UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS DESENVOLVIMENTO DE COMPOSIÇÃO DE MASSA CERÂMICA PARA PRODUÇÃO DE PORCELANATO TÉCNICO JORGE ELIAS DA SILVA

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS JORGE ELIAS DA SILVA DESENVOLVIMENTO DE COMPOSIÇÃO DE MASSA CERÂMICA PARA PRODUÇÃO DE PORCELANATO TÉCNICO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia de Materiais da UFSC - como requisito parcial para obtenção do grau de bacharel em Engenharia de Materiais, sob orientação de Prof. Germano Riffel, Dr. Eng.; e co-orientação de Roberto Basso, Eng. FLORIANÓPOLIS 2010

3 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS JORGE ELIAS DA SILVA DESENVOLVIMENTO DE COMPOSIÇÃO DE MASSA CERÂMICA PARA PRODUÇÃO DE PORCELANATO TÉCNICO Este Trabalho de graduação foi julgado adequado para a obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pela Comissão Examinadora e pelo Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina. Prof. Fernando Cabral, Ph.D. Coordenador do Curso de Engenharia de Materiais/EMC Comissão examinadora Prof. Germano Riffel, Dr.-Eng. EMC/UFSC Orientador Roberto Basso, Eng. Portobello S/A Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M.Eng. EMC/UFSC

4 Ficha Catalográfica Silva, Jorge Elias da, Desenvolvimento de composição de massa cerâmica para produção de porcelanato técnico / Jorge Elias da Silva f. : il. color. ; 30 cm Orientadores: I. Germano Riffel. Co-orientador: I.Roberto Basso. Trabalho de conclusão de curso (graduação) Universidade Federal de Santa Catarina, Curso de Engenharia de Materiais, Desenvolvimento de produtos. 2. Revestimento cerâmico 3. Massa cerâmica I. Riffel, Germano. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Curso de Engenharia de Materiais. III. Título.

5 AGRADECIMENTOS À Portobello S/A: Presidente, Diretores e Gerentes, pela oportunidade de freqüentar o curso de Engenharia de Materiais na UFSC. À Universidade Federal de Santa Catarina, em especial ao Curso de Engenharia de Materiais. A todos os professores que fazem parte da minha graduação pela dedicação na transmissão dos conteúdos. Ao orientador Prof. Germano Riffel e ao co-orientador Engenheiro Roberto Basso pela paciência e atenção dada elaboração e correção deste trabalho e pelo incentivo. Ao meu Coordenador na Portobello, Eng. Eduardo José Biscaro, ao gerente de Design e Desenvolvimento Stefano Galli e a todos os Técnicos da equipe de Pesquisa e Desenvolvimento pela ajuda e amizade. A todos os meus amigos que dividem comigo os bons e os maus momentos. À minha esposa, Patrícia Reis da Silva, e as minhas filhas, Izabele Cristini da Silva e Maira Louise da Silva, pelo amor, carinho e compreensão. Aos meus pais pelos bons exemplos e pelas oportunidades.

6 RESUMO Para uma empresa liderar ou sobreviver no seu ramo de atividade é fundamental estar sempre inovando. Além da inovação a busca de soluções que indiquem a preocupação com a sustentabilidade é fundamental. Inovação e sustentabilidade são palavras chave. A liderança de mercado advém de uma postura sólida e direcionada a lançamentos de novos produtos e serviços. O estudo e a visão das tendências de mercado aliado a uma atitude de vanguarda manterão a empresa na liderança. A sustentabilidade está relacionada com a continuidade dos aspectos econômicos, sociais, culturais e ambientais da sociedade. O uso racional dos recursos naturais, a eficiência energética e a recuperação ambiental são atividades consideradas prioritárias. Observando o que nos cerca no nosso dia-a-dia é notória a presença de inúmeros produtos que tiveram significativa redução no seu volume, principalmente na dimensão espessura. Podem-se observar vários exemplos como: televisores, celulares e notebooks. No mercado de revestimentos cerâmicos se observa um movimento neste sentido principalmente por parte de empresas Européias. Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma composição de massa cerâmica de porcelanato técnico com o objetivo de viabilizar a produção de peças com menor espessura, aproximadamente 50% menos que a usual de fabricação. A idéia tem como focos principais: redução de energia e matérias-primas, redução de peso para transporte e facilitar o uso em sobreposição a produtos já instalados, diminuindo os transtornos gerados em uma obra de reforma. Neste trabalho serão descritas algumas etapas de estudos realizados em laboratório, bem como os primeiros resultados industriais do desenvolvimento de uma massa cerâmica para a produção de porcelanato técnico com espessura reduzida em alguns milímetros. Palavras chave: Sustentabilidade, revestimento cerâmico, redução e espessura.

7 ABSTRACT For a company lead or survive in your business is vital to be always innovating. In addition to innovation the search for solutions to show concern for sustainability is the key. Innovation and sustainability are key words. Market leadership comes from a solid stance and directed the launches of new products and services. The study and understanding of market trends combined with an avant-garde attitude will keep the company in this leadership. Sustainability relates to the continuity of economic, social, cultural and environmental society. The rational use of natural resources, energy efficiency and environmental recovery activities are considered to be a priority. Observing what surrounds us in our everyday lives is known to many products that have had significant reduction in its volume, mainly in thickness dimension. We can observe various examples such as: TV s, cell phones and laptops. On the market of ceramic can observe a move in this direction mainly by European companies. This work aims to develop composite ceramic mass to porcelain stoneware aiming to produce tiles with low thickness, around 50% less than the usual workmanship. This idea has as main focuses: reduction of energy and raw materials, transport for weight reduction and ease of use in overlapping products already installed thus reducing the trouble caused by a work of reform. In this work are described some stages of studies in the laboratory as well as the first results of the development of industrial mass production of ceramics for the porcelain stoneware with low thickness.

8 LISTA DE FIGURAS Figura 01: Produção de revestimentos cerâmicos no Brasil Figura 02: Produção de porcelanato no Brasil Figura 03: Fluxograma de produção de porcelanato Figura 04: Fatores que devem ser considerados para o desenvolvimento de uma composição de massa cerâmica Figura 05: Variação da densidade após secagem com a umidade do pó e a pressão de compactação Figura 06: Variação da retração linear e da absorção de água em função da densidade aparente após queima Figura 07: Variação da densidade aparente após queima em função da temperatura de queima Figura 08: Peça deformada após queima Figura 09: Distribuição dos produtos com espessura menor que 7,5 mm apresentados na CERSAIE Figura 10: Sólido de cor do sistema L*a*b*: (a) representação tridimensional e (b) representação bidimensional Figura 11: Sistema de coleta de matérias-primas (Cruz, 2008) Figura 12: Representação da medida da deformação piroplástica Figura 13: Fluxograma do processo de caracterização das matérias-primas Figura 14: Fluxograma do processo de caracterização de composições de massas cerâmicas em laboratório Figura 15: Custo relativo das matérias-primas de massa caracterizadas Figura 16: Percentual de umidade das matérias-primas de massa caracterizadas Figura 17: Coeficiente de dilatação linear C das matérias-primas de massa caracterizadas Figura 18: Coeficiente de dilatação linear C das matérias-primas de massa caracterizadas... 44

9 Figura 19: Densidade aparente após secagem das matérias-primas de massa caracterizadas Figura 20: RMF após secagem das matérias-primas de massa caracterizadas Figura 21: Perda ao fogo das matérias-primas de massa caracterizadas Figura 22: Aumento da RMF com o uso de aditivos ligantes Figura 23: Variação do percentual de contração linear (CL) Figura 24: Variação do percentual de absorção de água (AA) Figura 25: Relação entre o módulo de resistência e espessura da peça queimada Figura 26: Relação entre a carga de ruptura e a espessura da peça queimada Figura 27: Comparativo entre peças com espessura normal e peças com espessura reduzida em alguns milímetros... 56

10 LISTA DE QUADROS Quadro 01: Grupos de absorção e sua nomenclatura Quadro 02: Propriedades físicas do porcelanato segundo ABNT NBR 15463: Quadro 03: Principais tipos de ligantes para massas cerâmicas Quadro 04: Principais vantagens e desvantagens dos ligantes para massas cerâmicas Quadro 05: Resultados da primeira prova industrial peças do formato 45x Quadro 06: Resultados da segunda prova industrial peças do formato 60x Quadro 07: Valores da propagação de erros para os principais ensaios... 60

11 LISTA DE TABELAS Tabela 01: Propriedades das matérias-primas plásticas após queima Tabela 02: Propriedades das matérias-primas não plásticas após queima Tabela 03: Valores de RMF e carga de ruptura a 1193 C Tabela 04: Valores de RMF e carga de ruptura a 1210 C Tabela 05: Resultados caracterização da massa AL Tabela 06: Resultados caracterização da massa SW Tabela 07: Resultados caracterização da massa AV... 54

12 LISTA DE SIGLAS AA Absorção de água ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas Al Alumínio AL Albiano (composição de massa de cor branca) ANFACER Associação Nacional de Fabricantes de Cerâmica para Revestimento AV Avório (composição de massa de cor bege escura) Ca Cálcio CERSAIE Salão Internacional da Cerâmica para a Arquitetura e Construção CIE Commission Internacionale de L Eclairage DAP Densidade aparente Fe Ferro GL Glazed (esmaltado) IP Índice de deformação piroplástica K Potássio Mg Magnésio MPNP Matéria-prima não plástica MPP Matéria-prima plástica Na Sódio NBR Norma brasileira O Oxigênio ONU Organização das Nações Unidas PF Perda ao fogo RL Retração Linear RMF Resistência mecânica à flexão Si Silício SW Super white (massa cerâmica de cor bege clara)

13 Ti Titânio U - Umidade UFSC Universidade Federal de Santa Catarina UGL Unglazed (não esmaltado)

14 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo geral Objetivos específicos FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Sustentabilidade, produção mais limpa e produtividade Materiais cerâmicos Porcelanato Processamento de materiais cerâmicos Processo de produção de revestimento cerâmico tipo porcelanato Propriedades mecânicas do porcelanato Matérias-primas cerâmicas usadas na fabricação de porcelanato Argilas Caulim Feldspatos Formulação do sistema Etapas de processamento Moagem Prensagem Secagem Sinterização Propriedades dos materiais cerâmicos Absorção de água Retração linear Densidade aparente Resistência mecânica à flexão (RMF) Deformação Piroplástica Produtos com espessura fina Aditivos ligantes para aumento da resistência mecânica após secagem CARACTERIZAÇÃO Curva de gresificação... 28

15 4.2. Coordenadas colorimétricas MATERIAIS E MÉTODOS Matérias-primas Coleta Condições de recebimento Análises à verde (antes da queima) Análises após queima Desenvolvimento Caracterização das matérias-primas Caracterização das composições de massa em laboratório Testes industriais RESULTADOS Matérias-primas Avaliação dos aditivos ligantes Variação da carga de ruptura e da resistência mecânica à flexão após queima em relação a espessura Desenvolvimento de massas em laboratório Testes industriais CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXO A... 60

16 1 1. INTRODUÇÃO Entre as diversas definições para cerâmica, pode-se destacar a seguinte: Cerâmica é a arte, a ciência e a tecnologia de fabricar e usar materiais e peças sólidas, constituídas essencialmente por materiais e/ou compostos naturais, inorgânicos e não-metálicos. A cerâmica é praticamente tão antiga quanto à descoberta do fogo, desde os primórdios da humanidade o homem já moldava argilas para confecção de utensílios domésticos, adotando como matéria-prima básica a argila, em função de sua plasticidade e abundância. Acompanhando a revolução industrial, a indústria cerâmica adotou o processo de fabricação em massa, para o qual é de fundamental importância o conhecimento, bem como, o controle das matérias-primas, produtos e processos de fabricação. No início as peças eram obtidas a partir da mistura de matérias-primas naturais e queima em fornos rudimentares. Toda a tecnologia era baseada na experiência de fabricação artesanal, transmitida entre indivíduos. Posteriormente os produtos cerâmicos passaram a ser fabricados em escala industrial e o aprimoramento tecnológico e da mão de obra tornou-se indispensável. Durante a última década, a prática do conceito de desenvolvimento sustentável tornou-se um dos maiores desafios para a sociedade global. O atual padrão de crescimento econômico está atrelado aos aspectos dos passivos ambientais industriais e fortemente condicionado ao esgotamento dos recursos naturais. É fundamental a adoção de estratégias de desenvolvimento industrial que contemplem alternativas tecnológicas tanto para reduzir os impactos dos resíduos ao meio ambiente, quanto para preservar os recursos naturais, sem comprometer o crescimento da atividade econômica. Um dos maiores desafios das organizações é manter a competitividade no mercado global de uma maneira sustentável. O aumento da competitividade internacional impõe às indústrias do setor de revestimentos cerâmicos a necessidade de elevar a qualidade de seus produtos. Por outro lado, a busca por matérias-primas de baixo custo, extraídas em regiões próximas às fábricas e o tratamento adequado da questão ambiental relacionada aos processos de produção é um fator diferencial e que pode ser decisivo na opção por um determinado produto pelo consumidor cada vez mais exigente consciente.

17 2 Um dos produtos de maior valor agregado no segmento de revestimentos cerâmicos é o porcelanato técnico. É obtido a partir de matérias-primas que apresentam um maior grau de pureza quando comparada a dos produtos esmaltados. Suas principais características são a boa resistência mecânica à flexão, resistência ao congelamento em função de sua baixa porosidade, boa resistência a agentes manchantes quando comparados aos mármores e granitos, diversidade de cores e acabamentos superficiais. Para possibilitar o desenvolvimento de uma composição de massa adequada, deve-se ter em conta: as propriedades do produto a se obter, as características do processo produtivo, a redução de custos e a preservação do meio ambiente. O processo de produção de revestimentos cerâmicos demanda um grande consumo de matérias-primas, na sua maioria de origem natural, de energia e de água. Qualquer ação no sentido de possibilitar a redução no uso destes recursos é de grande importância para a empresa e para a sustentabilidade da atividade produtiva. A redução na espessura do revestimento cerâmico tem como conseqüência imediata a redução de recursos em toda a cadeia produtiva, sem significar a redução no volume de produção que é medido em metros quadrados. Este trabalho tem seu foco no estudo de meios para obtenção de revestimentos cerâmicos de espessura reduzida em alguns milímetros, a identificação das propriedades das matérias-primas disponíveis, a escolha das mais adequadas, a seleção de um aditivo para melhorar a resistência mecânica das peças antes da queima, são etapas fundamentais para atingir os objetivos traçados. O sucesso no processo produtivo e no uso do produto é uma conseqüência direta da qualidade do trabalho desenvolvido em laboratório.

18 3 2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo geral O presente trabalho tem como objetivo principal estudar o desenvolvimento de uma composição de massa cerâmica para viabilizar a produção de revestimento tipo porcelanato técnico com espessura reduzida em alguns milímetros após queima Objetivos específicos Entre os objetivos específicos deste trabalho pretende-se: a) Caracterizar as matérias-primas disponíveis para uso no processo de desenvolvimento das composições de massa; b) Verificar a necessidade de utilizar um aditivo ligante para aumentar o módulo de resistência mecânica à flexão em três pontos das peças antes da queima; c) Desenvolver composições de massas cerâmicas em escala de laboratório; d) Testar em escala industrial as composições definidas nos trabalhos em laboratório; e) Caracterizar fisicamente os produtos obtidos nos testes industriais e avaliar os impactos da redução de espessura nas propriedades físicas do produto acabado; f) Viabilizar a produção de revestimento cerâmico tipo porcelanato técnico com a espessura reduzida em alguns milímetros; g) Avaliar os principais ganhos em toda a cadeia produtiva.

19 4 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1. Sustentabilidade, produção mais limpa e produtividade Atualmente a globalização da economia está num estágio bastante avançado. Porém, o termo globalização é normalmente utilizado e entendido apenas como sinônimo de globalização econômica [1]. Esta abordagem tem feito com que as organizações adotem diferentes estratégias de manufatura e serviços (produção enxuta, gerenciamento da cadeia de suprimentos, sistemas de qualidade, etc.) para tornar suas ações mais eficientes e, portanto, mais competitivas globalmente. Esta visão meramente econômica provoca a busca incessante pela competitividade a qualquer custo, o que gera inúmeros riscos para o meio ambiente, à sociedade e também, para a própria economia. Conciliar a pressão do mercado por produtos e serviços inovadores e competitivos com a demanda da comunidade por melhor qualidade de vida é o grande desafio com o qual se defrontam as empresas atualmente. Em 1987, a Comissão Mundial sobre o Meio Ambiente e Desenvolvimento, órgão criado pela Organização das Nações Unidas (ONU) em 1983, aprofundou o debate sobre a integração entre as questões ambientais e o desenvolvimento, de onde surgiu o termo desenvolvimento sustentável [2]. Desenvolvimento sustentável é uma abordagem do uso dos recursos naturais de tal maneira que as necessidades futuras das organizações e sociedade não sejam comprometidas. Em outras palavras, o desenvolvimento sustentável procura encontrar o equilíbrio entre o crescimento econômico e a proteção ambiental [3;4]. Portanto, a fim de garantir o desenvolvimento sustentável da economia, a globalização econômica deve ser combinada com a globalização ambiental [1]. Conceitos como desenvolvimento sustentável, projeto para o meio ambiente (ecodesign), eco-eficiência entre outros, surgiram como interfaces para possibilitar a integração entre o desempenho econômico e ambiental. Assim, a seqüência histórica de ignorar, diluir, controlar, melhorar os processos e prevenir a geração de poluição culminou com a adoção de técnicas que maximizam os

20 5 efeitos positivos sobre o meio ambiente com os ganhos de eficiência tanto para a indústria em termos econômicos e produtivos, como para a sociedade, em termos de bem estar [4]. O uso dos conceitos de produção mais limpa apresenta várias vantagens quando comparada as práticas de fim de tubo, entre as quais se podem citar: - Redução da quantidade de materiais e energia utilizados, tornando assim os processos mais econômicos de maneira sustentável [4]; - Prevenção da poluição, gerando menos resíduos, efluentes e emissões [4]; - Redução dos poluentes levando à criação de uma cultura que busca a inovação dos processos continuamente, aumentando conseqüentemente a produtividade das empresas [2]; - Maior grau de comunicação e participação das empresas com os organismos locais, governamentais e não governamentais, com as universidades e a comunidade [2]. A produção mais limpa objetiva preservar o meio ambiente, o consumidor e a comunidade, ao mesmo tempo em que busca o crescimento sustentável das organizações através da melhoria de sua eficiência, lucratividade e competitividade. Cada ação para reduzir o consumo de matéria-prima e energia previne ou reduz a geração de resíduos, resultando em aumento da produtividade e benefícios financeiros para a organização. O conceito de produtividade tem evoluído constantemente, tornando-se atualmente bastante abrangente. De uma questão relacionada com custos e qualidade, seu escopo foi expandido abrangendo questões sociais, tais como criação de empregos, segurança e redução da pobreza, melhoria da qualidade de vida, conservação dos recursos naturais e proteção ambiental. Esta visão abrangente de produtividade permite concluir que as ações tomadas pelas organizações para melhorar sua produtividade, acabam causando impactos além dos seus limites. Como conceito integrado, a produtividade é utilizada como uma estratégia de longo prazo que busca atender as demandas dos mercados e da comunidade, agregando valor de maneira racional, sob o ponto de vista do trabalho, dos recursos e do capital. A necessidade de ser cada vez mais competitiva leva as empresas a adotarem programas de melhorias que lhes permitam ampliar, de forma duradoura, uma posição

21 sustentável no mercado. Cada vez mais integrada a estes programas esta a preocupação ambiental Materiais cerâmicos Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos e não metálicos. A maioria das cerâmicas consiste em compostos que são formados por elementos metálicos e não metálicos, para os quais as ligações interatômicas são totalmente iônicas ou predominantemente iônicas com alguma natureza covalente. O termo cerâmica vem da palavra grega keramikos, que significa matéria-prima queimada, indicando que as propriedades desejáveis desses materiais são normalmente atingidas através de um processo térmico a alta temperatura conhecido por queima [5]. Os cerâmicos e os vidros distinguem-se dos outros materiais metais e polímeros essencialmente pelo tipo de ligações químicas que cada um possui. Independente dos produtos finais, o processo cerâmico inicia com a seleção de matérias-primas minerais. Podem-se classificar os materiais cerâmicos em dois grandes grupos: o das cerâmicas tradicionais, que utilizam essencialmente matérias-primas naturais com predomínio das de natureza argilosa, e as cerâmicas de alta tecnologia, onde as matérias-primas são purificadas industrialmente. A maior parte das fases cerâmicas, da mesma forma que as metálicas, são cristalinas. Entretanto ao contrário dos metais, suas estruturas cristalinas não contêm um grande número de elétrons livres. Os elétrons estão sendo compartilhados por covalência ou são transferidos de um átomo para outro, formando uma ligação; neste último caso, os átomos se tornam ionizados e transportam carga elétrica [6]. As ligações iônicas conferem aos materiais cerâmicos uma estabilidade relativamente alta. Como uma classe, tem temperatura de fusão, em média, superior a dos metais e materiais orgânicos. Em geral, também são mais duros e mais resistentes a alteração química. Assim como os materiais orgânicos, em geral, os materiais cerâmicos sólidos são, usualmente, isolantes. Em temperaturas elevadas, em virtude da maior energia térmica, conduzem eletricidade, porém de forma muito menos intensa que os metais. Devido à ausência de elétrons livres, a maior parte dos materiais cerâmicos é transparente, ao menos em seções delgadas, e conduzem mal o calor [6].

22 7 As características mais marcantes dos materiais cerâmicos são a fragilidade e a fratura com pequena ou nenhuma deformação. Este comportamento está em contraste com os metais, os quais escoam e deformam. Devido a estas características, os materiais cerâmicos não podem ser trabalhados por deformação, como os metais. Dois processos básicos foram desenvolvidos para conformar materiais cerâmicos, e são descritos a seguir. O primeiro usa partículas cerâmicas misturadas com um líquido, a combinação destes gera propriedades reológicas que permitem a conformação. Em seguida através de tratamento térmico as partículas são aglomeradas dentro de uma forma coesiva. A parte essencial deste processo é encontrar ou preparar as partículas finas, conformá-las e mantê-las coesivas por tratamento térmico. O segundo processo básico é fundir o material para formar um líquido e então conformá-lo durante o resfriamento e solidificação, este é usado principalmente na fabricação de vidros [7]. As modernas técnicas de construção, a crescente competitividade frente aos mercados internacionais e a renovação tecnológica, exigem produtos que satisfaçam aos requisitos fundamentais de alta qualidade e baixo custo. O conhecimento das matérias-primas e o efeito das etapas de processamento nas propriedades do produto final são necessários para atingir essas exigências. Segundo a ABNT NBR 15463:2007, placas cerâmicas para revestimento são materiais compostos de argila e outras matérias-primas inorgânicas, geralmente utilizadas para revestir pisos e paredes, sendo conformados por extrusão, ou por prensagem, podendo também ser conformados por outros processos. As placas passam por secagem e queima à temperatura de sinterização. Podem ser esmaltadas ou não esmaltadas, em correspondência aos símbolos GL (glazed) ou UGL (unglazed), conforme NBR Para o bom desempenho do revestimento cerâmico, é necessário escolher o material certo para cada ambiente e aplicação. Alguns aspectos são fundamentais para a escolha correta do produto: as propriedades do material, o clima e o local de uso. Apenas a visão conjunta desses três fatores possibilitará uma escolha correta. As placas cerâmicas para revestimento possuem características próprias determinadas por suas propriedades; é através do seu conhecimento que se torna possível especificar corretamente.

23 As especificações englobam o coeficiente de atrito apresentado; características de resistência ao manchamento, à abrasão, ao ataque químico; dentre outras. Uma das principais classificações para revestimento cerâmico engloba a média de absorção de água apresentada pelas peças, ela determina a qual classe o revestimento pertence. O Quadro 01 mostra essa classificação para produtos conformados por prensagem, identificados pela letra B na classe. Quadro 01: Grupos de absorção e sua nomenclatura. Classes de Revestimentos Cerâmicos por Absorção de Água Nomenclatura Usual Classe % Absorção de Água Porcelanato BIa AA 0,5 Grés BIb 0,5 < AA 3,0 Semi-grés BIIa 3,0 < AA 6,0 Semi-poroso BIIb 6,0 < AA 10,0 Poroso BIII AA > 10,0 O processamento cerâmico começa, normalmente, com uma ou mais matériasprimas, um ou mais líquidos e um ou mais aditivos de processamento. Os materiais iniciais, ou sistema formulado, podem ser beneficiados física e/ou quimicamente, através de operações como moagem, lavagem, dissolução química, sedimentação, flutuação, separação magnética, dispersão, mistura, classificação, desaerização, filtragem ou filtroprensagem. A técnica de conformação usada depende da consistência do sistema (por exemplo: barbotina, pasta plástica ou material granulado) e produzirá uma forma particular, com determinada composição e microestrutura. A operação de secagem remove algum ou todos os líquidos residuais de processamento e as operações adicionais podem incluir maquinação em verde, desbaste superficial, polimento superficial e limpeza, bem como aplicação de recobrimentos superficiais com materiais com propriedades elétricas ou vidrados. O produto sofre, então, um tratamento térmico final, para produzir uma microestrutura sinterizada [8] Porcelanato Desenvolvido no final dos anos setenta, como um produto destinado a ambientes e aplicações específicas, o porcelanato manteve-se a margem do vertiginoso crescimento da indústria italiana, até os anos noventa. A partir de então o porcelanato, devido aos constantes avanços e inovações nos processos e equipamentos incorporados, expandiu-se para além da Itália.

24 9 No Brasil as empresas pioneiras na produção de revestimentos cerâmicos tipo porcelanato técnico foram: a Eliane S/A Revestimentos Cerâmicos em 1996 e a Portobello S/A em Em 2009 a produção de porcelanato representou aproximadamente 7% da produção de revestimentos cerâmicos no Brasil. Nas figuras 01 e 02 são apresentados os números da produção de revestimentos cerâmicos e de porcelanato nos últimos três anos, segundo dados da ANFACER - Associação Nacional de Fabricantes de Cerâmica para Revestimento. Produção de Revestimentos Cerâmicos no Brasil - ANFACER milhões de m² Figura 01: Produção de revestimentos cerâmicos no Brasil. Produção de Revestimentos Cerâmicos Tipo Porcelanato no Brasil - ANFACER milhões de m² Figura 02: Produção de porcelanato no Brasil. Segundo a ABNT NBR 15463:2007, porcelanatos são placas cerâmicas para revestimento constituídas por argilas, feldspatos e outras matérias-primas inorgânicas. Destina-se a revestir pisos e paredes, podendo ser conformado por prensagem, extrusão ou por outros processos. O processo de fabricação envolve elevado grau de moagem, alto teor de matérias-primas fundentes e alta densificação após queima, resultando em produtos com baixa

25 10 porosidade e elevado desempenho técnico. Pode ser esmaltado ou não, polido ou natural, retificado ou não retificado. Pode apresentar dimensões variadas. O Porcelanato é uma classe de revestimento cerâmico adequada a áreas de alto tráfego, encontradas com acabamento polido e fosco. No tipo fosco existe uma versão chamada de natural onde a peça é comercializada com o mesmo acabamento superficial da saída do processo de queima, e outra denominada anticato onde a peça passa pelo processo de polimento, porém o brilho final é baixo com reflexão menor que 25%. Entre suas características, podem-se citar: uniformidade de coloração, alta resistência a abrasão física e química, absorção próxima a zero e massa homogênea. Trata-se de um produto de revestimento que combina características estéticas com alta técnica, o que o torna indicado para ambientes de alto tráfego como escolas, hospitais, shopping centers, supermercados, indústrias e câmaras frigoríficas, dentre outros. Devido as suas características e versatilidade na combinação de cores é especialmente indicado para ambientes residenciais onde o efeito estético é um requisito importante [9]. Embora tenha surgido como um produto sem a camada de esmalte, atualmente pode ser facilmente encontrado no mercado nas versões esmaltado e não esmaltado, caracterizandose como um produto de grande versatilidade e alto valor agregado. No seu emprego na versão não esmaltada são ressaltadas as características de boa resistência da superfície ao ataque químico de ácidos, exceto o fluorídrico e seus derivados, impermeabilidade e resistência ao congelamento. O produto não esmaltado pode passar por etapas de polimento, que conferem a superfície do produto alto brilho, assemelhando-se aos mármores e granitos comercializados, em relação aos quais tem preços de venda mais baixos, mesmo sendo dotados de características técnicas superiores. Na versão esmaltada alia a variedade de cores e efeitos estéticos, com as vantagens da superfície esmaltada relacionadas à facilidade de limpeza com as elevadas propriedades mecânicas do porcelanato. Segundo a ABNT NBR 15463:2007 as placas cerâmicas para revestimento tipo porcelanato podem ter as seguintes definições: a) Porcelanato técnico: placa cerâmica não esmaltada para revestimento que apresenta absorção de água menor ou igual a 0,1%.

26 11 b) Porcelanato técnico polido: porcelanato técnico que recebe polimento mecânico, o qual resulta em uma superfície com intensidade variável de brilho, em toda a superfície ou em parte dela, de acordo com o efeito estético desejado. c) Porcelanato técnico natural: porcelanato técnico que não recebe polimento. d) Porcelanato esmaltado: placa cerâmica esmaltada para revestimento que apresenta absorção de água menor ou igual a 0,5%. e) Porcelanato retificado: porcelanato que pode ser técnico ou esmaltado, que recebe um desbaste nas arestas laterais. f) Porcelanato não retificado: porcelanato que pode ser técnico ou esmaltado, que não recebe um desbaste nas arestas laterais Processamento de materiais cerâmicos A obtenção de um produto depende de fatores materiais e não materiais, como por exemplo, os aspectos econômicos do mercado, a resposta dos consumidores, as tolerâncias dimensionais, a qualidade aparente e a produtividade. A fabricação dos produtos cerâmicos constitui uma complexa interação entre matérias-primas, processos tecnológicos, pessoas e investimentos [8]. Os parâmetros de processo afetam significativamente as propriedades tecnológicas das massas cerâmicas após a secagem e no produto sinterizado. Além da composição químico-mineralógica, é de grande importância um controle das variáveis nas etapas de moagem, compactação, secagem e das condições de sinterização Processo de produção de revestimento cerâmico tipo porcelanato O processo utilizado para a fabricação de revestimentos cerâmicos tipo porcelanato com moagem contínua é apresentado esquematicamente na figura 03. O controle da produção do porcelanato inicia-se na seleção das matérias-primas, é fundamental manter a homogeneidade do lote e atender às especificações, a fim de evitar variações de tonalidade e na fusibilidade da composição.

27 12 Águae aditivos Dosar por volume Matériasprimas plásticas Dosarpor pesagem Dissolver por agitação Matériasprimasnão plásticas Dosarpor pesagem Armazenar Peneirar Dosar por volume Armazenar Dosar por volume Moer em moinho contínuo ou descontínuo Água Dosar por volume Preparar concentrado de corante Peneirar Dosar por volume Armazenar Atomizar Esmaltar/ Decorar Armazenar Dosar por volume Queimar Polire/ou retificar Micronizar e/ou misturar Classificar Dosar por volume Prensar Embalar Armazenar Secar Expedir Figura 03: Fluxograma de produção de porcelanato.

28 13 As demais etapas do processo também necessitam de controle para que seja possível prever as características do produto final [9]. A moagem é uma etapa crítica, onde o controle sobre o tamanho das partículas deve ser mantido para garantia das condições de compactação e características do produto pós-queima. Na atomização (spray dryer) é necessário manter-se um estreito intervalo de viscosidade da barbotina, a fim de garantir a estabilidade no padrão do pó atomizado. Variações no tamanho do grânulo significam heterogeneidades na conformação das peças no processo de prensagem. O tempo de repouso da massa recém atomizada não poderá ser inferior a 36 h, para garantir a homogeneização da umidade. A prensagem é a etapa onde, além da conformação, busca-se uma redução da porosidade intergranular. A pressão específica de compactação varia de 40 a 50 MPa, requerendo-se para esta finalidade prensas hidráulicas com elevada capacidade de força de prensagem, em geral acima do equivalente a uma massa de toneladas. A variação da densidade aparente deverá ser mínima para evitar deformações e desvios na ortogonalidade. O uso de moldes com prensagem uniaxial diferenciada é imprescindível [9]. Para a fabricação de produtos decorados usando sais solúveis, a temperatura da peça deve ser rigorosamente controlada para garantir uma penetração dos sais entre 1,5 e 2,0 mm. Os produtos decorados são críticos, pois o desvio na planaridade das peças deverá ser mínimo, já que no processo de polimento a camada removida deverá ser uniforme para evitar as diferenças de tonalidade [9]. Na queima do porcelanato, a sinterização em presença de fase líquida viscosa é o processo de densificação que mais contribui para a baixa porosidade final das peças, conferindo-lhes as propriedades desejadas. Neste contexto, a queima é entendida como o processo global de tratamento térmico de uma composição cerâmica, resultando em eliminação de umidade, eliminação de compostos de carbono e de voláteis, desidroxilação, oxidação, decomposições e, finalmente, a sinterização do corpo cerâmico e o amolecimento dos materiais vítreos. Para que a composição apresente um intervalo de sinterização adequado, é imprescindível que esta apresente características específicas durante a queima: desenvolvimento de fase líquida suficiente, com viscosidade apropriada, para que a peça possa alcançar a porosidade desejada [9]; no intervalo de queima, a variação da quantidade de

29 14 fase líquida e sua viscosidade devem ser graduais com a temperatura, para que as alterações de contração linear, absorção de água e deformação piroplástica também o sejam. A etapa seguinte foi uma inovação na produção de revestimentos cerâmicos: o polimento. O brilho é uma característica bastante procurada pelos consumidores de revestimentos cerâmicos, pois além do efeito estético facilita também a limpeza. O equipamento usado para conferir brilho às peças vem acoplado a outro que retifica as arestas laterais, de maneira que todas possuam tamanho com uma faixa de variação não superior a 0,5 mm. Todo o porcelanato técnico passa pelo processo de retifica. No polimento, alguns poros fechados que estão distribuídos no interior da peças são abertos para a superfície, podendo levar a uma diminuição da resistência às manchas, o que é indesejável, pois com o uso pode haver a deterioração da superfície [9]. Assim, é fundamental o controle do tamanho, forma e a interligação dos poros. O produto ideal é aquele que apresenta uma microestrutura composta de poros isolados e de tamanho inferior a 15 µm. A classificação das placas é feita em máquinas semi-automáticas, onde o operador avalia somente os defeitos estéticos e a tonalidade. Os defeitos relativos à planaridade e dimensão são avaliados por sensores eletrônicos Propriedades mecânicas do porcelanato No quadro 02 são apresentadas as principais propriedades físicas dos porcelanatos em função da área superficial e da espessura (e) de fabricação, segundo a ABNT NBR 15463:2007. Quadro 02: Propriedades físicas do porcelanato segundo ABNT NBR 15463:2007. Propriedades físicas Absorção de água Módulo de resistência à flexão Carga de ruptura Unidades Área do produto 50 cm² Área do produto > 50 cm² Técnico Esmaltado Técnico Esmaltado Média % 0,1 0,5 0,1 0,5 Individual (máx) % 0,2 0,6 0,2 0,6 Média MPa Individual (mín) MPa e< 7,5 mm N e 7,5 mm N Não de aplica

30 Matérias-primas cerâmicas usadas na fabricação de porcelanato As matérias-primas cerâmicas são minerais ou acumulações de rochas com as quais se podem fabricar produtos cerâmicos, a partir de seu estado natural ou com tratamento prévio [10]. As matérias-primas utilizadas para a preparação das massas cerâmicas raramente são substâncias puras. Elas estão constituídas por minerais argilosos (argilas, caulins, etc.) e não argilosos (feldspato, quartzo, talco, etc.) cujas características plásticas ou não plásticas são determinadas pelas quantidades predominantes dos mesmos numa amostra. Quanto maiores os teores de minerais argilosos mais plástica será a matéria-prima Argilas O termo argila é empregado para designar um material inorgânico natural, com partículas pequenas de poucos micrometros, que apresenta comportamento plástico quando adicionada uma determinada quantidade de água, e esta plasticidade pode ser expressa em um consistente aumento de resistência mecânica nas amostras após a secagem. Do ponto de vista sedimentológico e de tamanho de partícula, a fração argila corresponde ao conjunto de partículas inferiores a 2µm ou 4µm, segundo as escalas de Atterberg e Wentworth, respectivamente [11]. Mineralogicamente, as argilas são constituídas predominantemente de argilominerais (filossilicatos), e seus tipos mais comuns são formados de folhas tetraédricas (T) de silício e octaédricas (O) de alumínio, e, com menor freqüência, de magnésio e/ou ferro. Constituem unidades estruturadas na proporção 1:1 (TO) ou 2:1 (TOT). Além do arranjo estrutural, o espaçamento basal dessas unidades é típico dos argilominerais dos diversos agrupamentos, destacando-se os grupos da caulinita, ilita e esmectita como os mais importantes do ponto de vista cerâmico. Juntamente com as partículas de argilominerais ocorrem outros minerais, geralmente nas frações silte (0,002mm < Ǿ < 0,62mm) e areias (Ǿ > 0,62mm). Nos tamanhos maiores, o mineral mais comum é o quartzo, seguido de micas, feldspatos e minerais opacos [11]. As argilas são uma matéria-prima básica para todas as massas cerâmicas. Nas massas cerâmicas para porcelanato desenvolvem uma série de funções, dentre as quais: aportar uma coloração clara na queima; conferir características ligantes e plasticidade à massa cerâmica;

31 16 aportar propriedades reológicas, facilitando a fluidez; conferir com as características fundentes uma boa densidade; aportar características mecânicas ótimas nos sinterizados [12]. Para o porcelanato são utilizadas, freqüentemente misturadas entre si, tanto argilas relativamente pouco plásticas, ricas em caulinita, como argilas particularmente plásticas, mais ricas em minerais argilosos como ilita e montmorilonita [12]. Os principais óxidos presentes nos minerais argilosos são: a) SiO 2 : provém de duas fontes mineralógicas totalmente diferentes; do mineral argiloso (Al 2 O 3.2SiO 2 ) e do quartzo livre. Quanto menor é o percentual significará, normalmente, uma menor quantidade de quartzo livre na argila melhorando a sua plasticidade. b) Al 2 O 3 : logicamente ocorre o contrário que com a SiO 2, quanto maior a quantidade maior a presença de material argiloso. c) Fe 2 O 3 e TiO 2 : ambos são elementos considerados como impurezas corantes, proporcionam a massa cores vermelhas, marrons e amarelas. d) MgO e CaO: normalmente provém de carbonatos ou de argilas dolomíticas, atuam como modificadores de poder de fundência, porém os óxidos alcalinos terrosos prejudicam a tonalidade desenvolvida e a estabilidade de algumas cores, quando a massa for colorida. Quando forem provenientes de carbonatos podem causar problemas de furos e/ou agulhados. e) Na 2 O e K 2 O: ambos os componentes atuam como fundentes e são desejáveis, pois permitem uma redução do percentual final de feldspatos na composição Caulim O nome caulim deriva de Kau-ling, localidade da China da qual foram extraídas as primeiras amostras. A fórmula da caulinita é a seguinte: Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O. O caulim apresenta-se em massa compacta, terrosa, microcristalina, de dureza 1 na escala Mohs, massa específica 2,6 g/cm³ e brilho baixo de madrepérola. O caulim é o produto no qual se transformam em profundidade os aluminossilicatos (feldspatos, plagioclásios, feldspatóides) contidos nas rochas [12]. Verifica-se uma hidrólise dos silicatos com solubilização dos íons alcalinos e alcalino-terrosos sob a forma de carbonatos, permanecendo insolúveis os silicatos hidratados de alumínio que, devido à elevada temperatura e pressão, cristalizam.

32 17 O emprego do caulim em cerâmica está restrito a cerca de 10% da produção mundial, enquanto encontra um largo uso na indústria de papel como branqueador e material de carga. Além de conferir brancura à massa, a caulinita é uma aportadora fundamental do óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) que durante a fase de vitrificação da massa cerâmica torna-se um regulador do equilíbrio das reações. De fato, a alumina pode tomar parte na formação de uma fase vítrea do tipo sílico-aluminosa em associação com elementos alcalinos fundentes, ou também é encontrado, predominantemente no final da queima, como mulita (3Al 2 O 3.2SiO 2 ) que, pela sua estrutura em forma de agulhas, atua como um esqueleto aos produtos obtidos, contribuindo para o aumento da resistência mecânica [12] Feldspatos Os feldspatos desenvolvem um papel fundamental nas massas cerâmicas de porcelanato. De fato, deve-se a estes minerais a elevada gresificação e a alta resistência mecânica que registram os produtos no final da queima [12]. Os feldspatos são os minerais mais difundidos nas rochas eruptivas, das quais constituem cerca de 60%, estando presentes como constituintes mineralógicos essenciais nestas rochas. Os feldspatos são definidos como sílico-aluminatos de metais alcalinos e alcalino-terrosos. Do ponto de vista químico, distinguem-se em: ortoclásio, K(AlSi 3 O 8 ) - feldspato potássico; albita, Na(AlSi 3 O 8 ) - feldspato sódico; e anortita, Ca(Al 2 Si 2 O 8 ) - feldspato cálcico [12]. Albita e anortita dão lugar a uma série isomórfica de cristais mistos, disseminados nas rochas eruptivas (intrusivas ou extrusivas) denominados plagioclásios, entre os quais se podem citar: oligoclásio, andesina, labradorita, bitownita. Junto aos feldspatos há uma categoria de minerais denominados feldspatóides, como a leucita e a nefelina [12]. Os feldspatos encontram um largo emprego nas cerâmicas onde é necessário atingir um alto grau de gresificação, como em massas cerâmicas tipo: porcelanato, vitreous china, porcelana e em monoqueima semi-gresificada. O comportamento cerâmico mais característico dos minerais feldspáticos é a notável fusibilidade e a formação, com os outros elementos presentes, de eutéticos que possibilitam atingir a gresificação mesmo a temperaturas inferiores a 1200 C.

33 18 Elemento básico para as propriedades fundentes é o teor de álcalis no mineral. O valor teórico de K 2 O e de Na 2 O, nos feldspatos potássico e sódico, é de 16,9% e de 11,8%, respectivamente. Quanto mais o teor em álcalis se aproxima do valor teórico, maior o valor comercial do feldspato. As quantidades em que é adicionado às massas cerâmicas dependem muito do caráter fundente do feldspato, isto é, da quantidade de álcalis presente no mineral [12] Formulação do sistema Uma massa cerâmica pode ser considerada adequada quando a relação entre as matérias-primas plásticas e matérias-primas não plásticas é tal que confira à peça conformada uma suficiente resistência a verde e a seco. A massa cerâmica deve possuir uma adequada composição química e mineralógica, de maneira que as transformações físico-químicas que ocorrem durante o processo de queima forneçam ao produto acabado as propriedades desejadas. Conhecendo o produto a ser desenvolvido faz-se: a definição das matérias-primas, o estabelecimento da proporção entre as matérias-primas e a verificação das condições de processamento. Para escolha das matérias-primas deve-se ter em conta: a natureza dos átomos presentes, a proporção relativa entre os átomos, as ligações entre os átomos e a proporção de átomos na superfície. As principais funções dos materiais plásticos são de atuar como agente suspensor, facilitar a conformação, proporcionar resistência mecânica e ser aportador de óxidos formadores de fases vítreas e cristalinas. As principais funções dos materiais não plásticos são de melhorar a permeabilidade, a compacidade, aportador de óxidos formadores de fases vítreas e cristalinas, por ser inerte reduz as retrações de secagem e de queima. Uma boa massa cerâmica é aquela que, dentro das condições de processamento disponíveis e a um custo compatível com os valores praticados no mercado para o produto, permite a produção na escala desejada de peças cujas características, quase na sua totalidade, estejam dentro dos limites de variação admissíveis das suas propriedades, sem comprometer o meio ambiente da região na qual a indústria esta localizada, assim como, nos locais de origem das matérias-primas utilizadas, conforme associação representada na figura 04.

34 19 Custo Produto Composição Processo Meio Ambiente Figura 04: Fatores que devem ser considerados para o desenvolvimento de uma composição de massa cerâmica. Assim, de forma resumida a formulação de massa cerâmica deve: - proporcionar as propriedades exigidas ao produto; - se adequar as características do processo de fabricação; - usufruir das características das matérias-primas disponíveis; - ter o seu custo otimizado; - permitir a sustentabilidade Etapas de processamento Moagem O estado de aglomeração das matérias-primas plásticas e a granulometria grosseira dos materiais duros constituem impedimentos à obtenção de misturas uniformes, homogêneas e reativas. Na etapa de moagem utilizam-se duas tecnologias distintas para a moagem das matérias-primas: moagem via úmida e moagem via seca. Na moagem via úmida, as matérias-primas são moídas junto com uma quantidade de água suficiente para transformá-las em uma suspensão cerâmica bastante homogênea, a qual será submetida a um atomizador (processo de spray dryer) transformando a mistura em um pó atomizado com teores apropriados de umidade. Na moagem a seco, as matérias-primas com alto teor de umidade são secas e levadas a um moinho, onde são reduzidas a tamanhos de partículas apropriados. Posteriormente, o pó é umidificado e granulado [8].

35 Prensagem A conformação por prensagem é hoje o processo mais utilizado na indústria de revestimentos cerâmicos, não só porque dá uma resposta satisfatória às exigências técnicas dos utilizadores dos produtos, mas também porque introduz uma maior racionalidade nos processos de fabricação, permitindo que as produtividades e os fatores de produção atinjam valores que não estão ao alcance de qualquer outro processo de conformação. Na prensagem seca, umidade da mistura entre 0 e 10%, a maior parte do trabalho realizado pelas forças de prensagem é o de densificação (eliminação da porosidade intragranular), por rearranjo, deformação plástica e fratura dos aglomerados, dos agregados e das partículas. A massa final do objeto conformado é aproximadamente igual à massa de pó ou granulado inicial e as retrações associadas à secagem são reduzidas [8]. Em geral, a pressão de prensagem é da ordem de MPa (400 a 500 kgf/cm 2 ) Secagem A operação de secagem destina-se a eliminar a água de processamento presente nas peças conformadas, para aumentar a resistência mecânica dos produtos crus, de modo a suportarem as operações de acabamento, e prepará-los para a operação de sinterização Sinterização Na etapa de sinterização realizam-se transformações necessárias para que as propriedades e a microestrutura finais sejam as mais ajustadas ao tipo de aplicação projetada para os produtos. Atingir estes objetivos depende de parâmetros como: a temperatura, o tempo de permanência a máxima temperatura, a pressão interna do forno, a velocidade de aquecimento ou resfriamento e a natureza da atmosfera em que ocorre o tratamento térmico. Durante a sinterização, os produtos cerâmicos sofrem expansões e contrações reversíveis e irreversíveis, estando estas associadas a transformações, igualmente irreversíveis, devidas ao aquecimento e resfriamento.

36 Propriedades dos materiais cerâmicos As propriedades dos materiais cerâmicos são determinadas pelas características atômicas e microestruturais dos materiais que os compõem. Estas características são influenciadas pela seleção das matérias-primas e pelo processo de fabricação Absorção de água A absorção de água de um material cerâmico queimado é um parâmetro utilizado para medir a porosidade aberta e avaliar a fundência do material. Em geral, quanto menor a absorção de água de uma peça, maior a sua retração linear de queima, maior a sua densidade aparente após queima, maior a sua resistência mecânica á flexão e a carga de ruptura. Definese como o ganho em peso, expresso em porcentagem, que a peça apresenta quando introduzida em água em ebulição durante um período determinado. Como visto no quadro 01 a absorção de água caracteriza os diferentes tipos de revestimentos cerâmicos Retração linear A retração linear ocorre devido a uma densificação do material, em decorrência do coalescimento das partículas e formação de fase líquida durante a sinterização. A fase líquida formada durante a sinterização diminui a viscosidade enquanto a temperatura aumenta, preenchendo os vazios entre as partículas, permitindo uma diminuição da porosidade e uma maior densificação da peça. Corpos menos porosos, apresentam maior retração no resfriamento Densidade aparente Esta propriedade pode ser considerada como uma das mais importantes do processamento cerâmico. A densidade aparente (DAP) do corpo compactado interfere diretamente nos resultados de resistência mecânica à flexão (RMF) após secagem e queima, na retração linear (RL) e na absorção de água (AA). A DAP é medida no ensaio por imersão em mercúrio. O ensaio de densidade dos corpos-de-prova a seco tem por finalidade avaliar o estado de compactação obtido.

37 22 Na figura 05 observa-se que com diferentes pressões de compactação, a densidade aparente após a secagem aumenta linearmente com o aumento da pressão de compactação. Como a densidade do compactado é dada pela razão entre a massa e o volume do mesmo e a massa permanece constante durante a compactação, a forma de se aumentar a densidade é através da redução no volume. Portanto, a densificação depende da facilidade com que os grânulos se deformam plasticamente, ou seja, da sua plasticidade e também da força de prensagem. 2,05 2,00 Dap seco (g/cm³) 1,95 1,90 1,85 1,80 30 Mpa 45 Mpa 1,75 4,0 5,8 6,5 7,0 8,5 % Umidade Figura 05: Variação da densidade após secagem com a umidade do pó e a pressão de compactação. A densidade aparente do pó cerâmico aumenta com uma conveniente distribuição do tamanho de partículas, principalmente com a maior quantidade de partículas finas. Entretanto, a presença de partículas mais finas não pode ser exagerada, sob conseqüência de provocar uma separação de partículas finas, resultando em maior porosidade % ,22 2,25 2,29 2,30 2,32 Dap após queima (g/cm³) RL AA Figura 06: Variação da retração linear (RL) e da absorção de água (AA) em função da densidade aparente após queima.

38 23 Nas peças queimadas o valor da densidade aparente é utilizado para medir o grau de sinterização. Enquanto a absorção de água (AA) diminui, a retração linear (RL) e a densidade aparente (DAP) aumentam, conforme mostrado na figura 06. Quando a porosidade aberta atinge o ponto zero, o aumento na temperatura de queima provoca nas peças expansão volumétrica, devido ao aumento de volume dos gases presos na porosidade fechada, fenômeno que pode ser facilmente detectado pela redução nos valores da densidade aparente com o aumento da temperatura, efeito mostrado na figura 07. Dap após queima (g/cm³) 2,39 2,38 2,38 2,37 2,37 2,36 2,36 2,35 2,35 2,34 2, Temperatura de queima ( C) Figura 07: Variação da densidade aparente após queima em função da temperatura de queima Resistência mecânica à flexão (RMF) Esta propriedade é uma característica intrínseca do material cerâmico. A resistência do material como um todo, não depende somente do módulo, pois também está relacionada à espessura da peça. Portanto, existe um módulo de ruptura do corpo (em MPa) e uma carga de ruptura da peça (em N). Os materiais cerâmicos apresentam alto módulo de elasticidade, são frágeis e bastante duros. A presença de porosidade e de fase vítrea na estrutura dos materiais cerâmicos tradicionais realiza um efeito de redução da resistência mecânica. No quadro 02 foram apresentados os valores para o módulo de resistência mecânica à flexão (RMF) e para carga de ruptura para os revestimentos tipo porcelanato.

39 Deformação piroplástica A deformação piroplástica em revestimentos cerâmicos é caracterizada por um desvio permanente na planaridade da placa ocorrido a elevada temperatura por ação da força da gravidade [13], na figura 08 pode-se observar este efeito. O fenômeno ocorre devido ao fluxo viscoso da fase líquida que se forma durante o processo de queima. Quanto maior a quantidade de fase líquida e menor a sua viscosidade, maior a tendência a deformação [14]. Figura 08: Peça deformada após queima. Em porcelanatos técnicos a deformação piroplástica é mais freqüente, pois, estes materiais são produzidos a partir de massas altamente vitrificadas visando uma baixa incidência de poros no produto final. A deformação piroplástica ocorre devido à vitrificação do corpo cerâmico durante a queima. Conforme aumenta a temperatura no interior do forno há um aumento gradual de fases líquidas formadas. Estas fases se desenvolvem em razão da fusão parcial dos componentes mais fundentes da massa. À medida que a temperatura aumenta, os componentes mais refratários vão sendo progressivamente dissolvidos pelas fases líquidas, fazendo com que o volume das mesmas aumente consideravelmente. Além da temperatura na zona de queima, a velocidade de aquecimento e o tempo de permanência das peças na temperatura máxima são variáveis que também podem exercer influência sobre a deformação piroplástica, pois esta depende do trabalho térmico ao qual a peça é submetida. Considerando o processo de vitrificação que ocorre durante a queima, observa-se que a deformação piroplástica só começa a se manifestar de maneira pronunciada quando se atingem elevados graus de vitrificação.

40 Produtos com espessura reduzida Os principais métodos utilizados para produção de revestimentos com espessura reduzida são: - prensagem convencional; - prensagem especial; - extrusão; - extrusão-prensagem; - colagem de fita. As principais estratégias para produção de revestimentos de baixa espessura são: - utilizar aditivos ligantes para aumentar ao máximo possível a resistência mecânica à flexão após a secagem; - reduzir a expansão pós-prensagem; - respeitar o limite de uso dos aditivos ligantes, pois estes prejudicam as propriedades reológicas da barbotina e causam defeitos na queima como manchas no interior das peças de carbeto de ferro (coração negro) e aumentam as emissões gasosas no processo de queima. Os principais obstáculos técnicos e estéticos para a redução de espessura em revestimentos cerâmicos são: - a carga de ruptura; - a resistência ao impacto; - na esmaltação não é possível aplicar a quantidade de água usual; - as dificuldades para decoração por contato. Os primeiros passos no sentido de produzir revestimentos cerâmicos com espessura reduzida foram dados pela empresa System que a partir de 2001 iniciou a produção do produto denominado Lamina. Em 2002 a Morandini fez algumas tentativas de obter revestimentos cerâmicos por Tape Casting. Em 2008 numa parceria entre SACMI, NEOS Additives e Revigres foi iniciada a produção de porcelanato esmaltado com espessura reduzida em Portugal. Atualmente várias empresas no mundo já produzem revestimentos cerâmicos de baixa espessura. Na figura 09 é apresentada a distribuição percentual dos 29 produtos com espessura menor que 7,5 mm que foram expostos na edição de 2009 da

41 CERSAIE Salão Internacional da Cerâmica para a Arquitetura e Construção, evento que acontece em Bolonha na Itália. 26 Figura 09: Distribuição dos produtos com espessura menor que 7,5 mm apresentados na CERSAIE Aditivos ligantes para aumento da resistência mecânica após secagem Para garantir a integridade física da placa cerâmica no seu transporte durante as etapas de processamento que precedem a queima, é necessário que as peças apresentem resistência mecânica adequada. Esta propriedade pode ser atingida a partir de matérias-primas naturais, por condições de processamento ou através do uso de aditivos ligantes. No quadro 03 são apresentadas as principais tipologias de aditivos ligantes usados com esse objetivo. Quadro 03: Principais tipos de ligantes para massas cerâmicas. Tipo Classe Exemplos Polissacarídeos amido, celulose e pectina Resinas acrílicas poliacrilato de amônio Ligantes Alcoóis polimerizados álcool polivinílico Orgânicos Éteres de celulose carboximetilcelulose Gomas naturais goma Guar e goma Xantana Misturas de ligantes orgânicos Argilas bentonita e polenita Ligantes Silicatos alcalinos Na-silicato e K-silicato Inorgânicos Fosfatos alcalinos Na-fosfatos Misturas de ligantes inorgânicos Misturas híbridas de ligantes orgânicos e inorgânicos

42 27 de ligante. No quadro 04 podemos observar as principais vantagens e desvantagens de cada tipo Quadro 04: Principais vantagens e desvantagens dos ligantes para massas cerâmicas. Inorgânico Inorgânico-Orgânico Orgânico Aumenta resistência a seco em até 300%. Aumenta a resistência a seco em até 150%. Aumenta a resistência em até 90%. Não produz coração negro. Se utilizam percentuais intermediários de 0,5 a 2%. Se utilizam percentuais menores de 0,3 a 1,5%. VANTAGENS Aumenta a fusisbilidade da massa, o que permite diminuir o ciclo de queima. Adequado para todo tipo de formato Adequado para toda tipologia de esmalte e decoração. Não é necessário ajustar a composição de massa. Fácil dosar nos tanques. Diminui a viscosidade da barbotina. Fácil de dosar nos tanques. Não muda a viscosidade da barbotina. Não é necessário ajustar a composição de massa. Não produz filme no atomizador. Não adere as paredes do silo. Não contém enxofre Necessário adicionar altos percentuais de 1,5 a 6. Em percentuais mais altos pode causar coração negro. Causa coração negro. DESVANTAGENS Necessário ajustar a composição de massa. Deve ser adicionado na moagem. Aumenta a viscosidade da barbotina, concentração de sólidos 64%. Pode causar filme no atomizador. Pode aderir as paredes do atomizador. Pode impermeabilizar a superfície da peça dificultando a esmaltação. Aumentar a probabilidade do aparecimento de trincas por rehidratação. Degradação do ligante no secador durante as paradas de produção. Alguns ligantes orgânicos podem gerar emissões de combustão no forno

43 28 4. CARACTERIZAÇÃO 4.1. Curva de gresificação A curva de gresificação é a representação simultânea em gráficos ou tabelas das variações da absorção de água (AA) e da retração linear (RL) da peça com a temperatura de queima. Assim, tendo-se claramente estabelecida a faixa de AA desejada e a variação de tamanho admissível no produto final, pode-se usar a curva de gresificação para identificar a temperatura na qual essas características são alcançadas. Além disso, a curva de gresificação nos permite avaliar a tolerância da massa a variações de temperatura e condições de processamento, e portanto pode ser de grande utilidade como um instrumento de controle de qualidade. Nesse sentido, a curva de gresificação também pode ser utilizada como uma ferramenta para monitorar possíveis variações da composição da massa provocadas por variações das características entre diferentes lotes de uma mesma matéria-prima e/ou por desvios na dosagem, e tomar as ações corretivas necessárias. Diferentes produtos cerâmicos requerem características diferentes, e para se obter essas características utilizam-se massas apropriadas que apresentam comportamentos bastante distintos durante a queima Coordenadas colorimétricas Para o estudo de pigmentos cerâmicos, e da mesma forma para porcelanatos, é fundamental o uso de ferramentas quantitativas que possam avaliar e expressar as cores. Este suporte é fornecido pela colorimetria. Através dos conceitos desta ciência, sabe-se que são necessários três parâmetros para se caracterizar uma cor: tonalidade, luminosidade e saturação. A tonalidade corresponde ao comprimento de onda predominante. O que são usualmente chamados de cores (vermelho, verde, entre outras) são mais precisamente chamados de tons. A luminosidade descreve quanto de luz é refletida ou absorvida por um

44 29 objeto. A saturação depende das proporções ocupadas por cada comprimento de onda na radiação eletromagnética, ou seja, ela descreve a pureza da tonalidade. A transformação das cores em números foi realizada por meio da representação gráfica das variáveis cromáticas (luminosidade, tonalidade e saturação) em diagramas, de tal modo que cada ponto no plano ou espaço representa uma cor. Existem vários métodos que possibilitam a realização deste tipo de medida colorimétrica, um dos mais utilizados é o método CIELab (Commission Internationale de L Eclairage). O método CIELab permite medir a intensidade de absorção na região visível para obtenção dos parâmetros L*, referente à luminosidade que varia do negro (0) ao branco (100), a* que é intensidade de cor vermelho(+)/verde(-) e b* a intensidade de cor amarelo(+)/azul(-), como mostrado na figura 10. Figura 10: Sólido de cor do sistema L*a*b*: (a) representação tridimensional e (b) representação bidimensional. O método pode ser usado também para avaliação da tolerância instrumental ( E) que indica se a diferença de cor está na faixa aceitável. Esse tipo de análise é realizada com a aplicação da equação a, mostrada abaixo. E L a b (a) Na indústria de revestimentos cerâmicos, a tolerância instrumental é utilizada como parâmetro de qualidade. Um valor de E=0,5 já pode ser percebido visualmente, podendo causar a reprovação de um lote de material.