SINTERIZAÇÃO DE CERÂMICA VERMELHA EM FORNO DE MICRO-ONDAS. Duque de Caxias Norte, 225, Pirassununga-SP, CEP

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1 SINTERIZAÇÃO DE CERÂMICA VERMELHA EM FORNO DE MICRO-ONDAS G. P. Lyra a, V. Santos a, B. C. de Santis a, R. R. Rivaben a, C. Fischer a, E. M. J. A. Pallone a, J. A. Rossignolo a. a Universidade de São Paulo/Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos; Av. Duque de Caxias Norte, 225, Pirassununga-SP, CEP gabriela.lyra@usp.br RESUMO O presente trabalho tem como objetivo avaliar a influência da sinterização em forno de micro-ondas nas propriedades da cerâmica vermelha. A matéria-prima foi submetida as análises granulométrica, fluorescência de raio X e difração de raio X. Os corpos de prova foram conformados por extrusão e sinterizados nas temperaturas de 700ºC á 1000ºC. A sinterização convencional utilizou taxa de aquecimento de 5ºC/minuto e tempo de exposição máximo de 60 minutos. No forno de micro-ondas a sinterização ocorreu de maneira híbrida, com taxa de aquecimento de 50ºC/minuto e os tempos de exposição foram de 10 e 20 minutos. Após a sinterização, foram realizados os ensaios de absorção de água, massa específica aparente, resistência à compressão e microscopia eletrônica de varredura. Os resultados indicam que a sinterização por micro-ondas pode promover a melhoria de desempenho das propriedades físicas e mecânicas da cerâmica vermelha, em função da densificação e refinamento da microestrutura, aliada a redução do consumo de energia. Palavras-chave: Sinterização não convencional, argila vermelha, eficiência energética. INTRODUÇÃO A cerâmica vermelha é um material normalmente empregado na construção civil, como argila expandida, tijolos maciços, blocos, elementos vazados, lajes, greenwall, revestimentos, telhas e tubos para saneamento, além de utensílios domésticos 4). (1, 2, 3, O País possui importantes jazidas minerais de uso cerâmico, a maior parte se encontra nas regiões sudeste e sul, aonde consequentemente se localizam os maiores pólos cerâmicos nacionais. Os estados que se destacam na produção de argila vermelha são: São Paulo, Minas Gerais e Rio Grande do Sul, juntos eles correspondem a 44% da produção total do país (5). São Paulo contribui com 21% da produção total, sendo então o maior produtor. Porém o Nordeste vem apresentando 1256

2 um desenvolvimento, devido a existência de matéria-prima, energia e o mercado consumidor em crescimento (6, 7). O setor cerâmico consome grande quantidade de energia, parte dessa energia é gerada pela queima de lenhas que alimentam os fornos desta indústria, o que ocasiona um forte impacto ao meio ambiente devido a geração de cinzas e CO2 que causam poluição ambiental (7, 8). Alternativas sustentáveis são necessárias, para que esses impactos sejam minimizados. Uma forma de otimizar as propriedades mecânicas da cerâmica e de reduzir o consumo energético é a utilização de diferentes tipos de sinterização. Com isso, a sinterização em forno de micro-ondas é uma alternativa para reduzir o tempo de queima e o consumo de energia na sinterização da cerâmica. Quando comparada a sinterização convencional a sinterização em micro-ondas apresenta diversas vantagens, como aquecimento rápido, seletivo e homogêneo, melhor densificação e maior eficiência energética (resultante de queimas mais curtas e temperaturas mais baixas) (9, 10, 11, 12, 13, 14). Assim, na busca de uma alternativa energeticamente mais eficiente de sinterização, o presente trabalho tem como objetivo avaliar a influência da sinterização em forno de micro-ondas nas propriedades da cerâmica vermelha. MATERIAIS E MÉTODOS A matéria-prima utilizada no desenvolvimento deste trabalho é a argila vermelha utilizada na produção de telhas cerâmicas, a mesma foi cedida pela empresa Top Telha, localizada na cidade de Leme no interior do estado de São Paulo. As caracterizações da argila foram realizadas após secagem em estufa a 100ºC por 48 horas. A análise de tamanho de partículas foi realizada, no equipamento Laser ParticleSizeAnalyzer (Horiba). O meio de dispersão utilizado foi o álcool isopropílico. As caracterizações das fases presentes e análises químicas na argila foram realizadas em um difratômetro de raios X (DRX) (Rigaku Rotaflex model Ru200B), com monocromador de grafite no feixe secundário, operando a 50kV/50mA, usando ângulo de varredura de 5 2θ 100 e passo 0,01º/s e em um espectrômetro de fluorescência de raios X (FRX) (Philips, modelo PW 2400). A perda ao fogo foi determinada a 1000 C por 1 h. A massa cerâmica foi preparada com argila e adição de 33% de água em relação a massa de argila. Essa massa foi misturada e homogeneizada em um misturador 1257

3 planetário, durante 5 minutos (min). Em seguida os corpos de prova foram extrudados em uma extrusora laboratorial, no formato de barras cilíndricas com 15 mm de diâmetro e 30 mm de comprimento, secos em estufa a 60ºC por 72 h e pré-sinterizados em forno elétrico da marca Fornos Jung, modelo 10010, número 4718, do ano de 2005 a 600ºC por 60 min utilizando taxa de aquecimento de 5 ºC/min. A sinterização convencional ocorreu em forno elétrico da marca Fornos Jung, modelo 10010, número 4718, do ano de 2005, com temperaturas máximas de 700 ºC, 800 ºC, 900 ºC e 1000 ºC, com taxa de aquecimento de 5ºC/min. A sinterização por micro-ondas ocorreu em um forno de micro-ondas da marca Philco, modelo PME25, de frequência 2450 MHz e potência de saída de 900W, nas mesmas temperaturas da sinterização convencional, com taxa de aquecimento de 50ºC/min. Após a sinterização, os corpos de prova foram submetidos a ensaios de absorção de água e massa específica aparente, baseados na norma BS EN 623-2:1993 (15), o ensaio de resistência à compressão foi realizado baseado em uma adaptação do ensaio de resistência à compressão em corpos de prova cilíndricos de concreto (ABNT NBR 5739:2007) (16). Os resultados do ensaio de resistência à compressão foram analisados pelo teste de Tukey. A caracterização microestrutural foi realizada na superfície polida, usando microscópio eletrônico de varredura (HITACHI, modelo TM 3000) no modo elétrons retroespalhados. RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização da matéria-prima Foi realizada a análise do tamanho de partículas da argila, após ser seca em estufa por 48 horas a 100ºC. A tabela 1, apresenta os valores de diâmetros equivalentes das partículas de argila. Tabela 1 - Diâmetro equivalente das partículas. Matéria-prima D10(μm) D50(μm) D90(μm) Diâmetro médio (μm) Argila 6,62 47,17 754,05 223,81 Nota: D10: tamanho de partícula abaixo do qual se situa 10% do material; D50: tamanho de partícula abaixo do qual se situa 50% do material; D90: tamanho de partícula abaixo do qual se situa 90% do material. Fonte: Própria autoria. 1258

4 A figura 1 apresenta as curvas de distribuições discreta e acumulada de tamanho de partículas da argila. Figura 1 - Distribuições discretas e acumuladas de tamanho de partículas da argila. Com base nos valores dos diâmetros, podemos observar que a argila possui 90% de suas partículas inferiores a 754 μm. De acordo com a classe de tamanho de partículas do solo a argila utilizada possui, 0,16% de argila (diâmetros menor que 2 µm), 49,11% de silte (diâmetros entre 2 e 50 µm), 19,79% de areia fina (diâmetros entre 50 e 200 µm) e 30,94% de areia grossa (diâmetros entre 200 e 2000 µm). A Figura 2 apresenta o DRX da argila, é possível observar um pico acentuado na faixa de 2θ = 27 o, o que pode ser um indício da presença de SiO2 livre em sua composição, sendo o SiO2 livre um dos principais formadores da fase vítrea dos produtos cerâmicos. Percebe-se a presença de picos de magnetita, o que está ligado à presença de ferro na matéria-prima, responsável pela coloração avermelhada da cerâmica vermelha após a sinterização. 1259

5 Figura 2 - Difratograma de raio-x da argila. A tabela 2 apresenta, a composição química obtida por FRX da argila. Tabela 2 - Composição química da argila e da SCBA obtida através do ensaio de FRX (% de massa). Material SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O P2O5 Outros P.F. (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Argila 68,18 0,614 14,42 4,88 1,81 0,32 0,31 4,2 0,11 0,52 4,64 A argila apresenta altos teores de SiO2 em sua composição (68,18%), que é responsável pela formação de fase vítrea do material cerâmico e que influencia diretamente a resistência à compressão (17). E a presença de ferro, justifica sua coloração avermelha após a sinterização, como apresentado no difratograma. Caracterização dos corpos de prova A Figura 3 apresenta os resultados obtidos de absorção de água das cerâmicas vermelhas sinterizadas em forno convencional e micro-ondas. Analisando-se os resultados, percebe-se que a absorção de água diminui consideravelmente usando o micro-ondas para as temperaturas de 900 e 1000ºC, quando comparados com os valores usando forno convencional, não havendo diferenças significativas entre os patamares de sinterização de 10 e 20 min. Pode-se atribuir esse efeito à maior densificação da cerâmica sinterizada em micro-ondas 11, 12). Os resultados observados se dão devido as transformações de fase que ocorrem pelo aumento da energia superficial e alteração nos arranjos estruturais do tetraedro (9, 10, 1260

6 SiO2 (18). Durante a transformação de fase, os arranjos de Si-O mudam de tridimensional para misturar a configuração, prevalecendo o rearranjo estrutural do tipo torção (19), quando a estrutura cristalográfica é formada pela quebra do tetrâmero de borda e compartilhando dos tetraedros SiO4 (20). Esta transição de fase tem sua temperatura reduzida com auxílio das micro-ondas sobre os clusters de SiO2 para valores próximos a 800 C, como pode ser observado nos gráficos de absorção de água e massa especifica, além de que há uma alteração de volume que pode ser observada nesses gráficos. Figura 3 - Curvas de absorção de água (%) da cerâmica vermelha. A Figura 4 apresenta os resultados obtidos de massa específica aparente das cerâmicas vermelhas sinterizadas em forno convencional e micro-ondas. Observa-se que os valores obtidos refletem a antecipação do processo de mudança de fase pelo efeito das micro-ondas, indicando uma elevação dos valores da massa específica quando sinterizadas em micro-ondas, com suave incremento para a isoterma de 10 min. 1261

7 Figura 4 - Curvas de massa específica aparente (g/cm³) da cerâmica vermelha. A Tabela 3 e a Figura 5 apresentam os valores de resistência à compressão das cerâmicas vermelhas sinterizadas em micro-ondas e forno convencional. Tabela 3 - Resistência à compressão (MPa) da cerâmica vermelha. Temperatura (ºC) Micro-ondas 10 min Micro-ondas 20 min Convencional 60min ,29 ab 15,85 ab 10,8 aa ,63 aab 26,14 abb 11,47 aa ,05 ab 42,38 bcb 21,75 ba ,00 bc 57,35 cb 36,97 ca Médias seguidas de letras diferentes, maiúsculas nas linhas, e minúsculas nas colunas, diferem entre si pelo Teste de Tukey a 5% de probabilidade. Figura 5 - Curvas de resistência a compressão (MPa) da cerâmica vermelha. 1262

8 Observa-se o aumento da resistência à compressão com o aumento da temperatura de sinterização. No entanto, esse aumento foi significativamente maior na cerâmica vermelha sinterizada em micro-ondas, quando comparado à sinterizada em forno convencional. Esse efeito pode ser atribuído ao processo de sinterização usando micro-ondas, pois ocorre de maneira mais uniforme no volume do material, proporcionando maior densificação e formação de grãos mais homogêneos (9, 10, 11, 12), associados à antecipação da mudança de fase atribuída ao SiO2. Os valores obtidos para as cerâmicas sinterizadas em micro-ondas (10 e 20 min) são próximos até 900 ºC, quando finalizou a transição de fase (α quartz) para a hexagonal (β-tridimito), após esta etapa (na temperatura de 1000 ºC) a sinterização de 10 min apresentou desempenho superior conforme verificado pelo Teste de Tukey, resultando em valor de resistência à compressão cerca de 100% maior do que as sinterizadas convencionalmente. Este fato ocorreu provavelmente devido ao início da transição para a fase Cristobalita (21), com a maior exposição as micro-ondas. A Figura 6 apresenta as micrografias obtidas por MEV para cerâmica vermelha. As amostras analisadas foram sinterizadas a 1000ºC em forno convencional por 60 min e em micro-ondas por 10 e 20 min, respectivamente. Figura 6 Micrografias obtidas por MEV de cerâmica vermelha sinterizadas em a) forno convencional (60 minutos); b) micro-ondas (10 minutos) e c) micro-ondas (20 minutos). Considerando que para os dois métodos de sinterização não houve variação significativa para os valores de massa específica aparente, pode-se observar uma distribuição de poros diferenciada para as cerâmicas vermelha sinterizadas pelos dois métodos. Nas sinterizadas em micro-ondas, os poros estão isolados, o que contribui para a redução de absorção de água para essas amostras, conforme observado nas micrografias. Também se observa distribuição homogênea, o que pode ter levado a o aumento dos valores da resistência à compressão das cerâmicas vermelha processadas por micro-ondas. 1263

9 CONCLUSÃO Os resultados obtidos nesta pesquisa indicam que a sinterização em forno de micro-ondas pode promover a melhoria de desempenho das propriedades físicas e mecânicas da cerâmica vermelha, em função da densificação e refinamento da microestrutura, aliada a redução do consumo de energia, consequência das altas taxas de aquecimento e da redução do tempo de sinterização. REFERÊNCIAS 1. CABRAL JUNIOR, M. et al. Argila para cerâmica vermelha. In: Rochas e minerais industriais. Rio de Janeiro: Luz, A.B.: Lins, F.A.F Cap. 33, p SERVIÇO BRASILEIRO DE APOIO ÀS MICRO E PEQUENAS EMPRESAS (SEBRAE) (Brasil). Construção civil: Cerâmica vermelha, panorama do mercado no Brasil, p. 3. AGÊNCIA BRASILEIRA DE DESENVOLVIMENTO INDUSTRIAL (ABDI) (Distrito Federal). Estudo técnico setorial da cerâmica vermelha: Subsídios para a Elaboração do Plano de Desenvolvimento Sustentável da Cadeia Produtiva de Cerâmica Vermelha. Brasília: ABDI, p. 4. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CERÂMICA (ABCERAM) Disponível em: Acesso em: 15 nov INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA (INT) (2012). Panorama da Indústria de Cerâmica Vermelha no Brasil. Disponível em: htt://redladrilleras.net/documentos_ galeria /PANORAMA%20 DA%20INDUSTRIA%20DE%20CERAMICA.pdf. Acesso em: 11 jul BANCO DO NORDESTE DO BRASIL S/A (BNB) (2010). Informe Setorial Cerâmica Vermelha, outubro/2010. Escritório Técnico de Estudos Econômicos do Nordeste ETENE. Disponível em: htts:// _setorial_ceramica_vermelha.pdf. Acesso em: 01 jul FEDERAÇÃO DAS INDÚSTRIAS DO ESTADO DE MINAS GERAIS - FIEMG. Guia técnico ambiental da indústria de cerâmica vermelha. Belo Horizonte: FIEMG, SERVIÇO BRASILEIRO DE APOIS Á MICRO E PEQUENAS EMPRESAS - SEBRAE. Cerâmica vermelha para construção: telhas, tijolos e tubos. [São Paulo]: SEBRAE/ESPM, p. 9. CHENG, J. et al. Microwave sintering of transparent alumina. Materials Letters, Amsterdam, v. 56, n. 4, p ,

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11 RED CERAMICS SINTERING IN MICROWAVE OVEN ABSTRACT This present work aims to evaluate the sintering influence in microwave oven on the red ceramics properties. The raw materials were subjected to granulometric analysis, X-ray fluorescence and X-ray diffraction. The samples were extrusion-formed and sintered from 700ºC to 1000ºC temperatures. The conventional sintering used heating rate of 5ºC/minute and maximum exposure time at 60 minutes. The sintering in the microwave oven occurred in a hybrid way, with heating rate of 50ºC/minute and the exposure times were from 10 and 20 minutes. The water absorption, apparent density, compressive strength and scanning electron microscopy tests were performed after the sintering. The results point that the microwave sintering may promote the improvement of physical and mechanical properties of red ceramics, due to the densification and refinement of the microstructure, coupled with reduction in energy consumption. keywords: Unconventional sintering, red clay, energy efficiency. 1266