ESTUDOS REOLÓGICOS DE DISPERSÕES ÁGUA-ÁLCOOL-FILITO DE ITAPEVA. Furlan, G.H.R.H. ; Miyahara, R.M.; Valenzuela-Díaz, F.R.; Toffoli, S.M.

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 ESTUDOS REOLÓGICOS DE DISPERSÕES ÁGUA-ÁLCOOL-FILITO DE ITAPEVA Furlan, G.H.R.H. ; Miyahara, R.M.; Valenzuela-Díaz, F.R.; Toffoli, S.M. Av. Prof. Mello Moraes, 2463 CEP: São Paulo, SP gustavo.furlan@poli.usp.br Engenharia Metalúrgica e de Materiais/LMPSol Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). RESUMO Este trabalho faz parte de uma série na qual já foram realizados estudos das propriedades reológicas de argilas e massas triaxiais, utilizando-se diferentes dispersantes, fases líquidas e substituindo parte da argila em massa triaxial por filitos. Neste trabalho, realizou-se um estudo do comportamento reológico de dispersões de filito da região de Itapeva, Estado de São Paulo, usados predominantemente pelas indústrias cerâmicas de São Paulo e Santa Catarina. As curvas de defloculação de dispersões contendo água e álcool (metanol, etanol e propanol) foram obtidas utilizando viscosímetro Brookfield. Utilizou-se concentração de 30% em massa de filito, em dispersões contendo 0, 5, 10, 25, 50, 75 e 100% em massa de cada álcool na parte líquida. Palavras-chave: filito, reologia, metanol, etanol, propanol. INTRODUÇÃO Os filitos são rochas metamórficas de baixo grau, possuem granulometria fina, são constituídos de minerais da classe dos filosilicatos tais como clorita, muscovita e sericita. O seu nome, de origem grega, significa rocha foliada, devido à sua estrutura. Os filitos de Itapeva, região sul do estado de São Paulo, são constituídos de micas (muscovita e sericita), caulinita, clorita, quartzo e feldspatos (1). Apresentam coloração clara e possuem baixos teores de Fe 2 O 3, podem ser utilizados para substituir parte da argila e do feldspato em uma massa de cerâmica branca e aumentar a velocidade de sinterização (2). Este material é usado nas massas para cerâmica branca principalmente na produção de louças sanitárias e cerâmica de revestimento nas industrias dos Estados de São Paulo e Santa Catarina. Pode também ser utilizado, após alguns beneficiamentos, como carga mineral em outros setores industriais.

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 Alguns trabalhos analisaram suspensões de bentonitas sódicas e caulinita em metanol e concluíram que ambas possuem um comportamento reológico semelhante. (3,4) Tal comportamento é explicado pela teoria da floculação em bandas formulada por Permien e Lagaly (5), nela os autores afirmam que as moléculas orgânicas do álcool causam um rearranjo das placas da bentonita sódica em formas típicas e formularam um modelo para descrever este fenômeno. Permien e Lagaly observaram o comportamento de montmorilonitas sódicas em soluções de metanol, etanol e n-propanol com 2% em massa de sólidos. O modelo formulado diz que em soluções com baixas concentrações de álcool as camadas, ou lamelas, dos aglomerados argilomineral se encontram separadas umas das outras, o que é indicado pelo baixo valor da viscosidade (região A da Figura 1). A adição de álcool reduz a constante dielétrica e a espessura da dupla camada iônica levando a um aumento das forças atrativas entre as partículas de silicato. A face das partículas fica com carga oposta à das arestas, as faces se unem às arestas, devido ao aumento da atração, formando uma rede de partículas chamada de estrutura de castelo de cartas. Essa forma de aglomeração leva ao aumento da viscosidade (região B). Um aumento ainda maior do teor de álcool presente na dispersão leva à formação de aglomerados mais compactos, uma vez que a dispersabilidade das partículas do argilomineral não é boa em solventes orgânicos. Ocorre, assim, o colapso do reticulado tridimensional (tipo castelo de cartas), surgindo então partículas densas que são constituídas de várias camadas de minerais (região C), que se movimentam de modo independente levando a um decréscimo na viscosidade (5). A Figura 1 mostra qualitativamente os diferentes arranjos das camadas conforme a curva viscosidade x concentração volumétrica de álcool.

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 O estudo do comportamento de suspensões de silicatos em meios orgânicos é particularmente interessante na obtenção de nanocompósitos silicato-polímero, materiais que visam a intercalação de moléculas poliméricas entre as lamelas dos argilominerais dispersos. Este trabalho tem por objetivo estudar a reologia de suspensões alcoólicas contendo filito de Itapeva, pelo fato dele possuir argilominerais de morfologia lamelar e comparar com resultados obtidos anteriormente, envolvendo caulins (3) e bentonita sódica (4,5). Adicionalmente, foi também estudada a influência do tamanho da molécula de álcool empregado sobre a reologia: as curvas de reologia foram repetidas e comparadas para metanol, etanol e n-propanol. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais: Para o estudo do comportamento reológico foi utilizado filito de Itapeva, São Paulo. Sua caracterização já foi extensivamente reportada (6,7). Foram também utilizados: água destilada, metanol, etanol e n-propanol, todos de grau PA, um viscosímetro Brookfield modelo DVII+ com spindle de número 4, para as medidas contendo sólidos, e spindle número 1 para a mistura pura de solventes. Foram empregados também agitador mecânico de laboratório, balança semi-analítica, e vidraria de laboratório. Métodos: Inicicalmente o filito foi desaglomerado em almofariz de porcelana, passado em peneira de malha ABNT # 80 e seco em estufa a 60 º por 24 horas. Com o pó seco foram feitas então as dispersões contendo 30 % em massa de sólidos. Na fase líquida, foi variada a quantidade de álcool (metanol, etanol e n-propanol) de 0, 5, 10, 25, 50, 75 e 100% em massa em relação a água. Para as soluções com maior concentração de álcool partiu-se do álcool puro e então adicionou-se água destilada seguindo o mesmo procedimento. Para cada concentração de álcool mediu-se a viscosidade da dispersão em viscosímetro, adicionando filito para manter a concentração de 30%, em massa, de sólidos. Todas as dispersões foram agitadas por 10 minutos, em agitador mecânico, e as medidas de viscosidade foram realizadas para 400 ml de suspensão em béquer de 600 ml, seguindo recomendação do fabricante do instrumento (Brookfield Engineering Laboratories, Inc., Middleboro, MA, EUA).

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 2 apresenta os resultados das medidas de viscosidade para diferentes taxas de cisalhamento. Nessa figura pode-se observar que o filito apresenta um comportamento pseudo-plástico confirmando dados obtidos anteriormente (1). A adição de álcool fez com que esta pseudo-plasticidade fosse mais pronunciada dependendo da massa molar do álcool adicionado Viscosidade (cp) metanol 50% etanol 50% propanol 50% água e filito água n-propanol Rota ção (rpm) Figura 2 Comportamento reológico das suspensões de filito Água e álcool são fluidos newtonianos. Desse modo, suas viscosidades não deveriam se modificar com a variação da taxa de cisalhamento. Entretanto, na Figura 2, suas viscosidades variam levemente com o aumento da taxa de cisalhamento. Essa variação pode ser atribuída à precisão do viscosímetro, a qual aumenta com o aumento da velocidade angular para um mesmo spindle. A Figura 3 mostra como varia a viscosidade com a variação de concentração dos diferentes álcoois utilizados. Nela é observado que a viscosidade aumenta com o aumento da concentração de álcool, atingindo um máximo para diminuir posteriormente. As setas indicam o sentido da adição do solvente. O tamanho da

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 cadeia do álcool utilizado interfere diferentemente na viscosidade. Notou-se também que os valores de máximo se alteram dependendo da ordem de adição dos solventes. Os resultados obtidos mostram que o comportamento geral das suspensões alcoólicas de filito é semelhante ao comportamento apresentado pela montmorilonita sódica e caulinita para os mesmos tipos de meio. Portanto, a porção de caulinita presente no filito é, mais provavelmente, aquela que deve comandar o comportamento reológico deste material Viscosidade (cp) rpm m etanol 100 rpm etanol 100rpm n-propanol 100 rpm apenas água e n-propanol Concentração de álcool (% em massa) Figura 3 Viscosidade das suspensões em função da quantidade de álcool. O comportamento geral apresentado pelas várias suspensões, dadas à Figura 3, indicam que o comportamento dos filitos de Itapeva em meios alcoólicos apresentam similaridades com os comportamentos descritos por Permien e Lagaly (5) e são compatíveis com os sistemas estudados previamente, dispersões de caulins em meio alcoólico (3). Porém, não foram encontradas explicações sobre as diferenças nos comportamentos das viscosidades conforme a ordem da adição de solventes. CONCLUSÕES O comportamento de filitos em suspensões água-álcool é semelhante ao exibido por bentonitas sódicas e caulins nos mesmos tipos de meio. Há um aumento

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 inicial da viscosidade nas suspensões com a gradativa adição de álcool e posterior redução na viscosidade, para elevadas concentrações alcoólicas. A viscosidade varia ainda com a ordem de adição do solvente à suspensão e também com o tamanho da molécula de álcool. O modelo de Permien e Lagaly, da floculação em bandas, é adequado também para descrever o comportamento reológico de dispersões filito-água-álcool. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pela Bolsa de Iniciação Científica e à CAPES, pela bolsa de doutorado. REFERÊNCIAS (1) MIYAHARA, R. Y.; MOREIRA, A. G.; VALERA, T. S.; SAKAI, R.; TOFFOLI, S. M.; VALENZUELA-DÍAZ, F. R. Comportamento reológico e resistência mecânica de filito de Itapeva, Estado de São Paulo. IN: CONGRESSO BRASILEIRO DE CERÂMICA, 46, São Paulo, Anais, p (2)MIYAHARA, R. Y.; GOUVÊA, D.; VALENZUELA-DÍAZ, F. R.; TOFFOLI, S. M. Comportamento reológico de dispersões cerâmicas triaxias contendo filitos. IN: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 15, Natal, Anais, p (3)SAKAI, R.; TOFFOLI, S. M.; VALENZUELA-DÍAZ, F. R. Estudos reológicos de dispersões contendo matérias-primas cerâmicas: Sistema caulim horii-água-metanol. IN: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14, São Pedro-SP, Anais, São Paulo. p (4)VALENZUELA-DÍAZ, F. R.; COELHO, A. C. V.; SOUZA-SANTOS, P. Estudos reológicos de dispersões contendo matérias-primas cerâmicas. Parte 9. Sistema bentonita sódica-água-metanol. IN: CONGRESSO BRASILEIRO DE CERÂMICA, 41, São Paulo, Anais, São Paulo. V.2, p (5) PERMIEN, T.; LAGALY, G. The rheological and colloidal properties of bentonite dispersions in the presence of organic compounds: I. Flow behaviourof sodiumbentonite in water-alcohol. Clay Minerals. n. 29, p (6) RIBEIRO, A. P.; SOARES, L.; COELHO, A. C. V.; TOFFOLI, S. M.; VALENZUELA-DÍAZ, F. R. IN: CONGRESSO BRASILEIRO DE CERÂMICA, São Pedro-SP, 2000, cd-rom

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 (7) RIBEIRO, A. P. Avaliação do emprego de filito como carga em plastisol, Dissertação de Mestrado, obtido na Escola Politecnica da USP, São Paulo, REOLOGICAL STUDIES OF WATER-ALCOHOL-PHYLLITES FROM ITAPEVA SYSTEMS ABSTRACT This paper is a part of a series of studies on clay and triaxial ceramic dispersions rheological properties, using diferent types of dispersants, liquid phases, and substituting part of the clay of the triaxial ceramic dispersions for phyllites. In this paper, it was studied the rheological behavior of phyllites from Itapeva, São Paulo State, Brazil, used by the ceramic industries of the states of São Paulo and Santa Catarina, Brazil. The defloculation curves of the water-alcohol (methanol, ethanol, n- propanol) dispersions were obtained using a Brookfield viscometer. The solids concentration was 30 wt%, and the visosity of dispersions with 0, 5, 10, 25, 50, 75 and 100 wt% of alcohol in the liquid fraction was measured. The results indicated that the Permien-Lagaly model of the Band Flocculation may be applied to the studied systems. Key words: phyllite, rheology, methanol, ethanol, propanol