito em três pontos; com isto a possibilidade de um defeito

maior ser exposto a um pico de tensão é maior.

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61

4.2.5.3. Erro das medidas

Para análise do erro das medidas, foi utilizado o método de Kleine e Mc

Clintock onde o erro experimental é função das variáveis medidas conforme a

seguinte relação:

∆F=((∂F/∂L1.∆L1)2 + (∂F/∂L2.∆L2)2 + (∂F/∂L3.∆L3)2 + ...+ (∂F/∂Ln.∆Ln)2)0.5 (4.4)

Nesta função, ∆F é o erro da função calculada e as variáveis L1,...,Ln são

as grandezas medidas (Hollmann, 1996).

Para medidas de porosidade aberta, calculadas pela equação 4.1, o erro

será função da imprecisão da balança utilizada que é de ± 0,01g. Neste caso,

as medidas apresentam erro da ordem de ± 0,2%.

Para a resistência mecânica do material, utilizou-se a equação 4.3, na

qual o erro será função das medidas feitas com o paquímetro e da imprecisão

dos valores lidos na máquina de ensaios mecânicos. O erro do paquímetro é

de ± 0,02 mm do valor medido e o erro de leitura da máquina de ensaios

mecânicos é de ± 1% do valor da tensão de ruptura do material. O erro total

calculado fica em torno de ± 1% para valores de resistência mecânica.

4.2.6 Análise Microestrutural

A análise microestrutural das amostras conformadas por deposição

eletroforética foi realizada por microscopia óptica (Microscópio Olympus,

modelo PMG3) e por microscopia eletrônica de varredura (Philips modelo XL

20).

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62

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 Deposição Eletroforética

5.1.1 Obtenção dos corpos-de-prova

A Figura 5.1 apresenta uma foto de corpos-de-prova de cordierita,

conformados por deposição eletroforética, obtidos no escopo deste trabalho, ao

lado de sua matriz de conformação.

Figura 5.1. Matriz de conformação e corpos-de-prova produzidos por deposição eletroforética.

Este dispositivo permite a variação do campo elétrico durante a

deposição eletroforética. Devido a variação da viscosidade do sistema, do

potencial zeta das partículas no meio, com a perda de água durante a

deposição eletrorética, considerações quanto à mobilidade eletroforética

(equação 3.4) não foram objeto de investigação neste trabalho.

Os corpos-de-prova produzidos apresentaram um aspecto bastante

interessante junto a sua superfície. A Figura 5.2 mostra a superfície

imediatamente inferior à superfície do corpo-de-prova, onde se dá a deposição,

ou seja, o pólo positivo. Com a ajuda de uma lixa, foi desbastada a superfície

Page 63: CONFORMAÇÃO POR DEPOSIÇÃO ELETROFORÉTICA E ... · 4.2.2 Preparo da barbotina ... No processamento de materiais cerâmicos, a etapa de conformação consiste na compactação

63

de deposição (lado direito, na mesma figura). Assim, pôde-se observar uma

grande quantidade de poros logo abaixo da fina camada que é a primeira a ser

depositada no eletrodo. É possível que a fração grosseira da matéria-prima,

associada à liberação de oxigênio no processo de hidrólise, concomitante à

eletroforese, tenha provocado os orifícios observados logo abaixo da

superfície. Assim, a primeira camada seria contínua, pelo maior

empacotamento da partículas mais finas, com maior mobilidade, mas a partir

da aproximação de partículas grosseiras, de menor capacidade de

empacotamento, vão-se formando caminhos preferenciais para a passagem do

gás oxigênio, desprendido por hidrólise no pólo positivo, o da deposição.

Figura 5.2. Direita: superfície imediatamente inferior à superfície do corpo-de-prova de cordierita conformada por deposição eletroforética junto ao pólo positivo. Essa textura foi obtida a partir do desbaste por lixamento da superfície do corpo-de-prova, imediatamente junto à matriz de deposição (superfície à esquerda).

Ainda para a análise de sua microestrutura, as amostras foram

observadas no microscópio eletrônico de varredura. A Figura 5.3 apresenta a

superfície de um corpo cerâmico à base de cordierita obtido por deposição

eletroforética, sem o emprego de aditivos não-plásticos (aumento de 101x).

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64

Por essa figura, evidencia-se a porosidade do material conformado por

eletroforese. Pode-se também destacar a presença de grãos grosseiros,

inseridos na matriz. A Figura 5.4 ilustra em detalhe um desses grãos, na

mesma superfície da Figura 5.3.

Figura 5.3. Superfície do corpo-de-prova da amostra de cordierita conformada por deposição eletroforética, formulada sem aditivos (aumento de 101x).

A análise da composição do grãos foi feita com o auxílio de uma

microssonda EDX acoplada ao microscópio eletrônico de varredura utilizado. O

gráfico correspondente à análise puntual sobre o grão em detalhe na Figura 5.4

é apresentado na Figura 5.5, destacando-se a presença de silício e alumínio,

constituintes da mullita (3Al2O3.SiO2). A formação de mulita no processo de

queima já havia sido constatada anteriormente na análise por difração de raios-

x da amostra queimada (Figura 4.2).

A matriz onde estão inseridos os grãos de mullita é a estrutura base do

material e também foi analisada por microssonda EDX. O resultado é

apresentado no gráfico da Figura 5.6. Os picos indicam a presença dos

constituintes básicos da cordierita: silício, magnésio e alumínio, sob a forma de

óxidos. A presença de ferro, potásio e titânio na estrutura já havia sido

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65

constatada pela análise química (Tabela 4.1) e é devida a outros compostos

(impurezas) associados à matéria-prima industrial empregada na obtenção da

cordierita utilizada neste trabalho.

Figura 5.4. Amostra de cordierita conformada sem aditivos. Grão de mullita observado com aumento de 800x.

Figura 5.5. Análise puntual por microssonda EDX do grão de mullita focado em detalhe na Figura 5.4.

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66

Figura 5.6. Análise química por microsonda EDX na matrix cerâmica do corpo-de-prova.

5.1.1.1 Controle do processo

As Figuras 5.7, 5.8 e 5.9 apresentam os gráficos de tensão do campo e

corrente elétrica, potência e energia consumida em função do tempo de

deposição eletroforética.

A Figura 5.7 apresenta o comportamento da corrente elétrica em função

da tensão elétrica aplicada. Nesta figura, observa-se que após três minutos do

início do processo há um aumento na tensão aplicada que é acompanhado por

um aumento na corrente elétrica. O gráfico mostra também uma queda na

corrente elétrica ao final do processo. Isto ocorre devido à saída de água pelo

eletrodo negativo. O software utilizado multiplica as linhas de tensão e corrente

obtendo-se a potência dissipada para a conformação do material.

A Figura 5.8 mostra a potência gasta para a conformação de um corpo-

de-prova com aproximadamente 5 gramas de massa. Observa-se que há um

aumento no consumo no exato momento em que a tensão aplicada é

aumentada. Integrando-se o gráfico da Figura 5.8, obtém-se a energia gasta

pelo sistema, representada na Figura 5.9. Pode-se assim constatar que são

consumidos em torno de 110 J para conformar um corpo-de-prova. Este valor

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67

eqüivaleria a um consumo de 6,12 kWh por tonelada de material a ser

conformado por eletroforese.

Figura 5.7. Valores para tensão e corrente elétrica durante a aplicação do campo elétrico.

Figura 5.8. Potência elétrica dissipada no processo de deposição eletroforética de cordierita em função do tempo de conformação.

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68

Figura 5.9. Energia consumida no processo de deposição eletroforética de cordierita em função do tempo de conformação.

5.2 Caracterização de Propriedades: Resistência Mecânica e Porosidade

O gráfico da Figura 5.10 apresenta os resultados obtidos de resistência

mecânica para os corpos-de-prova de cordierita, fabricados sem qualquer

aditivo, para temperaturas de queima de 900oC, 1000oC e 1100oC. Por esse

gráfico, pode-se observar o aumento crescente da resistência mecânica para

temperaturas crescentes, o que é bem explicado pela maior densificação

durante a sinterização do corpo cerâmico. Isso acarreta na diminuição da

porosidade, o que representa uma diminuição do maior defeito. Como é bem

conhecido, o maior defeito (maior poro) define a resistência mecânica do

material cerâmico.

Essa relação, entre aumento da resistência mecânica e densificação na

queima do corpo cerâmico, fica então evidenciada ao serem plotados, juntos

aos dados de resistência mecânica da Figura 5.10, os dados de porosidade

correspondentes (Figura 5.11).

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69

0

5

10

15

20

25

900 1000 1100temperatura (oC)

resis

tênc

ia m

ecân

ica

(MPa

)

Figura 5.10. Resistência mecânica da cordierita processada por deposição eletroforética em função da temperatura de queima.

0

5

10

15

20

25

900 1000 1100temperatura (oC)

resis

tênc

ia m

ecân

ica

(MPa

)

0

10

20

30

40po

rosid

ade

(%)

resistênciaporosidade

Figura 5.11. Resistência mecânica e porosidade em função da temperatura de queima de cordierita conformada por deposição eletroforética.

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70

5.2.1 Uso de aditivos

5.2.1.1 Chamota

A Figura 5.12 apresenta a variação da resistência mecânica da cordierita

conformada por deposição eletroforética em função da temperatura de queima

e em função da adição de chamota. Os resultados mostram um aumento da

resistência mecânica para temperaturas de queima crescentes, repetindo o

esperado. No entanto, pela análise do gráfico da Figura 5.12, pode-se verificar

um aumento diferenciado da resistência mecânica dos corpos-de-prova de

cordierita em função da aditivação de chamota. À temperatura de queima de

900oC, a diferença entre as resistências mecânicas medidas, por exemplo,

para os corpos-de-prova de cordierita sem chamota e com 16% em peso de

chamota foi de 25% a menos: 8 MPa para 0% de chamota; 6 MPa para 16%.

Já à 1100oC, houve uma elevação considerável da resistência mecânica das

formulações com 2% e 4% em peso de chamota, em relação às outras

formulações, superando mesmo a formulação sem chamota em mais de 10%.

0

5

10

15

20

25

900 1000 1100

temperatura (ºC)

resis

tênc

ia m

ecân

ica

(MPa

)

0% Chamota

1%Chamota

2% Chamota

4% Chamota

8% Chamota

16% Chamota

Figura 5.12. Resistência mecânica para diferentes teores de chamota em função da temperatura de queima.

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71

O aumento da resistência mecânica após a queima para as formulações

aditivadas com chamota pode ser explicado por uma extração mais facilitada

da água da massa cerâmica, tanto durante a conformação por deposição

eletroforética, como após essa, durante a secagem da peça conformada.

As partículas de chamota distribuídas no corpo da massa cerâmica

permitem um transporte mais efetivo da umidade do interior da peça até a sua

superfície. Isto faz com que diminuam os defeitos tipo trinca que contribuem

significativamente para o abaixamento da resistência mecânica do corpo

sinterizado. Assim, a menor população de trincas na massa cerâmica com

chamota tem como conseqüência um aumento da resistência mecânica em

relação à massa cerâmica sem chamota, verificado após a queima a 1100°C.

De certa maneira, ao serem comparados os dados de resistência

mecânica da Figura 5.12 com os dados de porosidade para as mesmas

amostras aditivadas com teores crescentes de chamota em função da

temperatura de queima (Figura 5.13), pode-se verificar que há uma deficiência

na lineralidade da correspondência entre porosidade e resistência mecânica.

Isso seria explicado pela ação da chamota em teores de 2 e 4% na cordierita

em relação a massa sem chamota. Menos, 1%, não seria suficiente para

representar um ganho na resistência mecânica; mais, 8% e 16%, poderia estar

havendo contato direto entre partículas de chamota, promovendo assim

descontinuidades na massa cerâmica, o que provocaria a queda significativa

da resistência mecânica do corpo cerâmico, como verificado.

Ainda, comparando-se os dados de resistência mecânica com os da

porosidade, para as formulações com 2 e 4% em relação à formulação sem

chamota, pode-se supor nesta, a ação de microtrincas (referidas anteriormente)

após secagem. As microtrincas, como concentradores de tensão,

comprometem a resistência mecânica do corpo cerâmico. Seu efeito seria mais

efetivo no abaixamento da resistência mecânica do que no aumento da

porosidade.

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72

25

30

35

40

45

50

55

60

900 1000 1100

temperatura (ºC)

poro

sidad

e (%

) 0%Chamota

1%Chamota

2%Chamota

4%Chamota

8%Chamota

16%Chamota

Figura 5.13. Porosidade para diferentes teores de chamota em função de diferentes temperaturas de queima da cordierita conformada por deposição eletroforética.

Por outro lado, a própria chamota, como descontinuidade, pode ser

entendida como um defeito no volume do corpo cerâmico, assim atuando no

abaixamento de sua resistência mecânica, a princípio. De fato, como pode ser

visto na Figura 5.14, há a formação de trincas em torno da partícula de

chamota (aumento de 800x). Isso foi verificado principalmente para

temperaturas de queima de 900 e 1000oC. Para essas temperaturas, a adição

de chamota representou sempre uma perda na resistência mecânica, a

qualquer teor de aditivação.

Ainda, com respeito à Figura 5.13, pode-se constatar que a chamota

pouco influi no aumento de porosidade. Apenas quantidades altas de chamota,

como no caso de 16%, pode acarretar em um acréscimo considerável da

resistência mecânica, mas apenas quando sinterizada a 1100oC.

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73

Figura 5.14. Cordierita obtida por deposição eletroforética, aditivada com chamota.

5.2.1.2 Fibra cerâmica

Similar efeito da adição de chamota na resistência mecânica da

cordierita foi verificado com a adição de fibra cerâmica à massa de cordierita,

conformada por deposição eletroforética (Figura 5.15).

As formulações respectivamente com 2 e 4 % em peso de fibra cerâmica

apresentaram os valores mais elevados de resistência mecânica após queima

à temperatura de 1100oC. A temperaturas menores (900oC e 1000oC),

verificou-se um comportamento onde a maior resistência mecânica foi a da

massa cerâmica sem aditivo.

A adição de fibra cerâmica comprometeu a resistência mecânica do

material queimado a temperatura de 1000oC, pois provavelmente este material

inerte tende a dificultar a sinterização da mistura. A 1100oC, uma adição entre

2 e 4 % de fibra cerâmica significou uma melhora na resistência mecânica, a

exemplo do obtido anteriormente com a adição de chamota.

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74

0

5

10

15

20

25

900 1000 1100

temperatura (ºC)

resis

tênc

ia m

ecân

ica

(MPa

)0%Fibra cerâmica

1%Fibra cerâmica

2% Fibra cerâmica

4%Fibra cerâmica

8%Fibra cerâmica

16% Fibra cerâmica

Figura 5.15. Resistência mecânica para cordierita conformada por deposição eletroforética com diferentes teores de fibra cerâmica em função da temperatura de queima.

A necessidade de uma temperatura mais elevada para a densificação da

massa com fibra cerâmica em comparação à massa com chamota deve-se

provavelmente ao fato das reações de sinterização por fase líquida para a fibra

silico-alluminosa ocorrerem efetivamente a temperaturas mais elevadas do que

para a chamota com base argilosa.

Também, a fibra cerâmica parece não ter um efeito significativo sobre a

porosidade (Figura 5.16). A adição da fibra cerâmica implica em uma ligeira

diminuição na porosidade. A variação desta propriedade para materiais

formulados com esta fibra não superou 10% em nenhuma das temperaturas de

queima utilizadas.

A Figura 5.17 apresenta a microestrutura de uma cordierita aditivada

com fibra cerâmica. Pelo fato das fibras terem sido submetidas à moagem

antes de serem adicionadas à massa cerâmica à base de cordierita, não é

possível identificar claramente as fibras individualmente, mesmo a 800 vezes

de aumento (cerca do mesmo aumento utilizado para micrografia da Figura

5.14, onde é apresentada a microestrutura de uma cordierita aditivada com

chamota).

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75

25

30

35

40

45

50

55

60

900 1000 1100temperatura (ºC)

poro

sidad

e (%

)

0%Fibra cerâmica

1%Fibra cerâmica

2%Fibra cerâmica

4%Fibra cerâmica

8%Fibra cerâmica

16%Fibra cerâmica

Figura 5.16. Porosidade para diferentes teores de fibra cerâmica em função de diferentes temperaturas de queima.

Figura 5.17. Cordierita obtida por deposição eletroforética, aditivada com fibra cerâmica e queimada a 1100oC.

5.2.1.3 Serragem

A adição de serragem à massa de cordierita provoca um aumento

substancial da porosidade. Isto já era de se esperar tendo em vista que esta é

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76

uma prática industrial consolidada, principalmente na fabricação de materiais

isolantes térmicos, onde a porosidade é um dos fatores essenciais no controle

da condutidade térmica desses materiais.

O aumento da porosidade dá-se pela combustão da serragem, deixando

em seu lugar a matéria inorgânica não queimada (cinzas) e um poro. A Figura

5.18 ilustra a formação da porosidade através do uso de serragem,

apresentando a microestrutura da cordierita aditivada com serragem e

conformada por deposição eletroforética.

Figura 5.18. Formação da porosidade na microestrutura da cordierita aditivada com serragem e conformada por deposição eletroforética (temperatura de queima: 1100oC).

A formação da porosidade com o uso de serragem pôde ser observada

para qualquer uma das temperaturas de queima da cordierita conformada por

deposição eletroforética (Figura 5.19). O aumento de porosidade ocasionado

pela adição de serragem foi superior a 50%, entre o material sem aditivo e o

material com 16% de aditivo. O considerável aumento verificado na porosidade

aparente acaba por comprometer a resistência mecânica do corpo-de-prova

cerâmico, como pode-se constatar através do gráfico da Figura 5.20.

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77

Pelo mesmo gráfico, pode-se observar ainda que, com o aumento

crescente da temperatura, há uma maior densificação do corpo cerâmico,

diminuindo sua porosidade. Isto foi verificado para todas as formulações com

serragem, sendo a inclinação da curva de porosidade em função da

temperatura praticamente a mesma.

25

30

35

40

45

50

55

60

900 1000 1100

temperatura (ºC)

poro

sidad

e (%

) 0%Serragem

1%Serragem

2%Serragem

4%Serragem

8%Serragem

16%Serragem

Figura 5.19. Porosidade da cordierita conformada por deposição eletroforética com teores crescentes de serragem em função de diferentes temperaturas de queima.

5.2.2.4 Comparação entre os diferentes aditivos

As Figuras 5.21, 5.22 e 5.23 apresentam a variação da resistência

mecânica, para cada temperatura de queima, em função dos diferentes

aditivos, nos mesmos teores.

Pela análise dos gráficos das Figuras 5.21, 5.22 e 5.23, pode-se verificar

que os aditivos fibra cerâmica e chamota têm um desempenho bastante

semelhante. Deve-se isso provavelmente ao carater inerte de ambos em

relação à massa cerâmica. Às temperaturas de 900 e 1000oC, a modificação

na resistência mecânica é pouco significativa (praticamente nula a 900oC),

mesmo para teores de 16% em peso de aditivação. À temperatura de 1100oC,

há mesmo uma diminuição da resistência mecânica.

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78

0

5

10

15

20

25

900 1000 1100

temperatura (ºC)

resis

tênc

ia m

ecân

ica

(MPa

)0% Serragem

1% Serragem

2% Serragem

4% Serragem

8% Serragem

16% Serragem

Figura 5.20. Resistência mecânica da cordierita conformada por deposição eletroforética com teores crescentes de serragem em função de diferentes temperaturas de queima.

0

5

10

15

20

25

0 1 2 4 8 16

aditivo (%)

resis

tênc

ia m

ecân

ica

(MPa

)

Chamota

Fibra cerâmica

Serragem

Figura 5.21. Resistência mecânica do material queimado a 900oC para diferentes teores de aditivos

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79

0

5

10

15

20

25

0 1 2 4 8 16

aditivo (%)

resis

tênc

ia m

ecân

ica

(MPa

)Chamota

Fibra cerâmica

Serragem

Figura 5.22. Resistência mecânica do material sisterizado a 1000oC para diferentes teores de aditivos

0

5

10

15

20

25

0 1 2 4 8 16aditivo (%)

resis

tênc

ia m

ecân

ica

(MPa

)

Chamota

Fibra cerâmica

Serragem

Figura 5.23. Resistência mecânica do material sinterizado a 1100oC para diferentes teores de aditivos

A baixa resistência mecânica verificada para temperaturas abaixo de

1100oC dá-se, provavelmente, ao fato de que estas temperaturas de queima

ainda não são suficientes para uma formação total de cordierita (ver Figura

4.2). A presença de chamota ou fibra cerâmica nestes corpos-de-prova acaba

por comprometer a resistência mecânica do material sinterizado, significando

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para o mesmo a presença de fases que formam com a matriz interfaces

discretas, descontinuidades e/ou vazios. Esses defeitos serão utilizados por

esforços mecânicos para a concentração de tensões e propagação a posteriori

de trincas. Com o aumento da temperatura de queima, intensificam-se estas

descontinuidades pela contração diferenciada, mais pronunciada com o

aumento da sinterização.

Os aditivos empregados também tiveram diferente comportamento

quanto a porosidade. As Figuras 5.24, 5.25 e 5.26 apresentam a influência da

quantidade de aditivos na porosidade do material para cada temperatura de

queima.

25

30

35

40

45

50

55

60

0 1 2 4 8 16

aditivo (%)

poro

sidad

e (%

)

Chamota

Fibra cerâmica

Serragem

Figura 5.24. Porosidade do material queimado a 900oC para diferentes teores de aditivos.

Analisando-se separadamente a influência dos aditivos em relação à

porosidade aparente observou-se tendências similares para chamota e fibra

cerâmica. A 1000°C (Figura 5.25), assim como a 900°C, não há influência

significativa na porosidade aparente dos corpos-de-prova em função do

aumento na quantidade de fibra cerâmica e chamota.

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25

30

35

40

45

50

55

60

0 1 2 4 8 16

aditivo (%)

poro

sidad

e (%

)Chamota

Fibra cerâmica

Serragem

Figura 5.25. Porosidade do material sisterizado a 1000oC para diferentes teores de aditivos

25

30

35

4045

50

55

60

0 1 2 4 8 16

aditivo (%)

poro

sidad

e (%

)

Chamota

Fibra cerâmica

Serragem

Figura 5.26. Porosidade do material sisterizado a 1100oC para diferentes teores de aditivos.

Para uma temperatura de queima de 1100°C (Figura 5.26), observa-se

que a aditivação de chamota e fibra cerâmica apresenta um pequeno

acréscimo na porosidade aparente do material para quantidades acima de 8%.

Isto acontece porque o excesso de material inerte em um corpo-de-prova tende

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a dificultar a densificação do mesmo, aumentando a sua porosidade, o que foi

abordado anteriormente.

Já a serragem apresentou um comportamento diferenciado dos demais

aditivos. Isto ocorre porque a serragem, nas temperaturas de queima, não é um

material inerte, ou seja, reage formando poros. Para as temperaturas de

queima investigadas, o comportamento do material foi similar, ou seja, o

aumento na quantidade de serragem implica em um aumento da porosidade

dos corpos-de-prova.

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6. CONCLUSÕES

Em função dos resultados obtidos neste trabalho, é possível inferir as

seguintes conclusões:

i) A massa cerâmica à base de cordierita reage quando submetida a um

campo elétrico em meio aquoso. Aplicando-se uma diferença de potencial à

massa de cordierita, surge um fluxo de partículas em direção ao pólo positivo,

concentrando-se a água no pólo oposto. Dependendo do campo aplicado, a

força elétrica sobre as partículas é suficiente para promover uma deposição,

compactando a massa junto ao pólo positivo.

ii) A umidade final do material conformado é de aproximadamente 23% e

o processo fica limitado a este valor porque não há mais água suficiente para

manter a corrente elétrica que mantém o fluxo de massa em direção ao pólo

positivo.

iii) Os gráficos obtidos na aquisição de dados permitiram que se

avaliasse o consumo energético para se conformar o material em função da

aplicação de um campo elétrico retificado. A baixa tensão de trabalho

juntamente com correntes elétricas muito pequenas fazem com que este

processo tenha um consumo de energia elétrica bastante baixo. Isto torna o

processo eletroforético uma ótima alternativa para se conformar massas

cerâmicas com elevado teor de umidade.

iv) É possível controlar as propriedades como resistência mecânica e

porosidade da massa de cordierita depositada por eletroforese através do uso

de aditivos. Fibra cerâmica silico-aluminosa, chamota da mesma massa de

cordierita e serragem de madeira modificam essas propriedades, conforme sua

proporção na massa e a temperatura final de queima dos corpos cerâmicos.

v) A chamota promoveu um ganho de resistência mecânica para a

temperatura de queima de 1100oC, na proporção de 2 e 4% em peso. O

aumento da resistência mecânica pode-se inferir à maior densificação da

massa cerâmica (menor porosidade). Para teores maiores ou menores, houve

um decréscimo em relação à massa sem aditivo, provavelmente devido a uma

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maior porosidade e/ou à presença de trincas e descontinuidades, como

conseqüência da incorporação da chamota à massa cerâmica.

vi) Com relação ao efeito da adição de fibra cerâmica à massa de

cordierita, pôde-se observar um desempenho bastante semelhante ao

verificado com a adição de chamota, inclusive nas mesmas proporções de 2 e

4% em peso. Porém, ocorreu uma maior dependência do efeito com a

temperatura, o que se deve eventualmente ao fato das reações de sinterização

por fase líquida para a fibra silico-alluminosa ocorrerem efetivamente a

temperaturas mais elevadas do que para a chamota com base argilosa.

vii) Já a adição de serragem promoveu porosidade às custas da

resistência mecânica, como era de se esperar. Em função do teor de adição, os

corpos cerâmicos à base de cordierita apresentaram porosidades crescentes (e

menor resistência mecânica) devido à combustão da serragem no interior da

massa cerâmica, deixando um poro proporcional ao espaço ocupado

anteriormente pelo aditivo in natura. Com o aumento da temperatura, a

porosidade decresceu proporcionalmente para todas os teores de adição.

viii) Outra função verificada para os aditivos foi a de promover uma

extração da água mais facilitada durante a secagem da massa cerâmica após

conformação por deposição eletroforética. O aditivo, como descontinuidade na

massa, fornece caminhos para saída de água do interior para o exterior da

peça conformada, com o transporte de calor no sentido inverso.

ix) O processo de deposição eletroforética de massas cerâmicas à base

de cordierita apresentou-se assim, bastante versátil para a obtenção de corpos

cerâmicos com porosidade/resistência mecânica variada. O nível de controle

praticado, principalmente com o uso de aditivos, permitiu a obtenção de

estruturas abertas, combinado resistência mecânica e alta porosidade e/ou alta

área superficial, como é desejável, por exemplo, na conformação de corpos

cerâmicos para aplicações como filtros e suportes para catalisadores.

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85

7. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS

A partir da realização deste trabalho, pode-se sugerir os seguintes temas

para escopo de investigações futuras:

COMBINAÇÃO DE PROCESSOS: A utilização da eletroforese como

mecanismo acessório ao processo de extrusão pode facilitar a orientação das

partículas de argilominerais, promovendo um ganho na plasticidade da massa

cerâmica. Assim, seria possível reduzir a umidade da massa cerâmica no

processo de extrusão, com conseqüências positivas na etapa posterior de

secagem (integridade do corpo cerâmico, tempo de secagem e energia

necessária).

APLICAÇÕES: Através de uma configuração apropriada dos eletrodos, o

processo eletroforético potencialmente poderia conformar estruturas do tipo

honeycomb, que são as estruturas cerâmicas típicas de suportes para

catalisadores automotivos. A disposição dos pólos positivos e negativos como

tubos concêntricos permitiria a conformação de massas cerâmicas na forma de

monolitos com longos dutos e paredes extremamente finas, como as dessas

estruturas.

ESTUDO DE ADITIVOS: O processo de conformação por eletroforese,

conforme mostrado neste trabalho, pode ser uma excelente alternativa para dar

forma a massas cerâmicas com elevado teor de umidade. Além dos aditivos

aqui estudados, sugere-se a investigação do comportamento e efeito de outros

aditivos, como carbonato de cálcio, que é inerte no processo e ajudaria muito

no crítico processo de secagem.

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