Difusividade Térmica de Piso Cerâmico Vitrificado Thermal diffusivity of vitrified ceramic floor

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1 Difusividade Térmica de Piso Cerâmico Vitrificado Thermal diffusivity of vitrified ceramic floor Resumo São apresentados os resultados de um estudo sobre a difusividade térmica de piso cerâmico vitrificado em função da temperatura de queima. A massa cerâmica foi formulada usando caulim, albita e quartzo em proporções pré-determinadas. A técnica da célula fotoacústica aberta foi utilizada para obter a difusividade térmica. A relação entre a estrutura e a difusividade térmica foi analisada. Os resultados mostraram que a difusividade térmica aumenta com o aumento da temperatura de queima. Valores compreendidos entre 0,0109 cm²/s a 0,0309 cm²/s foram obtidos. Sugere que este comportamento está intimamente ligado à maior quantidade de fase vítrea formada com o aumento da temperatura. Palavras-Chave: Caracterização, difusividade térmica, piso cerâmico. Abstract This work present the results of a study concerning on the thermal diffusivity of vitrified ceramic floor tiles as a function of firing temperature. The ceramic paste was formulated using kaolin, albite and quartz in determined proportions. The open photoacoustic cell (OPC) was used to obtain the thermal diffusivity. The intrinsic relationship between the structure and the thermal diffusivity was analysed. Values ranging from 0,0109 cm²/s to 0,0309 cm²/s were obtained. Suggests that this behavior is related to the greater amount of vitreous phase formed with the increase of firing temperature. Bruno Carlos Alves Pinheiro, José Nilson França de Holanda Departamento de Design (UEMG/ Ubá) - Universidade do Estado de Minas Gerais/Ubá Laboratório de Materiais Avançados (LAMAV/CCT/UENF) Universidade Estadual do Norte Fluminense Correspondência: Av. Olegário Maciel, 1427 Industrial - Ubá. MG CEP: bruno.pinheiro@uemguba.edu.br Keywords: Characterization, thermal diffusivity, ceramic tile. Introdução Pisos cerâmicos vitrificados são sistemas multicomponentes constituídos principalmente por caulim/feldspato/ quartzo (1), sendo amplamente utilizados na construção civil. É considerado um dos sistemas cerâmicos mais complexos. Cada componente (matéria-prima) usado na sua fabricação contribui de forma diferente para a microestrutura e as propriedades do produto final (2). São produzidos via tecnologia dos pós: preparação das matérias-primas (moagem a seco ou moagem a úmido), prensagem uniaxial, secagem e ciclo de queima rápido (1 h no máximo) em temperaturas entre 1180 e 1250 C (3). O produto final é formado por uma fase vítrea e fases cristalinas, as quais são dependentes da composição química das matérias-primas e condições de processamento. Além disso, essas fases resultam de interações, em altas temperaturas, entre os três componentes básicos (caulim/feldspato/quartzo) (3). O Brasil é atualmente o segundo produtor mundial de revestimentos cerâmicos. Em 2009, a produção nacional de revestimentos cerâmicos foi de aproximadamente 715 milhões m², a qual corresponde a aproximadamente 8,4 % da produção mundial. Esta produção pode crescer ainda mais devido à alta demanda interna e, principalmente, devido as oportunidades de exportação (4). Para isso, é preciso produzir materiais com excelentes propriedades tecnológicas. Entre essas propriedades, as propriedades térmicas desempenham um importante papel na qualidade do produto final (5). Já se tem um direcionamento para o estudo das propriedades térmicas (difusividade térmica, capacidade específica, condutividade térmica) de materiais cerâmicos aplicados na construção civil. Aliado a isso, tem-se também estudos que focam a estrutura e mudanças de fases dos mesmos, quando submetidos a algum tipo de tratamento. Tais estudos são de grande importância, pois se destacam como fatores de qualidade, uma vez que fornecem informações associadas à durabilidade, determinando, assim, a vida útil do produto final (6). 56 Revista Analytica Abril/Maio 2015 nº 76

2 Como mencionado anteriormente, propriedades térmicas tais como a condutividade térmica, a difusividade térmica e capacidade específica são importantes propriedades de um material. A difusividade térmica é uma medida da rapidez com a qual o calor se propaga através do material (7,8). É uma propriedade intrínseca do material. Entretanto, ela é dependente da composição, variáveis microestruturais e condições de processamento (5). O presente trabalho tem como objetivo principal determinar a difusividade térmica de uma massa para piso cerâmico vitrificado aplicado na construção civil no sentido de fornecer informações e contribuir para otimizar a produção e aumentar a qualidade dos produtos finais. Ênfase é dada à correlação entre a difusividade térmica e a evolução microestrutural. São objetivos específicos do presente trabalho: Determinar a difusividade térmica das amostras. Avaliar a evolução microestrutural através da curva de gresificação. Analisar a microestrutura das amostras por microscopia eletrônica de varredura (MEV). MATERIAIS E MÉTODOS As matérias-primas utilizadas no presente trabalho foram: caulim, quartzo e feldspato sódico (albita). Essas matérias-primas são provenientes do Estado do Rio Grande do Norte. Elas foram fornecidas pela Empresa Armil Mineração do Nordeste LTDA, localizada no município de Parelhas RN. As composições químicas das matérias-primas são dadas na Tabela 1. Tabela 1- Composição química das matérias-primas utilizadas (% em peso). Matérias Primas SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O CaO MgO P.F. Caulim 49,14 33,76 0,23 0,01 1,97 0,52 0,30 0,06 14,01 Albita 69,55 18,82 0,14 0,02 1,47 9,63 0,17 0,09 0,32 Quartzo 98,98 0,41 0,01 0,02 0,18 0,13 0,01 0,01 0,26 Tabela 2 Composição da massa cerâmica estudada (% em massa seca). Matérias Primas Albita Caulim Quartzo 47, ,5 Para a realização das medidas de difusividade térmica (α), foram produzidas amostras cerâmicas em forma de pequenas pastilhas com as seguintes dimensões: 1 cm de diâmetro e espessura compreendida entre 0,025 cm e 0,045 cm. Para a produção dessas amostras foi utilizada uma prensa DAN-PRESSE com capacidade de 20 t. As amostras foram sinterizadas em um forno de queima rápida, marca MAITEC, modelo FSQC 1300/3 nas seguintes temperaturas de sinterização: 1200, 1210, 1220, 1230 e 1240 C. O tempo de permanência na temperatura de patamar foi de 6 min. O resfriamento das amostras se deu por inércia. A determinação da difusividade térmica das amostras foi realizada utilizando-se a técnica da célula fotoacústica aberta. O aparato experimental utilizado é mostrado na Figura 1. A amostra é colocada diretamente sobre um microfone de eletreto comercial, modelo WM-61A-Panasonic, fixada com graxa de silicone. O microfone de eletreto é um cilindro com uma abertura circular no centro de sua face superior. Nesta face tem-se uma camada de ar que é adjacente a um diafragma (membrana) metalizado. Entre a membrana e a placa de metal há uma camada de ar. E, a camada metálica da membrana está ligada à placa metálica de fundo por um resistor. Em seguida, a amostra é iluminada por uma lâmpada de 12 mw de potência (fonte luminosa), cuja luz monocromática é modulada por um modulador mecânico (EG&G Instruments, modelo 651) para então incidir sobre a superfície da amostra. As matérias-primas foram inicialmente secas em estufa a 110 ºC por 24 horas, e passadas em peneira 100 mesh (75 µm ABNT). Em seguida, foi feita a dosagem da massa cerâmica por pesagem. A massa cerâmica, a qual foi denominada de massa MB, foi então submetida a um processo de moagem a seco, mistura e homogeneização em moinho de bolas durante 1 hora. Em seguida, foram adicionados 7% em peso de umidade, e a massa cerâmica foi granulada em peneira 20 mesh (840 µm ABNT) e mantida em saco plástico fechado num dessecador por 24 horas para homogeneização da umidade. A composição da massa cerâmica estudada é dada na Tabela 2. Figura 1: Esboço esquemático do experimento de medida de difusividade térmica (5). Revista Analytica Abril/Maio 2015 nº 76 57

3 A incidência da luz sobre a amostra gera o sinal fotoacústico no microfone, o qual está conectado a um pré-amplificador. Após o sinal fotoacústico gerado ser amplificado no pré-amplificador, ele segue para um amplificador, onde é digitalizado e enviado para o sistema de aquisição de dados Labview (National Instruments). O amplificador controla a frequência de rotação do modulador, além de ser também responsável pela medição da amplitude do sinal fotoacústico e da diferença de fase entre o sinal detectado e a frequência do modulador. O aquecimento periódico da amostra pela absorção da luz modulada faz variar a pressão na câmara fotoacústica (OPC). Como resultado tem-se deflexões na membrana e, consequentemente, geração de voltagem (V) através do resistor (R). Para a difusividade térmica, a equação (A) fornece a variação de pressão (δp) na câmara (6): Para avaliar a evolução microestrutural foi obtida a curva de gresificação para a massa cerâmica estudada e a análise da microestrutura das amostras foi analisada em microscópio eletrônico de varredura Zeiss modelo DSM 962, com voltagem de aceleração de 20 kv. Para evitar o efeito de carregamento elétrico, as amostras foram recobertas com uma fina camada condutora de ouro. RESULTADOS E DISCUSSÃO A difusividade térmica das peças cerâmicas em função da temperatura de sinterização é mostrada na Figura 2. (A) onde I 0 é a intensidade da luz absorvida, α g é a difusividade térmica da camada de ar que recebe o calor da amostra, α s é a difusividade térmica da amostra, l s espessura da amostra, l g espessura da camada de gás aquecida, K s é a condutividade térmica da amostra, σ s = (1 + j) a s, a s = (πf/ α s ) é o coeficiente complexo da difusividade térmica da amostra, γ é a razão C P /C V do ar. Para materiais cerâmicos em geral, normalmente trabalha-se com amostras em regime opticamente opacas e termicamente grossas (6). Assim, a equação correspondente é: Pode-se ver a partir da equação (B) que a amplitude do sinal fotoacústico para amostras termicamente grossas decresce exponencialmente com a frequência de modulação como: onde: Assim, a difusividade térmica α das amostras, pode ser obtida pelo ajuste dos dados experimentais do coeficiente b no argumento da exponencial (- b f) na equação (C). (B) (C) (D) Figura 2: Difusividade Térmica em função da temperatura de sinterização. Pode ser observado que os valores de difusividade térmica variam entre 0,0109 e 0,0309 cm²/s. Esses baixos valores alcançados são esperados. Pode ser observado também que ocorre um aumento da difusividade térmica com o aumento da temperatura de sinterização. Este comportamento pode estar relacionado com a maior formação de fase vítrea com o aumento da temperatura. O calor pode ser transportado mais facilmente neste tipo de fase do que entre as partículas das matérias-primas utilizadas (5,6). A Figura 3 apresenta o diagrama de gresificação da massa cerâmica estudada. A gresificação é um parâmetro importante que permite inferir a evolução da microestrutura do material durante a sinterização. O diagrama de gresificação (9) é a representação gráfica que permite acompanhar simultaneamente as variações do nível de porosidade aberta, medida pela absorção de água (AA), e o grau de sinterização medido pela retração linear (RL) em função da temperatura de sinterização. 58 Revista Analytica Abril/Maio 2015 nº 76

4 Figura 3: Curva de gresificação da massa cerâmica estudada. Pode-se notar que à medida que se aumenta a temperatura de sinterização ocorre aumento da retração linear com concomitante diminuição da absorção de água (porosidade aberta ou interconectada). Este comportamento está fundamentalmente relacionado à maior formação de fase líquida (fase vítrea) que se tem com o aumento da temperatura. Isto pode explicar o aumento nos valores de difusividade térmi- ca observados na Figura 2. Além disso, a fase líquida (fase vítrea) formada preenche os poros abertos, reduzindo gradativamente o volume de poros do corpo cerâmico, envolve, aproxima e rearranja as partículas sólidas promovendo a formação de uma estrutura mais organizada, com menos defeitos ou imperfeições tais como os poros, os quais causam espalhamento no mecanismo responsável pelo transporte de calor. Isto também pode contribuir para o aumento da difusividade térmica. A Figura 4 apresenta a sequência da microestrutura das amostras sinterizadas entre C. Entre 1200 C e 1210 C (Fig. 4 (a) e (b)), nota-se uma textura altamente grosseira, heterogênea e porosa. Embora já se tenha a presença de fase líquida nestas temperaturas, a quantidade de fase líquida formada não é suficiente para cobrir a superfície inteira das amostras. A textura altamente grosseira (rugosa) e a porosidade é um indicativo de que a fase líquida ainda não está completamente distribuída pela estrutura. Isto pode explicar os valores mais baixos de difusividade térmica para essas temperaturas de sinterização, conforme Figura 2. Em 1220 C e 1230 C (Fig. 4 (c) e (d)) pode ser observado que a estrutura caminha para uma maior densificação. Revista Analytica Abril/Maio 2015 nº 76 59

5 A porosidade começa a reduzir e a superfície muda de aspecto, tornando-se mais densa e menos rugosa. Provavelmente, nesta faixa de temperatura, ocorre maior formação de fase líquida. Isto pode explicar os maiores valores de difusividade observados para essas temperaturas. Em 1240 C (Fig. 4 (e)), nota-se claramente que a estrutura já está definitivamente bem densificada. As amostras apresentam um estágio avançado de sinterização. Nesta faixa de temperatura ocorre grande redução da porosidade, principalmente, da porosidade aberta. Isto está fundamentalmente relacionado à maior quantidade de fase líquida formada. A maior quantidade de fase líquida (fase vítrea) formada pode explicar o maior valor de difusividade térmica obtido, conforme mostrado na Figura 2. Além disso, pode ser observado também uma melhor distribuição da fase líquida (fase vítrea) pela estrutura. Esta melhor distribuição pode estar relacionada com o fato da viscosidade da fase líquida diminuir com o aumento da temperatura. Assim, a fase líquida por tornar-se mais fluida se distribui de forma mais uniforme pela estrutura diminuindo a porosidade. Isto também pode contribuir para o maior valor de difusividade térmica obtido nesta temperatura de sinterização. De acordo com os resultados obtidos no presente pode- -se concluir que a difusividade térmica aumenta com o aua) b) mento da temperatura de sinterização atingindo seu valor máximo em 1240 C. Sugere que este comportamento está intimamente relacionado com a maior quantidade de fase vítrea que se forma com o aumento da temperatura. O calor é transportado mais facilmente nesta fase. A fase vítrea ao se distribuir pela estrutura cerâmica preenche a porosidade, reduzindo consideravelmente o volume de poros. Além disso, a fase vítrea também envolve, aproxima e rearranja as partículas sólidas, levando a estrutura para uma configuração mais organizada e com uma menor presença de defeitos ou imperfeições. Os poros ou outras imperfeições causam espalhamento no mecanismo responsável pelo transporte do calor nesses materiais. Isso também pode contribuir para o aumento da difusividade térmica. REFERÊNCIAS A.J. Souza, B.C.A. Pinheiro, J.N.F. Holanda. Efeito da adição de resíduo de rocha ornamental nas propriedades tecnológicas e microestrutura de piso cerâmico vitrificado. Cerâmica, v. 57, n. 342, , Jun A.J. Souza, B.C.A. Pinheiro, J.N.F. Holanda. Processing of floor tiles bearing ornamental rock-cutting waste. Journal of Materials Processing Technology. v. 210, n. 14, , Nov c) d) A. Barba, et. al. Matérias Primas Para la Fabricación de Soportes de Baldosas Cerámicas, 2nd ed. ITC, Castellón B.C.A. Pinheiro, J.N.F. Holanda. Obtainment of porcelain floor tiles added with petroleum oily sludge. Ceramics International. v. 39, n. 1, 57-63, Jan L. Mota, et. al. Thermal characterisation of red clay from the Northern Region of Rio de Janeiro State, Brazil using an open photoacoustic cell, in relation to structural changes on firing. Applied Clay Science. v. 42, n. 1-2, , Dez e) L. Mota, et. al. Investigação fototérmica de argila vermelha: medidas de propriedades térmicas e estruturais. Cerâmica, v. 56, n. 337, 1-8, Mar dos Santos, W.N. Métodos transientes de troca de calor na determinação das propriedades térmicas de materiais cerâmicos: I - O método de pulso de energia Cerâmica, v. 51, n. 319, , Set Figura 4: Microestrutura das amostras sinterizadas em: a) 1200 C; b) 1210 C; c) 1220 C; d) 1230 C; e) 1240 C. CONCLUSÕES dos Santos, W.N. Métodos transientes de troca de calor na determinação das propriedades térmicas de materiais cerâmicos: II - O método do fio quente. Cerâmica, v. 51, n. 320, , Dez Melchiades, F.G., et. al. A Curva de Gresificação: parte I. Cerâmica Industrial, v. 1, n 04/05. Agos/Dez Revista Analytica Abril/Maio 2015 nº 76