Processamento de Cerâmicas I COLAGEM 20/6/17

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1 Processamento de Cerâmicas I COLAGEM 20/6/17

2 Umidade (%) Líquido Plástico Semi-Sólido Sólido Índice de Plasticidade - IP Limite de Liquidez - LL Limite de Plasticidade - LP Limite de Contração - LC COLAGEM EXTRUSÃO PRENSAGEM

3 Colagem slip casting Processamento de Materiais Cerâmicos Processo de moldagem por colagem

4 COLAGEM É o processo de conformação de peças cerâmicas utilizando moldes porosos (gesso, polímeros, etc) e barbotinas. Barbotina suspensão estável de materiais cerâmicos na forma de pós em água suficientemente fluida para ser vertida em molde. Processo de escoamento de um líquido através de um leito de partículas sólidas, de espessura variável com o tempo

5 Diagrama esquemático do processo de colagem Início Água Qual composição? Molde de gesso Absorção de água Formação da parede Barbotina

6 Diagrama esquemático do processo de colagem Após um determinado tempo Água Molde de gesso Absorção de água Parede obtida por colagem Barbotina Para cada volume de líquido que infiltra no molde gera um determinado volume de sólido (parede)

7 Diagrama esquemático de um sistema de colagem Sucção Suspensão Parede Molde Filtrado (a) inicial (b) depois da formação de uma camada de parede

8 Ilustração do processo de colagem Etapas (1) o molde é completamente cheio com a barbotina (2) Fundição ou colagem (3) Após formação de parede, na espessura desejada, o excesso de barbotina é drenado do molde (4) Retirada da peça do molde.

9 Métodos de colagem (1) (2) (3) (4) (5) (1) Montagem do molde (2) Despejamento da barbotina e colagem (3) Drenagem (4) Peça acabada, removida do molde e aparada as rebarbas (5) Desmontagem do molde e remoção da peça acabada

10 Métodos de colagem (1) Montagem do molde (2) Enchimento do molde (3) Absorção de água da barbotina (4) Peça acabada, removida do molde e aparada.

11 Métodos de colagem

12 Produtos cerâmicos obtidos por colagem de barbotina Alumina

13 Moldes Os moldes de gesso são universalmente utilizados no processo de colagem, devido à: elevada porosidade e capacidade de absorção de água da barbotina. Água/Gesso Quanto maior essa relação, maior a porosidade e, consequentemente, maior a absorção do molde. Quanto mais poroso o molde, melhor????? Moldes excessivamente porosos causam rápido encharcamento, gerando grande quantidade de trinca nas peças, tornando-as frágeis ou inutilizáveis. 27/6/17

14 Moldes de gesso Outras propriedades importantes: Custo relativamente baixo Técnicas simples para produzir moldes a partir de modelos padrões A porosidade do molde pode ser controlada Molde pode ser seco e utilizado novamente.

15 Propriedades da barbotina Viscosidade suficientemente baixa para poder ser vertida com facilidade no molde Baixa velocidade de sedimentação quando em repouso Estabilidade das propriedades quando armazenada Habilidade para drenar uniformemente (no molde de gesso) Dar peças resistentes em colagem de peças grandes Não aderir ao molde Baixa retração de colagem após secagem Certa resistência mecânica na forma úmida e seca após colagem

16 Propriedades da barbotina Para se obter corpos com elevada densidade à verde, deve-se controlar a distribuição e o tamanho das partículas, sendo que estes também têm influência na viscosidade da suspensão devido à interação das forças entre partículas (Van der Waals). Quanto menores forem as partículas, maior será sua interação, porém partículas muito finas tendem a aumentar a viscosidade e formar aglomerados. Solução Para aumentar a densidade à verde: suspensão bimodal com melhor empacotamento entre as partículas. Para controlar ação das forças: utilização de aditivos que interferem na intensidade dessas forças provocando alterações na reologia da suspensão.

17 Barbotina - Aditivos Plastificantes Conferir ou aumentar a plasticidade de uma barbotina e posteriormente da peça verde. Defloculantes Estabilizam a suspensão, impedindo a coagulação das partículas, que se unem devido às forças de atração e posteriormente se sedimentam. Sendo assim, em uma suspensão defloculada, não há evidência de qualquer força atrativa, podendo-se obter uma parede de espessura uniforme do topo ao fundo da peça colada.

18 Barbotina - Aditivos Ligantes Aumentar resistência mecânica à verde, suficiente para permitir sua manipulação e armazenagem. O ligante forma pontes orgânicas entre as partículas que resultam numa adesão forte depois da evaporação da água. Atua também como lubrificante entre as partículas, se decompõe a baixas temperaturas sem deixar resíduos, efetivo em concentrações abaixo de 10% em massa.

19 Exemplos de composições de barbotinas para cerâmicas distintas Comparar com a suspensão utilizada na aula de laboratório Fonte: Rahaman

20 Exemplos de composições de barbotinas para cerâmicas distintas Fonte: Rahaman

21 Formação de parede camada depositada Durante a colagem a água flui por diferença de pressão para o molde, depositando as partículas sólidas da suspensão na superfície, formando então uma parede com o formato interno do molde. A absorção da água pelo molde e a formação da parede prosseguirão enquanto houver barbotina no molde, porém tornar-se-ão mais lentas à medida que a parede ficar mais espessa.

22 Colagem slip casting Cálculo da espessura da parede formada A colagem pode ser tratada como um processo de escoamento de um líquido através de um leito de partículas sólidas, de espessura variável com o tempo similar a um processo de filtração à pressão constante: l 2P r t sol Sendo a resistência específica r 1 B tem-se: B é o coeficiente de permeabilidade do leito que forma a parede

23 Defeitos Formação de vazios no interior das peças conformadas: (a) Interrupção da alimentação por obstrução do orifício de carga; (b) Localização incorreta do orifício de carga.

24 Colagem Processamento de materiais cerâmicos Resumo velocidade de formação da parede estrutura da parede resistência à deformação da peça porosidade e distribuição de tamanhos de poros da parede Relacionam-se com: Propriedades do molde porosidade distribuição de tamanhos de poros Características da barbotina composição concentração de sólidos distribuição de tamanhos das partículas morfologia das partículas natureza do líquido suspensor viscosidade e tixotropia da suspensão Temperatura e pressão

25 Processamento de Materiais Cerâmicos Colagem tape casting - Doctor Blade

26 Colagem tape casting - Doctor Blade Processamento de Materiais Cerâmicos

27 tape casting - Produção de fitas flexíveis presença de ligante - Espessura da fita controlada por uma lâmina : 10µm a 1mm

28 tape casting

29 tape casting

30 tape casting

31 tape casting - Doctor Blade Processamento de Materiais Cerâmicos Fluxograma esquemático para a colagem de fitas de um substrato de alumina

32 Slides com a dedução da equação para cálculo da espessura da parede da peça colada Estudo extraclasse

33 Colagem slip casting Cálculo da espessura da parede formada A colagem pode ser tratada como um processo de escoamento de um líquido através de um leito de partículas sólidas, de espessura variável com o tempo similar a um processo de filtração à pressão constante: Velocidade de escoamento do líquido (u) u (1) K P l u é a velocidade média de fluxo do líquido; K é uma constante que depende das propriedades físicas do empacotamento das partículas da parede e do fluido; P é diferença de pressão; l é a espessura da parede formada; Para N Re baixo (escoamento laminar), a resistência ao escoamento é originada pelo atrito viscoso e assim tem-se: K (2) B B é o coeficiente de permeabilidade do leito que forma a parede é a viscosidade do fluido Substituindo 2 em 1, tem-se: u B P l (3)

34 Colagem slip casting Cálculo da espessura da parede formada Sendo a resistência específica r 1 B tem-se: a velocidade de escoamento u pode ser expressa pelo quociente entre o VOLUME DE LÍQUIDO que escoa por UNIDADE DE TEMPO e por UNIDADE DE ÁREA do molde u 1 A dv dt (5) dv dt é o volume de líquido que escoa por unidade de tempo dv a relação entre dt e o volume de depósito formado por unidade de volume de líquido escoado (v sol. ) é dada pela seguinte equação: dv dt A v sol. dl dt (6) Substituindo 5 e 6 em 4, tem-se: Integrando (7) em relação ao tempo, permite relacionar a variação da espessura da parede com o tempo l u 2P r dl dt sol.. P rl (4) P sol. (7) rl t 1 2

35 F I M

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