INFLUÊNCIA DA ETAPA DE GELATINIZAÇÃO DO AMIDO NA FABRICAÇÃO DE CERÂMICAS COM GRADIENTE DE POROSIDADE

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1 1 INFLUÊNCIA DA ETAPA DE GELATINIZAÇÃO DO AMIDO NA FABRICAÇÃO DE CERÂMICAS COM GRADIENTE DE POROSIDADE Cruz, T. G (1) ; Silva, L.J. (1) ; Hein, L. R. O. (1) Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 CEP.: Guaratinguetá SP tessie@feg.unesp.br Departamento de Materiais e Tecnologia Laboratório de Materiais Cerâmicos UNESP - Faculdade de Engenharia - Campus de Guaratinguetá RESUMO Este trabalho tem como objetivo estudar a influencia da etapa de gelatinização na interface de cerâmicas constituídas de camadas sucessivas de TiO 2 com diferentes graus de porosidade. Foram preparadas barbotinas com 50% sólido variando-se a quantidade e tipo de amido adicionado no processamento ( 5%, 10%, 15%, 20% e 25%) e obteve-se cerâmicas com duas e três camadas sucessivas de TiO 2. Foram variados parâmetros, como intervalos de tempo e temperatura na etapa da gelatinização. As amostras foram caracterizadas através da microscopia quantitativa. Foi constatada a presença de poros fechados, abertos e interconectados. A morfologia e quantidade dos poros está relacionada aos intervalos de tempo e temperatura de gelatinização utilizados durante o processamento. Palavras-chave: cerâmica, amido, porosidade, microscopia quantitativa.

2 2 INTRODUÇÃO Entre as cerâmicas avançadas desenvolvidas, as cerâmicas porosas tem chamado a atenção da comunidade científica em vista das suas diversas aplicações (1-5). A desvantagem dos materiais porosos é sua baixa resistência mecânica, isto é, na maioria das vezes é inversamente proporcional ao volume dos poros (6,7). Em materiais com porosidade uniforme o aumento da resistência mecânica se dá com a diminuição da porosidade ou tamanho de poro. Neste contexto, um gradiente de porosidade pode possibilitar a obtenção de alta porosidade com o aumento relativo da resistência. Muitas técnicas já vem sendo utilizadas para a obtenção de gradientes de porosidade (8-10). Recentemente, estudos relacionados a técnicas que se baseiam na incorporação de agentes fugitivos adicionados a suspensões aquosas, vem sendo aperfeiçoados com o objetivo de se obter cerâmicas com gradiente de porosidade. No Laboratório de Materiais Cerâmicos na UNESP Guaratinguetá vem sendo desenvolvida um estudo, onde se propõe a utilização da técnica de conformação por consolidação com amido para a alcançar níveis discretos de porosidade, isto é, gradiente de porosidade. Essa técnica se baseia nas propriedades do amido (polissacarídeos) que quando misturados com água e aquecidos, possui características de goma, pois apresentam a propriedade de reter moléculas de água, formando soluções viscosas. Quando suspensões aquosas de pós cerâmicos e amidos são derramadas em moldes e elevadas a temperaturas ocorre o crescimento das partículas de amido, chamado gelatinização, através da absorção da água contida na barbotina (11,12). O comportamento das partículas de amido dependem da temperatura de gelatinização, definida por seu tipo e origem. Durante a gelatinização dos grânulos, dependendo da temperatura ao qual são expostos, pode-se obter grânulos somente inchados ou a formação de gel com o rompimento dos mesmos (13). Na técnica para obtenção do gradiente de porosidade a gelatinização do amido exerce um papel de cola entre as camadas com diferentes graus de porosidade. A força do gel, isto é, o poder de goma, depende da proporção de amido, quantidade de água e temperatura (13). Neste contexto, na obtenção de gradiente de porosidade a etapa de gelatinização é de fundamental importância na adesão entre as camadas porosas.

3 3 A obtenção de cerâmicas com gradiente de porosidade utilizando a técnica baseada no método da conformação com amidos vem sendo estudada visando a produção de peças de geometria complexa com variação de porosidade e resistência mecânica. O nível de variação da porosidade depende em grande parte da adesão entre as diversas camadas porosas. O objetivo neste trabalho é estudar a influência da etapa de gelatinização na interface de cerâmicas constituídas de camadas sucessivas de dióxido de titânio. Para isso foram produzidas e analisadas cerâmicas porosas de dióxido de titânio com duas e três camadas, com diferentes tipos e porcentagens de amido. As cerâmicas porosas obtidas foram caracterizadas com base na microscopia quantitativa e os parâmetros obtidos são analisados em função da adesão entre as camadas. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho foi utilizado o dióxido de titânio produzido pela LABSYNTH S/A, com densidade de 4,377 g/cm 3 e área específica média 18,70 m 2 /g. Amido de milho densidade 1,542 g/cm 3 e amido de batata densidade 1,524 g/cm 3. O defloculante utilizado foi o Disperlan LA produzido pela Lambra Produtos Químicos Auxiliares, densidade entre 1,13 e 1,18 g/cm 3. Foram preparadas barbotinas com 40% sólido, variando-se o tipo e a quantidade de amido adicionado no processamento (5%, 10%, 15%, 20% e 25%) o obteve-se cerâmicas com duas e três camadas sucessivas de dióxido de titânio. Foram fabricadas cerâmicas com a adição de amido de milho e batata, nas mesmas proporções, com o objetivo de comparação entre as características de gelatinização dos dois amidos. Para a fabricação das cerâmicas com diferentes camadas de porosidade, seguiu-se uma rota de processamento baseado na técnica desenvolvida por CRUZ (14). Na etapa de gelatinização foram variados os parâmetros de tempo e temperatura com o objetivo de se estudar a influencia da gelatinização nas cerâmicas com gradiente de porosidade. As temperaturas de gelatinização das diferentes camadas ficou definida entre 60ºC - 70ºC, visto que a temperatura de gelatinização do amido de milho se

4 4 encontra no intervalo de 62-70ºC e do amido de batata no intervalo de 58-66ºC. O tempo de gelatinização foi variado em 0,5hora e 1hora nas diferentes camadas. A temperatura de gelatinização foi adota em função do intervalo de gelatinização dos dois amidos com base na literatura. O tipo e porcentagens de amido em cada camada, o numero de camadas, tempo e temperatura de cada amostra pode ser observado na Tabela I. Tabela I Tipo de amido, numero e porcentagem de amido nas diferentes camadas, tempo e temperatura de gelatinização nas diferentes amostras cerâmicas. Tipo do Amido % Amido 1ª /2ª /3ª Da da 2ª camada da 3ª camada camada 1ª camada 1 Milho 15/20 70ºC/1hora 70ºC/0,5hora - 2 Batata 15/20 60ºC/1hora 65ºC/1hora - 3 Milho 15/20/25 65ºC/1hora 65ºC/1hora 70ºC/0,5hora 4 Batata 15/20/25 60ºC/1hora 60ºC/1hora 70ºC/1 hora 5 Milho 5/10 60ºC/1hora 65ºC/1hora - 6 batata 5/10 60ºC/1hora 65ºC/1hora - As cerâmicas que apresentaram uma interface continua foram consideradas aderidas e preparadas para serem analisadas no microscópio óptico. A caracterização das cerâmicas aderidas foi feita com base nas imagens obtidas. RESULTADOS E DISCUSSÂO Amostras que aderiram e as que não aderiram As amostras foram separadas de acordo com o tipo e porcentagem de amido. Na Tabela II pode-se observar e comparar as amostras 1 e 2.

5 5 Tabela II Comparação entre o comportamento das amostras 1 e 2. Tipo do Amido % Amido 1ª /2ª camada da 1ª camada da 2ª camada 1 Milho 15/20 70ºC/1hora 70ºC/0,5hora Não aderiu 2 Batata 15/20 60ºC/1hora 65ºC/1hora Aderiu A amostra 1 (fabricada com amido de milho), com duas camadas (15/20) e 5mm de espessura cada camada, apresentou deformações caracterizadas por fraturas e trincas, sendo que em alguns pontos da interface entre a camadas existiu a adesão. A amostra 2 (fabricada com amido de batata), apresentou uma interface perfeita entre as duas camadas, resultando na adesão. O comportamento discrepante entre as duas amostras, embora contendo a mesma quantidade de amido, pode ser associado ao tempo de gelatinização da segunda camada da amostra 1 que foi apenas de 30 minutos. O intervalo curto de tempo pode ter ocasionado a inibição ou interrupção da gelatinização, impossibilitando a formação de goma. A Tabela III apresenta a comparação entre as amostras 3 e 4. Tabela III - Comparação entre o comportamento das amostras 3 e 4. Tipo do Amido % Amido 1ª /2ª /3ª camada Da 1ª camada da 2ª camada da 3ª camada 3 Milho 15/20/25 65ºC/1hora 65ºC/1hora 70ºC/0,5hora Não aderiu 4 Batata 15/20/25 60ºC/1hora 60ºC/1hora 70ºC/1 hora Aderiu Neste caso, a amostra 3 ( fabricada com amido de milho) foi submetida a temperatura de 65ºC com o objetivo de interação entre as partículas de amido presentes nas interfaces. Mesmo com a diminuição da temperatura e aumento do intervalo de tempo, como no caso da primeira e segunda camada, não se obteve a adesão. No caso da amostra 4 (fabricada com amido de batata) foi obtida a adesão nas três camadas.

6 6 A Tabela III apresenta a comparação entre as amostras 5 e 6. Tabela IV - Comparação entre o comportamento das amostras 5 e 6. Tipo do % Amido 1ª /2ª /3ª camada da da 2ª camada Amido 1ª camada 5 Milho 5/10 60ºC/1hora 60ºC/1hora Aderiu 6 Batata 5/10 60ºC/1hora 65ºC/1hora Não aderiu Como se observa, a amostra 5 (fabricadas com amido de milho) diferentes das amostras 1 e 3, não se teve adesão entre as camadas. Enquanto que a amostra 6 (fabricadas com amido de batata) diferentes da amostra 2 e 4, aderiu. A diferença entre as amostras fabricadas que aderiram e as que não aderiram, no caso das que foram fabricadas com amido de batata ( amostras 2, 4 e 6), se deu em função da quantidade de amido. A temperatura de gelatinização utilizada, que variou em 60-70ºC, possibilitou a adesão em duas amostras ( amostras 2 e 4). Nas amostras que aderiram a quantidade de amido era superior a da amostra 6. Por isso, a quantidade de amido influencia no comportamento da gelatinização, e consequentemente poder de goma. A pequena quantidade de amido não possibilitou a adesão entre as camadas. No caso das amostras fabricadas com amido de milho, a amostra 5, diferentes da anterior, aderiu. No caso dessas amostras, a temperatura de gelatinização teve grande influência na adesão das camadas. Nas amostras 1 e 3 a temperatura de gelatinização utilizadas foi superior a 65ºC e não se obteve a adesão. No caso da amostra 5, a temperatura de gelatinização utilizada foi de 60ºC, o que nos leva a concluir que nesse estágio o amido se encontra ainda intumescido e pode interagir com o amido presente na segunda camada. Características da interface nas amostras que aderiram Com a utilização da microscopia foi possível a observação da interface nas amostras que apresentaram adesão. Na figura 1 observa-se a interface da amostra 2, fabricada com amido de batata.

7 7 A diferença entre a porosidade da 1ª camada com a 2ª camada é constatada com base na Figura 1, em função da morfologia dos poros, bem como os aglomerados. A Figura 1 apresenta a interface destacada pela linha azul. Nota-se que a interface é perfeita, pois a interação e o comportamento das partículas de amido de pó cerâmico da primeira camada com as partículas da Segunda camada se deu como se fosse uma única suspensão. 1ª camada = 15% de amido 2ª camada = 20% de amido Figura 1 Interface da amostra 2. Detalhe em azul da interface entre a 1ª e a 2ª camada. A Figura 2 apresenta o comportamento da amostra 4, fabricada com amido de batata. Pode-se observar, com base nas imagens da Figura 2, que na 1ª camada tem-se uma presença maior de poros fechados. Na segunda camada, nota-se presença de algumas aglomerações e poros fechados. A imagem da porosidade na terceira camada exemplifica a maior aglomeração dos poros verificada em função da elevação do teor de amido para 25%, além também da presença de poros fechados. Embora se tenha observado uma diferenciação entre as camadas, um detalhe relevante seria o fato de maior ocorrência de aglomerações nas três camadas. Quando comparada a morfologia dos poros da amostra com 3 camadas e a com 2 camadas, o comportamento difere, mesmo quando usada a mesma

8 8 quantidade de amido na preparação das suspensões. Esse comportamento se deve a variação de temperatura na etapa de gelatinização. 1ª camada = 15% de amido 3ª camada = 25% de amido 2ª camada = 20% de amido 2ª camada = 20% de amido (a) (b) Figura 2 - Imagem da interface a)detalhe da interface entre a 1ª e 2ª camada; (b) detalhe da interface entre a 2ª e 3ª camada. Na Figura 3 apresenta-se a amostra 5, fabricada com amido de milho. 1ª camada = 10% de amido 2ª camada = 5% de amido Figura 3 - Imagem da interface a) interface; b) detalhe da interface entre a 1ª e 2ª camada;

9 9 Apesar de apresentar algumas regiões de pouca adesão, no mais a interface se mostrou de forma contínua e com excelente aderência como pode ser visualizado na figura 3. No caso, pode se observar a interface ressaltada pela linha azul na Figura 3 (b), onde verifica-se uma adesão perfeita, além disso, observa-se nitidamente a diferença de porosidade entre a 1ª camada (5% de amido) e a 2ª camada (10% de amido). CONCLUSÕES A temperatura de gelatinização influencia a adesão das camadas dependendo da quantidade de amido presente na barbotina. Isto foi atestado nas amostras que tiveram as mesmas temperaturas de gelatinização com quantidades diferentes de amidos e apresentaram comportamentos discrepantes. O tempo de gelatinização também é importante na adesão das camadas. Amostras com tempo de gelatinização inferiores a 1hora não foi se observada a adesão entre as camadas. REFERÊNCIAS 1. Batra, V. S., Bali, S., VenKatesh, S. Fabrication of porous components for molten carbonate fuel cell Ceramic International 29 (2003) ; 2. Fukasawa, T., Deng T., Ando, M., - Pore struture of porous ceramics synthesized from water-based slurry by freeze-dry process Journal of Materials Science 36(2001) ; 3. Zhang, G., Yang, J. F. and Ohji, T. Fabrication of Porous Ceramics with Unidiretionally Aligned Continuous Pores Journal American Ceramic Society 84 [6] (2001); 4. Nikitin, D. S., Zhukov, V. A., Perkov, V. V., Buyakova, S. P. and KulKov, S. N. Preparation of Porous Ceramics from Nanocrystalline Zirconia and their Microstruture - Inorganic Materials 40 [7] (2004); 5. Kim, J. G. Preparation of porous n-batio 3 ceramics by adding polyethylene glycol Journal of Materials Science 39 (2004) ;

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