USO DE PÓ DE VIDRO COMO FUNDENTE NA PRODUÇÃO DE GRÊS

PORCELANATO

A. P. Luz; S. Ribeiro

Polo Urbo Industrial Gleba AI-6, s/n, Bairro Mondesir, Lorena- SP, CP 116,

CEP: 12600-000, E-mail: ana@ppgem.faenquil.br

Faculdade de Engenharia Química de Lorena (FAENQUIL) - Departamento de

Engenharia de Materiais (DEMAR)

RESUMO

O grês porcelanato apresenta elevadas propriedades técnicas como:

resistência mecânica, química, elevada dureza, etc. Atualmente são realizados

estudos de novos materiais, como resíduos, capazes de substituir os tradicionais

fundentes sem alterar o processo e a qualidade do produto final. O objetivo deste

trabalho é estudar o uso de resíduo de vidro, em massas cerâmicas, para a

produção de grês porcelanato. Para isso preparou-se duas misturas contendo: argila

e vidro e argila, vidro e feldspato; compactou-se os pós sob a forma de barras a 50

MPa. Sinterizou-se ao ar, por 30 minutos em temperaturas de 1000 a 1250°C, com

intervalos de 50°C. As amostras sinterizadas apresentaram melhores resultados

para a mistura com feldspato e vidro: massa específica de 2,29 g/cm3, retração

linear de 9,5% e absorção de água de 0%. Conclui-se que a utilização do vidro e

feldspato proporciona a obtenção de peças com maior estabilidade dimensional e

melhores propriedades.

Palavras-chave: grês porcelanato; resíduos de vidro; sinterização por fase

líquida; preservação do meio ambiente.

1

INTRODUÇÃO

Grês porcelanato é um revestimento cerâmico que possui características

técnicas elevadas, o que garante a possibilidade de aplicação nos mais variados

ambientes, desde alto tráfego, onde demandam altíssimas resistências mecânicas e

a abrasão, como nas fachadas onde o quesito impermeabilidade é fundamental (1, 2).

Estes produtos são produzidos usando grandes quantidades de fundentes, tais

como feldspatos sódicos e potássicos, nefelina, talco, boratos e recentemente até

mesmo fritas cerâmicas (3).

Pode-se definir revestimento porcelânico como sendo um revestimento

cerâmico impermeável, totalmente vitrificado, esmaltado ou não, cuja peça

queimada é branca ou colorida por meio de adição de pigmentos na composição

inicial, e feita a partir de uma mistura de caulim (ou argilas cauliníticas), quartzo e

feldspato (1, 4).

A diminuição das reservas destas matérias-primas, associadas também à

distância destas do local de utilização, vêm exercendo uma forte influência sobre os

custos dos produtos finais (1, 2). Por esta razão, vários países têm interesse em

reformular a composição de massas cerâmicas, pela substituição total ou parcial de

uma das matérias-primas naturais por um resíduo industrial que seja barato,

disponível em quantidades consideráveis e não perigoso. O uso do resíduo somente

é viável se o processo industrial essencialmente não seja alterado e a qualidade e

características do produto não sejam prejudicadas (3-6).

O presente trabalho tem o objetivo de viabilizar o uso de um resíduo de vidro

em massas cerâmicas de revestimentos do tipo grês porcelanato. O pó de vidro é

um rejeito industrial que não pode ser reaproveitado no próprio processo e se

misturado as matérias-primas para a produção do vidro, este é suspenso ao ar

devido à ação dos queimadores, que sopram sobre os constituintes da mistura para

que ocorra a fusão dos mesmos. Além disso, pó de vidro adicionado as matérias-

primas gera bolhas no material devido ao ar adsorvido nas suas partículas. Ele é

inerte, mas se levado aos rios pode aumentar o pH e a turbidez das águas.

Este material quando adicionado à composição de uma massa cerâmica tem

um bom potencial para atuar como um novo fundente em substituição ao tradicional

feldspato e proporcionar uma boa vitrificação durante a queima do grês porcelanato.

2

Considerando as semelhanças entre pó de vidro e feldspato sódico, a composição

de duas massas cerâmicas foram reformuladas, substituindo todo e parcialmente o

feldspato sódico por pó de vidro. Os efeitos do uso do pó de vidro foram

investigados em experimentos de laboratório e os resultados foram discutidos em

termos de tempo de sinterização, propriedades físicas-mecânicas e microestruturais.

MATERIAIS E MÉTODOS DE ANÁLISE

Materiais

As matérias-primas utilizadas foram:

1 - argila caulinítica da região do Vale do Paraíba, fornecida pela cerâmica

Nova Canas Sociedade Agro-industrial Ltda;

2 - feldspato sódico, fornecido pela Prominex Mineração Ltda;

3 - pó de vidro – que é um resíduo gerado devido à lapidação de peças de

vidro e respectiva lavagem, doado pela empresa Pilkington Brasil Ltda.

A composição química destes materiais encontra-se na Tabela I.

Tabela I– Composição química dos materiais (% em massa).

Composição Argila Feldspato Pó de vidro SiO2 50,94 69,0-72,0 72,4 Al2O3 28,2 16,5-19,5 0,7 Fe2O3 3,41 0,05-0,25 0,11 CaO 0,17 <0,42 8,6 MgO 0,84 <0,01 4,0 Na2O 0,19 7,6-8,5 13,6 K2O 2,02 1,0-2,0 0,3 TiO2 0,93 - 0,02

Perda ao fogo 12,8 0,40-0,55 - SO2 - - 0,2

Métodos

Foram preparadas duas misturas: AV20V e AV15FV cuja composição

encontra-se na Tabela II. A quantidade de pó de vidro adicionado teve como base de

cálculo os teores de Na2O e K2O contidos neste e correlacionados com as

quantidades de K2O e Na2O contidos no trabalho apresentado por Mateucci et al(4).

3

Foi escolhido este artigo dentre outros, devido à semelhança entre as composições

das matérias-primas deste com as que serão utilizadas neste trabalho.

Tabela II – Composição das misturas usadas (% em massa seca).

Matérias-primas Mistura

Argila Feldspato Pó de Vidro

AV20V 80 - 20

AV15FV 75 15 10

As matérias-primas foram pesadas em balanças com capacidade de 2,5 kg,

com precisão de 0,01. Após pesagem nas quantidades pré-estabelecidas (Tabela II),

os materiais foram colocados em um moinho de aço revestido internamente com

alumina, contendo bolas de alumina, em meio aquoso durante 60 minutos. A

suspensão foi separada das bolas de alumina por meio de uma peneira 40 “mesh”

(0,425 mm) e posteriormente seca a 100°C, em evaporador rotativo.

O material obtido apresentou-se sob a forma de grandes aglomerados que

foram quebrados em um pilão, e passados em peneira de 40 “mesh” (0,425 mm). Foi

determinada a umidade dos pós das misturas, e corrigida para teores que variaram

entre 8 a 10%.

Amostras foram prensadas uniaxialmente a 50 MPa, na forma de barras de

massa em torno de aproximadamente 40 g, medindo 114x25x7 mm3. As amostras

foram queimadas em um forno elétrico de laboratório, nas temperaturas de 1000 a

1250ºC, com intervalos de 50ºC. As taxas de aquecimento usadas foram 5, 7 e

10ºC/min e o tempo de permanência na temperatura máxima foi de 30 minutos.

A massa específica das amostras queimadas foi determinada pelo método

geométrico, usando um paquímetro com precisão de 0,01mm e balança analítica

com precisão de 10-5 g.

A retração linear das amostras foi calculada a partir da Equação (A) (8):

100% ⋅−

=v

sv

LLLRL (A)

onde:

Lv = comprimento da amostra a verde (mm);

4

Ls = comprimento da amostra sinterizada (mm);

%RL = percentagem de retração linear.

O ensaio de absorção de água foi realizado com as amostras secas em estufas

até massa constante, mergulhadas em água a 100 °C por 2 horas. Determinou-se a

massa úmida, e então a absorção de água, segundo a Equação (B) (8).

100% ⋅−

=s

su

mmm

AA (B)

onde :

mu = massa úmida (g);

ms = massa seca (g);

%AA = percentagem de absorção de água.

A partir dos valores de retração linear e absorção de água foram construídos

os diagramas de gresificação para as amostras nas várias condições de queima.

Foram realizadas análises de difração de raios X para a identificação das

fases formadas após a queima das amostras nas temperaturas em que se obteve os

melhores resultados de absorção de água e retração linear. As análises foram

realizadas num difratômetro de raios X da Rich Seiferst & Co, modelo Iso-

DEBYEFLEX 1001 Co, com ânodo de Cu emitindo radiação Cu kα, utilizando

energia de 25 mA, 30 kV, num intervalo de 10 a 80o, com tempo de interação igual a

3 segundos e passo de 0,05o.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 1 traz os resultados de massa específica das amostras variando a

temperatura de queima e o tempo de isoterma.

5

1000 1050 1100 1150 1200 1250

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

Misturas AV20V AV15FV

Mas

sa e

spec

ífica

apa

rent

e (g

/cm

3 )

Temperatura (°C)

Figura 1: Massa específica aparente das amostras após a queima.

Analisando a Figura 1 observa-se que as amostras que possuem feldspato em

sua composição atingem os maiores valores de massa específica aparente na

temperatura de 1200ºC, o mesmo não acontece para as amostras que contém

somente vidro como aditivo. As amostras da mistura AV20V atingem os melhores

resultados na temperatura de 1150ºC, atingindo o valor de 2,21 g/cm3. Isto ocorre,

pois o pó de vidro basicamente acelera o processo de densificação, aumentando a

retração linear e diminuindo a porosidade aberta, consequentemente gerando baixos

valores de absorção de água (1, 2), conforme é observado na Figura 2. O pó de vidro

proporciona a formação de uma fase líquida pouco viscosa, que aumenta o

molhamento das partículas sólidas durante a queima proporcionando baixos valores

de porosidade aberta (absorção de água) e a formação de porosidade fechada que

como consequência ocasiona menores valores de massa específica aparente

quando comparadas as amostras que contém feldspato.

A presença de feldspato ocasiona a formação de uma fase líquida mais viscosa

e consequentemente o preenchimento inter-partícula é mais difícil. Os gases

formados durante a queima podem ser eliminados com dificuldade devido a alta

viscosidade do líquido (1, 2). Estes fatores contribuem para reduzir a retração linear e

proporcionar uma densificação mais lenta (Figura 3(a)).

As Figuras 2 e 3 apresentam os diagramas de gresificação e as fotografias das

amostras queimadas nas várias temperaturas em estudo.

6

1000 1050 1100 1150 1200-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

11

12

13

Tempo de isoterma = 30 minutosR

etra

ção

Line

ar (%

Temperatura (ºC)

Retr.Linear Abs.Água

) )

)

Figura 2: (a) Diagrama de gr

AV20V queimadas com tempo de is

1000 1050 1100 1150 1200

-10123456789

1011121314

Tempo de isoterma = 30 minutos

Retra

ção

Line

ar (%

)

Temperatura (ºC)

Retr.Linear Abs.Água

Figura 3: (a) Diagrama de gr

AV15FV queimadas com tempo de

Ao se atingir a densificação m

fenômeno conhecido como incha

aumento do número de poros e

produto.

O inchamento ocorre a elevad

reduzido com a produção de ga

queimado e determinando a d

temperatura ocasiona uma dimin

tornando as peças mais deformáv

excede a pressão capilar, causand

7

(a

1250-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Abso

rção

de

Águ

a (%

)

Temp. 1000ºC 1050ºC 1100ºC 1150ºC 1200ºC

10,4

5 cm

esificação e (b) fotografia das barras da m

oterma de 30 minutos.

10,9

4 cm

1250-101234567891011121314

Abso

rção

de

Água

(%)

)

Temp. 1000ºC 1050ºC 1100ºC 1150ºC 1200ºC

esificação e (b) fotografia das barras da m

isoterma de 30 minutos.

áxima, com o aumento da temperatura oc

mento “bloating” das amostras, ocasiona

diminuição dos valores de densidade fin

as temperaturas, quando o Fe2O3 é parcial

ses, gerando grandes poros dentro do

iminuição da densidade (7-9). O aumen

uição da viscosidade da fase líquida for

eis, enquanto que a pressão do gás nos

o a expansão das peças. Este efeito é obse

(b

1250ºC

istura

)

(a (b

1250ºC

istura

orre o

ndo o

al do

mente

corpo

to da

mada,

poros

rvado

principalmente nas peças da mistura AV20V a partir da temperatura de 1200 e

1250ºC. A mistura AV15FV, que apresenta a formação de uma fase líquida mais

viscosa, apresenta uma diminuição no valor da massa específica aparente na

temperatura de 1250ºC, porém, esta é menos acentuada em comparação com a

outra mistura. É possível observar o inchamento das amostras na temperatura de

1250ºC nas Figuras 2(b) e 3(b).

Os valores de retração linear encontrados foram altos para a mistura com vidro.

Para corrigir este problema, deve ser adicionado as misturas um material não

plástico, como por exemplo quartzo, que irá causar a diminuição dos valores de

retração linear. Outra solução é não usar somente o pó de vidro, mas usá-lo em

adição com feldspato como fundentes, o que irá proporcionar um aumento na

viscosidade da fase líquida formada ocasionando maior estabilidade dimensional as

peças. Nas temperaturas de 1150ºC e 1200ºC para as misturas AV20V e AV15FV

respectivamente, foi possível atingir a absorção de água próximo de zero, o que

caracteriza o material grês porcelanato. Desta forma, o pó de vidro proporcionou a

obtenção de um material vitrificado em temperaturas menores quando comparado

com a mistura que utiliza feldspato como fundente.

Anortita Quartzo Mulita

(b)

(a)

10 20 30 40 50 60 70 80

Inte

nsid

ade

(%)

2θ Figura 4 – Difratogramas das amostras: (a) AV20V queimada a 1150ºC e (b)

AV15FV queimada a 1200ºC.

De acordo com os difratogramas de raios X apresentados (Figura 4), verifica-se

principalmente a presença de quartzo, mulita e anortita. A anortita e mulita são

alumino-silicatos e apresentam-se na forma de CaO.Al2O3.4SiO2 e Al6Si2O13

respectivamente. Ambos resultados da análise de raios X estão de acordo com os

dados apresentados por Santos (10), onde a fase alumina-silício transforma-se em

8

mulita a partir de 1100°C. A presença de mulita nas peças é de fundamental

importância uma vez que as propriedades físico mecânicas dos materiais cerâmicos

dependem grandemente da presença desta fase.

A amostra AV20V, Figura 4(a), apresenta picos de mulita menos intensos e

definidos do que os da amostra AV15FV (Figura 4(b)). Este resultado pode ser

explicado devido a menor quantidade de alumina contida na fase líquida e a

presença da fase anortita também contribuiu para a diminuição da formação da

mulita (1).

Na mistura AV20V a formação de uma fase líquida com uma viscosidade tal

que permitiu a vitrificação da peça em uma temperatura menor quando comparada

com a outra mistura em estudo. A 1150ºC, o valor de absorção de água encontrado

foi de 0,2% e a amostra apresentou pequenos poros como é mostrado na Figura 6 e

7(a).

Figura 6 – Micrografia da superfície de fratura das amostras: (a) AV20V queimada a

1150ºC e (b) AV15FV queimada a 1200ºC.

A amostra AV15FV apresenta uma fase líquida com maior viscosidade e a

capacidade do líquido molhar e reagir com as partículas sólidas é menor do que a da

mistura AV20V, isto explica a presença de áreas com porosidade interconectada

(Figura 6 e 7(b)).

9

Figura 7 – Micrografia da superfície polida e atacada com solução de HF 4% por 30

segundos, das amostras: (a) AV20V queimada a 1150ºC e (b) AV15FV queimada a

1200ºC.

Com uma maior viscosidade da fase líquida as bolhas de gases formados

durante a sinterização serão eliminados com uma maior dificuldade, contribuindo

para reduzir a retração linear, tornar o processo de densificação mais lento.

CONCLUSÕES

O vidro demonstrou ser um bom fundente para aditivar massas cerâmicas,

podendo ser usado em menor quantidade e proporcionando a sinterização à

temperaturas mais baixas. A utilização de pó de vidro em adição com feldspato

parece ser a alternativa mais viável, pois proporciona a obtenção de peças com uma

maior estabilidade dimensional e melhores propriedades técnicas.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos à FAPESP (Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São

Paulo), projeto nº 02/13491-8 e à empresa Pilkington Brasil Ltda, pelo apoio e

incentivo ao desenvolvimento desse trabalho.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Paulo, Brasil (1989), v. 1, p. 408.

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Interceram, 28, n. 2 (1999), 75-82.

USE OF GLASS POWDER AS A FLUXING AGENT IN MANUFACTURING OF

PORCELAIN STONEWARE

ABSTRACT

Porcelain stoneware has excellent technical characteristics such as: good

flexural strength, chemical resistance, surface hardness, etc. Nowadays, it has been

realized research of new materials, as non-hazardous wastes, that are able to

replace the traditional fluxing agents without change the process or quality of the final

products. The aim of this work is to study the use of scrap glass, in ceramic masses,

for manufacturing of porcelain stoneware tiles. It was prepared two mixtures

containing: clay and glass and clay, glass and feldspar. The samples were fired

reaching different maximum temperatures in the range 1000-1250°C, at regular

11

temperature intervals of 50°C, with a soaking time of 30 minutes. The fired samples

were characterized and showed better results for the mixture containing feldspar in

addition with glass powder waste: specific mass 2,29 g/cm3, linear shrinkage 9,5%

and water absorption 0%. It was concluded that the samples containing feldspar and

glass presented larger dimensional stability and better technical properties.

Key-words: porcelain stoneware; glass residues; sintering for liquid phase;

physics properties; environments.

12