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LABORATÓRIO DE PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS

FACULDADE DE ENGENHARIA DE GUARATINGUETÁ

Departamento de Materiais e Tecnologia Professor: Miguel A. Ramírez Gil Técnico: Domingos Hasmann Neto

Segundo semestre de 2012 prática 9

Fabricação de corpos cerâmicos triaxiais Parte I: Curvas de defloculação.

1. Introdução

1.1. O processamento cerâmico via úmida Embora apresente elevados custos de investimento e produção, o processamento de materiais cerâmicos via úmida mostra-se eficiente quando é necessário preencher, principalmente, os seguintes requisitos [1]: - Maior homogeneidade dos componentes; - Menores tamanhos de partícula após a etapa de moagem; - Pós mais reativos e com melhores propriedades reológicas (melhor distribuição de carga no molde, maior velocidade de preenchimento do molde, maior uniformidade da peça prensada). Nesse tipo de processo, a moagem e a mistura podem ser realizadas em uma única fase, geralmente em moinhos de bola, com as matérias-primas dispersas em um meio líquido. As massas cerâmicas processadas como suspensões são misturadas, dispersas, bombeadas, peneiradas e, por fim, atomizadas. Os custos do processamento, por unidade de produto granulado, se reduzem de forma significativa quando a suspensão tem um alto conteúdo em sólidos, que corresponde a uma umidade menor a ser eliminada. Para se alcançar este objetivo, se requer um bom controle da defloculação química e da distribuição granulométrica na suspensão processada. 1.2 Corpo cerâmico triaxial As massas cerâmicas variam amplamente de composição, dependendo das propriedades requeridas no produto manufaturado. Podem ser definidas como uma mistura de matérias-primas preparadas para a fabricação de um determinado produto cerâmico. Devem possuir características necessária s para possibilitar uma adequada trabalhabilidade durante o processamento e para a obtenção das propriedades finais requeridas [1]. Atualmente, a formulação de massas cerâmicas está fundamentada no conhecimento de composição, microestrutura e reações dos materiais. As propriedades finais do corpo cerâmico, obtido a partir da massa cerâmica, são afetadas pelas seguintes características como [2-3 - Composição e natureza das matérias-primas; - Estado físico das matérias-primas, particularmente a granulometria das mesmas; - Método de preparação da massa crua;

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- Método de formação de peças; - Queima; - Tratamento da superfície por vidrado, esmerilhamento ou polimento. A Figura 1 apresenta um diagrama triaxial de massas para cerâmica tradicional, de forma que qualquer ponto representa um total de 100% dos três componentes principais: argila, feldspato e quartzo. Como pode ser observado, dependendo do teor de cada matéria-prima, diferentes produtos são alcançados Dependo também do produto final, diferentes tipos de processos de conformação podem ser empregados.

Figura 1. Composição de vários corpos triaxiais de cerâmica tradicional [4].

Em composições cerâmicas para porcelana, por exemplo, a função da argila é de fornecer plasticidade à massa, devido à sua elevada área superficial combinada com a morfologia de suas partículas. O feldspato atua como fundente, viabilizando a sinterização por fase líquida. Finalmente, o quartzo, responsável pelo “esqueleto” da peça de porcelana, participa na formação da microestrutura [5], diminuindo a retração durante a secagem, devido à presença de partículas mais grosseiras e evitando deformações no corpo cerâmico durante a queima. Em temperaturas mais elevadas, o quartzo se dissolve no vidro feldspático aumentando a quantidade de silício no vidro e mantendo a viscosidade elevada, ajudando a evitar a deformação piroplástica. 1.3. Importância do defloculante A escolha crescente, por parte das indústrias cerâmicas mundiais, pelo processamento via úmida faz com que seja cada vez mais necessário o entendimento das propriedades reológicas das suspensões de pós cerâmicos. Este melhor entendimento pode refletir-se em uma maior homogeneização da massa, redução de defeitos no produto acabado, melhor controle microestrutural e das propriedades cerâmicas, assim como redução dos custos envolvidos na produção. Para tanto, as suspensões devem

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apresentar elevada estabilidade à formação de aglomerados, traduzindo-se em baixas viscosidades a elevadas concentrações de sólidos [1]. Em virtude das elevadas energias superficiais que apresentam os pós cerâmicos, quando em meio líquido, as forças de van der Waals atuam no sentido da desestabilização das suspensões, pela formação de aglomerados [2]. Com o objetivo de eliminar esses efeitos, são utilizadas substâncias que buscam neutralizar essa reatividade entre as partículas. Tais substâncias, denominadas defloculantes, podem atuar segundo três mecanismos básicos: estabilização eletrostática, estérica e eletroestérica [3]. Dentre os defloculantes ma is utilizados pela indústria cerâmica, os sais à base de sódio tem importante destaque, por seu baixo custo e considerável efeito defloculante [3]. Defloculantes podem ser definidos como aditivos auxiliares de processamento cuja função principal é diminuir a viscosidade das suspensões, através da individualização das partículas dispersas, evitando também a sedimentação. Podem ser hidróxidos de cátions monovalentes, tais como, Na+, K+, NH4

+, ou sais destes cátions que se hidrolisam numa base (Na2CO3 ou Na2SiO3), ou podem ser colóides orgânicos tais como: ácido tânico, ácido húmico ou sais alcalinos destes materiais [6]. Os defloculantes podem ser orgânicos e inorgânicos. Os defloculantes inorgânicos são compostos basicamente por eletrólitos, tais como bases monovalentes, carbonatos, silicatos e fosfatos de sódio. Nas indústrias cerâmicas é comum o uso de: carbonato de sódio, silicatos de sódio, borato de sódio, pirofosfato de sódio e hexafosfato de sódio. Devido a seu baixo custo e seu razoável poder de defloculação, o silicato de sódio tem sido um dos defloculantes mais utilizados pela indústria cerâmica [7]. Comercialmente, os silicatos de sódio possuem a seguinte fórmula molecular [8]: Na2O.mSiO2.nH2O (1) onde, m e n representam a razão entre o número de moles de SiO 2 e H2O, por mol de Na2O, respectivamente Em laboratório, a eficiência dos defloculantes é, comumente, investigada através das curvas de defloculação, que objetivam determinar a menor quantidade de defloculante necessária para conduzir as suspensões a seus menores valores de viscosidade aparente. Diversas metodologias [9] vêm sendo propostas com intuito de determinar o ponto ideal ou crítico, uma vez que, devido aos diferentes perfis que as curvas podem apresentar, não é tão óbvia a sua determinação, sendo necessária a realização de um número grande de experimentos. 2. Objetivos: • Fabricar corpos cerâmicos triaxiais com diferente quantidade de feldspato mantendo constante a relação quartzo/caulim e estudar a influência do feldspato nas características do corpo triaxial, • Construir as curvas de defloculação e encontrar a qualidade de defloculante ótima para cada composição, • Analisar a importância do defloculante no processamento cerâmico a úmido.

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3. Procedimento experimental • Calcular as quantidades necessárias de pó cerâmico (feldspato, caulim e quartzo), água (preferivelmente deionizada ou destilada), e defloculante (Na2SiO3) para fabricar uma barbotina com reologia adequada (barbotina dispersa). Serão preparadas barbotinas com 60% em massa de sólidos.

Dados: Turmas 1 e 2 trabalhar com: 17% de feldspato, 55% de caulim e 28% de quartzo Turmas 3 e 4 trabalhar com: 32% de feldspato, 45% de caulim e 23% de quartzo

Massa total de barbotina = ρbarbotina. Vtotal (2) Tomar a densidade da barbotina como aproximadamente 2,0 g/cm3 Para cada barbotina se deverá preparar um volume total (Vtotal) de barbotina de 150 ml. Massa do pó cerâmico = 0,60 x massa total de barbotina (3) (feldspato, caulim, quartzo) Volume de água = 0,40 x massa total de barbotina (4) Cada turma trabalhará com porcentagens de defloculante (Na2SiO3) especificadas assim: turma 1 e 3 com 0,1, 0,2, 0,3 e 0,4% em peso e as turmas 2 e 4 com 0,5, 0,6, 0,8 e 1,0% em peso de sólidos. Deverão ser construídas duas curvas de defloculação para as duas barbotinas preparadas,

• Misturar e homogeneizar os materiais em moinho vibratório usando bolas de alumina, durante 30 minutos (Na falta de moinho vibratório, usar moinho de bolas durante 20 horas), • Retirar a barbotina do moinho e medir a viscosidade em um viscosímetro Brookfield, o qual está acoplado a um controlador de temperatura e a um computador que fornece o valor real da viscosidade, assim como o modelo que melhor descreve o comportamento reológico da solução. Certa quantidade de solução (10 ml) é colocada dentro de uma câmera a qual se põe em contato com um spindle (espécie de agitador que movimenta a solução) e realiza a leitura dos dados. Como cada solução apresenta uma viscosidade, utilizam-se diferentes spindles procurando aumentar a confiabilidade do resultado. Após fazer todas estas operações iniciam-se os experimentos. Os gráficos e as tabelas são fornecidos pelo programa, assim como a característica reológica do fluido,

• Despejar as barbotinas em bandeja e colocar na estufa a 110°C para secar. O pó com a porcentagem de defloculante apropriada será usado na próxima prática para preparar corpos de prova retangulares pela técnica de prensagem e novos estudos serão feitos (curvas de Bigot).

4. Análise de resultados e discussão a. Consultar a origem e as características físicas (densidade, tamanho de partícula aproximado,

forma das partículas) dos componentes utilizados na preparação da barbotina. Como estas variáveis podem influenciar o comportamento reológico das barbotinas?

b. Construir as duas curvas de defloculação e encontrar a porcentagem de defloculante ótima para as duas barbotinas preparadas. Discutir os resultados,

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c. Calcular m e n para o defloculante usado e consultar como estes valores podem afetar o comportamento reológico das barbotinas cerâmicas,

d. Relatar o modelo reológico que melhor descreve o comportamento ao fluxo das barbotinas preparadas,

e. Consultar os seis mecanismos que explicam a ação dos defloculantes em uma barbotina cerâmica, f. Consultar com detalhes o diagrama de fases triaxial (feldspato, caulim e quartzo), seu uso e

importância na fabricação de corpos cerâmicos triaxiais e as aplicações tecnológicas dos mesmos. Com base nas duas composições de corpos cerâmicos triaxiais preparados, use o diagrama de fase ternário apropriado e a regra da alavanca para determinar às fases presentes nas seguintes temperaturas: 1000, 1200 e 1400°C.

5. Bibliografia [1] DUAILIBI FILHO, J., MONTEIRO, S. N., VIEIRA, C. M. F., Formulação de massas de revestimento cerâmico com argilas plásticas de Campos dos Goytacazes (RJ) e Taguá (SP), Cerâmica Industrial, v. 6, n. 6, p. 43-49, nov./dez. 2001. [2] KLEIN, C., HURLBUT, C.S., Manual of mineralogy, 21st edition, New York: John Wiley and Sons, 1993. [3] SINGER, F, SINGER, S.S., Industrial Ceramics, London: Chapman and Hall,1963. [4] NORTON, F.H., Introdução à tecnologia cerâmica, São Paulo: Edgar Blücher, 1973. [5] CHINELATTO, A.L., SOUZA, D.P.F., Porcelanas elétricas aluminosas: parte – Revisão da literatura, Cerâmica, v. 50, p. 62-68, 2004. [6] POZZI, P. et al., La reologia dei materiali ceramici tradizionali, Faenza: Gruppo Editoriale Edritice, 1994. [7] CHECCHINATO, F., Influência das características físico-químicas do tripolifosfato de sódio na defloculação de suspensões cerâmcias, Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, 2002. [8] FALCONE Jr., J., Silicon Compounds (Silicates), Encyclopedia of Chemical Technology, 4ª edição, v. 22, New York: John Wiley & Sons, 1997. [9] P. SOUZA SANTOS, Ciência e Tecnologia de Argilas, vol.2, Ed. Edgard Blücher Ltda., S. Paulo, Brasil (1989).