INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE AMIDO SOLÚVEL NO PROCESSAMENTO E PROPRIEDADES DE PLACAS CERÂMICAS LAMINADAS RESUMO

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1 1 INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE AMIDO SOLÚVEL NO PROCESSAMENTO E PROPRIEDADES DE PLACAS CERÂMICAS LAMINADAS V.M, Sudério 1 ; J. Gomes 2, G.A, Neves 3 ; L.N.L,Santana 3 ; H.L, Lira 3 1 Instituto Centro de Ensino Tecnológico-CENTEC/UD.CARIRI-JN/CE 2 Aluno de Mestrado da PGE/UFCG 3 Universidade Federal de Campina Grande - UFCG/DEMa Av. Aprígio Veloso, Bairro: Bodocongó, Campina Grande/PB, CEP vsuderio@uol.com.br RESUMO Na fabricação de produtos cerâmicos em geral os ligantes orgânicos proporcionam uma melhoria nas condições de processamento e na resistência mecânica a verde da peça. Sendo assim, o presente trabalho tem por objetivo estudar a influência da adição de amido solúvel em massa cerâmica utilizada na fabricação de placas cerâmica. Foram preparadas massas com adição de,5%, 1,% e 1,5% de amido solúvel. Em seguida foram conformados através do processo de laminação corpos de prova nas dimensões de aproximadamente (8,5 x 5, x,35)cm 3, os quais foram secos em estufa a 1 o C por 24h e sinterizados nas temperaturas de o C, 5 o C, 1 o C e 115 o C. Por fim foram determinadas as propriedades físicas e mecânicas através dos ensaios de absorção de água, porosidade aparente, retração linear e resistência mecânica. Os resultados obtidos evidenciaram a influência da adição do amido sobre as propriedades finais de placas cerâmicas laminadas. Palavras-chave: aditivo orgânico, placas cerâmicas, propriedades INTRODUÇÃO A combinação de matérias-primas e técnicas de processamento resulta em produtos cerâmicos com propriedades específicas e aplicações distintas que não são conseguidas com uso de materiais metálicos ou poliméricos (1). Na fabricação de

2 2 produtos cerâmicos em geral os ligantes orgânicos são aditivos que proporcionam uma melhoria nas condições de processamento, diminuindo a água de moldagem, visando uma melhoria da plasticidade (trabalhabilidade) e consistência da massa, como também fornecendo ao corpo a verde uma suficiente resistência mecânica para o manuseio da peça. Os processos cerâmicos que utilizam ligantes orgânicos são: prensagem a seco, extrusão, colagem de fitas, conformação por rolos, colagem por barbotina e moldagem por injeção. A função destes aditivos orgânicos em processamento cerâmico é inteiramente temporária, pois estes devem ser removidos completamente antes da queima do corpo a verde (2). Desta forma, os aditivos a serem utilizados, bem como a proporção com que são adicionados devem ser definidos tendo em vista o efeito que possam exercer tanto sobre o comportamento mecânico dos grânulos como da peça conformada (3). Neste trabalho as placas cerâmicas foram obtidas através do processo de compactação por rolos roll pressing. Neste processo, a massa cerâmica é introduzida através de uma abertura de laminação em que é submetida a altas tensões que conduzem à formação do compactado. Para que se tenha um bom controle na qualidade das peças, durante o processamento a taxa de alimentação deve permanecer uniforme e contínua de modo a preencher suficientemente a abertura entre os rolos, para a obtenção de uma compactação homogênea (4). Durante a etapa de conformação o material passa através de três regiões distintas, em que mecanismos diferentes ocorrem (5) : a região de escorregamento ou zona de alimentação onde as tensões são pequenas e a densificação é devido ao rearranjo de partículas; a região de compactação, onde as partículas se deformam plasticamente, e a região de liberação das placas ( release ), muito pequena, começando no ponto de maior pressão aplicada pelos rolos. Uma característica importante deste processo é a possibilidade de selecionar e ajustar alguns parâmetros de processamento como; mistura dos componentes, ajustes no alimentador e escolha dos parâmetros ótimos para os rolos (abertura entre os rolos, diâmetro dos rolos e velocidade de laminação) (6). Portanto, ao se definir as condições de trabalho de um determinado processo é muito importante controlar os parâmetros de processamento nas várias fases do processo (7). Neste contexto, este trabalho tem como objetivo estudar a influência da adição de amido solúvel durante o processamento e sobre as propriedades finais de placas cerâmicas laminadas.

3 3 MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Para o desenvolvimento deste trabalho utilizou-se o amido solúvel como aditivo orgânico e uma massa cerâmica típica para a fabricação de placas cerâmicas para revestimento, fornecida pela Indústria Cerâmica Cordeiro S.A., João Pessoa PB. A massa obtida através do processo via úmida possuía umidade inicial de 7%. Esta umidade foi corrigida com adição de água e aditivo de modo que a massa apresentasse consistência adequada para o processo de laminação. Métodos Caracterização da massa A caracterização mineralógica da massa cerâmica foi determinada através dos seguintes métodos: análise química, análise térmica diferencial (ATD), análise térmogravimétrica (ATG) e difração de raios-x. A caracterização física foi realizada através da determinação da distribuição de tamanho de partículas, massa específica real e dos limites de Atterberg. A composição química foi determinada por fluorescência de raios-x (FRX), a análise térmica foi determinada em equipamento da marca BP Engenharia, modelo RB 3, operando a 12,5 o C/min até o C e a caracterização por difração de raios-x foi realizada em um difratômetro Philips, modelo X Pert Pro com tubo de cobre (λ=1,54 Ǻ), tensão de 4kV e corrente de 4mA. A distribuição de tamanho de partículas foi realizada com granulômetro por difração a laser Cilas 64L. A massa específica real foi determinada segundo método de picnometria. Preparação da massa Inicialmente o amido solúvel foi adicionado à massa cerâmica nas proporções de,5%, 1,% e 1,5% e submetida à etapa de homogeneização. Nesta etapa foi utilizado um misturador do tipo planetário para a realização da mistura a frio com

4 4 velocidade de 12rpm por 6 minutos. As massas aditivadas foram acondicionadas em sacos plásticos por 24 horas para uma melhor distribuição da umidade e plasticidade. Preparação dos corpos-de-prova Após a etapa de mistura, a massa foi conformada em um cilindro laminador. Os compactos laminados com dimensões de aproximadamente (8,5 x 5, x,35)cm 3 foram secos em estufa a 1 o C por 24h. Após secagem os corpos-de-prova foram sinterizadas em quatro temperaturas distintas ( o C, 5 o C, 1 o C e 115 o C) em forno elétrico de laboratório com taxa de aquecimento de 12 o C/min. O resfriamento foi realizado dentro do forno até temperatura ambiente. Após a queima os corpos-de-prova foram submetidos à determinação das seguintes propriedades físico-mecânicas: massa específica aparente, absorção de água, porosidade aparente, retração linear e tensão de ruptura à flexão. As características das placas como absorção de água e densidade aparente foram determinadas através da Norma ISO 545/NBR (9) e pelo método de imersão. A retração linear foi avaliada mediante a variação dimensional com a temperatura. A tensão de ruptura à flexão em três pontos, foi realizada utilizando uma máquina universal de ensaios Testometric Micro 35 modelo Goodbrand. Todos os resultados apresentados são a média de dez corpos-de-prova. RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização da massa Na Tabela I apresenta-se a composição química da massa cerâmica utilizada neste trabalho. Observando os valores da Tabela I, verifica-se que a massa apresenta um elevado teor de SiO 2 (61,41%) proveniente dos minerais argilosos e da sílica livre presentes na massa. O teor de Al 2 O 3 (13,2%) está relacionado com a proporção do mineral argiloso. O óxido de cálcio e óxido de magnésio (CaO e MgO) encontrados na massa agem como fundentes. A percentagem de Fe 2 O 3 (6,28%) atua na coloração dos corpos-de-prova após a queima. O Na 2 O e o K 2 O são fundentes indispensáveis para a queima. A perda ao fogo é proveniente da

5 5 decomposição das minerais argilosos, dos diversos tipos de água presentes nas argilas e da combustão da matéria orgânica e dos carbonatos. Tabela I - Composição química da massa cerâmica Componentes Porcentagem (%) SiO 2 61,41 Fe 2 O 3 6,28 Al 2 O 3 13,2 CaO 2,96 MgO 4,12 Na 2 O 1,98 K 2 O 1,56 P.F 8,67 Total Na Figura 1 são apresentadas às curvas das análises termodiferenciais e termogravimétricas da massa. Analisando a curva de ATD da Figura 1, verifica-se que a massa apresenta: pico endotérmico de média intensidade a 1 o C, o que indica a presença de água livre e água adsorvida; pico endotérmico de pequena intensidade à 573 o C, correspondente a presença de hidroxilas e a transformação da fase do quartzo-α para o quartzo-ß; pico endotérmico de pequena intensidade à 857 o C, correspondente a presença de carbonatos. Entre 89 o C e 95 o C se observa uma pequena banda exotérmica proveniente da nucleação de mulita. Analisando a curva de análise termogravimétrica da Figura 1, verifica-se que a perda total de massa foi de 13,51% durante queima até o C. No intervalo de temperatura entre 25 o C e 2 o C ocorreu uma redução de peso correspondente a 5,8%, proveniente da perda de água livre. No intervalo entre o C observouse uma perda de massa de 3,97% correspondente à perda de hidroxilas. Entre o C a perda de massa foi de 3,43%, correspondente à decomposição dos carbonatos.

6 6 Diferença de Temperatura (%) ATD ATG Temperatura (º C) Perda de Massa (%) Figura 1 Análise térmica diferencial e gravimétrica da massa A Figura 2 apresenta o difratograma de raios-x da massa cerâmica seca a 1 o C utilizada neste trabalho. Pode-se observar picos característicos da presença de caulinita, quartzo, ilita, calcita e dolomita. Esses argilominerais são de fundamental importância na composição da massa cerâmica empregada na fabricação de revestimentos cerâmicos. C - Caulinita - uartzo D - Dolomita Ca- Calcita I - Ilita I I C C C C Ca D Ca C θ T=1ºC Figura 2 Difração de raios-x da massa cerâmica seca a 1 o C Na Tabela II são apresentados os valores referentes ao tamanho de partícula da massa cerâmica utilizada neste trabalho. Observa-se que os valores estão dentro

7 7 da faixa adequada para a fabricação de revestimentos, com 9% das partículas apresentando tamanho médio abaixo de 62,73 µm. Tabela II Distribuição do tamanho de partícula (% em peso) % das partículas abaixo de 3,61 µm 5% das partículas abaixo de 2,88 µm 9% das partículas abaixo de 62,73 µm % das partículas abaixo de 14, µm A massa cerâmica estudada apresentou valor de massa específica real de 2,43 g/cm 3. Este resultado mostra que a massa apresenta valor típico para composições empregadas na fabricação de placas cerâmicas para revestimentos. INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE ADITIVO SOBRE AS PROPRIEDADES DAS PLACAS CERÂMICAS LAMINADAS A Figura 3 apresenta os resultados da retração linear em função da temperatura para as formulações estudadas. Observa-se uma diminuição da retração linear em toda a faixa de temperatura na presença de aditivos, para todas as formulações estudadas. Esta redução pode ser atribuída à diminuição da água utilizada para conformação e ao melhor empacotamento das partículas, favorecendo uma melhor estabilidade dimensional as placas. Retração Linear (%) Temperatura ( o C ) %.5% 1.% 1.5% Figura 3 - Retração linear em função da temperatura para as formulações estudadas

8 8 Os resultados da absorção de água e da porosidade aparente em função da temperatura para as formulações estudadas estão apresentados nas Figuras 4 e 5. Observa-se que ocorreu um aumento dos valores da absorção de água e da porosidade aparente com o aumento do teor de aditivo adicionado a massa cerâmica. Isso pode ser atribuído à distribuição não homogênea do aditivo através da massa, gerando após queima o aumento na quantidade de poros favorecendo o aumento da porosidade aparente e da absorção de água. Absorção de Água (%) Temperatura ( o C) %.5% 1.% 1.5% Figura 4 Absorção de água em função da temperatura para as formulações estudadas Porosidade Aparente (%) Temperatura ( o C) %.5% 1.% 1.5% Figura 5 Porosidade aparente em função da temperatura para as formulações estudadas A Figura 6 apresenta os resultados do módulo de resistência à flexão em função da temperatura para as formulações estudadas. Analisando os resultados observa-se que a presença do aditivo contribuiu para um aumento na resistência mecânica a seco das placas cerâmicas em até 6% em comparação com a

9 9 resistência a seco na ausência de aditivo. Porém, após queima observa-se uma diminuição da resistência mecânica. Este fato pode estar relacionado com a porosidade gerada pelo tamanho, forma e quantidade das partículas de amido que provavelmente não foram distribuídos uniformemente através da massa, favorecendo desta forma uma maior concentração de poros que atuam como concentradores de tensão diminuindo a resistência mecânica. Segundo Dutra et al., (23), com o aumento da quantidade do aditivo orgânico a massa, aumenta a quantidade de poros no material diminuindo a densidade aparente e consequentemente a resistência do material. Comparando esses resultados com as especificações da ABNT NBR 13818, observa-se que as placas laminadas podem ser classificadas para a temperatura de 115 o C como material semi-poroso (Grupo CII), por apresentarem comportamento mecânico entre 18MPa e 3MPa. Com relação à absorção de água as placas cerâmicas podem ser classificadas para a temperatura de 115 o C como material poroso (Grupo CIII), por apresentarem valores maiores do que %. Tensão de Ruptura à Flexão (MPa) Temperatura ( o C) %.5% 1.% 1.5% Figura 6 Tensão de ruptura à flexão em função da temperatura para as formulações estudadas CONCLUSÕES Este trabalho teve por objetivo estudar a influência da adição de amido solúvel em massa cerâmica utilizada na fabricação de placas cerâmicas. De acordo com os resultados obtidos pode-se concluir que: A composição química da massa cerâmica apresentou um teor de ferro acima de 5%, sendo indicativo de cores avermelhadas após queima;

10 A distribuição do tamanho de partícula é adequada para uso na fabricação de placas cerâmicas para revestimento; A massa cerâmica apresentou após secagem picos característicos da presença de caulinita, quartzo, ilita, dolomita e calcita; as placas conformadas com as massas aditivadas apresentaram melhores resultados para a retração linear e para o comportamento mecânico a 1 o C, quando comparadas com as placas obtidas na ausência do aditivo; os resultados indicam um aumento da porosidade com a adição do material orgânico e diminuição da resistência mecânica após queima; segundo as especificações da ABNT NBR 13818, as placas laminadas podem ser classificadas para a temperatura de 115 o C como material semi-poroso (Grupo CII), por apresentarem comportamento mecânico entre 18MPa e 3MPa. Com relação à absorção de água as placas cerâmicas podem ser classificadas como material poroso (Grupo CIII), por apresentarem valores maiores do que %. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq processo: /3-, pelo auxilio financeiro para o desenvolvimento deste trabalho e a Cerâmica Cordeiro do Nordeste S/A-PB pelo fornecimento da matéria-prima. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. M. Takahashi and M. Fuji, Synthesis and fabrication of inorganic porous materials from nanometer to millimeter sizes Kona, 2, L.N.L. Santana. Aplicação do Processamento Visco plástico para a Obtenção de Placas Cerâmicas Laminadas, Florianópolis, Santa Catarina, 22. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica). Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UFSC. 3. J.L.A. Albaro, A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação industrial. Parte IV: extração da peça e resistência mecânica a verde. Revista Cerâmica Industrial, vol. 6, p. 46-5, novembro/dezembro, 21.

11 11 4. O.Simon, P.Guigon, Roll Press Design Influence of Force Feed Systems on Compaction. Powder Technology 13, 41-48, J.Balzereit, T.Rymon-Lipinski, I.Rass, Roll-Pressing: A New Variation for Shaping Tiles. Ceramic Forum International, 75 (3), , J.R. Johanson, Feeding Roll Presses. For Stable roll Operation. Procedings of the Biennial Conference, T.P.Hyatt, Eletronics: Tape- Casting, Roll Compaction. The American Ceramic Society Bulletin, Johanson, J.R. Feeding Roll Presses. For Stable roll Operation. Procedings of the Biennial Conference, 1984.Hyatt, T.P., Eletronics: Tape- Casting, Roll Compaction. The American Ceramic Society Bulletin, ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 13818, EFFECT OF SOLUBLE STARCH ADDITION IN THE PROCESSING AND PROPERTIES OF LAMINATING CERAMIC PLATES ABSTRACT In manufacturing of ceramic products the organic ligants can contribute to improve the processing conditions and mechanical resistance of the green body. So, the aim of this work is to study the effect of the soluble starch addition to ceramic paste to be used in the manufacturing of ceramic plates. It was prepared pastes with different concentration of solube starch (.5, 1. and 1.5%). The samples were forming by laminating process with approximating dimensions of 8.x5.x3.5 mm 3. The samples were dry on oven at 1 o C for a period of 24 hours and submitted to a firing at temperature of, 5, 1 and 115 o C. It was measured the following properties: water absorption, apparent porosity, linear shrinkage and mechanical resistance. The results showed the effect of the starch of the final properties of laminating ceramic plates. Key-words: Laminating process, ceramic plates, organic additives