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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
FELIPE AUGUSTO CORBELLINI DE SOUZA
INFLUÊNCIA DA PLASTICIDADE DE MASSAS CERÂMICAS TRIAXIAIS NAS ETAPAS DE PROCESSAMENTO DE CORPOS EXTRUDADOS
FLORIANÓPOLIS
2005
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Souza, Felipe Augusto Corbellini de, 1982-
Influência da Plasticidade de Massas Cerâmicas Triaxiais nas Etapas de Processamento de Corpos Extrudados / Felipe Augusto Corbellini de Souza. –2005.
31 f. : il. color. ; 30 cm Orientador: Prof. Dr. –Ing Dachamir Hotza. Trabalho de conclusão de curso (graduação) – Universidade Federal de Santa
Catarina, Curso de Engenharia de Materiais, 2005. 1. Plasticidade. 2. Extrusão. 3. Porcelanas. I. Hotza, Dachamir. II. Universidade
Federal de Santa Catarina. Curso de Engenharia de Materiais. III. Influência da Plasticidade de Massas Cerâmicas Triaxiais nas Etapas de Processamento de Corpos Extrudados.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
FELIPE AUGUSTO CORBELLINI DE SOUZA
INFLUÊNCIA DA PLASTICIDADE DE MASSAS CERÂMICAS TRIAXIAIS NAS ETAPAS DE PROCESSAMENTO DE CORPOS EXTRUDADOS
Trabalho de graduação apresentado ao
Curso de Engenharia de Materiais da
Universidade Federal de Santa Catarina
como parte dos requisitos para a obtenção
do título de Engenheiro de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. –Ing. Dachamir Hotza
Coorientador: Eng. Nilson Schwartz da Silva
FLORIANÓPOLIS
2005
4
FELIPE AUGUSTO CORBELLINI DE SOUZA
INFLUÊNCIA DA PLASTICIDADE DE MASSAS CERÂMICAS TRIAXIAIS NAS ETAPAS DE PROCESSAMENTO DE CORPOS EXTRUDADOS
Este Trabalho de graduação foi julgado adequado para a obtenção do título de
Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de graduação em
Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina.
Prof. Dylton do Vale Pereira Filho Coordenador
Comissão Examinadora
Prof. Dr. –Ing. Dachamir Hotza Orientador
Eng. Nilson Schwartz da Silva Coorientador
5
AGRADECIMENTOS
À empresa T-cota Engenharia de Materiais Cerâmicos, por disponibilizar sua
estrutura laboratorial e fornecer todas as condições para o desenvolvimento deste
trabalho.
Em especial ao Engenheiro Nilson Schwartz da Silva, pela coorientação. Ao
Engenheiro Henrique Cislagui da Silva e Laudicéia Ereni Marques Flores, pelo
companheirismo e apoio durante a realização das atividades.
Ao Prof. Dr. –Ing. Dachamir Hotza, pela disposição e atenção prestada durante a
orientação do trabalho.
6
RESUMO
O presente trabalho de conclusão de curso trata da influência da plasticidade de
massas cerâmicas triaxiais nas etapas anteriores à queima do processo de extrusão,
sendo também parte integrante da efetivação de um controle preditivo de processo,
pois fornece informações preliminares para o mesmo. Os materiais empregados neste
trabalho foram cerâmicas triaxiais formuladas para compor corpos de isoladores
elétricos de alta tensão de base aluminosa, as quais foram processadas via extrusão,
para que se pudesse avaliar quanti e qualitativamente o desempenho da mistura de
argilas de diferentes propriedades plásticas na composição estudada. Preliminarmente
evidenciou-se que a plasticidade da argila influencia o comportamento físico dos corpos
obtidos durante a secagem e que estas informações podem compor uma ferramenta
tecnológica para o desenvolvimento de produtos específicos.
Palavras-chave: Plasticidade. Extrusão. Porcelanas.
ABSTRACT
The present graduate work is about the plasticity of porcelain pastes influencing
the stages before firing of the extrusion process, being also integral part of a predictive
process control because it supplies preliminary information for the same. The materials
employed in this work were ceramic pastes formulated to compose porcelain bodies for
high voltage electrical insulators, which were extruded with the objective to perform a
quantitative and qualitative evaluation of the performance of mixtures, containing clays
with different plastic properties in the studied composition. This preliminary study
evidenced that the plasticity of the clay influences the physical behavior of the bodies
obtained, mainly during the drying stage, and the resulting information can compose a
technological tool for the development of specific products.
Keywords: Plasticity. Extrusion. Porcelain.
7
LISTA DE FIGURAS
FIgura 1 – Fluxograma de processo do estudo laboratorial. ..........................................12
Figura 2 – Colher de Casagrande. .................................................................................14
Figura 3 – Ilustração esquemática de um moinho de martelos [Reed, 1995] .......................15
Figura 4 – Representação esquemática de um moinho de bolas [Reed, 1995]. ...................17
Figura 5 – Ilustração da secção transversal de um copo Ford. ......................................17
Figura 6 – Ilustração esquemática de um equipamento de Gallenkamp........................19
Figura 7 – Ilustração esquemática da secção transversal de um filtro prensa [Reed, 1995] 19
Figura 8 – Ilustração da secção transversal de uma extrusora em funcionamento........21
Figura 9 – Comportamento reológico. ............................................................................21
Figura 10 – Posicionamento e sentido de medição dos corpos-de-prova. .....................23
Tabela 1 – Parâmetros de moagem. ..............................................................................25
Tabela 2 – Medidas indiretas da viscosidade pelo equipamento de Gallenkamp. .........25
Tabela 3 – Medidas indiretas da viscosidade pelo Copo Ford. ......................................25
Tabela 4 – Propriedades mecânicas pós-extrusão ........................................................26
Figura 11 – Curva de Bigot para a massa com argila 45. ..............................................27
Figura 12 – Curva de Bigot para a massa com argila 30. ..............................................27
Figura 13 – Retração Diferencial Longitudinal (RDL) e Retração Diferencial Diametral
(RDD) de secagem das composições estudadas.....................................................28
Figura 14 – Corpo-de-prova para RDL...........................................................................28
Figura 15 – Corpo-de-prova para RDD. .........................................................................28
8
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 9
2 OBJETIVOS ....................................................................................................... 11
3 METODOLOGIA................................................................................................. 11
4 DESENVOLVIMENTO ....................................................................................... 12
4.1 Obtenção dos materiais ........................................................................ 13
4.2 Cominuição preliminar .......................................................................... 15
4.3 Moagem................................................................................................ 15
4.4 Filtro Prensa ......................................................................................... 18
4.5 Extrusão................................................................................................ 19
4.6 Secagem............................................................................................... 22
4.7 Sinterização .......................................................................................... 24
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 25
5.1 Influência da Plasticidade na Moagem ................................................. 25
5.2 Influência da Plasticidade nas propriedades mecânicas pós-extrusão. 26
5.3 Influência da Plasticidade na Secagem ................................................ 26
6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES............................................................. 29
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 30
9
1 INTRODUÇÃO
A conformação de corpos cerâmicos por extrusão é definida pela indução da
passagem de um material plástico coesivo através de um orifício de uma matriz rígida
(Reed, 1995, p. 450). Este conceito, quando utilizado pelo meio industrial, origina
produtos diversificados em razão das exigências de mercado. Porém, ao analisar
minuciosamente as etapas do processo de extrusão, encontra-se em sua origem, a
entrada de matérias-primas, as quais são responsáveis pelo comportamento do material
durante e após o processamento. Uma vez que as propriedades das matérias-primas
são variáveis, pode-se esperar que o comportamento do material durante o
processamento, bem como as propriedades finais do produto não serão constantes.
Este fato compõe uma situação propícia à aplicação do controle preditivo de processo,
o qual define-se por ser um método de predição da performance de materiais
particulados através de medidas de propriedades fundamentais de cada matéria-prima
que compõe um corpo cerâmico (Dinger,1994, p. 1).
As cerâmicas triaxiais, ou porcelanas triaxiais, eleitas para serem objeto de
pesquisa deste trabalho, são cerâmicas compostas principalmente pela mistura inicial
de materiais particulados de três grupos característicos: fundentes, refratários e
plásticos. A obtenção de produtos porcelânicos deve passar obrigatoriamente por
etapas de conformação e tratamento térmico. Os materiais fundentes conferem fluxo
viscoso durante o processamento térmico da mistura, conseqüentemente
proporcionando grande densificação e eliminação de porosidade. Fundentes
empregados comumente no meio industrial são os feldspatos rochosos de metais
alcalinos e alcalino-terrosos. Os materiais refratários conferem principalmente
10
estabilidade dimensional ao corpo formado pela mistura, durante todo o
processamento, além de serem responsáveis pelas propriedades mecânicas finais,
sendo exemplo destes materiais a alumina (óxido de alumínio - Al2O3) e a sílica (óxido
de silício - SiO2). Finalmente, os materiais plásticos conferem “plasticidade”, ou seja, a
capacidade de deformação permanente induzida por aplicação de tensão mecânica a
um corpo, durante etapas de conformação plástica da mistura. Os materiais plásticos
naturais mais comuns são as argilas, que exibem plasticidade quando se incorpora
água (H2O) às mesmas, devido ao fato dos minerais argilosos serem organizados em
camadas em níveis microscópicos, as quais são susceptíveis ao movimento relativo
induzido por tensão mecânica quando há lubrificação aquosa entre elas.
Como exemplos de produtos comerciais, obtidos a partir de cerâmicas triaxiais,
podem-se citar os isoladores elétricos obtidos por extrusão, as louças de mesa obtidas
por extrusão, as louças sanitárias obtidas por colagem, as placas de revestimento
obtidas por prensagem unidirecional, dentre os produtos mais comumente encontrados
no ambiente social e industrial. Estes produtos foram obtidos através de um projeto de
fabricação, sendo este caracterizado por compilar as necessidades dos clientes, ou
seja, os requisitos destes produtos. Deve-se ressaltar que o mercado alvo determina os
requisitos de produtos de uma maneira geral, sendo estes atendidos pelo meio
industrial. Logo, desta relação entre indústria e o mercado, surgiu a motivação deste
trabalho, que pode ser definida pelo emprego do controle preditivo do processo de
extrusão de cerâmicas triaxiais, almejando atender os requisitos técnicos de isoladores
elétricos para alta tensão.
11
Ressalta-se que neste trabalho estão exibidas apenas as informações
preliminares para a efetivação do controle preditivo do processo em questão, devido ao
fato de que as atividades que originaram este trabalho encontram-se em andamento.
2 OBJETIVOS
O objetivo geral deste trabalho é a geração de informações que irão compor as
variáveis de entrada para efetivação do controle preditivo do processo de extrusão de
isoladores elétricos para alta tensão.
Como objetivo específico tem-se a avaliação da influência da plasticidade de
massas cerâmicas triaxiais nas propriedades físicas, durante as etapas antequeima do
processamento de corpos extrudados.
3 METODOLOGIA
A metodologia empregada para execução do trabalho está baseada na descrição
das etapas do processo de extrusão, bem como a reprodução laboratorial destas,
sendo determinada como variável de entrada a plasticidade das argilas que fazem parte
da composição das cerâmicas triaxiais estudadas, e como variáveis de saída, as
propriedades físicas medidas em cada etapa do processo.
Como ferramentas de orientação ao planejamento da prática laboratorial, foram
utilizados o fluxograma de processo (figura 1) e o diagrama de Gandt.
12
Argila [30][45]
Feldspato
Moagem
Plasticidade (Atterberg)
Filtro Prensa
d = 1,60g/cm3
Resíduo#325=4,5%
Viscosidade indireta (Copo Ford)
Viscosidade indireta(Gallenkamp)
Extrusão
4 < P < 6 [Kgf/cm2]
Tempo = 40min
Secagem
Penetração Humbold
Cisalhamento (Vane)
Retração Diferencial Longitudinal
Cominuição Preliminar
Cominuição Preliminar
Caulim Alumina
H2O ~17%peso
T = 100 ºC
Retração Diferencial Diametral
Variável de entradaCondição de contornoEtapa de processoVariável de saída
FIgura 1 – Fluxograma de processo do estudo laboratorial.
13
4 DESENVOLVIMENTO
As atividades foram executadas, e estão apresentadas, na ordem seqüencial das
etapas do processo de extrusão de corpos cerâmicos.
4.1 Obtenção dos materiais
De acordo com as condições mais econômicas para obtenção de corpos de
porcelanas triaxiais, podem-se utilizar algumas matérias-primas extraídas diretamente
da natureza, como o caso dos feldspatos, argilas e caulins. O caulim é um material de
baixa plasticidade, que geralmente contém caulinita em sua composição mineralógica,
sendo utilizado na composição de componentes que devem possuir a fase mulita na
microestrutura pós queima.
A alumina geralmente é obtida por um processo de beneficiamento baseado no
processo Bayer (Reed, 1995 p. 40). Ressalta-se que há estudos (Liebermann, 2002) do
emprego da bauxita, o principal minério para obtenção de alumina, na composição
direta de misturas porcelânicas ao invés da utilização de alumina beneficiada.
Os materiais utilizados neste trabalho possuem as seguintes características:
Alumina: geral de eletro-fusão, com tamanho médio de partículas de 22µm;
Feldspato: classificado como feldspato potássico de acordo com informações
cedidas pelo fornecedor;
Caulim: extraído da região sudeste do Brasil;
Argilas: 30 e 45 – Ambas extraídas da região Nordeste do Brasil;
14
As argilas foram identificadas por números que correspondem a seus respectivos
índices de plasticidade, determinados em laboratório através dos limites de Atterberg.
A técnica de caracterização da plasticidade de argilas através dos limites de
Atterberg consiste em determinar percentuais de umidade necessários para caracterizar
a passagem do material de pasta para corpo plástico (limite líquido) e de corpo plástico
para grânulo (limite plástico), através de critérios visuais e do emprego de um
equipamento denominado “colher de Casagrande”, apresentado na figura 2. Determina-
se o índice de plasticidade através da diferença entre os limites plástico e líquido
resultantes da técnica.
Os limites de Atterberg, determinados em laboratório a partir de duas amostras
de cada argila empregada neste trabalho, foram:
• Argila 30: Limite Líquido = 57,13 ± 3,00 ; Limite Plástico = 27,02 ± 0,38
• Argila 45: Limite Líquido = 72,00 ± 3,00 ; Limite Plástico = 26,46 ± 0,40
Figura 2 – Colher de Casagrande.
15
4.2 Cominuição preliminar
Após a extração em jazidas naturais, as matérias-primas cerâmicas geralmente
são submetidas a uma cominuição preliminar, com o objetivo de promover uma melhor
homogeneização das segregações contidas nas mesmas, além de diminuir o tamanho
de grânulos.
Para o estudo em laboratório, as argilas e o caulim, foram submetidos a
cominuição por moinho de martelos (Figura 3) após cominuição manual por pistilo e
almofariz.
Figura 3 – Ilustração esquemática de um moinho de martelos [Reed, 1995, p. 314]
4.3 Moagem
A moagem a úmido de particulados cerâmicos pode ser conceituada como um
processo de cominuição que objetiva diminuir o tamanho médio de partículas, alterar a
forma das mesmas e homogeneizar os componentes de uma mistura em uma
suspensão, ou barbotina. Como conseqüência da alteração das propriedades físicas
16
das partículas durante a moagem, obtêm-se implicações como a alteração da química
de superfície e da área superficial do material. Logo, pode-se utilizar a moagem para
efetuar modificações no comportamento do material em etapas posteriores de
processamento, como por exemplo, proporcionar um aumento na taxa de reações
termo-químicas de um pó através do aumento do tempo de moagem de um material.
Para esta etapa do processamento, se faz necessária a utilização de um
equipamento denominado moinho, sendo a partir das características deste que se pode
esperar a eficiência de moagem.
As variáveis de controle do processo de moagem, no âmbito industrial, são o
tempo de agitação e o controle da massa residual de pequenas amostras da
suspensão, quando “lavadas” em uma peneira padronizada. Desta forma, a eficácia do
controle da moagem pode ser evidenciada quando é possível elaborar um diagrama
que relaciona a citada massa residual em função do tempo de moagem, aplicando-o
para determinar condições ótimas à utilização dos equipamentos industriais.
Também se utiliza a moagem para controlar as propriedades reológicas de uma
suspensão, enquanto seus constituintes sólidos são cominuídos, preparando-a e
condicionando-a para etapas subseqüentes de um processamento, como por exemplo,
efetuar um ajuste de viscosidade de uma suspensão, que será utilizada na colagem de
componentes cerâmicos, através da adição de aditivos incorporados dentro do moinho.
A moagem, realizada experimentalmente, foi conduzida em moinho de bolas,
conforme ilustrado na figura 4, sendo controlada através de medidas da massa não
passante em peneira #325.
17
Figura 4 – Representação esquemática de um moinho de bolas [Reed, 1995, p. 315].
Figura 5 – Ilustração da secção transversal de um copo Ford.
Adicionalmente foi efetuada a medição indireta da viscosidade da suspensão, a
fim de caracterizar a mesma e colocá-la em função da argila selecionada para
composição de cada suspensão. Medidas indiretas de viscosidade foram efetuadas
através de dois equipamentos laboratoriais, copo Ford (largamente empregado na
industria) e o equipamento de Gallenkamp .
O copo Ford consiste em um recipiente em forma de copo, com secção
transversal circular variável, culminando em um orifício, conforme ilustrado na figura 5.
Este equipamento é amplamente utilizado na industria cerâmica para determinar
indiretamente a viscosidade de uma suspensão. Seu princípio de funcionamento está
baseado na medição do tempo necessário para que uma suspensão possa escoar do
interior do copo através do orifício. Desta forma, suspensões muito viscosas necessitam
de mais tempo para escoar quando comparadas com suspensões pouco viscosas.
O equipamento de Gallenkamp consiste em um disco suspenso mecanicamente
e conectado em uma haste, o qual executa movimentos de torção. O ensaio com este
tipo de equipamento é conduzido através da imersão da haste na suspensão que se
18
deseja caracterizar. Ao impor uma tensão de torção ao disco, este descreve uma
trajetória angular que indica a posição final de seu movimento, a qual é relacionada
com a viscosidade da suspensão, pois suspensões viscosas induzem o disco a
descrever trajetórias angulares menores quando comparadas com suspensões menos
viscosas. As medidas são efetuadas visualmente através de uma escala angular
presente no equipamento. Ao efetuar medidas de uma suspensão em intervalos de
tempo conhecidos, pode-se constatar, ou não, uma diferença nos valores lidos, sendo
relacionada com um índice de tixotropia da suspensão. A figura 6 ilustra
esquematicamente um equipamento de Gallenkamp.
4.4 Filtro Prensa
Após a cominuição do material via moagem úmida, há um teor de líquido muito
elevado para que o material seja conformado plasticamente por extrusão. Em virtude
deste fato, utiliza-se uma etapa de filtração para que a umidade do material seja
ajustada em teores aceitáveis para a próxima etapa do processamento.
Nesta etapa se faz necessária a utilização de um equipamento denominado filtro
prensa, o qual está esquematicamente ilustrado na figura 7 e tem por objetivo filtrar
uma suspensão através da indução da passagem do material através de malhas com o
auxílio de pressão.
Utiliza-se este equipamento industrialmente em virtude de o mesmo apresentar
elevada produtividade e atribuir agilidade ao processamento quando comparado com
outros métodos de redução do teor de líquidos de suspensões.
19
Figura 6 – Ilustração esquemática de um equipamento de Gallenkamp.
Figura 7 – Ilustração esquemática da secção transversal de um filtro prensa [Reed, 1995, p. 366]
A atividade experimental relacionada com a filtro-prensagem foi efetuada em um
equipamento de laboratório com capacidade para processar de 2,5 L a 5,5 L de
suspensão por batelada, sendo utilizadas pressões variáveis entre 40 MPa e 70 MPa.
Ressalta-se que o material resultante do filtro prensa apresentou um gradiente de
umidade, do centro para a periferia do corpo, desta forma necessitando de 24 h de
acondicionamento estático para homogeneização do teor de umidade.
4.5 Extrusão
A extrusão, já conceituada anteriormente, quando descrita através de sua análise
mecânica revela os requisitos que o processo exige, logo restringindo as propriedades
dos materiais que se destinam ao mesmo.
20
Pode-se entender melhor o processo em questão através de uma análise da
trajetória do material dentro da máquina extrusora (Figura 8). Tal equipamento pode ser
encontrado em diferentes configurações, sendo as mais comuns a extrusora de pistão e
a extrusora de fuso, sendo esta última a mais empregada na industria cerâmica
brasileira, podendo ainda ser encontrada com um, dois e até três fusos rotativos,
dependendo do grau de homogeneização necessário às suas aplicações.
Quando o fuso da máquina extrusora encontra-se em movimento de rotação, o
material é conduzido em seu sentido axial para a direção que a rosca determina, logo,
transforma-se o movimento de rotação do fuso em movimento axial de material, sempre
em direção a uma matriz, a qual tem sua funcionalidade relacionada com a
determinação geométrica do produto e com o gradiente de velocidade do material a ser
compactado no interior da mesma.
A figura 8 ilustra esquematicamente o mecanismo de conformação de um
material plástico coesivo em uma máquina extrusora de monofuso. Quando o material
deixa a rosca, ocorre fluxo de material em direção ao centro do corpo em razão do
preenchimento da cavidade ocasionada pelo fuso; desta forma, a velocidade axial do
material é mínima na região logo em frente ao fuso e relativamente máxima na região
da face da rosca. Os vetores velocidade, apresentados na figura 8, representam a
evolução do gradiente de velocidade imposto ao material, sendo fortemente
influenciado pela matriz.
Benbow et al. (1987) propuseram um modelo matemático (expressão I) para
quantificação da pressão de extrusão em função das propriedades reológicas do
material (figura 9) e das características geométricas de uma extrusora de pistão, sendo
baseado na mecânica dos fluidos e podendo ser utilizado para fornecer uma
21
compreensão mais aprofundada sobre o processo, do que simplesmente uma descrição
macroscópica do mesmo.
[ ]mff
n
bbo
vkDL
Dvk
DDP +⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛++⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=∆ ττ 4ln2 ' (I)
Onde:
∆P = Queda de pressão;
D, D0, L = Características da extrusora;
τb, kb, n, τf, kf, m = Características reológicas do material;
v = velocidade linear média de extrusão.
Figura 8 – Ilustração da secção transversal de uma extrusora em funcionamento.
Figura 9 – Comportamento reológico. [Adaptado, Reed, 1995, p. 281]
O estudo prático, compreendido neste trabalho, envolveu uma extrusora de
monofuso de dimensões aplicáveis para produção de pequenas peças (diâmetro de
50mm) e direcionada para estudos de laboratório, podendo ser utilizado vácuo durante
o processamento para promover remoção de gases do material e aprimoramento das
22
características superficiais do produto. Nesta etapa da pesquisa, o material filtro-
prensado foi transformado em tarugos e corpos-de-prova direcionados à etapa de
secagem, sendo também utilizados para monitoramento da umidade contida na massa
e aferição da resistência à penetração Humbold e resistência ao cisalhamento Vane.
As propriedades mecânicas citadas acima foram medidas nos corpos recém
extrudados e consistiram na seguinte operação:
Penetração Humboldt: medir a resistência à penetração do material a um
indentador cilíndrico sujeitado por uma mola, obtendo-se valores diretos de tensão.
Cisalhamento Vane: medir a resistência limite ao cisalhamento do material
através de um torquímetro que possui aletas penetrantes ao material e que cisalham o
mesmo quando colocadas em movimento de rotação. Também fornece valores diretos
de tensão.
4.6 Secagem
Secagem é a remoção de líquido de um material poroso através do transporte e
evaporação em um meio insaturado. (Reed, 1995, p. 545). O objetivo de secar é
claramente compreendido pela indústria e consiste em remover o líquido utilizado na
conformação plástica, porém a remoção deve ser cuidadosa em virtude da retração de
secagem promover defeitos internos aos produtos semi-acabados.
O estudo da secagem dos corpos obtidos na extrusora de laboratório foi
conduzido em estufa, a 100 ºC, sendo direcionado para construção da curva de Bigot e
de um diagrama do gradiente de retração em função da posição longitudinal e diametral
23
dos tarugos extrudados. Corpos-de-prova foram obtidos com o seccionamento dos
tarugos recém extrudados através de lâminas posicionadas ao fim da matriz, sendo
identificados como exposto na figura 10.
A curva de Bigot é um gráfico que relaciona a retração linear em função da perda
de massa durante a secagem de corpos-de-prova. As informações retiradas da curva
de Bigot servem para orientar um processo de secagem, também sendo utilizadas para
indicar em que nível de umidade se pode acelerar a secagem sem que ocorra grande
alteração dimensional.
O diagrama do gradiente de secagem fornece valores para quantificar a
diferença de retração que ocorre em regiões diferentes de um corpo, através da análise
separada de cada região. Logo, se ocorre diferença de retração em um mesmo corpo,
surgem tensões, as quais podem ser suficientes para atingir o limite de ruptura do
material e iniciar um processo de falha.
Figura 10 – Posicionamento e sentido de medição dos corpos-de-prova.
24
4.7 Sinterização
Sinterização é essencialmente a remoção de poros entre as partículas iniciais
(acompanhada pela retração do componente), combinada com o crescimento e
fortalecimento das ligações entre as partículas adjacentes. (Richerson, 1992, p. 519).
Entende-se por sinterização um processo termicamente ativado que promove
transferência de massa entre partículas de um corpo obtido a partir de um material
particulado. Como conseqüência da sinterização têm-se muitas modificações de ordens
física e química no material submetido à mesma, como por exemplo transformações de
fase, eliminação de defeitos microestruturais e aumento significativo da resistência
mecânica.
Industrialmente, utiliza-se o termo “queima” para designar a sinterização, sendo
esta etapa do processamento que necessita maior demanda de energia devido ao fato
de a sinterização das cerâmicas triaxiais ocorrerem em faixas de temperatura entre
1200 ºC e 1300 ºC. Também, a sinterização é encarada como uma etapa final do
processamento, cabendo apenas etapas de pequenos acabamentos após a mesma,
quando necessários.
Neste trabalho, não está apresentado um estudo da sinterização dos corpos
obtidos com as diferentes argilas, porém será efetuado, uma vez que é de grande
interesse avaliar o comportamento dos materiais selecionados diante do
processamento térmico. Deseja-se utilizar diagramas de retração diferencial para se
iniciar um estudo do mapeamento de possíveis causas de defeitos presentes na
sinterização, além da verificação das propriedades mecânicas.
25
Massa com argila 45 Massa com argila 3014.14 ± 0.24 14.38 ± 0.18
Copo Ford (s)
M1 75,0 M1 72,0M2 90,0 IT 3min -15,0 M2 80,0 IT 3min -8,0M2 90,0 IT 6min -15,0 M2 80,0 IT 6min -8,0M2 90,0 IT 9min -15,0 M2 80,0 IT 9min -8,0
Massa com argila 45Gallenkamp (º)
Massa com argila 30
Material Massa com argila 45 Massa com argila 30d (g/cm3) 1,60 1,60
Resíduo #325 (%) 4,70 4,32Tempo (min) 126 120
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Influência da Plasticidade na Moagem
Os dados referentes aos parâmetros de moagem estão expostos na tabela 1,
donde nota-se que houve maior cominuição das partículas da massa com argila 30,
mesmo sendo inferior o tempo de moagem quando comparado com a argila 45.
Tabela 1 – Parâmetros de moagem.
As tabelas 2 e 3 apresentam as propriedades reológicas medidas com as
suspensões resultantes da moagem parametrizada pela tabela 1. Nota-se indiretamente
que a viscosidade das suspensões assemelham-se, porém, ocorre divergência de
resultados ao se tentar identificar qual suspensão é mais viscosa.
Tabela 2 – Medidas indiretas da viscosidade pelo equipamento de Gallenkamp.
Tabela 3 – Medidas indiretas da viscosidade pelo Copo Ford.
26
Ensaio Massa com argila 45 Massa com argila 30Cisalhamento Vane (MPa) 0,37 0,63 ± 0,05
Penetração Humbold (MPa) 0,02 0,08Umidade (%H2O em peso) 17,43 16,98
5.2 Influência da Plasticidade nas propriedades mecânicas pós-extrusão
A tabela 4 apresenta os resultados das propriedades mecânicas medidas em
cinco corpos recém extrudados para cada técnica de medição. Sabe-se que há uma
relação inversamente proporcional entre as propriedades mecânicas em questão e o
teor de umidade de um mesmo corpo, porém ainda não é bem definida
quantitativamente.
Nota-se que a massa com argila 30 apresenta maiores propriedades mecânicas,
ressaltando-se que há um teor de 0,45% em peso de água a menos quando comparada
com a massa contendo argila 45.
Tabela 4 – Propriedades mecânicas pós-extrusão
5.3 Influência da Plasticidade na Secagem
Os dados resultantes das medidas de perda de massa em relação à mudança
dimensional foram obtidos através de uma metodologia em desenvolvimento, e estão
apresentados nas figuras 11, 12 e 13.
Nota-se nas figuras 11 e 12 que os teores de umidade para ocorrência da
mudança da taxa de encolhimento são praticamente os mesmos, porém nota-se que os
corpos centrais exibem maiores retrações, com a mesma umidade, quando comparados
com os corpos mais periféricos, conforme identificação da figura 14.
27
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 1 2 3 4 5
Retração (%)
Umid
ade
(%) Corpo 1
Corpo 2Corpo 3Corpo 4Corpo 5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Retração Linear (%)
Umid
ade
(%) Corpo 1
Corpo 2Corpo 3Corpo 4Corpo 5
Ao comparar a retração dimensional de secagem em relação à posição nos
corpos-de-prova, nota-se que a massa com argila 45 exibe maiores retrações
acompanhadas de maiores diferenças de retração, conforme apresentado na figura 13.
Figura 11 – Curva de Bigot para a massa com argila 45.
Figura 12 – Curva de Bigot para a massa com argila 30.
28
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Posição (mm)
Ret
raçã
o (%
) RDL 30RDD 30RDL 45RDD 45
Figura 13 – Retração Diferencial Longitudinal (RDL) e Retração Diferencial Diametral (RDD) de secagem das composições estudadas.
Figura 14 – Corpo-de-prova para RDL. Figura 15 – Corpo-de-prova para RDD.
29
6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
A obtenção de produtos conformados por extrusão, de cerâmicas triaxiais, é
influenciada pela plasticidade das argilas empregadas na composição da massa, sendo
evidenciado neste trabalho que uma argila com índice de plasticidade de 45 acarreta na
ocorrência de maiores gradientes de retração de secagem quando comparada com
uma argila com índice de plasticidade de 30. Desta forma conclui-se que há maior
probabilidade do desenvolvimento de falhas iniciadas na secagem de corpos
extrudados com argilas de alta plasticidade.
As informações geradas neste trabalho podem compor algumas variáveis de
entrada do controle preditivo do processo de extrusão de porcelanas triaxiais para
isoladores elétricos, uma vez que se pôde relacionar quantitativamente a propriedade
plástica de uma matéria-prima com o comportamento da mistura durante o
processamento antequeima.
Ressalta-se que este trabalho deve ser complementado com experimentos que
relacionam um maior número de argilas, de índices de plasticidade diferentes, com o
comportamento de misturas durante a conformação e sinterização, para que se possam
gerar informações suficientes para se efetivar um controle preditivo de processo.
Recomenda-se utilizar outras metodologias para caracterização da plasticidade
de argilas, a fim de se poder aumentar a resolução dos valores atribuídos a esta
propriedade, além de aproximar mais as técnicas de caracterização de materiais
plásticos argilosos com suas aplicações industriais. Sugere-se correlacionar a técnica
aqui apresentada com a técnica de quantificação da plasticidade por curvas de tensão
em função da deformação, e se possível estabelecer relações entre as características
30
físicas do material com os resultados obtidos, possibilitando um maior entendimento
dos fenômenos que regem a plasticidade destes materiais.
Finalmente, conclui-se que ao se obter um conjunto de trabalhos similares a
este, onde se estabelecem relações entre propriedades fundamentais de matérias-
primas e o comportamento dos materiais durante o processamento, pode-se montar
uma ferramenta de Engenharia de Materiais para gestão de informações com o objetivo
de se poder atender as exigências de mercado através de um controle efetivo e
quantitativo da transformação dos materiais.
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BARBA, A., BELTRÁN, V., FELIÚ, C., GARCIA, J., SÁNCHEZ, E., SANZ, V. Materias Primas para la fabricación de soportes de baldosas cerámicas 2ª Ed. Castellón, ITC, 2002. BÉLTRAN, V., SÁNCHEZ, E., GARCIA, J., FERRANDO, F. Influencia de la composición de la pasta sobre su comportamiento en las etapas del proceso previas a la cocción. Técnica Cerámica, Espanha, n. 236, p. 520 – 532. 1995. BENBOW, J. J., OXLEY, E. W., BRIDGEWATER, J. The extrusion mechanics of pastes – influence of formulation on extrusion parameters. Chemical Engineering Science, UK, Vol. 42, n. 9, p. 2151 – 2162, 1987. CHINELLATO, A. L., SOUZA, D. P. F. Porcelanas elétricas aluminosas parte 1 – revisão da literatura. Cerâmica, Brasil, n. 50, p. 62 – 68, 2004. BENBOW, J., BRIDGEWATER, J. Paste Flow and Extrusion 1st Ed. Oxford Series On Advanced Manufacturing, Oxford, Oxford University Press, 1993.
31
DINGER, D. R. Rheology for Ceramists 1st Ed. Kearney, USA. Morris Publishing, 2002. DINGER, D. R., FUNK, J. E. Predictive Process Control of Crowded Particulate Suspensions Applied to Ceramic Manufacturing 1st Ed. Massachusetts, Kluwer Academic Publisher, 1994. HENCH, L. L., ONODA, G. Y. Ceramic Processing Before Firing 1st Ed. New York; John Wiley & Sons, 1978. HODGKINSON, H. R. The Mechanics of extrusion. Clay craft, UK, Vol. 36, n. 11, p. 42 – 48, Nov. 1962. HORROBIN, D. J., NEDDERMAN, R. M. Die entry pressure drops in paste extrusion. Chemical Engineering Science, UK, vol. 53, n. 18, p. 3215 – 3225, Apr. 1998. LIEBERMANN, J., Bauxite porcelain - A new high-tech product for high-voltage insulation, American Ceramic Society Bulletin, Vol. 81, n. 2. p. 33 – 38, Feb. 2002. REED, J. S. Principles of Ceramics Processing 2nd Ed. New York; John Wiley & Sons, 1995. RIBEIRO, M. J., FERREIRA, J. M., LABRINCHA, J. A. Plastic behavior of different ceramic pastes processed by extrusion. Ceramics International, n. 31, p. 515 – 519, 2005. RIBEIRO, M. J. P. M. Valorização de resíduos industriais e formulação de novas composições cerâmicas: reactividade e comportamento térmico e eléctrico Tese, Universidade de Aveiro, 2004. RICHERSON, D. W. Modern Ceramic Engineering 2nd Ed. New York; Marcel Dekker, 1992. RING, T. A. Fundamentals of Ceramic Powder Processing and Synthesis 1st Ed. California, Academic Press, 1996. ROBINSON, G. C., KIZER JR, R. H., DUNCAN, J. F. Raw material parameters determining extrudabiblity. Ceramic Bulletin, Clemson, Vol. 47, n. 9, Apr. 1968.
32
VIEIRA, C. M. F., FEITOSA, H. F., MONTEIRO, S. N. Avaliação da Secagem de Cerâmica Vermelha Através da Curva de Bigot. Cerâmica Industrial, Brasil, n. 8, p. 42 – 46, 2003.