28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 INFLUÊNCIA DO AMIDO NA FABRICAÇÃO E POROSIDADE FINAL DE CERÂMICAS CONFORMADAS POR CONSOLIDAÇÃO DIRETA Cruz, T. G (1) ; Silva, L.J. (1) ; Carrer, G. R. (1) ; Martins, E.M. (1) ; Hein, L. R. O. (1) Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 CEP.: 12516-410 Guaratinguetá SP tessie@feg.unesp.br Departamento de Materiais e Tecnologia Laboratório de Materiais Cerâmicos UNESP - Faculdade de Engenharia - Campus de Guaratinguetá RESUMO Na fabricação de cerâmicas porosas a técnica de conformação por consolidação com amido é fundamentada nas propriedades do amido, tornando possível seu uso como ligante e formador de poros. Após a queima do amido e sinterização da cerâmica o material obtido tem porosidade relacionada com o tamanho, forma e quantidade original das partículas de amido. Com o objetivo de se analisar a influência da quantidade original do amido na rota de processamento foram fabricadas cerâmicas porosas de TiO 2, com diferentes porcentagens de amido de batata e caracterizadas por microscopia quantitativa. Com imagens da microestrutura foram calculados a porosidade média final e distribuição da porosidade das cerâmicas. Os resultados obtidos foram comparados quanto às quantidades de amido adicionadas na fabricação das cerâmicas. Cerâmicas conformadas com porcentagens diferentes de amido de batata apresentaram valores médios de porosidade equivalentes com diferença no comportamento da distribuição da porosidade. Palavras-chave: cerâmica, amido, porosidade, microscopia quantitativa.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 INTRODUÇÃO Materiais cerâmicos têm atualmente uma grande importância na tecnologia científica. A combinação de matérias primas e técnicas de processamento, resultam em cerâmicas com propriedades específicas e aplicações distintas que não são conseguidos com uso de materiais metálicos ou poliméricos (1). Entre as cerâmicas avançadas desenvolvidas, as cerâmicas porosas possuem um grande potencial para aplicações nas mais diversas áreas. A estrutura porosa está diretamente ligada a sua aplicação. Há dois tipos de poros: abertos e fechados (2). Os poros abertos possuem contato com a superfície externa do material em função da conexão existente entre eles, sendo que o segundo tipo, os poros isolados, não possuem conexão entre si. Para efeitos de isolantes térmicos é favorável uma porosidade fechada, enquanto filtros e membranas requerem uma porosidade aberta (3). Diversas técnicas são empregadas para a obtenção de cerâmicas porosas. São utilizadas técnicas como o método da esponja polimérica, do agente espumante (foamind) e de aditivos orgânicos fugitivos, entre outros. O método da esponja polimérica consiste na introdução da pasta cerâmica numa esponja, onde a esponja é removida com a queima e sinterização do material e resulta em um material com porosidade aberta (4). A técnica do agente espumante resulta em poros essencialmente fechados (5). Técnicas baseadas na incorporação de agentes orgânicos, removidos durante a queima, são amplamente utilizadas (6-9). Nesse método os poros resultantes têm tamanho e forma relacionados com a morfologia dos agentes orgânicos. O tipo de poro, aberto ou fechado, vai depender da maneira como o material orgânico se distribuiu no corpo cerâmico. Dentre todas as técnicas existentes, relacionadas ao uso de agentes orgânicos, o processo de obtenção de peças cerâmicas porosas utilizando a conformação por consolidação com amido vem recebendo uma considerável atenção dos meios de pesquisa (10-12). Essa técnica da família dos métodos de conformação direta se baseia nas propriedades fundamentais do amido. O amido é constituído de dois polissacarídeos, a amilose e a amilopectina. A amilose confere ao amido suas propriedades de gel em suspensão aquosa. Grãos de amidos em água e com a temperatura aumentada gradualmente, ao atingir sua temperatura de gelatinização, começam a intumescer e formar soluções consideravelmente viscosas (13), o que se pode observar na Figura 1.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 Figura 1: Comportamento do amido de batata com aumento de temperatura. Neste contexto, na técnica de consolidação por conformação com amido, os pós já caracterizados e peneirados são misturados a água, formando uma suspensão aquosa. Quando estas suspensões aquosas de pós cerâmicos e amidos são derramadas em moldes e elevadas a temperaturas entre 60-80 C ocorre o crescimento das partículas de amido, chamado gelatinização, através da absorção da água contida na barbotina, o que também torna possível a aglomeração das partículas cerâmicas, e consequentemente a conformação de um corpo sólido. O amido, que possui essa característica de formar gel em água, é utilizado como ligante e formador de poros nesta rota de processamento. Esses corpos já conformados passam para as etapas seguintes de secagem, queima e finalmente sinterização, com o objetivo de aumento na resistência mecânica e outras propriedades do produto final. Conforme o esquema da Figura 2, com a queima e sinterização da cerâmica o amido evapora deixando um vazio onde ele existia, o que resulta na formação de poros. Figura 2: Esquema da técnica de conformação com amido.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 Dessa forma, a cerâmica tem porosidade final relacionada com o tamanho, forma e quantidade original das partículas de amido, incluindo o crescimento delas durante sua consolidação. A obtenção de cerâmicas porosas utilizando o método da conformação com amidos vem sendo estudada visando a produção de peças de geometria complexa. Inicialmente os estudos visavam somente a obtenção de cerâmicas porosas, porém com o avanço das pesquisas foi possível se obter cerâmicas de baixa porosidade e elevada resistência mecânica, demonstrando sua grande versatilidade no controle de formações porosas. O objetivo neste trabalho é estudar a influência da quantidade de amido na fabricação e porosidade final das cerâmicas. Para isso foram produzidas e analisadas cerâmicas porosas de dióxido de titânio com diferentes porcentagens de amido de batata. As cerâmicas porosas obtidas foram caracterizadas e calculada o valor da porosidade média e a distribuição de porosidade das mesmas através da microscopia quantitativa baseada no processamento digital de imagens. Os resultados obtidos em cada uma das amostras foram comparados em relação a quantidade de amido adicionada na fabricação das cerâmicas. MATERIAIS E MÉTODOS Material Para a fabricação das amostras foi utilizado o dióxido de titânio (densidade igual a 4,23 g/cm 3 ) (14) e amido comercial de batata (densidade igual à 1,54 g/cm 3 ). Fabricação dos Corpos Cerâmicos As cerâmicas porosas foram fabricadas utilizando a técnica de conformação por consolidação com amido. Na Figura 3 tem-se um fluxograma do processo geral de confecção das peças cerâmicas pelo método de conformação por consolidação com amido. A composição de todos os corpos de prova ficou estabelecida em 50% de sólido, em volume, variando-se a quantidade de amido em 15%, 20% e 25%.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 Figura 3 Esquema do processamento de materiais cerâmicos pelo método de conformação por consolidação com amido. Preparação das amostras As amostras foram cortadas ao meio, conforme o esquema da Figura 4, paralelo ao eixo central da amostra. A face a ser observada foi submetida a um processo de lixamento e polimento. Figura 4 Esquema do corte das amostras. Caracterização das Amostras através do Método baseado no Processamento e Análise de Imagens A caracterização das cerâmicas sinterizadas foi feita utilizando a técnica baseada na microscopia quantitativa. Imagens capturadas num microscópio óptico ao longo de toda face observada foram processadas para cálculo da fração porosa de cada uma delas seguindo o método proposto por CRUZ (15). Obteve-se o valor médio e a distribuição da porosidade das amostras analisadas.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 RESULTADOS E DISCUSSÂO Os resultados da fração porosa média obtidas nas amostras sinterizadas podem ser comparados com base na Tabela I. Tabela I Resultados da Fração Porosa Média das amostras sinterizadas Porcentagem de Amido Valor da Fração Porosa Média 15% 44% (± 2) 20% 44% (± 2) 25% 50% (± 2) Pode-se observar que cerâmicas conformadas com porcentagens de 15% e 20% de amido apresentaram valores médios de porosidade equivalentes, embora não seria um resultado esperado em função de se estar acrescentando mais amido à barbotina e consequentemente aumentando a quantidade de poros resultantes na matriz cerâmica. Dessa forma, é importante ressaltar que o valor da porosidade média das amostras embora dê uma idéia do valor da porosidade, não é muito significativo porque não evidencia como essa porosidade se distribui ao longo da amostra. Por isso foi feito uma mapeamento de toda a superfície (15), com base no esquema da Figura 3, e os resultados para todas as amostras podem ser observados nas Figuras 5-7. No caso da cerâmica conformada com 15% de amido de batata, pode-se observar que a porosidade diminui no interior da amostra, com valores entre 40-44%, enquanto que nas bordas laterais obtêm-se valores de 45-50% de porosidade. Nota-se uma região mais densa na base da amostra, uma possível explicação para isso é o fato da densidade do amido ser menor que a do dióxido de titânio, as partículas de dióxido de titânio tendem a decantar mais rapidamente que as partículas de amido de batata (16). O mesmo comportamento pode ser observado na cerâmica conformada com 20% de amido de batata, conforme Figura 6. A cerâmica apresentou uma porosidade entre 40-44%, enquanto que as laterais valores de 45-50%. O interessante notar é que o acréscimo de amido na barbotina não influenciou a porosidade média obtida e sim a distribuição da porosidade.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 Figura 5 Distribuição da porosidade da cerâmica conformada com 15% de amido de batata. Se compararmos as porosidades nas duas cerâmicas diferentes, com 15% e 20%, respectivamente, podemos constatar que, embora tenham valores muito próximos de porosidade média, possuem um comportamento diferente com respeito à sua distribuição porosa. Figura 6 Distribuição da porosidade da cerâmica conformada com 20% de amido de batata. Pode-se observar nas figuras (Figura 5 e 6) que a cerâmica conformada com 20% de amido apresentou uma região menos porosa mais estreita que a conformada com 15% de amido. Uma análise da região com porosidade num intervalo de 44-50% de porosidade [ressaltadas nas cores verde(44% e 45%), amarelo(48%) e vermelha(50%)] de ambas amostras deixam claro que as cerâmicas com 20% de amido ocupam uma região porosa maior quando comparada a região que tem a mesma porosidade na cerâmica com 15% de amido.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 Figura 7 Distribuição da porosidade da cerâmica conformada com 25% de amido de batata. A cerâmica conformada com 25% de amido apresentou valores de porosidade entre 47-55% ao longo de toda amostra, conforme observado na Figura 7. O acréscimo do amido de batata neste caso influenciou no valor médio da porosidade, o que resultou em valores superiores aos obtidos nas cerâmicas com 15% e 20% de amido. Mas pode-se observar que a tendência a maior densificação no centro da peça repetiu-se, embora com valores altos de porosidade, entre 47-48%. Em todas as cerâmicas analisadas pode-se observar que a porosidade na amostra não é homogênea, embora se note a tendência a uma maior densificação no centro. Essa densificação variou em termos de valores da porosidade e região ocupada na amostra, mas a tendência de concentração no centro da amostra repetiu-se para os três casos analisados. CONCLUSÕES O método de conformação por consolidação com amido mostrou-se eficaz na obtenção de cerâmicas porosas. As cerâmicas conformadas com amido de batata apresentaram uma distribuição de porosidade não homogênea. O valor da porosidade média das amostras não é muito significativo porque não evidencia como essa porosidade se distribui ao longo da amostra. O acréscimo de amido de batata na barbotina é um parâmetro que influencia não só a porosidade média final mas a forma da distribuição da porosidade ao longo de toda amostra.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 REFERÊNCIAS 1. Takahashi, M. and Fuji, Masarjoshi. Synthesis and fabrication of inorganic porous materials from nanometer to millimeter sizes Kona, 20 (2002); 2. Van Vlack, L. Hall, Propriedades dos Materiais Cerâmicos, Editora Edgard Blucher, São Paulo, Brasil (1973) p. 220; 3. Thoraval, V. et al. Preparation and characterization of microporous ceramic. Key Engineering Materials. V. 61-62. P. 213-218, 1991; 4. Sheppard, L. M. Porous ceramics: processing and applications Ceram. Trans. 31 (1993) 3-23; 5. Saggio-Woyansky, J. and Scott, C. E. Processing of porous ceramics Am. Ceram. Soc. Bull. 71 (11) (1992) 1674-1682; 6. Dutra, R. P. S., Pontes, L. R. A. Obtenção e análise de cerâmicas porosas com incorporação de produtos orgânicos ao corpo cerâmico. Cerâmica 48(308) 2002; 7. O. Lyckfeldt, J. M. F. Ferreira, Journal of the European Ceramic Society. v. 18, p. 131-140, 1998; 8. H. M. Alves, G Tarì, A. T. Fonseca, J. M. F. Ferreira, Research Bulletin. v. 33, issue: 10, p. 1439-1448, 1998; 9. A. F. Lemos, J. M. F. Ferreira, Materials Science and Engineering: C., v. 11, issue: 1, p. 35-40, 2000; 10. Dorey, R. A., et al, Journal of the European Ceramic Society 22 (2002) 403-409; 11. Diaz, A. and Hampshire, S., Journal of the European Ceramic Society xx (2003); 12. Kim, J. G., et al, Journal of Phisics and Chemistry of Solids 63 (2002) 2079-2084; 13. Bobbio, F. O. and Bobbio, P. A. Introdução à química de alimentos. 5. Ed. São Paulo: Livraria Varela, 1989. P. 11, 51-55; 14. Santos, F. P. Desenvolvimento de Cerâmicas de Dióxido de Titânio para Utilização como Biomateriais. Dissertação de Doutorado. UNESP FEG - Campus Guaratinguetá, 2002; 15. Cruz, T. G. Técnicas de Microscopia Óptica e Processamento Digital de Imagens na Caracterização Microestrutural de Cerâmicas Porosas Conformadas por Consolidação com Amido. Dissertação de mestrado. UNESP FEG - Campus de Guaratinguetá, 2002.
28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 10 STARCH INFLUENCE IN MANUFACTURING AND FINAL POROSITY OF CONFORMED CERAMICS BY DIRECT CONSOLIDATION ABSTRACT In porous ceramics manufacturing the conformation technique by starch consolidation is based on the starch properties, making its use possible as binding and pores former. After burn and ceramics sintering, the obtained material has porosity related with the size, shape and original quantity of starch particles. Aiming to analyze the original quantity influence of starch in processing route, it has been manufactured TiO 2 porous ceramics with different potato starch percentages and characterized by quantitative microscopy. With microstructure images it has been calculated the final average porosity and ceramics porosity distribution. The obtained results have been compared as for starch quantities added in ceramics manufacturing. Conformed ceramics with different potato starch percentages have presented equivalent average values of porosity with a difference in the porosity distribution behavior. Keyword: ceramics, starch porosity quantitative microscopy