FORMULAÇÃO DE MASSA PARA REVESTIMENTOS CERÂMICOS CONFORMADOS POR VIA-SECA UTILIZANDO A LEI DA ADITIVIDADE.

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1 FORMULAÇÃO DE MASSA PARA REVESTIMENTOS CERÂMICOS CONFORMADOS POR VIA-SECA UTILIZANDO A LEI DA ADITIVIDADE. Silva, A.G. (bolsista FAPESP) [1] ; Melchiades, F. G. [1] ; Boschi, A. O. (orientador) [1] [1] Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) Departamento de Eng. de Materiais (DEMa) Laboratório de Revestimentos Cerâmicos (LaRC). 1 Resumo Os fabricantes nacionais de revestimentos cerâmicos pelo método via-seca empregam massas constituídas exclusivamente por argilas vermelhas. Em geral, as massas correspondem a misturas de duas ou três argilas, utilizadas em proporções distintas para a composição de uma massa que deve atender inúmeros requisitos nas diversas etapas do processo de fabricação. Para a obtenção de uma massa que possua um conjunto de propriedades adequadas ao processo de fabricação, é necessário que a proporção entre as argilas constituintes da mesma seja definida com critério. No entanto, o que se verifica no meio industrial é a definição da formulação da massa em função unicamente do empirismo e da facilidade de dosagem da mistura. O presente trabalho visa estudar a aplicação da lei da aditividade em formulações de revestimento cerâmicos e para isso fez-se uso de uma metodologia dividida em duas partes: primeiramente realizou-se os ensaios fixando-se a densidade dos corpos de provas e depois fixou-se a pressão de compactação. Analisou-se diversas variáveis como a recuperação elástica, módulo de resistência a flexão, absorção de água, retração linear, entre outras. Com a análise dos resultados obtidos pode-se concluir que muitas destas propriedades obedecem à lei da aditividade, observou-se também a grande relação entre esta lei e a densidade dos corpos. 2 Palavras-chave: Engenharia de Materiais, Revestimentos Cerâmicos, Formulações, Aditividade. 3 Introdução CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12501

2 Muitos estudos já foram realizados sobre formulação de massa, mas os principais métodos existentes não levam em conta a fabricabilidade da massa. Os fabricantes nacionais de revestimentos cerâmicos pelo método via-seca empregam massas constituídas exclusivamente por argilas vermelhas. Em geral, as massas correspondem a misturas de duas ou três argilas, utilizadas em proporções distintas para a composição de uma massa que deve atender inúmeros requisitos nas diversas etapas do processo de fabricação. As principais razões para a utilização de mais de uma argila na composição da massa são a redução da variabilidade da mistura e a possibilidade de combinar as propriedades de duas matérias-primas com características diferentes. Para a obtenção de uma massa que possua um conjunto de propriedades adequadas ao processo de fabricação, é necessário que a proporção entre as argilas constituintes da mesma seja definida com critério. No entanto, o que se verifica no meio industrial é a definição da formulação da massa em função unicamente do empirismo e da facilidade de dosagem da mistura. Porém, se as mesmas matérias primas forem dosadas em proporções diferentes, pode-se produzir uma massa com características notadamente diferentes. Visando a determinação da proporção ideal entre as argilas é necessário conhecer como a variação desta proporção afeta as propriedades diretamente ligadas com as etapas do processo de fabricação. Conhecendo-se as propriedades das argilas individuais e das misturas realizadas a partir das mesmas pode-se avaliar se estas propriedades são regidas pela chamada lei da aditividade, que tem sido empregada com sucesso em vidros e vidrados. Tal lei nada mais é do que a conservação e soma das propriedades das amostras. Os ciclos de queima extremamente rápidos e a baixa interação entre os constituintes da massa promovida pela moagem do método via-seca, levam crer que algumas propriedades de interesses para revestimentos cerâmicos podem ser previstas pela lei da aditividade. Determinar um sistema de formulação de massas para um sistema simples como as massas de revestimentos via-seca pode ser um primeiro passo para a elaboração de um sistema genérico de formulação de massas para cerâmicas tradicionais. 4 Materiais e Métodos CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12502

3 * Os materiais e os métodos são iguais para ambas metodologias. ** Em todos os casos em que houve necessidade de pesar utilizou-se uma balança semi-analítica da marca Ohaus Precision Plus, as medidas de comprimento foram feitas por um paquímetro Mitutoyo, para as medidas de espessura e largura utilizou-se um micrômetro Mitutoyo. 4.1 Seleção e preparo das argilas Foram selecionadas três argilas industriais utilizadas por uma indústria da região de Santa Gertrudes. As argilas foram extraídas na forma de torrões, passaram primeiramente por uma desagregação em um triturador de mandíbuolas e moídos em pedaços menores em uma galga de pista lisa. Após isto, as argilas foram moídas em um moinho rápido de laboratório fabricado pela Certech até que estas passassem totalmente por uma peneira ABNT # 45 (abertura de 350µm). Secou-se, então, as argilas durante 24 horas em uma estufa elétrica a 110ºC. 4.2 Análise com as argilas secas Com as argilas secas foram feitas análises de distribuição granulométrica através de peneiras e a análise de distribuição do tamanho de partículas através do Sedigraph Micromeritics. Realizou-se, também, a análise química destas. A análise através de peneiras foi feita colocando-se peneiras ABNT de diferentes aberturas em ordem decrescente, ou seja, da abertura de 350µm passando por 177µm, 149µm, 105µm, 74µm, 53µm, 44µm até o fundo. Esta pilha de peneiras foi agitada durante 15 minutos em um agitador Produtest. A outra análise foi feita por Sedigraph Micromeritics, onde este aparelho mede o diâmetro da partícula em suspensão através de detecção por um feixe de raios-x. A análise química foi realizada por fluorescência de raios-x. 4.3 Umidificação das argilas CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12503

4 Procurou-se trabalhar com um teor de umidade utilizado industrialmente, ou seja, em torno de 9% com variação de ±0,1%. Encontrou-se certa dificuldade de realizar a umidificação devido à alta temperatura do ambiente. A umidificação foi feita adicionando água a quantidade de argila a ser utilizada. Primeiramente umidificou-se cerca de 1,5kg de cada argila e para isso acrescentou-se 135g de água. Depois de acrescentar a água homogeneizou-se a argila umidificada passando-as cinco vezes por uma peneira ABNT #20. Armazenou-se as argilas em sacos plásticos lacrados durante 24 horas a fim de que a umidade realmente se homogeneizasse. 4.4 A Curva de compactação A curva de compactação tem a função de estudar o comportamento da densidade das argilas em função da pressão exercida sobre estas. Com a curva de compactação em mãos podemos ter um controle da densidade, já que esta é uma forte fonte de erros e que o trabalho deve ser realizado com a densidade fixa. Analisando a curva de compactação concluiu-se que o melhor seria fixar a densidade em torno de 1,82g/cm 3 com desvio de ±0,02g/cm 3 e na segunda metodologia decidiu-se optar por trabalhar com uma pressão de 250 kgf/cm A análise dos corpos de provas a verde Prensaram-se 5 corpos de provas de cada argila e para isso utilizou-se um molde de aço-inóx de medidas (6x2)cm, uma prensa hidráulica da marca Schwing Siwa e 14g de argila para cada corpo de prova. A primeira variável a ser estudada foi à recuperação elástica. O estudo desta variável é importante pois quando esta é muito alta causa sérios problemas, como o de folheamento na hora em que se extrai a peça cerâmica do molde. Para a análise da recuperação elástica foi necessário medir o comprimento assim que o corpo era extraído do molde e nesse caso em especial utilizou-se um micrômetro Mitutoyo. Aplicou-se, então, esse valor na seguinte equação (1). CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12504

5 RE = [(C e C m )/C m ]*100 (1) onde C e é o comprimento de extração e C m é o comprimento do molde. Depois de prensados e seus comprimentos medidos, os corpos de provas foram secos em estufa elétrica a 110ºC/24horas. Com os corpos secos mediu-se a densidade aparente e o módulo de resistência a flexão (M.R.F.). A densidade (ρ) é medida de forma geométrica, ou seja, pesa-se o corpo e mede-se o comprimento, a largura e a espessura, aplica-se, então, os valores na equação (2). onde m é a massa do corpo e V o volume. ρ = m/v (2) O M.R.F. é uma medida muito importante, pois mede a resistência mecânica da placa cerâmica e um valor muito baixo implicaria que essa placa cerâmica não resistiria a uma linha de produção. O M.R.F. foi medido com um tensômetro Hounsfield, este por sua vez nos dá uma medida em quilogramas que é convertida em kgf/cm 2 através da equação (3). M.R.F. = 3*P*L/2*e 2 *l (3) onde P é a leitura do aparelho, L é a distância entre os apoios que sustentam a peça. e é a espessura do corpo no local da fratura e l é a largura do corpo no local da fratura. 4.6 A análise dos corpos de provas queimados Prensaram-se 20 corpos de provas de cada argila e para isso utilizou-se um molde de aço-inóx de medidas (7x1)cm, uma prensa hidráulica Schwing Siwa e 11g de argila para cada corpo de prova. Depois de prensados, os corpos foram secos em uma estufa elétrica a 110ºC/24 horas. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12505

6 Analisou-se primeiramente a densidade aparente, procedendo do mesmo modo descrito no item anterior. O passo seguinte foi realizar as queimas. A primeira queima foi realizada a 1065ºC e com a análise dos dados obtidos com essa queima estabeleceu-se as demais. A segunda queima foi a 1000ºC, a terceira a 1035ºC e a quarta a 1085ºC. Todas as queimas foram feitas em uma mufla EDG 3000 com uma taxa de aquecimento de 12ºC/min e sem patamar. Com os corpos de provas queimados foram analisadas variáveis como a absorção de água (A.A.), retração linear de queima(r.l.q.), índice de densificação (I.D.), módulo de resistência a flexão (M.R.F.) e a curva de gresificação. A análise da absorção de água é de extrema importância, uma vez que as normas de qualificações se baseiam principalmente nesta para homologar uma classe a um piso. Esta análise é feita pesando-se os corpos de provas depois de queimados e em seguida mantê-los imersos em água fervente por duas horas. Após a fervura, esses corpos de provas são pesados e esses dados são aplicados na equação (4). A.A. = [(P u - P q )/P q ]*100 (4) onde P u é o peso úmido, P q é o peso queimado Outra variável analisada foi a R.L.Q.. Esta variável esta diretamente relacionada com a absorção de água, ou seja, quanto maior a absorção menor a retração e vice-versa. A análise da retração linear de queima também é muito importante pois as normas de qualificação também são muito rigorosas quanto à variação dimensional das peças cerâmicas. Para realizar esta análise basta medir o comprimento dos corpos de provas antes da queima e depois da queima e aplicar os valores na equação (5). R.L.Q. = [(C s - C q )/C s ]*100 (5) onde C s é o comprimento seco, C q é o comprimento queimado. A análise do M.R.F. é feita pelo mesmo motivo, do mesmo modo e pelo mesmo aparelho do item anterior. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12506

7 Analisou-se, também, o índice de densificação (I.D.) que é para se ter idéia da vitrificação do corpo cerâmico, ou seja, o quanto de fase liquida forma na hora da queima. Esta variável é medida segundo a razão entre as densidades aparentes antes e após a queima, equação (6). I.D. = ρ v /ρ q (6) onde ρ v é a densidade antes da queima e ρ q é a densidade após a queima. A curva de gresificação seria a análise em conjunto dos dados da absorção de água e da retração linear de queima. Com a união dos dados da análise dessas duas variáveis em uma mesmo gráfico, é possível que se possa determinar a taxa de decréscimo e acréscimo para ambas as variáveis ao mesmo tempo. 5 Resultados e Discussão Tabela I Análise Química das Argilas Argila SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO Na 2 O K 2 O MnO TiO 2 MgO P 2 O 5 P.Fogo D I M A análise química é sem dúvida nenhuma uma ferramenta de extrema importância pois ela nos ajuda a entender compreender e explicar os resultados obtidos. Ao analisar uma análise química devemos prestar atenção principalmente nas quantidades de SiO 2 uma vez que esta nos dá a noção da quantidade de quartzo presente na amostra já que seu principal componente é SiO 2, devemos prestar atenção também na quantidade de ferro (Fe 2 O 3 ) e de metais alcalinos e alcalinos terrosos (Ca, Na e K). Fazendo uma pequena análise dos dados desta análise química notamos que a argila D tem uma maior quantidade de SiO 2, o que a tornaria mais refratária, porém, esta contém uma quantidade razoável de Na 2 O, provavelmente proveniente de um feldspato, o que a deixa mais fundente, contém também uma menor quantidade de Fe 2 O 3 o que indica que a argila CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12507

8 contém menos argilo-minerais e sendo assim, possui uma menor perda ao fogo. Em relação às outras argilas podemos dizer que são tipicamente ilíticas, com menores participações de quartzo. 100 Massa acumulada de finos (%) Argila M Argila I Argila D Diâmetro de partícula (µm) Figura 1 Análise Granulométrica Realizada pelo Sedigraph Micromeritics Na Figura 1 temos o gráfico da distribuição de tamanho das partículas realizado pelo Sedigraph. A vantagem de se realizar essa análise por esse aparelho é que ele analisa a amostra em suspensão, ou seja, a partir do momento em que a argila é dispersa em água destilada e acrescenta-se o defloculante os aglomerados se dispersam e o aparelho consegue através de emissão de raios-x determinar o diâmetro das partículas. Analisando o gráfico podemos perceber que a argila D é a mais grossa isto devido a maior quantidade de quartzo em sua composição, vemos também a grande semelhança entre as outras duas argilas. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12508

9 Densidade (g/cm 3 ) Argila D Argila M Argila I Pressão (kgf/cm 2 ) Figura 2 Curva de Compactação das Argilas Na Figura 2 temos o gráfico da curva de compactação das argilas. De acordo com ele podemos concluir que a argila D é com certeza a que melhor compacta, ou seja, com uma menor pressão conseguimos uma densidade mais alta do que obtemos com as outras argilas. Podemos explicar isto devido a uma maior quantidade de quartzo em sua composição. No caso deste trabalho optamos por trabalhar com uma densidade em torno de 1,82g/cm 3 pois analisando o gráfico acima vemos facilmente que se tivéssemos optado por trabalhar com uma densidade um pouco maior, em torno de 1,85g/cm 3 por exemplo, não conseguiríamos atingi-la com as argilas M e I pois estão em fase de estabilização Recuperação Elástica (%) Proporção de Argila "D" (%) Figura 3: Recuperação Elástica CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12509

10 Na figura 3 vemos o gráfico da recuperação elástica da argila D em relação a argila M. Este gráfico, obtido através da densidade fixa, nos mostra uma grande relação linear (-0.93) entre os pontos e assim uma possível aplicação da lei da aditividade M.R.F. (kgf/cm 2 ) Proporção de Argila "D" (%) Figura 4 Módulo de Ruptura a Flexão Na figura 4 vemos o gráfico do M.R.F. da argila D em relação a argila M. O gráfico nos dá praticamente uma perfeita linearização dos pontos (-0.99) e a maior possibilidade de aplicação da lei até agora Porosidade Aparente (%) Proporção de Argila "D" (%) Figura 5: Porosidade Aparente CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12510

11 Na figura 5 temos o gráfico da porosidade aparente da argila D em relação a argila M. Podemos observar também neste caso uma grande relação linear (-0.97) entre os pontos e uma possível aplicação da lei da aditividade Absorção de Água (%) Proporção de Argila "D" (%) Figura 6: Absorção de Água Na figura 6 vemos o gráfico da absorção de água da argila D em relação a argila M. Podemos constatar uma grande relação linear (-0.97) entre os pontos e assim uma grande possibilidade de aplicação da lei da aditividade. R.L.Q. (%) 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2, Proporção de Argila "A" (%) Densidade (g/cm 3 ) Proporção de Argila "A" (%) Figura 7: Influência da Densidade Os dois gráficos da figura 8 relacionam a densidade com a retração linear evidenciando a influência desta sobre a conservação e soma das propriedades. Analisando os gráficos em conjunto chegamos a conclusão que a dispersão nos valores da retração CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12511

12 linear de queima se dá pela dispersão dos valores da densidade. Se conseguirmos fixar a densidade a relação se torna linear. 6 Conclusões Com a análise dos dados acima conclui-se que um grande número das variáveis utilizadas industrialmente como: recuperação elástica, módulo de resistência a flexão, absorção de água, porosidade aparente, retração de queima podem ser regidas pela lei da aditividade. Conclui-se que esta aplicação da lei da atividade somente é possível quando se trabalha em um sistema que utiliza densidade fixa. 7 Referências Bibliográficas [1] SANTOS, P. S.; Ciência e Tecnologia de Argilas Volume 1 2ª edição, Editora Edgar Blucher Ltda., São Paulo, Brasil, [2] NORTON, F. H.; Introdução a Tecnologia Cerâmica Editora Edgar Blücher Ltda, São Paulo, [3] SÁNCHEZ, E.; Materias primas para la fabricación de soportes de baldosas cerámicas Graficas Castañ, S.L., Castellón, Espanha, [4] BORGES, F. S.; Elementos de Cristalografia 2ª edição, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, [5] GOMES, C. F.; Argilas: o que são e para que servem Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, [6] REED, J. S.; Principles of Ceramics Processing 2ª edição, John Wiley & Sons Inc., [7] ASSOCIACION TECNICOS CERAMICOS Tecnologia de la Fabricación de azulejos Litografia Castellón, [8] C.C.B. (Centro Cerâmico do Brasil) Norma NBR CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 12512