AVALIAÇÃO DA CONSISTÊNCIA DO MOLDE DE GESSO NAS PROPRIEDADES DAS PEÇAS DE ARDÓSIA PRODUZIDAS POR COLAGEM DE BARBOTINAS

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1 AVALIAÇÃO DA CONSISTÊNCIA DO MOLDE DE GESSO NAS PROPRIEDADES DAS PEÇAS DE ARDÓSIA PRODUZIDAS POR COLAGEM DE BARBOTINAS L. B. Palhares 1 ; A.A.B.Gontijo 1 ; D.F.Galvão 1 ; C.G. dos Santos 2 1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais 2 Universidade Federal de Ouro Preto 1 Departamento de Engenharia de Materiais Av. Amazonas, 5253 Nova Suiça Belo Horizonte MG Brasil CEP: lbpalhares@deii.cefetmg.br RESUMO Moldes de gesso são materiais porosos, fáceis de moldar e na indústria cerâmica são utilizados no processo conhecido como colagem de barbotinas. Nesse processo, uma suspensão aquosa de matéria prima (a barbotina) é vazada no interior dos moldes de gesso que absorvem o excesso de água da suspensão formando uma fina película de material sólido sobre as paredes do molde. A deposição de partículas na superfície do molde deve ser adequada para permitir a produção de corpos verdes com microestrutura homogênea e alta densidade que será determinante durante o tratamento térmico para obtenção de peças com alta resistência mecânica e baixas porosidades. No presente trabalho, moldes de gesso com consistências entre 50 e 80 foram fabricados para produzir peças cerâmicas com pó de ardósia proveniente de rejeito que foram avaliadas quanto à microestrutura e porosidade. À medida que a consistência do molde aumentou observou-se um aumento na porosidade e aumento da taxa de colagem na superfície dos moldes de gesso gerando peças com menores densidades. Palavras-chave: colagem de barbotinas, moldes de gesso, caracterização. 2273

2 INTRODUÇÃO O processo de colagem de barbotinas é muito simples e antigo e pode ser aplicado para produção de peças cerâmicas tradicionais ou avançadas com formatos complexos, ocos ou sólidos. O processo consiste na preparação de uma suspensão estável de um pó cerâmico em um líquido aquoso ou não aquoso que é vazada em um molde poroso de gesso 1. A estrutura porosa dos moldes de gesso será determinante nas propriedades e estrutura nas peças obtidas por colagem de barbotinas 2. A obtenção de corpos verdes com microestruturas homogêneas é um importante objetivo dos processos cerâmicos, pois isso afetara o comportamento da peça na sinterização e suas propriedades finais 3. O gesso é um material frágil, poroso, com facilidade de moldagem e baixo custo 4,5 sendo o mais utilizado na colagem de barbotinas para a produção de moldes. Segundo Barbosa, et.al., 3% da produção do gesso produzido no Brasil é aplicado na indústria cerâmica na forma de moldes. No Brasil, 95% da produção de gesso concentra-se no estado de Pernambuco. Cerca de 96% do material produzido é destinado diretamente ao emprego na construção civil como gesso de fundição e de revestimento para produção de placas, blocos e revestimentos de paredes. Um gesso de maior pureza, conhecido como gesso industrial, é utilizado na confecção de cerâmicas, porcelanas e como matériaprima em indústrias de vidro 6. O gesso é um sulfato de cálcio hemihidratado com fórmula química CaSO4.0,5H2O que é produzido pela calcinação da gibsita em temperaturas entre 120 o C e 160 o C, através da reação (A) 7 : CaSO4.2H2O + calor CaSO4.0,5H2O + 1,5.H2O (A) Quando o gesso é misturado com água a reação reversa acontece e a água é reabsorvida formando a gibsita. A reação é exotérmica e resulta em um sólido com cristais entrelaçados na forma de agulhas. Estequiometricamente são necessários apenas 18,6% em peso de água para que a reação ocorra, mas na prática, excesso 2274

3 de água é utilizada levando a porosidades consideráveis após a secagem dos moldes. A morfologia dos cristais formados depende da variação das condições de hidratação. Com a variação dos parâmetros em cada etapa (dissolução, nucleação e crescimento), diferentes microestruturas podem ser obtidas. Cristais grandes e irregulares reduzem a densidade e resistência mecânica do gesso por apresentarem maior porosidade. Cristais pequenos e com morfologia prismática permitem maior compactação 8. A estrutura dos poros nos moldes de gesso para produção de peças por colagem de barbotinas afeta a velocidade de absorção de água e, portanto, a qualidade final das peças. No presente trabalho, moldes de gesso com diferentes consistências foram produzidos e estudados e sua influência nas peças produzidas foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e porosidade (análise de imagens e por imersão). MATERIAIS E MÉTODOS O pó de ardósia, proveniente de rejeitos da extração e beneficiamento da rocha, foi previamente tratado visando à retirada de impurezas, como rejeitos e contaminações. As etapas deste tratamento foram: preparação de uma suspensão do pó em água; peneiramento a úmido na peneira de 400#; decantação 24 horas; sifonamento (Retirada da água); e secagem em estufa (Temperatura 120 o C durante 24 horas); Os moldes de gesso foram produzidos com consistência 50, 60, 70 e 80. A mistura foi agitada e vazada no pré-molde metálico ou plástico para promover as reações químicas de hidratação do gesso permitindo seu enrijecimento. Antes do total endurecimento do gesso formas plásticas ou vítreas variadas foram imersas no gesso para obtenção da forma da peça que se deseja produzir. Após endurecimento do molde este foi retirado e seco em temperatura ambiente (24h), seguido em estufa, antes da utilização por mais 24 horas. 2275

4 As suspensões de pó de ardósia em água destilada foram preparadas com porcentagem de sólidos constante (70%) e homogeneizadas em um agitador magnético por 24 horas. Os moldes de gesso foram caracterizados quanto à porosidade e microscopia em MEV. Para as medidas de porosidade pelo método geométrico as amostras foram medidas com paquímetro (± 0,05 mm) e pesados em balança eletrônica de laboratório (± 0,001 g). Suas densidades aparentes foram calculadas através da divisão da massa pelo volume. Conhecendo-se a densidade teórica do gesso (2,55g/cm 3 ), calculou-se a porosidade total aparente através da relação entre a densidade aparente e a densidade real do gesso. As peças que foram caracterizadas quanto a porosidade e microscopia. Para medidas das densidades e porosidade à verde, as peças para todas as etapas do processamento foram secas à temperatura ambiente durante 24 horas, seguida em estufa a 120 o C. Após sinterizadas em forno elétrico até a temperatura de 1100 o C com uma taxa de aquecimento de 10 o C/min, novas medidas de densidade e porosidade foram realizadas. As densidades a verde e após sinterização foram determinadas por técnica geométrica e a porosidade via análise de imagens (MEV) utilizando o software ImageJ. RESULTADOS E DISCUSSÃO As microestruturas obtidas para os moldes de gesso em diferentes consistências podem ser vistas na Figura

5 (A) (B) (C) (D) Figura 1: Micrografias no MEV na superfície de consistências (A) 50, (B) 60, (C) 70 e (D) 80. Para todas as consistências produzidas observa-se uma estrutura reticular formada por partículas alongadas e cilíndricas com tamanhos variando de 10 até microns. A figura 1 mostra microestruturas típicas para o gesso após rehidratação 3,4,5. A formação/precipitação dos cristais de dihidrato será influenciada pela relação água/gesso. Os cristais de dihidrato crescem a partir de núcleos de cristalização e quanto maior a quantidade de núcleos, mais rápido será o crescimento e há formação de poucos cristais por unidade de volume na solução (Figura 1 (A)). Quando ocorre a formação de poucos núcleos o crescimento é lento, o que favorece a formação de cristais grandes e mais alongados, como pode ser visto na foto (D) para consistência

6 A maior quantidade de água no molde da figura (D) leva a uma maior porosidade devido ao excesso de água eliminado na secagem formando maior volume de poros. Os resultados obtidos para a porosidade por análise de imagens e pelo método geométrico encontram-se na Tabela 1 e Tabela 2. A porcentagem de poros em cada amostra de gesso foi calculada utilizandose os dados de densidade aparente e a densidade teórica. O volume de poros por massa da amostra foi obtido multiplicando-se a porcentagem de poros pelo volume do corpo de prova (volume de poros) e dividindo esse valor pela massa do corpo de prova de gesso. Tabela 1: Resultados de porcentagem de poros, densidade aparente e volume de poros obtidos pelo método geométrico. Consistência Densidade Aparente (g/cm 3 ) Porcentagem de Poros (%) Volume de Poros (ml/g) 50 1,35 47,1 0, ,28 49,8 0, ,10 56,9 0, ,80 68,7 0,860 Tabela 2: Comparação dos valores obtidos de porcentagem de poros pelo método geométrico e análise de imagens. Consistência Método geométrico Análise de Imagens 50 47,1 19,9 ± 0, ,8 33,6 ± 0, ,9 41,1 ± 0, ,7 45,1 ± 0,7 Observou-se que para maiores consistências (maior teor de água) houve um aumento gradativo da porosidade para as duas técnicas utilizadas. Os valores 2278

7 obtidos diferem de uma técnica para outro devido às diferenças de metodologias adotadas para cada uma delas. Ambas as técnicas são simples, porém, para resultados mais precisos seria necessária uma análise por porosimetria de mercúrio ou adsorção de nitrogênio. O processo de análises de imagens é um procedimento rápido de quantificação da porosidade, porém, a eficácia do estudo depende de alguns fatores como, por exemplo, aumento do microscópio e da área do campo de visão, o número de imagens a serem analisadas e do operador do programa na definição da limiarização (threshold). As diferenças obtidas para as duas técnicas são devidas principalmente aos fatores citados acima. A Tabela 3 mostra os resultados de porosidade obtidos para as peças à verde em contato com molde (PVM), porosidade à verde em contato com a suspensão (PVS) e porosidade após tratamento em temperaturas de aproximadamente 1000 o C (PTT). Tabela 3: Resultados de porcentagem de poros obtidos pelo método de análise de imagens. Consistência PVM (%) PVS (%) PTT (%) 50 7,9 14,5 12, ,4 13,0 13, ,7 11,4 13, ,1 18,3 13,4 Observa-se uma tendência geral de aumento da porosidade com a quantidade de água (consistência) na superfície do molde de gesso. Isso pode ser devido ao aumento da taxa de colagem no molde que afetou o empacotamento das partículas. Quando se comparam os valores de porosidade das peças coladas próximas a suspensão, verifica-se uma tendência de aumento da porosidade comparada às porosidades na superfície do molde, exceto para a consistência 70. Como já era de se esperar a porosidade aumenta devido aos diferencias de pressão no molde de gesso e na camada de partículas que está sendo formada. À medida 2279

8 que a camada aumenta de tamanho, a compactação diminui, aumentando a porosidade. Após tratamento térmico foi observado uma redução da porosidade total das peças com valores próximos a 13% sugerindo que a consistência afetou pouco esse processo. Os processos de tratamento térmico de peças com ardósia promovem a diminuição da porosidade, porém para maiores reduções nesses valores são necessárias temperatura mais elevadas que envolvem a formação de fase líquida em temperaturas de 1100 o C 9 que é responsável pelo fechamento dos poros e consequente diminuição da porosidade. A porosidade remanescente pode ser atribuída às mudanças estruturais sofridas pelos constituintes da rocha. A figura 2, 3, 4 e 5 mostram as micrografias obtidas para as peças antes e após tratamento térmico com um aumento de 1800x no MEV sendo (PVM) peças à verde em contato com molde, (PVS) peças à verde em contato com a suspensão e (PTT) peças após tratamento. 2280

9 Figura 2: Micrografias obtidas para peças antes de após tratamento térmico (aumento 1800x) para moldes com consistência 50: A (PVM), B (PVS) e C (PTT). Figura 3: Micrografias obtidas para peças antes de após tratamento térmico (aumento 1800x) para moldes com consistência 60: A (PVM), B (PVS) e C (PTT). 2281

10 Figura 4: Micrografias obtidas para peças antes de após tratamento térmico (aumento 1800x) para moldes com consistência 70: A (PVM), B (PVS) e C (PTT). 2282

11 Figura 5: Micrografias obtidas para peças antes de após tratamento térmico (aumento 1800x) para moldes com consistência 80: A (PVM), B (PVS) e C (PTT). Nas microestruturas das peças a verde observou-se a formação de aglomerados com superfícies irregulares e não homogêneas. A elevação da temperatura no tratamento térmico levou a diminuição da porosidade e a formação de uma superfície mais homogênea e regular das partículas, porém, com existência de porosidade residual. CONCLUSÕES O processo de colagem de barbotinas é adequado para produção de peças cerâmicas de ardósia em moldes de gesso. Tanto a consistência do gesso quanto os parâmetros utilizados para produzir a barbotina influenciam diretamente as propriedades das peças obtidas sendo necessário um controle rigoroso do processo. Dos resultados obtidos conclui-se que quanto maior a consistência do molde maior será a sua porosidade. Como o processo de colagem assemelha-se a uma filtração, no caso estudado, a taxa de colagem na superfície dos moldes de gesso aumentou com a consistência. Porém sabe-se que a porosidade total não é o único fator que irá influenciar essa propriedade, mas também, a distribuição do tamanho de poros no molde. Comparando-se as peças a verde observou-se que a porosidade do molde aumentou a porosidade no corpo verde devido as questões de empacotamento e a maior velocidade da retirada de água da suspensão. A comparação das peças à verde e tratadas termicamente mostrou uma redução da porosidade com o tratamento em temperaturas de aproximadamente 1000 o C. Essa porosidade pode ser ainda reduzida aumentando-se as temperaturas de tratamento térmico. REFERÊNCIAS 1. MORENO, R. The Role of Slip Additives in Tape Casting Technology: Part I: Solvents and Dispersants. American Ceramic Society Bolletin, 71(10): ,

12 2. KRYUCHKOV, Y.N.; NEKLYUDOVA, T.L. Structure of Gypsum and Polymer Molds for Slip Casting. Glass and Ceramics, vol. 71 (9), p , FERREIRA, J.M.F., OLHERO, S.M. Particle segregation phenomena occurring during the slip casting process. Ceramics International, vol. 28, p , REYNAUD, P.; SAÂDAOUNI, M.; MEILLE, S.; FANTOZZI, G. Mechanisms of crack propagation in dry plaster. Journal of the European Ceramic Society, vol. 23, p , REYNAUD, P.; SAÂDAOUNI, M.; MEILLE, S.; FANTOZZI, G. Internal friction study of the influence of humidity on set plaster. Journal of the European Ceramic Society, vol. 25, p , BARBOSA, A.A.; FERRAZ, A.V., SANTOS, G.A. Caracterização química, mecânica e morfológica do gesso B obtido do pólo do Araripe. Cerâmica, vol. 60, p , VEKINIS, G.; ASHBY, M.F.; BEAUMONT, P.W.R. Plaster of Paris as a model material for brittle porous solids. Journal of Materials Science, vol. 28, p , SOARES, J.P. Estudo Microestrutural do Gesso-Alfa produzido pelo processo hidrotérmico e calcinação a secom e sua influência nas propriedades mecânicas pós hidratação. 2005, 73p. Dissertação de Mestrado (Mestre em Engenharia Mecânica) Universidade Federal de Pernambuco, UFP/PE, Recife. 9. PALHARES, L.B., DOS SANTOS, C.G., OLIVEIRA, V.A. Microstructure Evaluation Of Slate Pieces Submitted To Heat Treatment At Different Temperatures. In: 44 th World Chemistry Congress, Istambul Turkey, p.490,

13 ABSTRACT Plaster molds are porous, easy shaping and in ceramic industry are used in slip casting process. In slip casting an aqueous suspension of raw material (the slip) is poured in plaster molds. It absorbs the excess of water from suspension to form an internal wall of solids. Deposition of particles on the mold surface has to be appropriate to allow the production of high density and homogeneous green bodies after heat treatment. The homogeneity of green bodies is an important factor to obtain pieces with high mechanical strength and low porosity. In this paper, plaster molds with different proportions water/plaster between 50 and 80 were fabricated to produce ceramic pieces with slate waste. Here, was evaluated the microstructure and porosity. As the proportions water/plaster increased as the porosity and the velocity of wall formed in internal mold increase generating lower densities pieces. Keywords: slip casting, plaster molds, characterization. 2285