BARBOTINAS CONTENDO AMIDO UTILIZADAS NA CONFORMAÇÃO DE PEÇAS CERÂMICAS. Palavras-chave: processamento cerâmico, alumina, amido, gelificação

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1 BARBOTINAS CONTENDO AMIDO UTILIZADAS NA CONFORMAÇÃO DE PEÇAS CERÂMICAS G. T. Oliveira 1 *, I. M. G. Santos 1 (CO), J. W. Gomes 1 (CO), E. Leite 1 (CO), J. A. Varela 2 (CO), E. Longo 1 (O) 1 Universidade Federal de São Carlos Rod.Washington Luis Km 235 Cx. Postal 676 São Carlos-SP cep: * gerusatinasi@zipmail.com.br 2 UNESP Araraquara Rua Francisco Degni, s/n cep: RESUMO A obtenção de peças cerâmicas a partir de massas contendo amido constitui uma técnica nova e de elevado interesse tecnológico. Durante tratamento térmico de baixa temperatura, ocorre a gelificação do amido, que absorve a água contida na barbotina, conferindo ao material resistência mecânica. Neste trabalho, foi otimizada a quantidade de amido em sistemas contendo alumina. A caracterização do amido foi realizada por TG/DTA, área superficial por BET e medidas de densidade. Os corpos de prova foram caracterizados por porosimetria de Hg e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados obtidos indicam a possibilidade de controlar a porosidade dos corpos de prova variando-se a concentração e o tamanho de partícula do amido e comprovam a viabilidade da utilização do amido como ligante para conformação de peças cerâmicas de alta alumina. Palavras-chave: processamento cerâmico, alumina, amido, gelificação ABSTRACT The production of ceramic bodies using starch consolidation is a new technique, with a high technological interest. During thermal treatment at low temperatures, starch gelling occurs, absorbing the slurry water, providing mechanical strengh to the material. In this work, the optimal starch amount was obtained in alumina systems. Starch characterization was done by thermal analysis (TG/DSC), BET and density measurements. The test bodies were characterized by Hg porosimetry and scanning electronic microscopy (SEM). The results indicate the possibility to control porosity by variation of starch particle size and concentration and indicate the usefulness of starch as binding material in ceramic processing. Key-words: ceramic processing, alumina, starch, gelling INTRODUÇÃO CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11201

2 Vários métodos têm sido desenvolvidos para a obtenção de peças cerâmicas porosas, partindo de suspensões cerâmicas. Cerâmicas porosas têm relativamente baixa densidade e baixa condutividade térmica; porém podem ter alta resistência ao ataque químico e alta uniformidade estrutural. Estas importantes propriedades propiciam às cerâmicas porosas várias aplicações industriais como filtros, suportes de catalizadores, membranas, biocerâmicas, isolantes térmicos e outros. A obtenção de peças com amido segue uma nova tendência em técnicas de conformação, onde a barbotina é levada a consolidar-se em moldes impermeáveis por reações do tipo gelificação, coagulação, hidrólise e congelamento. Nesta técnica, não existe a compactação do pó (caso da prensagem e da extrusão) ou remoção do líquido (caso da colagem). Este processo de conformação permite boa homogeneidade do material, o que possibilita o controle dimensional eficaz. A gelificação do amido ocorre devido a amilose, sendo que os anéis de glicose expõem grande quantidade de grupos hidroxila com forte caráter hidrofílico. A gelificação ocorre em temperaturas entre 55 e 80 o C, devido o enfraquecimento das ligações intermoleculares e considerável inchamento dos grãos de amido. O amido comercial, normalmente se apresenta com 10 a 17 % de umidade, trazendo portanto, consigo certo nível de inchamento dos grãos. Quando adicionado nas barbotinas por aquecimento entre 60 a 80 o C o amido gelifica, o que traz como conseqüência: sequestro de água da barbotina, inchamento dos grãos de amido e aproximação das partículas sólidas das massas cerâmicas, com consequente consolidação do corpo. O amido gelificado funciona como ligante entre partículas cerâmicas, aumentando a resistência do corpo consolidado, permitindo sua desmoldagem mesmo a úmido. A porosidade do corpo após a queima é correspondente à quantidade inicial de amido, forma e tamanho de suas partículas, incluindo o inchamento que ocorre durante a gelificação. As principais vantagens do processamento de conformação com amido são: a possibilidade de obtenção de formas complexas; a desmoldagem a úmido; o baixo custo; o uso de vários materiais para confecção de moldes; a facilidade do controle das variáveis de conformação; as excelentes propriedades mecânicas antes da queima e a facilidade de retirada do amido, na fase de queima do processamento cerâmico. OBJETIVOS CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11202

3 O objetivo deste trabalho consiste na otimização das massas cerâmicas variando-se a concentração de sólidos (alumina), a quantidade e a granulometria do ligante (amido) utilizado. Busca-se também o controle da porosidade das peças obtidas. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Para a realização deste trabalho foi utilizada alumina tipo APC-3014 fornecida pela Alcoa. Dentre as várias marcas comerciais e tipos de amidos disponíveis no mercado, foram escolidos aqueles que, após determinação de superfície específica por BET, apresentaram os maiores valores, tendo portanto como consequência os menores valores de diâmetro esférico equivalente de partículas. As condições de gelificação dos amidos utilizadas foram determinadas através de análises térmicas (TG/DTA). Após caracterização das matérias-primas, foram preparadas, em moinho tipo Atrictor, massas cerâmicas na forma de suspensões aquosas, com teores de sólidos de 40, 50 e 55% e quantidade de defloculante (Poliacrilato de Amônio) previamente otimizado.as suspensões cerâmicas foram adicionadas teores de amido de 1, 2, 4 e 6% em massa com relação a quantidade de sólidos. Estas barbotinas cerâmicas foram entâo vertidas em moldes plásticos e aquecidas a 80 o C por 2 horas em ambiente úmido, tendo como consequência a gelificação do amido e endurecimento da massa. Após a secagem e calcinação a 500 o C, os corpos de prova tiveram determinados o tamanho e a distribuição do tamanho de poros por porosimetria de Hg. Posteriormente, os corpos de prova foram sinterizados a 1600 o C sendo novamente caracterizados por porosimetria de mercúrio e também por microscopia eletrônica de varredura RESULTADOS E DISCUSSÃO A) Caracterizações e Escolha do Amido As características dos vários tipos de amidos, quanto à sua densidade, área superficial e CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11203

4 diâmetro médio esférico equivalente estão contidas na Tabela I. Tabela I: Características do amido AMIDO D (g/cm 3 ) SE (m 2 /g) φm (µm) Mandioca 1,54 0,86 4,53 Batata 1,51 0,64 6,20 Arroz 1 1,52 1,34 2,95 Arroz 2 1,49 0,56 7,20 Milho 1,51 0,64 6,20 Dos vários tipos de amidos ensaiados foram escolhidos para utilização, neste trabalho, os amidos de Mandioca e de Arroz 1, por terem apresentado o menor diâmetro médio equivalente. As condições de gelificação desses amidos, bem como a perda de massa em função da temperatura, são apresentadas na Figura 1 a seguir: DSC (mw) Amido de Mandioca Amido de Arroz Temperatura ( o C) Perda de massa (mg) Amido de Mandioca Amido de Arroz Temperatura ( o C) Figura 1 Ensaio de Gelificação do amido de mandioca e do amido de arroz. Análise Calorimétrica; Análise Termo- Gravimétria. Na Figura 1, picos endotémicos a 80 o C indicam a gelificação dos amidos nessa temperatura. Já na análise termo gravimétrica vê-se que a decomposição do amido tem início a 300 o C, estabilizando-se a perda de massa em torno de 600 o C, temperatura na qual os corpos de prova foram calcinados. B) Caracterização dos Corpos de Prova (Volume e Tamanho de Poros) Com os amidos escolhidos e nas proporções já indicadas, foram conformados os corpos de prova, os quais, após caracterizações apresentaram os seguintes resultados de porosimetria. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11204

5 0,30 2% Mandioca 0,25 4% Mandioca 6% Mandioca 0,20 0,15 0,05 0,30 0,25 0,20 0,15 0,05 2% Arroz 4% Arroz 6% Arroz 0,30 2% Mandioca 4% Mandioca 0,25 2% Arroz 0,20 4% Arroz 0,15 0, % Mandioca 1% Arroz Diâmetro Médio (µm) (c) Figura 2 - Volume Acumulado de poros após calcinação. 40% de sólidos em volumeamido de mandioca; 40% de sólidos em volume-amido de arroz; c) 50% de sólidos em volume- amido de mandioca e amido de arroz; d) 55% de sólidos em volume- amido de mandioca e amido de arroz. (d) A análise da Figura 2, mostra-se que para cada concentração de sólidos há uma quantidade ótima de amido que permite obter uma peça cerâmica mais densa. No caso da amostra com 40% de sólidos em volume, observa-se que 2% em massa de amido não foi suficiente para absorver toda a água existente na suspensão. Já com 6% de amido, observa-se que esta concentração excede a necessária para consumir toda a água da suspensão, tornando a peça cerâmica mais porosa, uma vez que o excesso de amido a ser decomposto durante a calcinação, gera quantidades de poros. Com a concentração de 4% em massa de amido, obtém-se uma peça mais densa. Observou-se também que o aumento da concentração de sólidos provocou uma redução na porosidade dos corpos de prova, como mostram os resultados de densidade após calcinação, contidos na Tabela II. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11205

6 Tabela II Valores de densidade (g/cm 3 ) Amido de Mandioca Amido de Arroz % de sólidos (em volume) % de amido (em massa) Após calcinação Após sinterização Após calcinação Após sinterização ,69 2,70 1,94 2,79 4 1,65 2,49 1,72 2,50 6 1,92 2,79 1,66 2, ,96 2,78 1,87 2,92 4 1, ,65 2, ,30 3,15 2,08 3,18 Resultado importante e que se infere dos resultados da Tabela II, mostra que a densidade, após calcinação, dos corpos de prova moldados usando amido de arroz diminui com o aumento da concentração de amido. Já para o caso da utilização do amido de mandioca, a densidade atinge um valor máximo para a concentração de 4 % de amido. Este fato ocorre porque o amido de arroz possui menor diâmetro de partícula e, consequentemente, menor área superficial de reação, o que requer uma quantidade menor de amido para sequestro da água da suspensão. Na sinterização ve-se que o aumento da concentração de sólidos e o aumento da quantidade de ligante (dentro dos valores ensaiados) não interfere na porosidade das peças cerâmicas, como mostram os gráficos conatantes da Figura 3 e Figura 4 a seguir. dv/dd (cm 3 g -1 um -1 ) -0,6 2% Mandioca -0,5 4% Mandioca 6% Mandioca -0,4-0,3-0,2-0,1 0,0 0, dv/dd (cm 3 g -1 um -1 ) -0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0,0 2% Arroz 4% Arroz 6% Arroz 0, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11206

7 dv/dd (cm 3 g -1 um -1 ) -1,5-1,2-0,9-0,6-0,3 0,0 2%-Mandioca 4%-Mandioca 2%-Arroz 4%-Arroz 0, dv/dd (cm 3 g -1 um -1 ) % Mandioca 1% Arroz (c) (d) Figura 3 - Diâmetro de poro mais frequênte após sinterização. 40% de sólidos em volumeamido de mandioca; b) 40% de sólidos em volume-amido de arroz; (c) 50% de sólidos em volume- amido de mandioca e amido de arroz; (d) 55% de sólidos em volume- amido de mandioca e amido de arroz. 0,14 0,12 0,08 0,06 0,04 0,02 Mandioca 2% Mandioca 4% Mandioca 6% 0,14 0,12 0,08 0,06 0,04 0,02-0,02 Arroz 2% Arroz 4% Arroz 6% 0,14 0,12 0,08 0,06 0,04 0,02 2% Mandioca 4% Arroz 2% Arroz 0,14 0,12 0,08 0,06 0,04 0,02 1% Mandioca 1% Arroz (c) Figura 4 Volume acumulado de poros após sinterização: 40%de sólidos em volume- Amido de Mandioca; 40%de sólidos em volume-amido de Arroz; (c) 50% de sólidos em volume-amido de Mandioca e Amido de Arroz; (d) 55%de sólidos em volume- Amido de Mandioca e Amido de Arroz. (d) CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11207

8 Os resultados de sinterização refletem o mesmo comportamento do material após calcinação. Barbotinas com 40% de sólidos em volume geraram corpos de prova, cujo diâmetro médio de poro é maior para os conformados com com 6% de amido e menor para os conformados com 2% de amido. Quando se tem 50% de sólidos em volume há um aumento da densidade na peça cerâmica, decrescendo o diâmetro médio de poro. A menor porosidade foi obtida usando-se amido de arroz. Já na amostra com 55% de sólidos em volume, a porosidade é menor e o tipo de amido utilizado não interfere na microsestrutura da peça. Pela análise da Tabela II, percebe-se que o aumento da concentração de sólidos leva a uma maior densificação das peças cerâmicas após sinterização. Microscopia Eletrônica de Varredura foi usada para caracterizar a microestrutura dos corpos de prova, mostrando as variações que acontecem nas peças, devido á eliminação do amido. Nas Figuras 5 e 6, observa-se que o amido de mandioca, embora de tamanho de partícula maior que o amido de arroz, permite um controle mais efetivo do tamanho e forma de poros, por não apresentar aglomeração. Na micrografia com 40% de sólidos em volume há uma uniformidade na distribuição e na forma dos poros. Este comportamento é observado nas concentrações de 40 e 50 % de sólidos em volume. Figura 5 Microscopia Eletrônica de Varredura - 40% de sólidos em volume. 2% de amido de arroz; 4% de amido de mandioca. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11208

9 Figura 6 Microscopia Eletrônica de Varredura - 50% de sólidos em volume. 2% de amido de mandioca; 2% de amido de arroz. Figura 7 Microscopia Eletrônica de Varredura - 55% de sólidos em volume. 1% de amido de mandioca; 1% de amido de arroz. Em peças cerâmicas de concentrações de 55% de sólidos em volume, o comportamento relativo aos poros formados na eliminação do amido é inverso. O amido de arroz, por ter diâmetro médio de partícula menor, possui um maior número de partículas para sequestrar a água existente na suspensão, diminuindo a porosidade das peças cerâmicas, facilitando o fechamento desses poros durante a sinterização. CONCLUSÃO A conformação de peças cerâmicas utilizando-se de amido como ligante é tecnicamente viável, permitindo a obtenção de peças com elevado nível de reprodução de detalhes. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11209

10 A porosidade final dos corpos é uma função do tipo e concentração de amido utilizado, bem como da relação sólido/líquido na massa cerâmica. O amido de mandioca, embora de tamanho de partícula maior que o amido de arroz, permite um controle mais efetivo do tamanho e forma de poros, em concentrações menores de sólidos (40 e 50% de sólidos em volume) por não apresentar aglomeração. Em concentrações maiores (55 %de sólidos em volume), observa-se o inverso. Assim, para se obter peças cerâmicas porosas utiliza-se o amido de mandioca e para se obter peças cerâmicas mais densas, amido de arroz. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao PADCT/RHAE, PRONEX/FINEP e FAPESP/CNPq pelo suporte financeiro e à ALCOA, pelo fornecimento da alumina REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 J. Saggio-Woyansky and C. E. Scott, W. P. Minnear, Processing of Porous Ceramics, American Ceramic Society Bulletin, O. Lyckfeld and J. M. F. Ferreira, Processing of Porous Ceramic by Starch Consolidation, Journal of the European Ceramic, , H. M. Alves, A. T. Fonseca and J. M. Ferreira, Processing of Porous Cordierite Bodies by starch Consolidation, Materiais Research Bulletin, 33 10, , A. W. Kerr, Chemistry and Industry of Sartch,Second Edition, Revised and Enlarged, Academic Press Inc., Publishers, New York, , J. Zheng and J. S. Reed, The Different Roles of Formig and Sintering on Densification of Powder Compacts, American Ceramic Society Bulletin, , J. Zheng and J. S. Reed, Effects of Particle Packing Characteristics on solid-state Sintering, J. Am. Ceram. Soc., 72 (5) J. S. Reed, Principles of Ceramics Processing, Second Edition, JOHN WILEY & SONS, INC, C. M. Beebhas and R. G. Ford, Ceramic Injection Molding, CHAPMAN & HALL, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 11210

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