A HIDRATAÇÃO DO TRIPOLIFOSFATO DE SÓDIO VISTA COMO UMA ALTERNATIVA PARA OTIMIZAR AS AÇÕES DE ESTABILIZAÇÃO DE SUSPENSÕES CERÂMICAS

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1 A HIDRATAÇÃO DO TRIPOLIFOSFATO DE SÓDIO VISTA COMO UMA ALTERNATIVA PARA OTIMIZAR AS AÇÕES DE ESTABILIZAÇÃO DE SUSPENSÕES CERÂMICAS F. Checchinato (1), R.A.F. Machado (1), H.G.Riella (2), A.Bolzan (1) Campus Universitário Trindade, Caixa Postal 476 CEP Florianópolis-SC (1) Laboratório de Controle de Processos LCP (2) Laboratório de Materiais e Corrosão - LabMaQ Departamento de Engenharia Química e Alimentos - EQA Centro Tecnológico - CTC Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC RESUMO O tripolifosfato de sódio (TPF) é muito empregado na indústria cerâmica como defloculante de barbotinas e esmaltes devido a sua baixa relação custo/ benefício. A informação sobre a influência das propriedades físico-químicas deste defloculante para estabilizar as suspensões cerâmicas disponível na literatura técnica especializada é contraditória e incompleta. Neste trabalho foi avaliada a eficiência do TPF em estabilizar suspensões cerâmicas, enfatizando-se a influência das estruturas cristalinas que o compõe. Também se propõe uma metodologia de hidratação do TPF com objetivo de se melhorar suas características dispersantes. Fez-se a comparação do defloculante hidratado com o processo de adição do defloculante in natura tradicionalmente empregado na indústria cerâmica. A identificação da estrutura cristalina do TPF foi realizada por difração de raios-x antes e após o processo de hidratação, já que é esperada uma mudança na sua estrutura. A análise morfológica do TPF foi realizada através de microscopia eletrônica de varredura e sua eficiência na estabilização de suspensões foi avaliada pela obtenção de curvas de defloculação em suspensões de caulim em água. Os resultados mostraram que o processo de hidratação do TPF é uma alternativa interessante à otimização das ações de estabilização de suspensões cerâmicas, pois sua ação defloculante apresenta melhoras significativas. Palavras-Chaves: Tripolifosfato de sódio, suspensões cerâmicas, dispersantes. INTRODUÇÃO Os processos da indústria cerâmica muitas vezes começam pela fragmentação e mistura das matérias primas envolvidas, numa etapa conhecida como preparação de massa. Uma parte desses processos é feita com as matérias primas (argilosas ou não) em suspensão num meio aquoso, chamados processos via úmida. Uma suspensão coloidal é obtida, chamada barbotina, cujas propriedades físicas, químicas e reológicas precisam ser controladas adequadamente para que as etapas seguintes do processo tenham um bom andamento. Também os esmaltes são produzidos segundo esse tipo de processo, e são submetidos aos mesmos cuidados. A floculação é um fenômeno indesejável na preparação de barbotinas e esmaltes, pois causa a diminuição da fluidez da suspensão em questão. Para que esse efeito seja minimizado, é necessária a adição a essas suspensões de substâncias denominadas defloculantes. Atualmente, o defloculante mais utilizado para a preparação de engobes e esmaltes nas indústrias cerâmicas é o tripolifosfato de sódio (TPF), devido a sua baixa relação custo / benefício. 791

2 Existem na natureza diferentes tipos de tripolifosfato sódico, que diferem na sua estrutura cristalina e por isso apresentam comportamentos reológicos diferentes (1). Como principio, a adição de TPF faz com que os átomos de sódio formem ligações químicas com a superfície das partículas argilosas carregadas negativamente. Isso modifica a argila para argila-na, aumentando conseqüentemente a repulsão entre as partículas e diminuindo a viscosidade da suspensão (2). O tripolifosfato de sódio adsorve-se sobre as partículas provocando a repulsão entre elas devido ao mecanismo de estabilização eletroestérico. Para que o TPF seja um defloculante efetivo é necessário que se encontre dissolvido. Portanto, as variáveis que podem alterar a solubilidade do TPF afetarão sua capacidade defloculante (3,4). A estrutura cristalina do TPF determina ainda as suas principais propriedades, tais como a solubilidade, dissolução, etc. Sabe-se que a forma anidra I é mais solúvel que a forma anidra II que é mais solúvel que a forma hexahidratada (5). O controle de qualidade efetuado sobre os defloculantes utilizados na preparação de barbotinas e esmaltes é, na maioria dos fabricantes cerâmicos, escasso, incompleto e pouco determinante. Assim, pouco se sabe a respeito das propriedades de um defloculante, por exemplo, e quase nada se pode afirmar sobre a qualidade de aditivos como esses. Para suprir essa lacuna, procurou-se caracterizar o tripolifosfato de sódio, convertendo esse conhecimento em uma maneira prática de prever o seu comportamento como defloculante de suspensões cerâmicas. Foi proposta uma metodologia de hidratação do TPF para promover alterações em sua microestrutura, visando otimizar a sua ação defloculante. ESTRUTURA E PROPRIEDADES DO TPF Tripolifosfato de sódio ou pentassódio trifosfato, Na 5 P 3 O 10 é um sal pentassódio de um ânion tripolifosfato. É encontrado na natureza, a temperatura ambiente, sob três formas cristalinas: duas delas anidras e uma terceira hexahidratada (Na 5 P 3 O 10.6H 2 O). As diferentes estruturas cristalinas fazem com que o TPF apresente comportamentos reológicos diferentes (1). Embora um largo numero de TPF sejam conhecidos, somente os pentassódios são importantes, porque correspondem a um largo volume de produtos produzidos comercialmente (3). O TPF anidro forma I (TPF-I) é termodinamicamente estável a altas temperaturas, enquanto a segunda forma anidra (TPF-II) o é a baixas temperaturas. O TPF-II pode ser facilmente convertido para a forma I através de aquecimento acima de 417±8 C. A reação reversa TPF-I TPF-II ocorre abaixo de 417±8 C e é extremamente lenta. Assim ambas formas anidras de TPF podem ser consideradas estáveis e podem coexistir a temperatura ambiente. As estruturas das formas anidras I e II diferem principalmente pela coordenação iônica dos cátions: na forma II, todos os íons de sódio são coordenados octaedricamente pelo oxigênio. Na forma I alguns íons sódio são rodeados por apenas quatro átomos de oxigênio. Em ambas estruturas a ligação é eletrostática entre cátions e ânions, formando uma malha tridimensional. A forma hexahidratada (TPF- H) é formada pela adição de um das duas formas anidras em água, ou pela hidrólise do trimetafosfato de sódio (NaPO 3 ) 3 em meio alcalino. È estável a temperatura ambiente, mas submete-se rapidamente a degradação hidrolítica do pirofosfato e fosfato quando aquecido perto de 100 C. A estrutura hexahidratada pode ser convertida às estruturas anidras se submetida a tratamento térmico, sem acarretar degradação do tripolifosfato de sódio e sem alterar suas propriedades. Quando submetido a 350 C forma a estrutura anidra II e quando submetido a 550 C forma a estrutura anidra I (6). 792

3 MATERIAIS E MÉTODOS As amostras de TPF foram adquiridas na forma de pó, como são comumente utilizadas na indústria cerâmica. A identificação das estruturas cristalinas das amostras foi realizada pelo método de difração de raios-x (radiação CuKα, com comprimento de onda de 1,54 A, filtro de Níquel). A análise microestrutural foi realizada por microscopia eletrônica de var redura (MEV), avaliando a forma e o tamanho das partículas das amostras. A hidratação do TPF foi realizada pela dissolução das amostras em água destilada a 70 C sob agitação durante vinte minutos, com 40% de teor mássico de sólidos. O procedimento de caracterização foi repetido para as amostras hidratadas, visando avaliar a efetividade do processo de hidratação proposto. Para avaliar a relação da eficiência do TPF com a sua estrutura cristalina, foram feitas análises de defloculação do TPF antes e após a hidratação. Os ensaios foram feitos com suspensões aquosas de caulim com 60% em peso de sólidos, avaliando a viscosidade da suspensão em função do teor de defloculante adicionado. RESULTADOS E DISCUSSÃO A figura 1 mostra os resultados da análise de difração de raios-x para a amostra de TPF antes da hidratação. O TPF em seu estado natural contém essencialmente a fase anidra na forma II, além de traços de NaOH.H 2 O e Na 3 PO 4 como impurezas. intensidade 3000 Na 5 P 3 O 10 (TPF-II) NaOH.H 2 O Na 3 PO θ Figura 1- Difratograma do TPF não hidratado Na figura 2 é apresentado o difratograma das amostras de TPF já hidratadas, onde se observa uma mudança significativa na estrutura cristalina do TPF, passando agora a ser composto essencialmente da fase hexahidratada (TPF-H) além de algumas impurezas. Isso mostra que ocorreu a mudança que era esperada quanto a estrutura cristalina do TPF, resultante do processo de hidratação proposto. 793

4 intensidade 3000 Na 5 P 3 O 10.6H 2 O Na 3 PO 4 NaOH.H 2 O P 4 O θ Figura 2 - Difratograma do TPF hidratado As figuras 3 e 4 mostram as micrografias do TPH in natura e hidratado, com ampliação de 6000x. Pode-se notar uma alteração na morfologia das partículas quando essas passam pelo processo de hidratação. Isso pode acarretar em diferenças em suas propriedades físicas, das quais a solubilidade é a que desperta maior interesse. No entanto, durante os ensaios de defloculação não foi verificado nenhum efeito negativo pela menor solubilidade das amostras hidratadas. Figura 3 -Microscopia do TPH não hidratado (6000x) 794

5 As curvas de defloculação apresentadas na figura 5 comparam a eficiência do TPF hidratado em relação à sua forma in natura. Foi verificado o aumento da eficiência do TPF após a sua hidratação. O TPF hidratado atinge viscosidades mais baixas com a adição de menores quantidades de defloculante, e mantendo a suspensão estabilizada sem ocorrer sobredefloculação. CONCLUSÕES Com um método simples e altamente eficiente, foi realizada a hidratação do tripolifosfato de sódio, promovendo uma alteração efetiva na estrutura cristalina do TPF. Essa alteração foi comprovada com as análises de difração de raios-x. Pelas análises microscópicas, foram verificadas alterações na morfologia das partículas do TPF. Com a hidratação, obteve-se um produto com melhores propriedades defloculantes em relação ao seu estado original. Assim, pode-se propor a hidratação como uma maneira de otimizar a defloculação de suspensões em processos cerâmicos. TPF TPF Hidr. TPF1 TPFH1 VISCOSIDADE (Pa.s) 3,01.2 2,51.0 2,00.8 1, ,00.4 0,50.2 0, % DEFLOCULANTE Figura 5 - Curva de Viscosidade X % de defloculante para o TPF e TPF hidratado. 795

6 REFERÊNCIAS 1. Checchinato, F. et al, Efeito da matéria orgânica e da hidratação no tripolifosfato de sódio em suspensões cerâmicas, 45 Congresso Brasileiro de Cerâmica, Florianópolis - SC, Rodrigues Neto,João Batista, Mecanismos de defloculação de suspensões coloidais de argila, Florianópolis,1999,tese de doutorado-engenharia de Materiais- Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). 3. Kirk,Othmer, Encyclopedia of Chemical technology, 3rd edition, New York: John Wiley, vol. 17,Phosphoric acids and phosphates, , Phosporous and its compounds, interscience pub, New York, vol II, Cerâmica Industrial. Controle de qualidade dos tripolifosfatos sódicos empregados na fabricação de engobes e esmaltes. Associação brasileira de cerâmica, vol 5.,18-25, jul Checchinato, F. et al Study of the Crystalline Structure of the Sodium Tripolyphosfates, Congresso Brasileiro de Microscopia e Microanálise, 29 a 31 de outubro de 2001 Águas de Lindóia-SP. 796

7 HYDRATION OF SODIUM TRIPOLYPHOSPHATE AS AN ALTERNATIVE TO OPTIMIZE THE ACTIONS OF CERAMIC SUSPENSIONS STABILIZATION F. Checchinato (1), R.A.F. Machado (1), H.G.Riella (2), A.Bolzan (1) Campus Universitário Trindade, Caixa Postal 476 CEP Florianópolis-SC (1) Laboratório de Controle de Processos LCP (2) Laboratório de Materiais e Corrosão - LabMaQ Departamento de Engenharia Química e Alimentos - EQA Centro Tecnológico - CTC Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC ABSTRACT Sodium tripolyphosphate STP, is the most utilized deflocculating agent of ceramic suspensions and enamels, due to its good performance and low cost. Available technical information about its physical and chemical properties in stabilizing ceramic suspensions are contradictory and incomplete. In this work it was evaluated the eficiency of STP in stabilizing ceramic suspensions, emphasizing the influence of the crystalline structure which it was composed. Also, it was proposed a methodology to hydrate STP aiming to enhances its deflocculating characteristics. It was accomplished a comparison between the hydrated deflocculating and the process in which the deflocculating is added in natura, traditionally utilized in ceramic industries. The identification of the STP crystalline structure was carried out by X-ray difraction before and after hydration process, since a change in its structure was expected. Morphological analysis of STP was carried out through scanning electron microscopy, and its eficiency on stabilizing ceramic suspension was evaluated by obtaining deflocculation curves for kaolin in water suspensions. Results shown that STP hydration procedure is an interesting alternative to optimize ceramic suspensions stabilizing, since its deflocculating efficiency is signifacntly improved. Key-words: Sodium Tripolyphosphate, ceramic suspensions, deflocculating agent. 797