UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE Curso de Tecnologia em Cerâmica Trabalho de Conclusão de Curso

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE Curso de Tecnologia em Cerâmica Trabalho de Conclusão de Curso FUNDENTES alternativos para massas porcelanizadas Fernando Fellippe Márcio Luis Geremias 1 Hélio Costet de Mascheville Lengler 2 Resumo: Este trabalho apresenta novas alternativas de fundentes para a produção de massas porcelanizadas. Para a obtenção dos resultados, foram caracterizados além do feldspato potássico, tradicional na fabricação de porcelanas, feldspato a base de lítio e duas areias feldspáticas calco sódicas (plagioclásio) resultantes da alteração parcial de uma rocha ígnea classificada como anortosito. As novas alternativas provêm do Rio Grande do Sul, é o caso das areias calco - sódicas e o feldspato de lítio do Estado de Minas Gerais. Para a obtenção dos resultados foram caracterizadas 6 amostras: 1 feldspato potássico, 1 caulim, 1 quartzo, 2 areias feldspáticas (calco - sódicas) e 1 feldspato a base de lítio. Nos ensaios de caracterização foram contempladas, além dos principais ensaios físicos de cunho cerâmico, as análises químicas dos principais óxidos. Após a caracterização das amostras, foram desenvolvidas várias formulações de massas porcelanizadas e comparadas a uma massa padrão com matérias-primas tradicionais. Os resultados de algumas massas desenvolvidas mostram que podem ser produzidas em temperaturas de queima mais baixas. Palavras-chave: fundentes, anortosito, feldspato de lítio, porcelanas. 1 Introdução No Brasil existem várias indústrias que produzem louça sanitária, louça de mesa e mais recentemente foram montadas várias fábricas de grês porcelanato, as quais dependem de matérias-primas fundentes para a concepção de seus produtos. A grande maioria destas indústrias utiliza na composição de suas massas cerâmicas feldspatos potássico e sódico (albita), talvez pela tradição ou por desconhecer novas alternativas que estão chegando ao mercado. 1 Professor orientador 2 Pesquisa e Inovação Colorminas

2 Por este motivo, este trabalho propõe apresentar novas alternativas de fundentes para a fabricação de produtos a base de massas porcelanizadas, que poderão juntamente com os fundentes tradicionais obter resultados tecnológicos iguais ou melhores aos que já existe no mercado. Além da caracterização física e química das matérias-primas individualmente, este trabalho se propõe à elaboração de massas cerâmicas porcelanizadas com os fundentes alternativos apresentados, vislumbrando a busca na melhoria da qualidade associada à redução de custos. São denominadas porcelanas, quando um produto tem absorção de água zero, mas se admite até 0,5% absorvido em massa (MOTTA, 2001). Os ciclos de queima podem variar de 1 hora para louças de mesa e até 24 horas para sanitários (SILVA, 2004). Este trabalho pode ser justificado pela busca da melhoria da qualidade tecnológica dos produtos cerâmicos à base de massas porcelanizadas e também pelos ganhos econômicos, mas, principalmente, porque os recursos minerais são exauríveis, um dia vão acabar, e com novas alternativas de matérias-primas as vidas úteis destes recursos vão perdurar por mais tempo. 2 Materiais e Métodos Os resultados apresentados neste trabalho foram baseados em estudos realizados em laboratório, desde a caracterização das matérias-primas individualmente até o desenvolvimento e caracterização das massas cerâmicas. 2.1 Materiais Os materiais estudados foram dois anortositos, sendo eles chamados de CHS 6071 e CHS 6067, um feldspato de lítio denominado CKS 6825, um feldspato potássico malha, um caulim e um quartzo. 2.2 Ensaios Os ensaios físicos que serão apresentados a seguir foram realizados no laboratório de mineração da empresa Colorminas. Já os ensaios de fluorescência de raios-x no CTC - MAT.

3 2.2.1 Preparação das amostras Compreendeu a cominuição das amostras das matérias-primas cerâmicas para a realização dos ensaios tecnológicos em laboratório, de acordo com o método P-2 (AMORÓS et al, 1998). As amostras individuais e as massas foram moídas em moinhos excêntricos (periquitos) com tempos diferentes, devido às diferenças das matérias-primas até a obtenção de resíduo entre 1,8 e 2,5% na malha 325 ABNT Prensagem dos corpos de prova Compreende a conformação dos corpos-de-prova para a realização dos ensaios físicos a cru e queimado, baseado no método P-4 (AMORÓS et al, 1998). Foi utilizada uma prensa de laboratório e a pressão utilizada nesse estudo foi de 350kgf/cm², com umidade de 8% em peso Sinterização As queimas dos corpos-de-prova foram realizadas em um forno mufla (Quimis modelo Q T), com taxa de aquecimento de 10 C/minuto nas temperaturas de 1160, 1200, 1240 e 1280 C e patamares de 180 minutos Determinação da contração de queima Este ensaio determina a contração de queima dos corpos-de-prova de matériasprimas e massas cerâmicas. A contração de queima é a variação das dimensões de um corpo devido à perda de material volátil ou reações durante o processo de queima. Quanto menor for o volume dos poros na peça após a secagem, ou seja, quanto maior for sua densidade aparente, menor será a contração de queima (MELCHIADES et al, 2001 apud GEREMIAS,2003, p.46). O procedimento é baseado no método E-9 (AMORÓS et al, 1998) Determinação da absorção de água Este ensaio tem por objetivo determinar o percentual de absorção de água dos corpos-de-prova de matérias-primas ou de massas cerâmicas, de acordo com o método E-10 (AMORÓS et al, 1998).

4 Absorção de água é a quantidade de água que uma peça pode absorver sob condições experimentais (100 C e pressão atmosférica) sendo expressa em percentual em relação à peça seca (NBR 13818, 1997) Determinação da cor de queima O sistema utilizado foi o CIELab e seus parâmetros são definidos como: L indica a posição no eixo branco (L=100), preto (L=0); a indica a posição no eixo vermelho (a>0), verde (a<0); b indica a posição no eixo amarelo (b>0), azul (b<0) (MARTÍ, 1998). A diferença de cor entre duas amostras é dada pelo módulo do vetor que une os pontos do espaço de cor correspondente a tais amostras. Este módulo é denominado Delta E (MARTÍ, 1998) Determinação da densidade aparente por empuxo de mercúrio Este ensaio determina a densidade aparente de corpos-de-prova de argilas e massas cerâmicas (cru, seco e queimado). É baseado no método de ensaio E-8B (AMORÓS et al., 1998). A técnica mais habitual nas indústrias para medir a compactação é a densidade aparente (BARBA et al (2002). A compactação segundo Barba et al (2002) é umas das principais propriedades das peças moldadas, pois determina seu comportamento nas diferentes etapas do processo influenciando nas propriedades crua da peça e do produto queimado. 2.3 Análise química por fluorescência de raios X As análises químicas dos diferentes tipos de matérias-primas foram efetuadas através da técnica de espectrometria por fluorescência de raios X (FRX) por dispersão de comprimento de onda (WDS). Foram efetuadas determinações de SiO 2, Al 2 O 3, TiO 2, Fe 2 O 3, CaO, MgO, K 2 O, Na 2 O, MnO, P 2 O 5 e S (total) e LiO 2 por absorção atômica. Os resultados dessas análises foram obtidos através do CTCmat.

5 3 Resultados e discussões 3.1 Caracterizações físicas e químicas das matérias primas Para nortear o desenvolvimento deste trabalho, foram realizados ensaios físicos e análises químicas das matérias-primas utilizadas nas composições de massas cerâmicas aqui apresentadas. Também foi realizada a determinação do teor de carbonato de cálcio dos anortositos Caracterização física das matérias primas fundentes O Quadro 1 apresenta os resultados de contração linear e absorção de água do feldspato potássico padrão e dos fundentes alternativos propostos neste trabalho. Quadro 1 - Resultados dos ensaios físicos das matérias-primas 1160 C Composição CHS 6071 CHS 6067 CKS 6825 FELDS. K C.L. 2,6 2,8 * 12,6 A.A. 11,8 13,9 * 0, C Composição CHS 6071 CHS 6067 CKS 6825 FELDS. K C.L. 4,9 4,7 * * A.A. 5,4 9,6 * * 1240 C Composição CHS 6071 CHS 6067 CKS 6825 FELDS. K C.L. 6,7 6,3 * * A.A. 0,0 6,0 * * 1280 C Composição CHS 6071 CHS 6067 CKS 6825 FELDS. K C.L. 5,8 10,0 * * A.A. 0,0 1,2 * * Fonte: Autor, Nas condições de queima utilizadas para o desenvolvimento deste trabalho o feldspato a base de lítio (CKS 6825) já funde na temperatura de ºC enquanto as areias feldspáticas calco-sódicas CHS 6071 e CHS 6067 têm um comportamento refratário, com absorções 11,8 e 13,9 respectivamente. O feldspato potássico mostra-se muito reativo com absorção de água igual a 0,5%. Na condição de ºC o feldspato potássico também fundiu e as areias calco-sódicas CHS 6071 e CHS

6 6067 baixaram a absorção para 5,4 e 9,6 respectivamente. A ºC a amostra CHS 6071 apresentou absorção de 0,0% enquanto a CHS 6067 de 6,0%. Na queima da amostra CHS 6067 na temperatura de ºC a absorção de água baixou para 1,2%, enquanto que o CHS 6071 sofreu expansão linear Caracterização química das matérias primas Foram realizadas análises químicas individuais de todas as matérias-primas utilizadas na massa padrão e nas massas desenvolvidas, no Senai CTC-mat conforme pode se observar no Quadro 2. Quadro 2 - Análise química das matérias-primas SiO 2 Al2O 3 Fe 2 O 3 CaO Na 2 O K 2 O MgO LiO 2 P. F CKS ,0 15,0 0,1 0,3 4,6 1,2 0,0 1,9 1,2 CHS ,8 27,8 0,8 7,3 2,3 0,7 0,8 10,5 CHS ,9 29,2 0,9 8,5 3,5 0,6 0,2 3,1 FELD. K 67,5 17,3 0,1 0,3 2,9 11,0 0,0 1,0 CAULIM 46,9 38,4 0,4 0,0 0,0 0,0 0,0 13,7 QUARTZO 99,6 0,0 0,1 0,0 0,1 0,3 0,0 0,0 Fonte: Autor, A amostra CKS 6825 refere-se a um feldspato a base de lítio, com elevado percentual de sódio que indica a presença de albita e é proveniente do Estado de Minas Gerais. As amostras CHS 6071 e 6067 referem-se a duas amostras de areia feldspática (calco-sódicas) evidenciadas pela presença significativa de cálcio e sódio; as referidas areias são resultantes da alteração incipiente de uma rocha ígnea que leva o nome anortosito e são provenientes do Estado do Rio Grande do Sul. O feldspato potássico, caulim e quartzo são matérias-primas tradicionais que fazem parte das formulações desenvolvidas para este trabalho. 3.2 Caracterizações físicas das composições de massas Além da caracterização das matérias-primas individualmente, foram desenvolvidas e caracterizadas 9 massas cerâmicas e comparadas a uma massa padrão, compostas por materiais tradicionais, como feldspato potássico, quartzo e caulim. O Quadro 3 apresenta as composições de massas estudadas.

7 Quadro 3 - Composições de massas STD A B C D E F G H I CKS CHS CHS FELD. K CAULIM QUARTZO Fonte: Autor 2010 A composição padrão obedece à proporção clássica de feldspato, quartzo e caulim de uma massa de porcelana (NORTON, 1975). Nas massas desenvolvidas, algumas foram substituídas totalmente o feldspato potássico por feldspato a base de lítio e por feldspato de lítio e areia feldspática calco sódica (anortosito). O Quadro 4 apresenta os resultados dos ensaios físicos das massas desenvolvidas em quatros temperaturas distintas (1160,1200,1240 e 1280 C), porém obedecendo o mesmo ciclo de queima. Quadro 4 - Resultados dos ensaios físicos das massas cerâmicas Composição STD A B C D E F G H I 1160 C C.L A.A DAP C Composição STD A B C D E F G H I C.L A.A DAP C Composição STD A B C D E F G H I C.L A.A DAP C Composição STD A B C D E F G H I C.L A.A DAP Fonte: Autor, 2010.

8 Como pode ser observado no Quadro 4, as massas porcelanizadas desenvolvidas neste trabalho, juntamente com a massa padrão, foram submetidas a queima em quatro temperaturas: 1.160, 1.200, 1.240, ºC. As Figuras 1, 2 e 3 apresentam na forma gráfica os resultados de contração de queima, absorção de água e densidade aparente nas quatro temperaturas distintas. 9,8 8,8 7,8 6,8 5,8 4,8 3,8 2,8 1,8 0,8-0,2 1160ºC 1200 C 1240 C 1280 C Temperatura De Queima STD A B C D E F G H I Figura 1 Resultado de contração de queima das composições de massa cerâmicas porcelanizadas, nas quatro temperaturas ensaiadas. Fonte: Autor, Das composições estudadas, onde é substituído apenas o feldspato, observa-se que a composição A apresenta maior contração em relação ao STD na temperatura de 1240 C, porém na temperatura de 1280 C, ocorre à inversão, ou seja, o padrão apresenta um valor de contração maior. Quando é utilizada nas composições a amostra CHS 6067, independentes do percentual, todas apresentaram valores maiores de contração na temperatura de 1240 C, o mesmo acontecendo com a composição F, que além deste possui 10% de CHS As composições C, D e E que possuem maiores percentuais do anortosito CHS 6071, mostraram ser mais instáveis, onde, pôde-se observar contração linear negativa da composição D na temperatura de 1280 C, por conta da expansão do corpo.

9 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 0,5 1,0 1,5 0, C 1200 C 1240 C 1280 C Temperatura De Queima STD A B C D E F G H I Figura 2 - Resultado de absorção de água das composições de massa cerâmicas porcelanizadas, nas quatro temperaturas ensaiadas. Fonte: Autor, Em relação aos resultados de absorção de água, é possível observar que a composição STD atinge 0,2% somente na temperatura de 1280 C, já nas temperaturas inferiores não conseguiu atingir absorção abaixo ou igual a 0,5%. A composição A, onde foi substituído o feldspato potássico pelo de lítio, atinge-se a absorção desejada já na temperatura de 1240 C. As composições D e E apresentam características tecnológicas de porcelana na temperatura de 1160 C. Na composição D, que contém um maior percentual de CHS 6071, juntamente com o CKS 6825, pode-se observar que quando submetido ao processo de queima na temperatura de 1280 C a absorção de água subiu, por conseqüência da expansão do corpo. Já as composições F, G e H se mostram bastante estável nas temperaturas de 1200 a 1240 C, atingindo os resultados de absorção de água desejáveis.

10 2,45 2,40 2,35 2,30 2,25 2,20 2,15 2,10 2,05 2,00 1,95 1,90 1,85 1,80 1,75 1,70 1,65 1, C 1200 C 1240 C 1280 C Temperatura De Queima STD A B C D E F G H I Figura 3 - Resultados das densidades aparentes das composições de massa cerâmicas porcelanizadas, nas quatro temperaturas ensaiadas: Fonte: Autor, Com exceção das composições STD e A, as demais composições em alguma das diferentes temperaturas de trabalho apresentaram diminuição da densidade aparente, ou seja, começam a expandir. Destacam-se, positivamente, as composições F, G e H que apresentaram grande estabilidade entre as temperaturas de 1200 e 1240 C e negativamente as composições C, D e E, composições essas com maiores percentuais de CHS 6071, apresentando grande queda de densidade aparente com o aumento da temperatura. Quadro 5 - Análise de colorimetria no Sistema Cielab Composição A B C D E F G H I Delta L 0,13-7, ,13-5,24-2,83-8,26-4,95-2,9 Delta a 0,23 0,03 1,12 2,86 0,58 0,44 0,59 0,43 0,43 Delta b 0,23 2,04 4,31 6,04 3,28 2,43 2,67 2,17 2,0 Delta E 0,35 7,98 8,83 12,98 6,2 3,75 8,7 5,42 3,54 Fonte: Autor, Este ensaio mostrou que quando o feldspato potássico é substituído pelo de lítio como na composição A, se mostra mais claro. A partir do momento que nas composições foram adicionados os anortositos, todas se apresentaram pouco mais acinzentadas.

11 4. Considerações Finais As exigências quanto qualidade das matérias-primas, a busca incessante pela redução de custos e a evidente possibilidade de exaustão dos recursos minerais, foram às constatações que evidenciaram a importância da realização deste estudo, que se refere ao desenvolvimento de massas porcelanizadas utilizando novos fundentes. Fez parte deste estudo a caracterização física e química de fundentes alternativos e o desenvolvimento e caracterização tecnológicas de massas porcelanizadas a base dos referidos fundentes, em composições com ou sem o fundente tradicional (feldspato potássico), sempre comparando a uma massa padrão de porcelana. Dentre os fundentes alternativos estudados, o único que apresentou alguma restrição na aplicação em massas porcelanizadas foi o CHS 6071, quando utilizado em percentual maior que 10%, devido a problemas relacionados à tixotropia, limitando seu uso no processo por via úmida e também por apresentar instabilidade dimensional quando queimado em temperatura muito alta, se mostrando mais reativo. Porém esse anortosito se mostra bastante interessante quando utilizado em até 10%, como mostra a composição F. As composições com CHS 6067 tiveram resultados excelentes, pois, apresentaram as características de porcelana estáveis entre as temperaturas de 1200 a 1240 C. Com relação ao CKS 6825, ele se apresentou mais fundente que o feldspato tradicional, como mostra a composição A, diminuindo em 40 C a temperatura de queima para se obter absorção de 0,5%. Outra observação interessante e importante para destacar é a reação dos anortositos com o CKS 6825, onde as composições com os mesmos percentuais, só mudando de feldspato se mostraram bem mais fundente, é o caso das composições B e C com feldspato potássico e D e G com CKS Os resultados tecnológicos obtidos, comparativamente com a massa padrão, mostraram vantagens como à redução na temperatura de queima das composições, além de apresentar mais alternativas de matéria-prima, contribuindo para aumentar as reservas minerais de fundentes no Brasil.

12 Quanto ao custo das massas propostas em relação ao padrão, pode-se afirmar que se equivalem, porque, os fundentes alternativos apresentados, como as areias calco-sódicas (anortositos) apresentam valores inferiores ao caulim estudado, enquanto o feldspato de lítio tem valor semelhante ao feldspato potássico tradicional. Através desse estudo, pode-se concluir que os fundentes alternativos aqui apresentados podem ser utilizados com sucesso na composição de massas de produtos porcelanizados, possibilidade de ganhos econômicos devido de redução na temperatura de fabricação destes produtos, mantendo as propriedades tecnológicas desejadas.

13 5 Referências Bibliográficas AMORÓS, J. L. et al. Manual para el control de la calidad de materias primas arcillosas. Castellon: Instituto de Tecnología Cerámica, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13818: placas cerâmicas para revestimento especificação e métodos de ensaios. Rio de Janeiro, BARBA, Antonio et al. Materias primas para la fabricación de soportes de baldosas cerámicas. 2. Ed. Castellón-Espanha: ITC, p. GEREMIAS, M.L. Caracterização das argilas da bacia do Paraná, no sul de Santa Catarina, para uso na fabricação de pisos cerâmicos f. Tese (Doutorado em Engenharia) Área de concentração: Engenharia mineral Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. MARTÍ, V et Al. Método Racional de Preparação e Ajuste de Tintas Serigráficas. Cerâmica Industrial. São Paulo, v 3, n4/6, p. 6-12, jul/dez MOTTA, José Francisco Marciano; ZANARDO; Antenor e CABRAL JUNIOR, Marsis. As Matérias-Primas Cerâmicas Parte I: O Perfil das Principais Indústrias Cerâmicas e Seus Produtos. Cerâmica Industrial. São Paulo, v. 6 n 2, p.28-39, mar/abr NAVARRO, J. E. E. et al. Pavimentos y revestimientos ceramicos. Valencia: Imprenta V. Taroncher, SILVA, Henrique Cislagui da; SILVA, Nilson Schwartz da; HOTZA, Dachamir. Influência do Quartzo na Deformação Piroplástica de Porcelanas Triaxiais. Cerâmica Industrial. São Paulo, v 9, n 5/6, p , Set/Dez.2004.