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Obtenção de vitrocerâmica de nefelina termicamente reativa a microondas: resultados preliminares

G. G. V. Nuernberg 1, E. Angioletto 2, G. Menegali 3 Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais Campus Universitário Prof. Avelino Marcante S/N - Bairro Bom Retiro - Joinville - SC - Brasil - CEP: 89223 - 100 - CX. Postal 631 - Fone (0xx47) 431-7200 Fax (0xx47) 431-7240 1 – UDESC - Universidade do Estado de Santa Catarina; 2 – UNESC- Universidade do Extremo Sul Catarinense; 3 – CMG-Colégio Maximiliano Gaidzinski

RESUMO Desenvolveu-se neste trabalho um material vítreo reativo a interação com microondas, com objetivo de utilizar em utensílios domésticos. Partiu-se da composição química que conduz a formação da fase nefelina sódica tendo ainda a adição de matérias-primas que possibilitasse a formação da fase de titanato de bário. Estudou-se ainda a influencia da cristalização na eficiência da absorção de microondas resultando em aumento da temperatura. Utilizou-se nesse estudo analise térmica diferencial, difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura, microscopia ótica. Os resultados demonstraram ser possível o uso deste material vítreo para aquecimento em microondas. Palavras chave: Microondas, Nefelina, Vitrocerâmico. INTRODUÇÃO

As cerâmicas são empregadas atualmente em diversas áreas, entre essas,

está o uso doméstico para cozimento e armazenagem dos alimentos. No cozimento

de alimentos, um grande avanço que ocorreu foi a utilização de fornos de

microondas no lugar dos fogões tradicionais. O uso do microondas trouxe

vantagens, entre as principais, está a redução do tempo de cozimento. Outro uso

muito comum no início deste século é o uso de alimentos congelados, que são

aquecidos, empregando o forno de microondas. Uma das principais desvantagens

no uso do forno de microondas é o rápido resfriamento do alimento. Em parte isso

ocorre devido à baixa temperatura do recipiente em que o mesmo foi aquecido. Uma

das alternativas para se resolver parcialmente esse problema é elevar a temperatura

do recipiente ao mesmo tempo em que se está aquecendo o alimento. Todavia,

corre-se o risco de um superaquecimento localizado o que coloca em risco a

segurança dos usuários. Por esse motivo desaconselha-se a utilização de muitos

materiais para essa finalidade. Entretanto (MacDOWELL, 1984) afirma que certas

composições do vidro podem ser controladas de tal forma a adequar a taxa de

aquecimento e a taxa de absorção das radiações de microondas incidentes. Em

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

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

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vista da necessidade existente e da potencialidade de mercado começou-se o

desenvolvimento de um material vitrocerâmico com as propriedades anteriormente

descritas.

O objetivo principal deste trabalho foi o de obter um material vitrocerâmico de

nefelina, que fosse reativo termicamente á ação de microondas. Procurou-se ainda

abordar os seguintes tópicos: estudar a influência da composição química sobre a

taxa de absorção de microondas; avaliar os parâmetros de cristalização do

vitrocerâmico; obter a taxa de aquecimento do material quando exposto à

microondas; avaliar o processo de fabricação de um vidro com alta presença de

alumina.

Um dos mais interessantes aspectos relacionados com o forno de MO é o

aquecimento seletivo. Diferente de um forno elétrico ou a combustão, onde todos os

corpos que estão no interior do forno sofrem aquecimento, no forno de MO o

aquecimento dependerá do material presente em seu interior (dependerá

fundamentalmente da constante dielétrica e da freqüência de relaxação do material).

Assim é comum observar que partes do recipiente que contém o alimento recém

aquecido no forno de MO, (mas que não estão em contato direto com o mesmo),

continuam a temperatura próxima à do ambiente.

Os princípios envolvidos no aquecimento por MO, envolvem conceitos físico-

químicos, como: temperatura, capacidade calorífica, ligação química, estrutura

molecular, momento de dipolo, polarização, constante dielétrica, entre outros.

Relação entre as propriedades macroscópicas e moleculares das substâncias dielétricas.

Do ponto de vista clássico, o aquecimento de um material a irradiação por meio

de MO é devido a interação da onda eletromagnética com o dipolo elétrico da

molécula. O aquecimento de uma substância em um forno de MO pode ser

simplificadamente entendido, fazendo-se uma analogia ao que acontece com as

moléculas quando submetidas à ação de um campo elétrico. Quando o campo

elétrico é aplicado as moléculas que possuem momento de dipolo elétrico, tendem a

se alinhar com o campo, como demonstrado na Figura 1. Quando o campo que

provocou a orientação dos dipolos moleculares é removido ocorrerá uma relaxação



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dielétrica, isto é, as moléculas tenderão a voltar para o estado anterior (menos

alinhado), dissipando energia absorvida na forma de calor.

A principio quanto maior for o dipolo, mais intenso deve ser a orientação molecular

sob a ação do campo

pos

pod

Em

orie

100

aqu

dep

visc

bar

alca

tem

dipo

vibr

(BA

do

com



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Figura 1– Esquema representando a polarização das moléculas devido a ação de um campo elétrico

elétrico. Se um material

sui maior valor de constante dielétrica (ε), então maior quantidade de energia

e, a principio, ser armazenada.

um campo que alterna as fases (como em uma onda eletromagnética), a

ntação molecular varia ciclicamente. Para irradiações na região de MO (1000 a

00 MHz) a polarização espacial das moléculas do material leva a seu

ecimento.

O tempo de relaxação requerido para os dipolos reduzirem o ordenamento

enderá fundamentalmente de dois fatores: o tamanho das moléculas e da

osidade do meio.

Em fase condensada, o tempo de relaxação também dependerá da “altura” da

reira de energia (associada com a interação entre as moléculas) que precisa ser

nçada no processo de re-orientação molecular. Haverá na verdade uma faixa de

pos de relaxação, pois existe um certo número de estados de equilíbrio para os

los separados por barreiras de potencial de diferentes magnitudes. As moléculas

am e rotacionam apenas nos níveis possíveis previstos pela mecânica quântica

RBOZA, 2001). No caso de moléculas que possuem dipolo permanente, a rotação

dipolo (devido a rotação molecular) gera um campo elétrico que pode interagir

o componente elétrico da MO.

NEFELINA A nefelina é uma fase de composição Na2O.Al2O3.2SiO2 (21,8% Na2O, 35,9%

Al2O3 e 42,3% SiO2 em peso) e dentre as principais propriedades associadas a esta

fase estão: alta resistência mecânica, resistência ao risco, superfície brilhante,

resistência química e baixa expansão térmica. Os feldspatóides apresentam estrutura similar aos feldspatos, composta por

seis tetraedros ligados entre si, formando hexágonos simétricos. Os feldspatos são

constituídos por quatro tetraedros ligados entre si, formando uma cavidade menor

que a dos feldspatóides.

Conforme MacDOWELL (1984), o uso da nefelina permite certo grau de

liberdade as moléculas para que ocorra vibração da rede cristalina e

consequentemente um aumento da temperatura por dissipação de energia.

MATERIAIS E MÉTODOS Os procedimentos experimentais para o desenvolvimento desse trabalho foram

realizados no Instituto de Pesquisas Ambientais e Tecnológicas (IPAT), ambos da

Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC), e a fusão das matérias-primas,

foi realizada no Colégio Maximiliano Gaidzinski (CMG).

Na primeira etapa de realização desse estudo, foram preparadas duas

composições de matérias-primas que deram origem aos vidros VNS (vidro de

nefelina sintética) e VNN (vidro de nefelina natural), a primeira tendo como base

nefelina artificial, e a segunda com nefelina natural, sendo que a composição de

ambas está exposta na Tabela 1.

Tabela 1 – Composição dos Vidros % em massa dos óxidos

Óxido VTNA % VTNN % SiO2 41,5 41 Al2O3 30,1 28 Na2O 17,0 16 TiO2 5,6 5,6 BaO 5,6 5,6 K2O x 3,5 CaO x 0,3



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As amostras depois de pesadas passaram por processo de cominuição a

úmido, em moinho de bola de por um período de 3 horas. A suspensão foi seca em

estufa com temperatura controlada entre 100ºC ± 5ºC, durante 12 horas para

eliminação total da água utilizada durante a moagem.

Para etapa de fusão as amostra foram levadas a um forno de fusão de fritas, a

temperatura de 1400ºC. O material permaneceu no forno por duas horas até a

completa fusão e homogeneização de todas as matérias-primas constituintes. Foi

utilizado cadinho ZAS (Silicato de Zirconia e Alumina). Este foi vazado rapidamente

sobre um recipiente de aço inox, onde se seguiu a etapa de prensagem.

As amostras foram submetidas a ensaios de caracterização térmica, em

equipamento de analise térmica diferencial (DTA), para obtenção da faixa de

temperatura ideal, onde o material apresenta maior taxa de nucleação, e maior taxa

de crescimento de cristais. O equipamento utilizado foi o STA Netzsch, modelo 409

C; a taxa de aquecimento foi de 10 graus por minuto e a atmosfera utilizada foi o ar

sintético.

Os materiais vitrocerâmicos VTNS e VTNN foram obtidos por meio de ciclos

térmicos de cristalização controlada. Para obtenção do material VTNS e VTNN foi

aplicado um ciclo térmico de 240 minutos na temperatura de máxima taxa de

cristalização determinada como sendo 920ºC, a e com taxa de aquecimento

constante de 5ºC por minuto.

A caracterização da reatividade térmica pela ação de microondas foi realizada

em forno doméstico de marca Panasonic Inverter Junior modelo NN-S52BK com

potência de 900W onde foram comparadas as temperaturas das amostras com a

temperatura de uma referência. Ambas foram submetidas à mesma exposição às

radiações de microondas. O valor da temperatura foi obtido por meio de um

termômetro digital (ALLA France), colocado em contato com a amostra, no momento

da sua retida do interior do forno.

Foi utilizado ainda um microscópio ótico marca Leica para obter-se as

micrografias do vidro e do vitrocerâmico. Os corpos de prova foram embutidos à frio

em resina, lixados e polidos e submetidos ao ataque químico com ácido fluorídrico,

sendo este numa concentração de 2% por 2 minutos. As micrografias apresentaram

aumento de 10 x 0,75 a 20 x 0,75. As difrações de raios X foram realizadas em

equipamento da marca Shimadzu LABX-XRD 6000, e foi utilizado o equipamento

ZEISS DSM 940 A para microscopia eletrônica de varredura.



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RESULTADOS OBTIDOS

Os vidros fundidos verteram por gravidade sobre um recipiente de aço

inoxidável, onde no momento seguinte foram submetidos a processo de prensagem

por um aparato de aço, e desta forma obteve-se a pastilha desejada.

Os vidros obtidos apresentaram algumas bolhas, isso ocorreu em virtude de

não conter em sua formulação óxido de arsênio (MacDOWELL, 1984) e de não ter

sido realizada uma calcinação desses materiais. Acredita-se que o uso de qualquer

um desse dois métodos reduzirá de maneira efetiva a quantidade de gás retido no

vidro.

No que diz respeito à aparência desses materiais, os vidros obtidos

apresentaram coloração amarelo clara (vidro de nefelina sintética) e ocre (vidro de

nefelina natural), a diferença de coloração entre esses materiais ocorre devido à

variação na composição entre os mesmos e também devido a maior quantidade de

impurezas no vidro de nefelina natural. Porém é importante ressaltar que ambos

apresentaram translucidez.

Da aparência das vitrocerâmicas obtidas pode ser observado uma coloração

cinza (VTNS) e negra (VTNN), essa coloração ocorre pela formação de cristais. Os

materiais vitrocerâmicos apresentaram opacidade sendo uma das características

que indicam a presença de cristais formados.

A análise térmica diferencial Figura 2 realizada na amostra de vidro de nefelina

natural, apresenta como resultados o valor de Tg (transição vítrea) 750ºC, sendo que



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Figura 2 – Análise Térmica Diferencial, de amostra do vidro VTNN.

esse valor foi determinado pelo método das tangentes aplicadas à curva de DTA. Seguindo a análise da curva, foi observado à formação de um pico exotérmico

na temperatura de 914º C, esse pico representa a temperatura onde ocorre a

cristalização. Com esse valor foi possível determinar a curva do tratamento térmico

que posteriormente os vidros foram submetidos. Como último dado fornecido pelo

gráfico de análise térmica, foi possível ainda ter conhecimento da temperatura de

fusão do material, sendo esta 1220ºC. Conforme pode ser observado nos

difratogramas apresentados nas Figuras 3 e 4, os dois vidros (VNN e VNS)

mostraram-se totalmente amorfos antes do tratamento térmico.

0 10 20 30 40 50 60 70

0

200

400

600

800

Inte

nsid

ade

(rela

tiva)

Ângulo de difração 2θ

1 - VNN2 - VTNN

Figura 3 – Difratogramas do vidro VNN e o vitrocerâmico VTNN.



7

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

1 2 0 0

Inte

nsid

ade

(rela

tiva)

Â n g u lo d e d i f r a ç ã o 2 θ

1 - V N S2 - V T N S

Após o tratamento térmico ambos apresentaram os picos caraterísticos de material

cristalino. As fases formadas confirmam a presença de nefelina, cartões JCPDS

número 19-1176 e 09-0338. Pode ainda ser observado que os picos

correspondentes à fase de titanato de bário não estão claramente definidos,

entretanto se conhece que o titânio é um ótimo agente nucleante e é possível que

se tenha formado cristais muito pequenos e distribuídos por toda a rede de vidro

residual que envolve a recristalização para a formação da nefelina.

Figura 4 – Difratogramas do vidro VNS e o vitrocerâmicoVTNS.

Na seqüência os materiais vítreos e suas respectivas vitrocerâmicas foram

levados ao forno de microondas para respectiva analise das propriedades

desejadas. Neste ensaio foi constatado que as amostras de vitrocerâmica

apresentaram maior reatividade à ação de microondas, uma vez que mostraram

maior aquecimento que as amostras de vidro.

A aferição exata dos valores de temperaturas obtidos pelos materiais quando

submetidos ao aquecimento em forno de microondas, foi comprometida pelo longo

tempo de resposta fornecido pelo termômetro digital, uma vez que dessa forma

existe a possibilidade do material entrar em rápido equilíbrio térmico com o

ambiente.

No que diz respeito aos resultados obtidos da analise de reatividade à ação

de microondas foi possível verificar que as amostras apresentam tal propriedade, no

entanto essa é apenas uma análise preliminar das temperaturas alcançadas.



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Analisando a Tabela 2 onde são mostrados os resultados obtidos, foi constatado

que, as vitrocerâmicas possuem maior reatividade a ação de microondas que as

amostras de vidro. Que o aquecimento ocorrido nas amostras de vidro podem ter

ocorrido devido a troca de calor com moléculas de água. As temperaturas obtidas

para as vitrocerâmicas, no ensaio sem água mostram que parte da potência utilizada

pelo microondas é absorvida, o que pode ser contrastado no ensaio com água onde

o recipiente com água é adicionado a análise destas forma a radiação de

microondas que antes era absorvida unicamente pela mostra, agora passa a ser

absorvida pela água.

Tabela 2 – Resultados das temperaturas das amostras após serem retiradas

do MO

Materiais Temperaturas sem água Temperaturas com água

VTNS 100ºC 63ºC

VTNN 117ºC 50ºC

Vidro de nefelina sintética 50ºC 45ºC

Vidro de nefelina natural 53ºC 50ºC

As amostras foram submetidas à analise por microscopia eletrônica de varredura .

Por meio dessas micrografias (Figura 6) é possível verificar a formação de possíveis

frentes de cristalização nos materiais vitrocerâmicos.



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Após o ataque químico que os corpos de prova foram submetidos, foi constatada

uma melhora na visualização dos fenômenos que ocorreram no material como a já

citada frente de cristalização. (Figura 5).

VTNS VTNN

Figura 05 – Micrografias obtidas por MEV das amostras VTNS e VTNN.

CONCLUSÕES

Obteve-se uma drástica mudança de coloração durante a cristalização onde a

amostra de nefelina sintética passou de uma coloração amarela (antes do

tratamento) para cinza, e a amostra ocre passou para cor negra após o tratamento,

sendo que ambas mudaram de transparentes para opaco;

1) A temperatura de cristalização do sistema é de 914ºC;

2) Análise por difração de raio-x indica que houve formação da fase nefilina,

entretanto a fase titanato de bário se formou-se possui intensidade relativa muito

pequena;

4) Obteve-se vitrocerâmicos que se aquecem quando submetido ao radiação de

microondas.

REFERÊNCIAS A. C. R. N. BARBOZA, Aquecimento em forno de microondas: desenvolvimento de

alguns conceitos fundamentais.Química Nova, Campinas, Vol. 24, n.6, p. 901-902,

2001



10

C. D. G BORBA, Obtenção e caracterização de vitrocerâmicos de nefelina: medição de tamanho de cristalino e quantificação de fases por difração de raios-x.

2000. 137f Tese (Doutorado em Ciências e Engenharia d Materiais) – Universidade

Federal de Santa Catarina, Florianópolis, abril de 2000.

G.M. BUSTAMANTE, J. C. BRESSIANI,. A industria cerâmica brasileira. Cerâmica Industrial, 5 (3) Maio/junho, p. 31-36, 2000.

W. D. CALLISTER, Jr, Ciência e Engenharia de Materiais: uma

introdução.Tradução de Sérgio Murilo Stamile Soares. 5. ed. Rio de Janeiro: Editora

LTC, 2002. 589 p. Título original : Materials Science and Engineering: an

introduction.

S. CHATTERJEE, B. D. STOJANOVIC, H.S. MAITI, Effect of additives and powder preparation techniques on PTCR properties of barium titanate, Materials Chemistry and Physics 78, 2003, 702–710. C.M. CHENGA, C. F. YANGB, S. H. LOB, T.Y. TSENG, Sintering BaTi4O9/Ba2Ti9O20 based ceramics by glass addition, Journal of the European Ceramic Society 20 (2000) 1061±1067 A. FELTZ, Amorphous: inorganic materials and glass. New York: VHC, 1993

I. GUTZOW, J. SCHMELZER, The vitreous state: thermodynamics, struture,

rheology and crystalization. 1. ed. Berlin: Springer-Verlag, 1995, 468 p.

R. HEVIA, , et al. Introducción a los esmaltes cerâmicos. 1. ed. Castellón: Faenza

Editrice Ibérica, S.L. , 2002. 224 p.

T. HU, H. JANTUNEN, A. UUSIMAKI, S. LEPPAVUORI Ba0.7Sr0.3 TiO3 powders with B2O3 additive prepared by the sol–gel method for use as microwave material Materials Science in Semiconductor Processing 5 (2003) 215–221 C. T. KNIESS,.Utilização de cinzas pesadas de carvão mineral com adição de óxido de lítio na obtenção de materiais vitrocerâmicos. 2001.135f. Dissertação

(Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de Santa Catarina,

Florianópolis, fevereiro de 2001.

J. F. MACDOWELL, Microwave heating of nefeline glass-ceramics. Ceramics Bulletin, Corning, Vol. 63, n. 2, p. 282-286, 1984. A. S. MONAYENKOVA, A. F. VOROB, A. A. POPOVA, L. A. TIPHLOVA, Thermochemistry of some barium compounds, J. Chem. Thermodynamics 2002, 34, 1777–1785.

NAVARRO, J. M. F., El vidrio. 2. ed. Madrid: Editora del CSIC, 1992.



11

SEZZI, G. Produção e consumo mundial de revestimentos cerâmicos. Cerâmica Industrial, 7 (5) setembro/outubro, p. 20-28, 2002.

VOGEL, W. Glass Chemistry. Second edition. Berlin: Springer-Verlag, 1994

M. ZHU, B. WANG, R. WANG, S. SUN, H. YAN, Z. DING, Efect of internal electrostatic .eld on isothermal orientation of barium titanium silicate polar glass-ceramics Journal of Non-Crystalline Solids 324, 2003, 172–176.

Nepheline glass ceramics thermically induced by microwave radiation: a preliminary study

Nuernberg 1 , G. G. V., Angioletto 2, E. Menegali 3, G.,

1 – UDESC - Universidade do Estado de Santa Catarina; 2 – UNESC Universidade

do Extremo Sul Catarinense; 3 – CMG Colégio Maximiliano Gaidzinski

Abstract

This work deals with the development of a vitreous material that interacts with

microwave radiation increasing the heating for domestic use in microwave ovens.

Using a chemical composition designed to obtain a sodic nepheline phase, it was

added some raw materials that lead to a barium titanate phase formation. Also, it was

determined the crystallization influence on the microwave absorption efficiency by

DTA, XRD, SEM and OM analysis, resulting in a temperature increase of the

samples during use. The results showed that the use of a glass ceramics to help

microwave heating is possible.

Keywords: microwaves, nepheline phase, glass ceramics



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