Camila Felippe de Oliveira Influência do Teor de Feldspato

Transcription

I
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Camila Felippe de Oliveira
Influência do Teor de Feldspato Espodumênio e Albita na
Sinterização de Uma Massa Cerâmica Triaxial
São João del-Rei, 28 de setembro de 2012.
II
Camila Felippe de Oliveira
Dissertação apresentado ao Curso de Mestrado da
Universidade Federal de São João del-Rei, como requisito
para a obtenção do título de Mestre em Engenharia
Mecânica
Área de Concentração: Materiais e Processos de
Fabricação
Orientador: Dr. Kurt Strecker
III
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA
Título em Inglês: Influence the content of feldspar espodumene and albite on the
sintering of a triaxial ceramic.
Palavras-chave em Inglês: feldspar, lithium, sodium, espodumene, triaxial ceramic,
characterization porcelain tile.
Área de concentração: Materiais e Processos de Fabricação.
Titulação: Mestre
Banca examinadora: Dr. Kurt Strecker
Dr. Marcelo José Bondioli
Dra. Simone Pereira Taguchi Borges
Data da defesa: 28/09/21012
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica
IV
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Autor: Camila Felippe de Oliveira
Orientador: Dr. Kurt Strecker
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação
V
Dedico este trabalho aos meus amados pais.
VI
Agradecimentos
À Deus, que me permitiu chegar até aqui;
Aos meus pais pelo incentivo em todos os momentos da minha vida;
Ao meu orientador, que me mostrou os caminhos a serem seguidos;
A todos os professores e amigos, que ajudaram de forma direta e indireta na conclusão
deste trabalho.
VII
Sou brasileira e não desisto nunca.
VIII
Resumo
As cerâmicas tradicionais em sua maioria são compostos triaxiais formados de argila,
quartzo e feldspato. O feldspato é um fundente utilizado para reduzir a temperatura de
queima.
Os diferentes tipos de álcalis (sódio e lítio) existentes em cada fundente e a
proporção entre eles influenciam a microestrutura final do produto, indicando utilizações
específicas para cada uso. Nesse trabalho, foi investigado a influência do teor de feldspato de
um grés-porcelanato utilizando feldspato sódico (albita) e feldspato lítico (espodumênio). O
teor de feldspato nas amostras foram variados de 15 a 30 gramas em massa . Corpos de prova
foram preparados através de prensagem uniaxial de pressão 28 MPa, em matriz uniaxial de
70x20 mm com aproximadamente 10 mm de espessura. As amostras foram sinterizadas em
forno mufla em temperaturas de 1000, 1100, 1200 e 1280°C com patamar de 1 hora na
temperatura máxima. Foram realizados ensaios para caracterização das matérias-primas por
fluorescência de raios X, difração de raios X, e analisados os corpos de prova através da
retração linear, absorção de água, porosidade e densidade aparente, resistência à flexão em
três pontos, dilatometria, módulo de elasticidade e a coloração. Para análise da superfície
fraturada foi utilizado a microscopia eletrônica de varredura. Os resultados obtidos foram
relacionados com o tipo e o teor de feldspato utilizado e a temperatura de sinterização
aplicada. Em particular foram estabelecidos os diagramas de gresificação, mostrando
simultaneamente a retração linear e a porosidade em relação à temperatura de sinterização,
determinando as melhores condições de sinterização. Os melhores resultados obtidos foram
nos corpos de prova com 30 % de feldspato sinterizados à 1280ºC, independente do tipo de
feldspato.
Palavras Chave: feldspato, sódico, lítico, cerâmica triaxial, albita, espodumênio,
caracterização do porcelanato.
IX
Abstract
Traditional ceramics are in its majority based on triaxial bodies containing clay, quartz
and feldspar. The feldspar is used to reduce the firing temperature. The different types of
alkali (sodium and lithium) and the content in each feldspar influences the microstructure of
the final product, indicating for each specific use. In this work, the influence of the feldspar
content, using feldspar containing Sodium (Na) and feldspar containing Lithium (Li) has been
investigated. The overall amount of feldspar in the ceramic samples varied between 15 and 30
grams per weight. Specimens were prepared by cold uniaxial pressing in a steel die under a
pressure of 28 MPa, on matrix uniaxial 70x20mm approximately 10mm thick. Sintering of the
specimen was done in an electrical heated furnace in air at temperatures of 1000, 1100, 1200
and 1280 ºC for 1h. The samples were characterized by their, linear retraction, absorption,
porosity and density apparent, flexural strength at three points, dilatometry, modulus of
elasticity and staining. The phase composition of the sintered samples was investigated by Xray diffraction analysis and the microstructure was observed by scanning electron microscopy
of fracture surfaces. The results were related to the type and amount of feldspar sintering
temperature used and applied. In particular it was established the vitrification curves, showing
both the linear shrinkage and porosity in relation to the sintering temperature, determining the
best sintering conditions. The best results were obtained by samples containing 30% feldspar
at 1280 °C independent the type of feldspar.
Key-Words: feldspar, lithium, sodium, espodumene, albite, triaxial ceramic, characterization
porcelain tile.
X
Lista de Ilustrações
2.1 Micrografia de amostra cerâmica
16
2.2 Esquema de sinterização com ou sem formação de fase líquida
18
4.1 Fluxograma da metodologia experimental adotada
23
4.2 Moinho de bolas
26
4.3 Peneira elétrica vibratória
27
4.4 Prensa hidráulica
28
4.5 Forno elétrico
29
5.1 Difratograma de raios x da argila São Simão
38
5.2 Difratograma de raios x do caulim
39
5.3 Difratograma de raio x do quartzo
40
5.4 Difratograma de raios x do feldspato sódico
41
5.5 Difratograma de raios x do feldspato lítico
41
5.6 Difratograma de raios x sinterizado a 700ºC, com 15g feldspato
42
43
5.8 Difratograma de raios x sinterizado a 700ºC,com 25g feldspato
43
44
45
45
46
47
47
48
48
49
XI
5.18 Gráfico de Gresificação com feldspato sódico
51
5.19 Gráfico de Gresificação com feldspato lítico
51
5.20 Gráfico de Porosidade x Temperatura com feldspato sódico
54
5.21 Gráfico de Porosidade x Temperatura com feldspato lítico
54
5.22 Gráfico de Densidade x Temperatura com feldspato sódico
55
5.23 Gráfico de Densidade x Temperatura com feldspato lítico
55
5.24 Gráfico de Ruptura em Flexão x Temperatura com feldspato sódico
58
5.25 Gráfico de Ruptura em Flexão x Temperatura com feldspato lítico
58
5.26 Micrografias de amostras sinterizadas a 1000°C com feldspato sódico
59
60
60
60
5.30 Micrografias de amostras sinterizadas a 1000⁰C com feldspato lítico
61
62
62
62
5.34 Micrografias de amostra sinterizadas a 1280ºC com 30g feldspato sódico
64
5.35 Micrografias de amostra sinterizadas a 1280ºC com 30g feldspato lítico
64
5.36 Micrografias de amostra sinterizadas a 1200ºC com 30g feldspato sódico
65
5.37 Micrografias de amostra sinterizadas a 1200ºC contendo 30g feldspato lítico
65
5.38 Micrografias de amostra sinterizadas a 1280ºC contendo 30g feldspato sódico
66
5.39 Gráfico de Dilatometria x Retração linear com 15g feldspato sódico
67
5.40 Gráfico de Dilatometria x Retração linear com 20g feldspato sódico
68
5.41 - Gráfico de Dilatometria x Retração linear com 25g feldspato sódico
68
5.42 - Gráfico de Dilatometria x Retração linear com 30g feldspato sódico
69
XII
5.43 Gráfico de Dilatometria x Retração linear com 15g feldspato lítico
69
70
70
71
5.47 Fotografia dos corpos de prova contendo feldspato sódico e lítico
72
5.48 Gráfico de Módulo de Elasticidade x Temperatura com feldspato sódico
74
5.49 Gráfico de Módulo de Elasticidade x Temperatura com feldspato lítico
75
XIII
Lista de Tabelas
2.1 Classificação da cerâmica de revestimento segundo ANFACER
6
2.2 Classificação dos porcelanatos segundo a norma NBR-15463
6
3.1 Classificação de placas cerâmicas esmaltadas quanto à resistência à abrasão
21
3.2 Classes em ordem decrescente da resistência ao ataque químico
22
3.3 Classes em ordem decrescente da resistência ao manchamento
22
4.1 Análise química por fluorescência de raio x
24
4.2 Distribuição detalhada dos álcalis nos feldspatos
25
4.3 Formulações dos corpos de prova
27
4.4 Variáveis de entrada e saída
30
5.1 Absorção de água para amostras sinterizadas
50
5.2 Retração Linear para amostras sinterizadas
50
5.3 Porosidade Aparente para amostras sinterizadas
53
5.4 Densidade Aparente para amostras sinterizadas
53
5.5 Tensão de Ruptura à Flexão para amostras sinterizadas
57
5.6 Módulo de Elasticidade para amostras sinterizadas
73
5.7 Análise de variância dos resultados experimentais da Porosidade
76
5.8 Análise de variância dos resultados experimentais da Absorção de água
77
5.9 Análise de variância dos resultados experimentais da Tensão Ruptura em Flexão
78
XIV
Lista de Abreviaturas e Siglas
Alfabeto Latino:
AA – Absorção de água
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANFACER – Associação Nacional dos Fabricantes de Cerâmica para Revestimento
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
b – Largura [mm]
DA – Densidade aparente [g/cm³]
DIL – Análise dilatométrica
DRX – Difração de raio x
F – Força aplicada [N]
h – Espessura do corpo de prova [mm]
L – Distância entre os apoios [mm]
L0 – Comprimento do corpo de prova verde [mm]
LT – Comprimento do corpo de prova à temperatura T [mm]
MA – Massa específica aparente
ME – Módulo de elasticidade
MEA – Massa específica aparente
MEV – Microscopia eletrônica de varredura
MESH – Unidade de granulometria
Mi – Massa do corpo de prova imerso em água
[g]
Ms – Massa do corpo de prova seco após a sinterização [g]
Mu – Massa do corpo de prova úmido
N – Número de réplicas [unitário]
PA – Porosidade aparente [%]
RLq – Retração linear pós queima [%]
[g]
XV
T – Altura [mm]
T1 – Fator de correção para o modo fundamental flexional [adimensional]
TRF – Tensão de ruptura à flexão
PEI – Instituto de Esmalte para Porcelana
Alfabeto Grego:
E – módulo de Young [Pa]
ζ – tensão aplicada [Pa]
ε – deformação elástica longitudinal [adimensional]
Ҽ – carga de ruptura [N]
μ – coeficiente de Poisson [adimensional]
XVI
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO
1
2 REVISÃO DA LITERATURA
4
2.1 CERÂMICA PARA REVESTIMENTO
4
2.2 PARÂMETROS PARA CLASSIFICAÇÃO
5
2.3 MATÉRIAS-PRIMAS PARA GRÊS PORCELANATO
7
2.4 ARGILA
8
2.5 CAULIM
9
2.6 QUARTZO
10
2.7 FELDSPATO
11
2.8 PROCESSAMENTO DE GRÊS PORCELANATO
12
2.8.1 MOAGEM
12
2.8.2 PRENSAGEM
13
2.8.3 SECAGEM
14
2.8.4 QUEIMA
14
2.9 INFLUÊNCIA DO TEOR DE FELDSPATO
17
2.10 PROPRIEDADE DO FELDSPATO LÍTICO
18
3 CARACTERIZAÇÃO DO GRÊS PORCELANATO
19
3.1 ABSORÇÃO DE ÁGUA
19
3.2 RESISTÊNCIA À FLEXÃO
20
3.3 AVALIAÇÃO MICROESTRUTURAL
20
3.4 RESISTÊNCIA À ABRASÃO
20
3.5 RESISTÊNCIA AO GELO
21
3.6 RESISTÊNCIA QUÍMICA E AO MANCHAMENTO
21
3.7 MODULO DE ELASTICIDADE
22
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 MATÉRIAS PRIMAS
23
24
XVII
4.1.1 ARGILA SÃO SIMÃO
25
4.1.2 CAULIM
25
4.1.3 QUARTZO
26
4.1.4 FELDSPATO
26
4.2 FORMULAÇÕES UTILIZADAS
27
4.3 PRENSAGEM
28
4.4 SINTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
28
4.5 CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA SINTERIZADOS
29
4.5.1 RETRAÇÃO LINEAR
30
4.5.2 ABSORÇÃO DE ÁGUA
30
4.5.3 POROSIDADE E DENSIDADE APARENTE
31
4.5.4 TENSÃO DE RUPTURA À FLEXÃO
32
4.5.5 DILATOMETRIA
32
4.5.6 DIFRAÇÃO DE RAIOS X
33
4.5.7 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
33
4.5.8 CURVAS DE GRESIFICAÇÃO
33
4.5.9 MÓDULO DE ELASTICIDADE
34
4.5.10 COLORAÇÃO
35
4.6 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
35
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
37
5.1 MATÉRIAS PRIMAS
37
5.1.1 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA
37
5.1.2 CARACTERIZAÇÃO MINERALÓGICA
38
5.2 CARACTERIZAÇÕES DOS CORPOS DE PROVA APÓS SINTERIZAÇÃO
5.2.1 ANÁLISE MINERALÓGICA POR DIFRAÇÃO DE RAIO X
41
41
XVIII
5.2.2 CURVA DE GRESIFICAÇÃO
49
5.2.3 POROSIDADE E DENSIDADE APARENTE
52
5.2.4 TENSÃO DE RUPTURA À FLEXÃO
56
5.2.5 MICROSCOPIA ELETRÔNICA POR VARREDURA
59
5.2.6 ANÁLISE DILATOMÉTRICA
66
5.2.7 COLORAÇÃO
5.2.8 MÓDULO DE ELASTICIDADE
72
73
5.3 ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS
75
6 CONCLUSÕES
79
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
80
8 REFERENCIAS
81
9 ANEXOS
85
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
Entre os produtos emergentes e destinados a ocuparem uma fatia do mercado nacional
observa-se, o interesse pelo revestimento cerâmico denominado grês porcelanato. Este
produto é não esmaltado e possui porosidade inferior a 0,3% (absorção de água). Além disto,
placas de porcelanato apresentam excelentes características técnicas, destacando-se elevada
resistência mecânica, resistência aos riscos e resistência ao manchamento por ataque químico
(PINHEIRO, 2006). Os limites das resistências serão discutidos no tópico caracterização do
grês porcelanato.
A escolha das matérias-primas, a formulação da massa cerâmica, a compactação do
produto e as condições de queima, determinam as transformações físico-químicas ocorridas
durante a fabricação de um porcelanato, influenciando assim as propriedades finais do
produto.
Desde 2008, o mercado brasileiro de cerâmica vem ocupando a 2ª posição no mundo,
como os principais produtores mundiais, em 2011 teve uma produção de 844,3 mil/m²,
constituído por 93 empresas, com maior concentração nas regiões Sudeste e Sul, e em
expansão no Nordeste do país. É também um grande gerador de empregos, com cerca de 25
mil postos de trabalhos diretos e 200 mil indiretos, ao longo da cadeia produtiva. O mercado
nacional de revestimentos cerâmicos ganhou um maior destaque devido aos reflexos da
conjuntura econômica mundial, após a crise de 2008, ainda não estabilizada. (ANFACER,
2002)
Devido à abundância de matérias-primas naturais, fontes alternativas de energia e
disponibilidade de tecnologias, as indústrias brasileiras evoluíram rapidamente, produzindo e
exportando produtos de alta qualidade.
As qualidades das matérias-primas utilizadas na fabricação das cerâmicas triaxiais
interferem nas propriedades do produto final, tais como: porosidade, resistência à fratura e
acabamento.
2
Neste trabalho, a massa cerâmica foi formulada a partir de argila, caulim, quartzo e
feldspato sódico ou feldspato lítico. As particularidades de cada um destes compostos, que no
Brasil, variam de cada região, exigem beneficiamento para adaptação da formulação. Isto
permite o uso de jazidas próximas das indústrias cerâmicas, diminuindo custos de transporte.
A argila produz nas peças uma formação de fase líquida de forma gradual durante a
sinterização, proporcionando uma maior resistência mecânica. (NAVARRO, 1999). O caulim
aumenta o teor de alumina e auxilia na brancura do produto final. O quartzo participa da fusão
com o feldspato e equilibra a viscosidade e fluxo vítreo (OLIVEIRA, 1998 e DROZDA,
2003). Por último, o feldspato diminui a temperatura de sinterização, atuando como fundente,
formando fase vítrea, modificando a porosidades das peças (MOTTA, 2002 e LLORENS,
2000). A importância de um material fundente na massa cerâmica consiste na sua capacidade
de diminuir a temperatura de formação de fase líquida durante o processo de sinterização.
Este líquido formado tende a preencher as cavidades do corpo cerâmico, podendo eliminar
assim a porosidade (WORRAL, 1982). O feldspato sódico ou potássico são, atualmente, os
fundentes mais utilizados nas indústrias cerâmicas, por sua disponibilidade comercial.
Na produção de placas cerâmicas de grês porcelanato o feldspato é a matéria-prima de
maior valor significativo. Propomos a substituição dos feldspatos comumente utilizados pelas
indústrias, pelo feldspato lítico, apesar de suas poucas reservas no Brasil. Com este trabalho,
queremos verificar se a substituição parcial ou integral pelo feldspato lítico seja viável, caso
tenha um potencial energético maior, fazendo com que a sinterização inicie em temperaturas
menores. Analisando em termos de custos, o valor do feldspato lítico é um pouco mais
elevado do que os feldspatos mais utilizados comercialmente, mas talvez a economia nos
custos de produção, com a redução da conta de energia, a sua substituição seja plausível.
Também a poucos estudos desta matéria-prima, sendo interessante para o ramo científico.
Neste ponto, o resultado da pesquisa apresentado nesta dissertação será de grande relevância
para o mercado nacional.
3
As principais características de uma placa cerâmica de grês porcelanato são: altíssima
resistência à abrasão; resistência ao gelo; resistência aos ácidos e álcalis; uniformidade de
cores; impermeabilidade; facilidade de manutenção; baixa densidade, menor espessura e
maior resistência mecânica e amplas possibilidades de composições. (HECK, 1996).
Esta pesquisa teve como objetivo o estudo do comportamento das amostras em
substituição do feldspato sódico pelo feldspato lítico, em massas cerâmicas
usadas na
produção de placas cerâmicas para revestimento.
O presente trabalho seguiu as seguintes etapas:
1) Seleção das matérias-primas;
2) Preparação das matérias-primas;
3) Caracterização das matérias-primas;
3) Formulação, conformação e queima de amostras de grês porcelanato;
4) Caracterização das amostras e análise de conformidade do produto;
5) Análise dos resultados obtidos dos feldspatos utilizados na produção de porcelanatos.
4
CAPÍTULO 2
REVISÃO DA LITERATURA
2.1 – CERÂMICA PARA REVESTIMENTO
Os materiais cerâmicos podem ser divididos em nove grupos que levam em conta,
sobretudo, o tipo de utilização final. São eles: cerâmica estrutural ou cerâmica vermelha;
cerâmica branca, cerâmica para revestimento; cerâmica refratária; isolantes térmicos;
cimento; vidro; abrasivos e cerâmica avançada de alta tecnologia.
A produção de materiais cerâmicos compreende uma sequência de etapas como:
preparação das matérias-primas (moagem e mistura), conformação (extrusão, prensagem,
colagem), processamento térmico (sinterização) e acabamento (polimento e esmaltada).
(JORDÃO, 1988)
Os materiais cerâmicos são fabricados a partir de matérias-primas que incluem argilas,
quartzo, caulim, feldspatos, além de matérias-primas sintéticas como carbeto de silício (SiC),
titanato de bário (BatiO₃) entre outros. (JORDÃO, 1988)
Segundo a NBR-13816, placas cerâmicas para revestimento são materiais compostos de
argila e outras matérias-primas inorgânicas, sendo conformados geralmente por extrusão ou
por prensagem. As placas são então secadas e queimadas à temperatura de sinterização.
Podem ser esmaltadas ou não esmaltadas. Quando sem esmalte, são ressaltadas as
características de extrema resistência da superfície que,
oferece
uma
completa
impermeabilidade e resistência ao gelo. A placa não esmaltada pode ser levigada e
polida apresentando superfícies que se aproximam dos mármores e dos granitos. Segundo a
NBR-13816, o polimento é um acabamento mecânico aplicado sobre a superfície de um
revestimento não esmaltado, resultando em uma superfície lisa, com ou sem brilho, não
constituído por esmalte. Define esse polimento como a remoção, da ordem de décimos de
milímetros, da camada superficial da placa. (OLIVEIRA, 1998)
Segundo alguns critérios de classificação as placas cerâmicas podem ser denominadas
de grês porcelanato.
5
Atualmente é o produto sobre o qual são possíveis as maiores intervenções nas
linhas de produção e com o qual os técnicos ceramistas têm adquirido o prazer de “fazer
cerâmica”, porque podem
investir neste produto
todo o patrimônio de conhecimentos
técnicos de que dispõe. Por isso, grandes somas são investidas, sejam em pesquisas para
inovação do produto sejam no processo de fabricação. (BIFFI, 2002)
O grês porcelanato, também denominado “grês fino porcelanato”, “granito
cerâmico” ou porcelanato, é um produto que encontra seus antecedentes no grês fino,
branco ou colorido, de procedência norte européia. O nome “grês porcelanato” deriva de
“grês”: denominação de materiais cerâmicos com estrutura compacta, caracterizados por
uma fase cristalina imersa em uma fase vítrea predominante, e “porcelanato”: termo que
se refere às características técnicas dos produtos que substancialmente lembram aquelas
da porcelana. (BIFFI, 2002)
De acordo com HECK, 1996, em meados dos anos 90 o grês porcelanato já estava
consolidado no mercado como material cerâmico de características modernas e versáteis.
Este destaque foi possibilitado pela introdução de técnicas de polimento e de decoração,
bem como a produção de grandes formatos desde o 20x20 cm até 60x60 cm.
Atualmente, com o avanço e o controle das técnicas de fabricação podem ser produzidas
placas de porcelanato ainda maiores.
O
surgimento
do
grês
porcelanato
está
associado
à evolução conceitual e
tecnológica de todas as fases do processamento produtivo, desde a reformulação das massas
até a
redefinição dos ciclos de queima e também ao desenvolvimento das técnicas de
coloração e decoração. (OLIVEIRA, 1998)
2.2 – PARÂMETROS PARA CLASSIFICAÇÃO DAS PLACAS CERÂMICAS
A ABNT também classifica, segundo a norma NBR-13817, placas cerâmicas para
revestimentos de acordo com alguns critérios como resistência à abrasão superficial,
resistência ao manchamento e resistência ao ataque por agentes químicos.
6
A classificação normativa das placas cerâmicas tem como principal parâmetro a
absorção de água, segundo a classificação BIa para placas cerâmicas obtidas por prensagem,
a absorção de água deve ser ≤ 0,5%.
Segundo a ANFACER, a correta especificação não deve ser baseada em uma única
propriedade da placa cerâmica, e sim, em um conjunto de características técnicas que definem
a sua utilização nos diferentes ambientes.
Assim, é proposto uma classificação baseada na absorção de água e resistência
mecânica à flexão, conforme Tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Classificação da cerâmica de revestimento segundo ANFACER, 2002
Produto
Grês
Porcelanato
Grês
Semi-Grês
Semi-poroso
Poroso
Grupos
ISO
13006
Absorção H₂O
(%)
Módulo de
resistência à
flexão
(MPa)
Carga de
ruptura (N)
para Ҽ ≥ 7,5
mm
Ia
Ib
IIa
IIb
III
< 0,5
0,5 a 3,0
3,0 a 6,0
6,0 a 10,0
10,0 a 20
≥ 35
≥ 30
≥ 22
≥ 18
≥ 15
≥ 1300
≥ 1100
≥ 100
≥ 800
≥ 600
A NBR-15463 estabelece as principais características técnicas para porcelanatos, e
estes são subdivididos em duas categorias (técnico e esmaltado), conforme Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – Classificação dos porcelanatos segundo a norma NBR-15463.
Propriedade Físicas
Média
Individual (máx)
Média
Módulo de
resistência à flexão Individual (mín)
Ҽ < 7,5 mm
Carga de ruptura
Ҽ ≥ 7,5 mm
Resistência à abrasão profunda
Absorção H₂O
Unidades
%
%
Mpa
Mpa
N
N
mm³
Área do produto < 50 cm² Área do produto > 50 cm²
Técnico
≤ 0,1
0,2
Esmaltado
≤ 0,5
0,6
≥ 45
42
≥ 1000
Não se aplica
≤ 140 Não se aplica
Técnico
Esmaltado
≤ 0,1
≤ 0,5
0,2
0,6
≥ 45
≥ 37
42
35
≥ 900
≥ 900
≥ 1800
≥ 1500
≤ 140 Não se aplica
7
A norma NBR-15463 é específica para porcelanatos e determina, de forma a não deixar
dúvidas, a classificação dos porcelanatos utilizando tanto parâmetros de propriedades físicas
(absorção de água, resistência à
flexão, à abrasão e carga de
ruptura)
quanto
de
propriedades químicas (resistência ao manchamento e aos agentes químicos) e de
geometria das placas (retitude dos lados, ortogonalidade, curvatura central e lateral e
empeno). A ANFACER cita que a NBR-15463 é um exemplo a ser seguido por outros
países.
2.3 – MATÉRIAS-PRIMAS PARA GRÊS PORCELANATO
De modo geral, as matérias- primas cerâmicas são classificadas em dois grupos que
são os plásticos (materiais argilosos em geral) e os não plásticos (fundentes, inertes,
carbonatos e talcos). A seleção de matérias- primas componentes da massa cerâmica deve
ter como critérios básicos as propriedades requeridas ao produto e as características
inerentes ao processo de fabricação. Estas propriedades são criticamente dependentes da
composição
química
e mineralógica das matérias primas empregadas. (RODRIGUEZ,
2004).
Conforme uma classificação comercial, as massas cerâmicas adequadas para a produção
de cerâmica de revestimento podem ser distinguidas em vermelhas e brancas. Em ambos os
casos as matérias-primas utilizadas são constituídas por duas tipologias fundamentais:
- matérias-primas argilosas;
- matérias-primas complementares (feldspatos, quartzo, areias feldspáticas, e calcitas).
(OLIVEIRA, 2000)
A concepção de uma massa cerâmica do tipo grês, no que tange à formulação, considera
vários fatores, tais como: cor, características técnicas, composição química e estabilidade das
matérias-primas.
As matérias primas utilizadas foram: argila, caulim, quartzo e feldspato.
BIFFI (2002) aponta que para todos os componentes é exigida uma baixa
concentração de óxidos corantes como Fe₂O₃ e TiO₂, para evitar contaminações cromáticas
da cor natural da massa cerâmica, como coloração avermelhada e opaca.
8
2.4 – ARGILA
A argila é um material natural, terroso e de granulação fina, que, geralmente,
adquire certa plasticidade quando umedecido com água; quimicamente as argilas
são
formadas por silicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio. Há variação considerável
na
terminologia
das
argilas
e
argilominerais
nos
diversos setores científicos e
tecnológicos que se utilizam deste material. (SANTOS, 1989).
Sabemos modernamente que todas as argilas são constituídas essencialmente por
partículas cristalinas extremamente pequenas de um número restrito de minerais
conhecidos como “argilominerais”. Quimicamente, os argilominerais são compostos por
silicatos hidratados de alumínio e ferro, contendo ainda, geralmente, certo teor de elementos
alcalinos e alcalino-terrosos. (SANTOS, 1989).
A argila tem como função fornecer as características plásticas nas peças verdes, ou seja,
antes da sinterização, garantindo melhores propriedades durante a fase de compactação e
maior resistência mecânica após a secagem.
Entende-se como plasticidade a propriedade que um sistema possui de se deformar
pela aplicação de uma força e de manter essa deformação quando a força aplicada é retirada.
A plasticidade em argilas é essencialmente resultante da atração entre as partículas de
argilominerais e a ação lubrificante da água entre as partículas anisométricas lamelares.
(SANTOS, 1989).
Pode-se admitir que a plasticidade se desenvolva quando a argila tem água
suficiente para cobrir toda a superfície acessível dos argilominerais com uma película de
“água rígida”, isto é, não orientada, que age como meio lubrificante facilitando o
deslizamento das placas umas sobre as outras quando uma tensão tangencial for aplicada.
(SANTOS, 1989).
Como as moléculas
de
água
orientada
estão
presas
na
superfície
dos
argilominerais por ligações de hidrogênio, elas também servem para ligar as partículas
de argilominerais entre si na forma úmida da argila, dando origem às várias formas da
resistência mecânica da argila “verde”, argila antes da sinterização. (SANTOS, 1989).
9
A resistência mecânica das peças verde, é fornecida principalmente pela característica
plástica dos materiais argilosos, sendo uma característica importante para o
transporte das
peças antes da queima e, principalmente, na etapa de decoração das peças esmaltadas.
Além da plasticidade, as argilas utilizadas em massas cerâmicas para porcelanato
necessitam apresentar características adicionais resumidas, por BIFFI, 2002, abaixo:
• aportar uma coloração clara na queima;
• aportar propriedades reológicas facilitando a fluidez;
• conferir com as próprias características fundentes uma boa densidade na queima;
• aportar características mecânicas ótimas nos queimados.
Para atender as características descritas acima são utilizadas, freqüentemente
misturadas entre si, argilas pouco plásticas, ricas em caulinita, e argilas particularmente
plásticas, mais ricas em ilita e montmorilonita (Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2.nH2O).
As ilitas possuem a mesma estrutura da montmorilonita, conseguem absorver cátions
(K+) para neutralizar sua carga negativa, permitindo a absorção de água.
Pressões de compactação da ordem de 500 kg/cm² favorecem a redução de argilas
plásticas em favor de argilas de menor plasticidade sem diminuir a resistência a verde.
(BIFFI,2002).
2.5 – CAULIM
Caulim é o nome comercial dado a uma argila branca, ou quase branca, constituído
essencialmente de caulinita. Os caulins são silicatos cuja composição química aproximase de Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O, contendo outros elementos como impurezas. O caulim cerâmico
deve possuir um teor de caulinita entre 75 e 85% e não ter minerais que afetem a cor de
queima, como o Fe₂O₃ , cujo teor deve ser menos que 0,9% de modo que a alvura
após queima esteja na faixa de 85-92. (SOUZA, 2007).
Da mesma forma que as argilas, o caulim confere plasticidade, sendo fundamental, do
ponto de vista composicional, para aumentar o teor de alumina e auxiliar na brancura do
produto. (RODRIGUEZ, 2004).
10
Segundo BIFFI, 2002, além de conferir cor branca à massa cerâmica, o caulim é
um aportador
fundamental de óxido de alumínio
(Al₂O₃), o qual, durante a fase
de
vitrificação da peça regula a reação de equilíbrio. Durante a queima, em temperaturas
superiores a 1000 °C, o caulim se converte para mulita (3Al₂O₃.2SiO₂), que, devido a sua
estrutura acicular, atua como esqueleto contribuindo para o aumento da resistência
mecânica, bem como reduzindo a deformação piroplástica da peça. Quando se necessita
de uma peça branca, isenta de porosidade, muitos fabricantes de porcelana utilizam
somente o caulim, como a parte de argila necessária para a composição da massa. No
entanto o caulim apresenta uma pequena plasticidade quando comparada a outras argilas.
(SOUZA, 2007).
A cor clara nas peças de porcelanato é desejada por quem fabrica, não só pelo aspecto
estético da peça em si, principalmente em porcelanatos polidos, como também pela interação
do Fe₂O₃ e TiO₂ com os elementos dos pigmentos e corantes resultando em desvio de
tonalidades em peças esmaltadas.
As misturas de matérias-primas utilizadas na fabricação do grês caracterizam-se por
serem compostas, geralmente, por uma porcentagem variável (30-50% em peso) de caulim
e/ou argilas ilítico-cauliníticas. (SANCHEZ, 2001).
2.6 – QUARTZO
O quartzo é uma substância, geralmente inerte, adicionado às massas cerâmicas de
porcelanato quando há a necessidade de equilibrar a relação SiO₂ e Al₂O₃ favorecendo a
formação de mulita durante a queima. É usado também em cerâmicas porosas com a
função de tornar a massa menos plástica favorecendo a liberação de substâncias gasosas e a
saída de água. (BIFFI, 2002).
O quartzo se dissolve parcialmente na fase líquida e uma nova fase cristalina se forma, a
mulita (3Al₂O₃.2SiO₂).
11
O produto queimado é constituído de uma matriz vítrea, na qual partículas de mulita e
as partículas de quartzo que não se dissolveram totalmente estão disperas. (SANCHEZ, 2001).
O quartzo-α é estável até a
temperatura de 573 °C, acima da qual ocorre a
transformação alotrópica para quartzo-β, modificando a sua estrutura cristalina para tetraedro
hexagonal. (FARIAS, 2008).
As temperaturas nas quais os grãos de quartzo começam a solidificar dependem
fortemente do tamanho das partículas de quartzo; quanto menores as partículas, mais
baixa é a temperatura de fusão.
2.7 – FELDSPATO
As altas pressões de compactação utilizadas atualmente na fabricação de porcelanatos
não são suficientes para eliminar a porosidade intergranular. É necessário que durante a
queima o preenchimento dos vazios intergranulares seja feito por um componente que
esteja no estado líquido, que possua viscosidade adequada para que penetre nos
capilares, e também, que possam dissolver os grãos refratários que não reagiram.
(PEREZ, 2008). Esses componentes são denominados, na indústria cerâmica, como
“fundentes”. Os feldspatos são os fundentes mais comumente empregados na fabricação de
porcelanatos.
Os feldspatos são minerais presentes em rochas eruptivas como silico-aluminatos
de metais alcalinos e alcalinos-terrosos. Do ponto de vista químico distinguem os
seguintes tipos (BIFFI, 2002):
- Albita
Na(AlSi₃O₈)
feldspato sódico;
- Espodumênio Li(AlSi₂O₆)
feldspato lítico;
- Ortoclásio
K(AlSi₃O₈)
feldspato potássico;
- Anortita
Ca(Al₂Si₂O₈)
feldspato cálcico.
A qualidade do feldspato é avaliada pela quantidade de ortoclásio e albita presentes
nos feldspatos potássico e sódico. (CHATTERJEE et al., 2001).
12
O comportamento cerâmico mais característico dos minerais feldspáticos é a notável
fusibilidade e a formação, com os outros elementos presentes, de eutéticos que
possibilitam atingir a gresificação mesmo a temperaturas relativamente baixas. O teor de
álcalis no mineral é um item essencial
para as propriedades fundentes, sendo o valor
teórico de K₂O e de Na₂O, respectivamente, nos feldspatos potássico e sódico de 16,9 e 11,8%
em massa. Quanto mais o teor em álcalis se aproxima do valor teórico, maior é o valor do
feldspato.
Dependendo das características das matérias-primas, assim como da relação
argila/feldspato (ingredientes majoritários da composição), as intensidades das transformações
físico-químicas podem variar de forma considerável, o que acarretará em diferenças
significativas nas propriedades do produto final. (SANCHEZ, 2001)
O uso de matéria- prima fundente é indispensável na fabricação de porcelanato
devido às razões já expostas. Contudo, no Brasil, existe uma acentuada escassez
de
feldspatos, principalmente junto às regiões sul e sudeste do país, principais pólos
cerâmicos.
A diminuição
das
reservas
de
matérias
primas, associadas
à grandes
distâncias do local de utilização, vêm exercendo um aumento sobre os custos dos
produtos finais. (LUZ, 2008)
2.8 – PROCESSAMENTO DE GRÊS PORCELANATO
Um dos aspectos fundamentais da produção de revestimentos cerâmicos são os baixos
valores de porosidade, para isso, além das características das matérias-primas, as condições do
processamento são também importantes. Cada fase deste processo tem sua incontestável
importância e as propriedades do produto final dependem de um rigoroso controle em cada
etapa.
2.8.1 – MOAGEM
Com o intuito de atender aos parâmetros de granulometria das massas para porcelanato
é necessário que as matérias- primas estejam com tamanho de partículas, em média 325
mesh, ou seja, passante na peneira com abertura de malha 44 µm.
13
A moagem das matérias-primas é, então, indispensável. (DUTRA, 2010). A moagem
é uma etapa crítica onde o controle sobre a granulometria deve ser mantido para garantir as
condições de compactação e características do produto pós-queima.
O moinho de bolas é um equipamento de moagem bastante utilizado na indústria
cerâmica. Neles a moagem pode ser seca ou úmida e o processo pode ser contínuo ou
intermitente, embora o mais comum na indústria cerâmica seja a moagem úmida e
intermitente. (OLIVEIRA, 2000)
Dois fatores da natureza das matérias- primas influenciam a otimização energética
nos moinhos de bolas . O primeiro é a própria granulometria de partida de cada matériaprima e o segundo, e mais importante, tem a ver com a dureza de cada matéria prima.
Quanto mais duro for a matéria prima mais energia será necessária para diminuir os seus
grãos. (ARANTES, 2001)
2.8.2 – PRENSAGEM
Nesta etapa, o pó é compactado em prensas hidráulicas com objetivo de dar forma
à peça, e ao mesmo tempo, eliminar os vazios intergranulares. Segundo a NBR 13816,
prensagem é o processo de fabricação de placas cerâmicas para revestimento cujo corpo é
conformado em prensas, a partir de uma mistura finamente moída.
A pressão de compactação tem efeito direto na densidade a verde da peça
compactada.
Segundo BIFFI, 2002, a maior densidade a verde resulta em melhor
reatividade na queima, pois quanto mais as partículas estão em contato entre si,
maior é a superfície de contato, com isso há maiores probabilidades de intensas reações.
A pressão de conformação normalmente utilizada em porcelanatos é da ordem de 35
a 45 MPa, o que permite obter valores de densidade da placa cerâmica prensada entre 1,95
e 2,0 g/cm³.
Pressões de compactação acima desta faixa levam a um aumento de porosidade do
corpo queimado, pois podem dificultar a expulsão dos gases do suporte durante a queima e
causar problemas de
porosidade no esmalte, em consequência da formação de bolhas,
14
já que tais gases são expulsos tardiamente quando o esmalte já se encontra fundido e
estendido (monoporosa) .
Quanto maior a porosidade inicial do compacto antes da queima, maior a retração,
a quantidade de líquido necessária e o tempo requerido para a vitrificação e densificação.
Tempos de queima mais longos, porém, são indesejados quando se pretende controlar a
deformação piroplástica. Por isso é importante trabalhar com massas capazes de atingir
eficiências de empacotamento razoavelmente elevadas. (RETRESPO e DINGER, 2003)
A variação experimentada pela compacidade e pela estrutura porosa da massa durante a
operação de prensagem, assim como a microestrutura resultante da peça depende, do
comportamento mecânico dos grânulos e das características estruturais das partículas (forma,
tamanho e distribuição). A velocidade com que a carga é aplicada, bem como o tempo de
permanência na carga máxima, exercem um grande efeito na recuperação elástica e na saída
de gases durante a compactação, praticamente não exercendo influência, sobre a compacidade
e sobre a microestrutura da peça resultante. (ALBARO, 2001)
2.8.3 – SECAGEM
Antes de ir ao forno, as peças de porcelanato passam por um processo de secagem,
cujo objetivo é eliminar ao máximo a umidade anteriormente necessária na fase de
compactação. Esta operação é considerada aparentemente simples, a evaporação da umidade
residual da massa é suficientemente evidente e controlável. A secagem deve ser controlada, de
modo a permitir a saída lenta (em escala industrial) da água livre, controlando assim, a
fissuração por secagem. Nesta fase, verifica-se um aumento de resistência mecânica da peça
cerâmica, atribuída a uma densificação causada pelo empacotamento e atração de partículas
que aumentam as forças de ligação entre elas.
2.8.4 - QUEIMA
O objetivo da queima é consolidar o formato definido pela operação de conformação.
15
A queima, em porcelanatos, é o processo de aquecimento das peças em
temperaturas usuais entre 1190 e 1230 °C.
Entre as temperaturas 250 a 300 °C ocorre a liberação das oxidrilas dos hidróxidos.
Entre as temperaturas 400 a 650 °C, ocorre a eliminação da água de constituição,
ou
estrutural, dos diversos minerais argilosos. (SANTOS, 1989 e DUTRA, 2010)
A partir dos 900 °C começa a ocorrer a sinterização, ou seja, reações entre os
elementos constituintes das matérias- primas, promovendo a formação de novas fases.
Durante este aquecimento ocorre a vitrificação das substâncias fundentes, com a
formação de fase líquida que, além de
penetrar por capilaridade nos poros
preenchendo-os ou isolando-os (levando a uma maior densificação), permite melhor
reatividade dos elementos durante a sinterização.
A metacaulinita aquecida a 980 °C se decompõe em espinélio Si-Al e os silicatos de
alumínio amorfos, continuando se aquecendo produzem dois tipos de mulita. A mulita
primária entre 1150 °C e 1250 °C, e a mulita secundária que nucleia e cresce lentamente a
partir da fase de silicato de alumínio amorfo. (RETRESPO, 2003)
A temperatura de sinterização máxima é de aproximadamente 1300 °C, onde todas as
reações possíveis ocorrem durante a queima de placas cerâmicas de revestimento.
A Figura 2.1 mostra a micrografia de um material cerâmico em grês porcelanato,
sinterizado a 1200 °C.
16
Figura 2.1 - Micrografias de amostra cerâmica. (DUTRA, 2010)
A queima é feita em forno a rolos, com ciclos que variam de 45 minutos para queima
de formatos de pequenas dimensões, aos 90 minutos necessários aos formatos de
grandes dimensões com elevada espessura. (BIFFI, 2002)
A curva de queima deve ser ajustada de modo que a taxa de aquecimento seja menor
nos intervalos de temperatura em que a variação dimensional é maior. Dessa forma, evita-se o
aparecimento de tensões internas entre diferentes regiões de uma mesma peça que estejas a
temperaturas diferentes, tal como o centro e a superfície, o que poderia levar à deformação da
peça ou até mesmo ao aparecimento de trincas.
17
Este problema é mais crítico em peças que há diferentes espessuras de parede e/ou o
ciclo de queima é relativamente curto, pois a condutividade térmica dos materiais cerâmicos
é relativamente baixa e a porosidade característica dos corpos verde a torna ainda mais baixa.
(MARINO, 1998)
Durante a sinterização de pós finos ocorrem três grandes alterações: aumento no
tamanho de grão; mudança no formato dos poros; diminuição no tamanho e na quantidade de
poros.
2.9- INFLUÊNCIA DO TEOR DE FELDSPATO
A palavra feldspato é derivada do alemão, significa feld (campo) + spath (pedra), ou
seja, pedra do campo. A importância de um material fundente na massa cerâmica consiste na
sua capacidade de diminuir a temperatura de formação de fase líquida durante o processo de
sinterização. Este líquido formado tende a preencher as cavidades do corpo cerâmico,
podendo eliminar assim a porosidade. (WORRAL, 1982)
Durante a sinterização do grês porcelanato, o feldspato se densifica, formando a fase
líquida viscosa, que contribui para a baixa porosidade final das peças e conferir-lhes as
propriedades desejadas. (HECK, 1996)
No intervalo de sinterização, a variação da quantidade de fase líquida e sua viscosidade
deve ser gradual com a temperatura, para que as alterações de contração linear, absorção de
H₂O e deformação piroplástica também o sejam. (HECK, 1996)
Durante a sinterização podem ocorrer dois tipos de recristalização. A Recristalização
Primária: processo na qual nucleação e crescimento de grãos livres de deformação ocorre em
uma matriz deformada plasticamente. Recristalização Secundária: processo onde há o
crescimento de poucos grãos aumentando assim a dispersão de tamanho de partícula.
Segue a Figura 2.2 com o esquema do processo de sinterização com ou sem a formação
da fase líquida.
Por meio de um processamento adequado, as propriedades dessas matérias-primas são
alteradas em composição química, em estrutura cristalina e no arranjo das diversas fases
componentes. (SANTOS,1989)
18
Figura 2.2 – Esquema de sinterização com ou sem formação de fase líquida. (REILLA, 2002)
2.10 – PROPRIEDADE DO FELDSPATO LÍTICO
Recentemente, tem-se destacado a utilização de matérias-primas que contenham
espodumênio em sua composição. Devido ao alto custo da forma sintética, como carbonato de
lítio, tem-se utilizado, principalmente, a forma mineral, em maior ou menor concentração, a
partir de rochas como pegmatitos graníticos. (SINTON, 2006)
A utilização de espodumênio na composição de porcelanatos, substituindo parcialmente
o feldspato sódico, tem apresentado uma temperatura de queima menor, promovendo a
densificação por fluxo visocoso (TUCCI, 2004). Porcelanas triaxias foram analisadas,
empregando-se, primeiramente, carbonato de lítio e, num segundo momento, rochas contendo
espodumênio.
19
Os autores conseguiram uma redução de 100-120 ºC na temperatura de gresificação e
concluíram que os teores de Li2O não devem exceder ~1,5%, para não se perder
em densificação das peças. (TULYAGANOV, 2006)
O uso de espodumênio, contendo de 1 a 1,6% de Li2O à massa, mostrou-se benéfico
para produção de porcelanas de alta alumina, com ganho de densificação, resistência
mecânica e diminuição da temperatura de queima. (OBERZAN,2009)
A fundência é uma consequência direta da concentração de óxidos alcalinos. Portanto,
mesmo uma quantidade relativamente pequena de óxido de lítio na formulação final, cerca de
0,91%, é suficiente para promover uma maior densificação das peças. (BRAGANÇA, 2010)
A maior capacidade de fundência do óxido de lítio é explicada pela formação de fase
vítrea em menor temperatura, bem como a redução da viscosidade da mesma, como é
esperado em decorrência da presença de óxidos alcalinos em vidros silicosos. (NAVARRO,
1991). O pequeno íon de lítio apresenta maior coeficiente de difusão, em função de seu menor
raio iônico em relação ao Na+ e ao K+, modificando as propriedades da fase vítrea, de modo a
acelerar a densificação por fluxo viscoso. É bem conhecido que os íons alcalinos apresentam
os maiores coeficientes de difusão em silicatos líquidos. (IQBAL, 2001)
Comparando-se os fundentes albita e espodumênio, em uma formulação com quartzo e
caulim, o espodumênio apresenta maior fundência, mesmo em formulações contendo menor
quantidade total de óxidos alcalinos. Isso confirma a importância da presença do óxido de lítio
em fundentes cerâmicos, cujo pequeno íon facilita a densficação por fluxo viscoso. (TUCCI,
2004)
3 – CARACTERIZAÇÃO DO GRÊS PORCELANATO
3.1 – ABSORÇÃO DE ÁGUA
O grês porcelanato, é o produto caracterizado pelos valores mais baixos de absorção de
água, valores inferiores a 0,5%. A extrema compacidade, é a consequência de uma queima a
alta temperatura durante a qual o material sofre uma retração dimensional bastante elevada,
fazendo-se notar o alto grau de gresificação e o desenvolvimento de fase vítrea no decorrer da
queima. (BIFFI, 2002)
20
3.2 – RESISTÊNCIA À FLEXÃO
Devido à compactação do grês porcelanato, os níveis de resistência à flexão são altos.
As espessuras mais difundidas para o grês porcelanato são 8 – 10 mm, contudo, para usos
particulares as espessuras também podem variar entre 15 – 20 mm. Os valores da carga de
ruptura ocorrem em torno de 200 – 250 Kg. O valor médio da resistência mecânica à flexão,
segundo a norma Européia UNI EM 100, é MRF ≥ 27 N/mm2, para um revestimento
prensado e com AA < 0,5%. (BIFFI, 2002)
3.3 – AVALIAÇÃO MICROESTRUTURAL
As placas cerâmicas de grês porcelanato são caracterizadas por uma microestrutura
densa, com baixa porosidade e em grande parte fechada. As fases cristalinas estão
representadas fundamentalmente por grânulos residuais de quartzo e por pequenos cristais de
mulita inclusos em uma fase amorfa vítrea. Nestes produtos completamente vitrificados, a
porosidade é muito baixa (0,1% de absorção de água, 0,5% como intrusão de mercúrio) e por
poros relativamente grandes (1 – 10 mm). A porosidade fechada está em torno de 6% com
dimensões dos poros tendencialmente maiores do que aqueles dos poros abertos. (BIFFI,
2002)
3.4 – RESISTÊNCIA À ABRASÃO
A resistência à abrasão representa a oposição ao desgaste superficial dos esmaltes das
placas cerâmicas causado pelo movimento de pessoas ou objetos, inerente, portanto, somente
aos pisos. (ANFACER, 2004)
Para produtos esmaltados, o método PEI (Instituto de Esmalte para Porcelana) prevê a
utilização de um aparelho que provoca a abrasão superficial por meio de esferas de aço e
materiais abrasivos. Segue a Tabela 3.1 que apresenta os grupos do PEI.
21
Tabela 3.1 – Classificação de placas cerâmicas esmaltadas quanto a resistência à abrasão.
Grupo
0
1 / PEI -1
2 / PEI -2
3 / PEI -3
4 / PEI -4
5 / PEI -5
Resistência à abrasão
Baixíssima
Baixa
Média
Média Alta
Alta
Altíssima e sem mancha
No caso de produtos não-esmaltados, o método para a verificação da resistência à
abrasão é pela medida do volume de material removido em profundidade da placa, quando
submetido à ação de um disco rotativo e um material abrasivo específico. (ANFACER, 2004).
3.5 – RESISTÊNCIA AO GELO
A resistência ao gelo em placas cerâmicas de grês porcelanato, é definida quando a água
não consegue penetrar no interior e não se estabelece o mecanismo de expansão devido à
transformação da água em gelo. Com isso é uma característica importante em placas
cerâmicas destinadas aos terraços, fachadas e sacadas em regiões com temperaturas baixas e
em câmaras frigoríficas. (ANFACER, 2004)
3.6 – RESISTÊNCIA QUÍMICA AO MANCHAMENTO
É a capacidade que a superfície da placa tem de não alterar sua aparência quando em
contato com determinados produtos químicos ou agentes manchantes. O resultado do ensaio
permite alocar o produto em uma classe de resistência para cada agente manchante ou para
cada produto químico especificado na norma. (ANFACER, 2004)
A resistência ao manchamento está associada tanto com o volume da porosidade
fechada, como também a distribuição de tamanhos desta porosidade. Poros com tamanho da
ordem de 30-60μm tem o manchamento acentuado. (ARANTES, 2001)
Seguem as Tabelas 3.2 e 3.3 com as classes conforme resistência química e ao
manchamento, respectivamente.
22
Tabela 3.2 – Classes em ordem decrescente da resistência ao ataque químico.
RESISTÊNCIA AO ATAQUE QUÍMICO
Classe A Ótima resistência a produtos químicos
Ligeira alteração de aspecto
Classe B
Alteração de aspecto bem definida
Classe C
Tabela 3.3 – Classes em ordem decrescente da resistência ao manchamento.
Classe 5
Classe 4
Classe 3
Classe 2
Classe 1
RESISTÊNCIA AO MANCHAMENTO
Máxima facilidade de remoção da mancha
Mancha removível com produto de limpeza fraco
Mancha removível com produto e limpeza forte
Mancha removível com ácido clorídrico/acetona
Impossibilidade de remoção da mancha
3.7 - MÓDULO DE ELASTICIDADE
O módulo de Young ou módulo de elasticidade é um parâmetro mecânico que
proporciona uma medida da rigidez de um material sólido. É uma propriedade intrínseca dos
materiais que depende da composição química, microestrutura e defeitos (poros e trincas).
Este módulo é representado pela razão entre a tensão exercida e a deformação sofrida pelo
material. A tensão é uma força ou carga por unidade de área que é aplicada sobre um
material. Assim, o módulo de Young em pascal é calculado pela divisão da tensão aplicada
sobre a deformação elástica longitudinal no corpo de prova.
23
4- MATÉRIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo são apresentados os materiais e a metodologia utilizada, bem
como os equipamentos e técnicas de caracterização. Visando uma melhor explanação, a
Figura 4.1 mostra em fluxograma, os procedimentos aplicados.
No presente trabalho, propôs-se estudar a substituição do feldspato comercial sódico
pelo feldspato lítico, a qual apresenta o mineral espodumênio. Foram realizados diversos
testes em relação à reatividade com quartzo, caulim, argila. Finalizou-se com a caracterização
tecnológica, estudo das fases formadas e análise microestrutural.
Figura 4.1 – Fluxograma da metodologia adotada.
24
Desta forma, espera-se que a utilização do feldspato lítico (espodumênio) em uma
formulação comercial, em substituição parcial ou total do feldspato sódico (albita), deva
contribuir à redução da temperatura de queima, com potencial de ganho em economia
energética.
4.1 – MATÉRIAS-PRIMAS
Nesta pesquisa foram utilizadas quatro tipos de matérias-primas minerais: argila São
Simão, caulim, quartzo e feldspato.
A análise química dos componentes utilizados encontra-se na Tabela 4.1, estas foram
caracterizadas pelo fornecedor por fluorescência de raio x.
A Tabela 4.2 apresenta a concentração detalhada do álcalis dos dois tipos de feldspatos
utilizados.
Tabela 4.1 – Análise química por fluorescência de raio x.
Matérias-primas
Concentração em massa
% (m/m)
SiO₂
Argila São Simão
Caulim
Quartzo
Feldspato Na
Feldspato Li
63,76
52,74
99,23
65,92
76,36
AL₂O₃
Alcalis*
35,03
45,83
0,5
19,31
16,09
1,21
1,44
0,27
14,77
7,55
* Conteúdo de Fe₂O₃, CaO, Na₂O , K₂O , MnO, TiO₂, MgO, P₂O₅, Li₂O
25
Tabela 4.2 – Concentração detalhada dos álcalis nos feldspatos.
Concentração em %(m/m)
Óxidos Presentes
Distribuição Alcalis
Feldspato Lítico
Fe₂O₃
CaO
Na₂O
K₂O
MnO
TiO₂
MgO
P₂O₅
Li₂O
Perda ao fogo
Distribuição Alcalis
Feldspato Sódico
2,05
1,42
4,1
2,31
0,15
0,0003
0,68
0,14
0,91
0,35
0,31
0,38
11,04
2,53
0,04
***
***
***
***
0,47
4.1.1 – ARGILA SÃO SIMÃO
A argila São Simão foi adquirida pela empresa Minasolo - Minérios e Grãos Abrasivos,
de granulometria 325 MESH. Essa argila tem origem no Leste- Nordestestado de São Paulo,
município de São Simão, importante pólo de matérias-primas minerais para a indústria
cerâmica e vidreira. Essa argila tem suas principais aplicações em refratários, argamassa,
massa de tamponamento e moldados em geral.
4.1.2 – CAULIM
O caulim creme padrão cerâmico utilizado neste trabalho foi adquirido pela empresa
Minasolo - Minérios e Grãos Abrasivos, de granulometria 325 MESH. Esse caulim é usado
na produção de placas cerâmicas para pisos e revestimentos comuns.
26
4.1.3 – QUARTZO
O Quartzo (SiO2) britado e moído utilizado neste trabalho foi adquirido pela empresa
Minasolo - Minérios e Grãos Abrasivos, de granulometria 325 MESH. Esse quartzo é usado
na produção de placas cerâmicas para pisos e revestimentos comuns.
4.1.4 – FELDSPATO
Foram utilizados dois tipos de feldspato: albita e espodumênio.
O feldspato albita (11,04 % de sódio) foi adquirido pela empresa Minasolo - Minérios e
Grãos Abrasivos, de granulometria 325 MESH.
O feldspato espodumênio (0,91 % de lítio) foi cedido pela empresa Companhia
Industrial Fluminense – MIBRA, localizada na cidade de Nazareno, região Campos das
Vertentes do Estado de Minas Gerais. O feldspato espodumênio apresentava diferentes
granulometrias, passaram pelo processo de moagem para uma maior homogeneização das
partículas.
Para
utilização
na
formulação
das
misturas
o feldspato espodumênio
foi
previamente moído e peneirado em 325 MESH. A moagem foi feita em moinho de bolas ,
Figura 4.2, durante 8 horas e em seguida foi peneirado numa peneira elétrica vibratória
Bertel, Figura 4.3, para melhor homogeneização dos grãos.
Figura 4.2 – Moinho de bolas
27
Figura 4.2 – Peneira elétrica vibratória Bertel
4.2 – FORMULAÇÕES UTILIZADAS
As proporções das misturas foram de 40g de Argila , 10g de Caulim , 35g de Quartzo,
e Feldspato albita ou Feldspato espodumênio variando de 15, 20, 25 e 30g de massa total do
corpo de prova.
Tabela 4.3 – Formulações dos corpos-de-prova
Argila
Caulim
Quartzo
Feldspato
40
10
35
15
40
10
35
20
40
10
35
25
40
10
35
30
40
10
35
15
40
10
35
20
40
10
35
25
Mistura 8
Mistura 7
Mistura 6
Mistura 5
Feldspato Espodumênio(g)
Mistura 4
Mistura 3
Mistura 2
Mistura 1
Material
Feldspato Albita (g)
40
10
35
30
As matérias primas foram misturadas manualmente em almofariz conforme as
proporções listadas na Tabela 4.3. De cada mistura foram confeccionados cinco corpos-deprova de 20,00 g +/- 0,01 cada, pesados numa balança de precisão Scout 400g modelo SP
4020.
28
4.3 – PRENSAGEM
A prensagem dos corpos de prova foi realizada uniaxialmente em prensa
hidráulica SIWA Press®, Figura 4.4, com capacidade de 15 toneladas, utilizando uma
matriz em aço SAE 1045, com medidas internas de 60 x 20 mm. A matriz foi limpa com
àlcool gel e lubrificada com óleo comercial. Para a moldagem foram colocados 20 gramas de
material, o que resultou em corpos de prova com espessuras entre 6,5 e 8,0 mm. A carga
aplicada foi de 4 toneladas, durante um intervalo de 30 segundos para acomodação das
partículas, resultando em pressão de compactação de 28,5 MPa.
Após a prensagem, os corpos de prova foram pesados, e medidas suas dimensões a
verde utilizando paquímetro digital da marca Starrett® 727-6/150 com precisão de 0,01 mm.
Foram medidos 3 pontos ao longo da largura, 3 pontos ao longo da espessura e 1 ponto ao
longo da altura.
Figura 4.4 – Prensa hidráulica
4.4 - SINTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
Na sinterização dos corpos de prova foi utilizado um forno elétrico da marca Lavoisier
Furnace® Modelo 4020, Figura 4.5.
Os corpos de prova foram sinterizados nas temperaturas de
1000, 1100, 1200 e
1280 °C. A taxa de aquecimento foi de 3°C / min com patamar de 1 hora.
29
Os corpos de prova foram introduzidos com o forno desligado, e após a sinterização
foram resfriados naturalmente dentro do forno por 24 horas.
Figura 4.5 – Forno elétrico
4.5 - CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA SINTERIZADOS
Para a determinação das propriedades tecnológicas as amostras foram caracterizadas
através de ensaios da perda de massa, retração linear pós queima (RLq), absorção de água
(AA), porosidade aparente (PA), densidade aparente (DA), tensão de ruptura à flexão em
três pontos (TRF), análise dilatométrica (DIL) , difração de raios X (DRX) e módulo de
elasticidade (ME). Também foram
realizadas análises microestrutural da superfície da
amostra e superfície da fratura por microscopia eletrônica de varredura (MEV), marca
Hitachi® modelo TM 3000. Em particular foram estabelecidos diagramas de gresificação,
mostrando simultaneamente a retração linear e a porosidade em relação à temperatura de
sinterização. Isto permitiu determinar as melhores condições de sinterização.
A tabela 4.4 mostra as variáveis de entrada e saída deste trabalho.
30
Tabela 4.4 – Variáveis de entrada e saída
Variáveis de entrada Variáveis de saída quantitativa
Temperatura de Sinterização
Retração Linear
Tipo de Feldspato
Absorção de Água
Concentração de Feldspato
Densidade Aparente
Porosidade Aparente
Tensão de Ruptura à Flexão
Módulo de Elasticidade
Variáveis de saída qualitativa
Caracterização Química
Caracterização da Microestrutura
Análise da Superfície de Fratura
Dilatometria
4.5.1- RETRAÇÃO LINEAR
Neste procedimento os comprimentos dos corpos de prova foram medidos a verde e
medidos novamente depois de sinterizados. A RLq foi determinada utilizando-se a Equação
1. (NBR 13818)
RLq (%)
lo
lf
lo
100
(1)
onde a RLq é a retração linear percentual pós queima; Lₒ é o comprimento do corpo de
prova verde em mm; e Lf é o comprimento do corpo de prova sinterizado em mm.
4.5.2 - ABSORÇÃO DE ÁGUA
Os corpos de prova sinterizados foram pesados em balança digital com precisão de
0,01g e, posteriormente, foram
imersos em água destilada a 100°C por 1 hora. As
amostras ficaram imersas com 5 cm de camada de água, conforme NBR-13818. Ao término
do período de imersão, os corpos-de-prova foram retirados utilizando uma pinça, e novamente
pesados a fim de determinar o valor da quantidade de água absorvida, de acordo com a
Equação 2. (NBR 13818)
AA(%)
Mu Ms
100
Ms
(2)
31
onde AA é a absorção de água em porcentagem; Mu é a massa em gramas do corpo de
prova úmido e Ms é a massa em gramas do corpo de prova seco após a sinterização.
4.5.3- POROSIDADE E DENSIDADE APARENTE
O procedimento utilizado foi o método de Arquimedes, onde os corpos de prova
sinterizados foram imersos em água. O ensaio de porosidade aparente é realizado
simultaneamente ao ensaio de absorção de água.
Após o período de imersão em água
destilada para o ensaio de absorção de água, os corpos de prova sinterizados e ainda úmidos
foram pesados imersos em água pelo método da balança hidrostática, ou método de
Arquimedes, e determinada a porosidade aparente conforme a Equação 3. (NBR 13818)
Para a medição da massa imersa, os corpos de prova são conectados à parte inferior da
balança por um fio inextensível e imersos em um recipiente com água, após a estabilização da
balança, foi feita a leitura da massa do corpo de prova imersa na água Mi.
Porosidade aparente (%): volume aparente de poros em relação ao volume total do
corpo.
PA(%)
Mu
Mu
Ms
100
Mi
(3)
onde PA é a porosidade aparente em porcentagem; Mu é a massa
do corpo de prova
úmido (após período de imersão para absorção de água) em gramas; Ms é a massa do
corpo de prova sinterizado seco em gramas; e Mi a massa do corpo de prova imerso em água
em gramas.
A densidade aparente (g/cm³) aparente foi determinada segundo a Equação 4.
(NBR 13818)
DA( g / cm 3 )
PA
AA
Ms
Mu Mi
onde DA é a massa específica aparente em g/cm³ .
( 4)
32
4.5.4- TENSÃO DE RUPTURA À FLEXÃO
Tensão de ruptura à flexão (TRF) é um indicador quantitativo da resistência mecânica
dos corpos de prova após a queima em diversas temperaturas. Para a determinação da
tensão de ruptura à flexão foi utilizado o método de flexão simples a três pontos,
segundo a Norma ASTM C 674 – 88.
Os corpos de prova foram ensaiados em máquina de flexão modelo EMIC® DL 500, a
TRF foi calculada de acordo com a Equação 5.
3 F L
2 b h2
TRF
(5)
onde TRF é a tensão de ruptura à flexão em MPa, F é a força aplicada em Newton; L é a
distância entre os apoios, que foi de 50 mm; b é a medida da base do corpo de prova em mm;
e h é a espessura do corpo de prova em mm.
Os ensaios foram realizados com base na norma
ISO 10545-4/95, com
velocidade de aplicação de carga de 1 mm/mim, e 50 mm de distância entre os apoios.
4.5.5- DILATOMETRIA
Os ensaios de dilatometria foram executados em um dilatômetro Netzsch® modelo DIL
402, com taxa de aquecimento de 3 °C/min até a temperatura de 1000 e 1200 °C. A variação
do comprimento da amostra
L
LT
L é expressa na Equação 6.
L0
L0
(6)
onde LT é o comprimento em mm na temperatura T e L0 é o comprimento em mm na
temperatura no início do ensaio.
33
4.5.6 – DIFRAÇÃO DE RAIOS X (DRX)
Foi utilizado um difratômetro XRD-6000 da Shimadzu®, com radiação de Cu-kα com
λ= 1,54056 Ǻ , tensão de 40KV, corrente de 30 mA e ângulo de varredura de 5° a
80° para 2θ, com velocidade de 2°/mim e passo de 0,02°. A identificação das fases
cristalinas foi feita por comparação entre os picos gerados pelo difratograma com cartas
padrões através do software JCPDF® cadastradas no ICDD (International Center for
Difraction Data).
4.5.7 - MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
Os corpos de prova sinterizados foram analisados em um microscópio eletrônico de
varredura da marca Hitachi® modelo TM 3000. O objetivo da análise foi acompanhar as
mudanças microestruturais e morfológicas das amostras utilizando o feldspato albita e o
feldspato espodumênio, sinterizados em 1000, 1100, 1200 e 1280 °C, . A existência de cristais
aciculares indicam a formação de mulita secundária. As ampliações foram de 500,1000 e
3000 vezes.
4.5.8- CURVAS DE GRESIFICAÇÃO
A curva de gresificação é a representação gráfica simultânea da absorção de água (AA)
e a retração linear (RL) da peça em relação a temperatura de sinterização. Para a obtenção do
produto final com uma faixa de absorção de água desejada e a variação de tamanho
admissível, pode-se usar a curva de gresificação para identificar a temperatura na qual essas
características são alcançadas.
Portanto, serve como um instrumento para controle de qualidade e tem utilidade na
avaliação da sensibilidade das massas cerâmicas,
dos possíveis erros de dosagem, das
variações da densidade do compacto seco e das condições de queima. Esta curva também
serve para indicar a temperatura onde o material começa a densificar ou gresificar.
34
4.5.9- MÓDULO DE ELASTICIDADE
O ensaio realizado foi não destrutivo e o módulo de elasticidade foi calculado através
das frequências naturais de vibração do corpo de prova, sem que este tenha sofrido qualquer
dano. As frequências, juntamente com as dimensões e massa, possuem uma relação unívoca
com os módulos elásticos.
Foi utilizado o software Sonelastic®, da empresa ATCP
Engenharia Física.
Os corpos de prova receberam excitação por impulso, no qual o corpo de prova sofreu
um leve impacto para gerar as vibrações mecânicas. Um transdutor foi usado para captar a
resposta acústica e transformá-la em sinal elétrico proporcional às
frequências de
ressonância.
O módulo de Young para os corpos de prova com formato de barras de secção
retangular é calculado através da Equação 7.
E
0,9465
mf f2
b
L3
t3
T1
(7)
onde m é a massa da barra, L o comprimento, b a largura e t a altura; ff é a frequência de
ressonância fundamental flexional e T1 é um fator de correção para o modo fundamental
flexional, μ é o coeficiente de Poisson.
(8)
35
4.5.10 – COLORAÇÃO
O controle de qualidade das placas cerâmicas apresenta a coloração como uma das
características fundamentais para a satisfação do cliente. A cor do porcelanato é um dos
requisitos importantes para a sua escolha.
As matérias-primas devem apresentar baixo teor de óxido de ferro, já que a eficácia dos
pigmentos que são adicionados para colorir as placas depende diretamente da brancura do
produto queimado. Tem-se uma classificação sintética dos tipos comerciais hoje existentes, e
ela é definida visualmente pela cor final do produto.
São classificados como monocolores, os produtos esteticamente mais simples onde
predominam as cores pastel. São obtidas a partir de pós atomizados com coloração uniforme.
4.6 – PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
Para a determinação do número de réplicas de cada ensaio, foram adotados os critérios
indicados por DALLY (1993) que se baseiam na distribuição t de Student no caso de amostras
pequenas (n<20). Foi considerado o termo 2δ para representar uma faixa tolerada para se
encontrar os resultados da população de resultados dos ensaios, sendo 2δ = 10% do valor da
média da amostragem. Foi estabelecido um nível de confiança de 90% para essa análise. O
número de réplicas (n) pode então ser estimado, empregando-se a Equação 9:
n
tS
2
(9)
O procedimento foi realizado através de cinco réplicas. Este trabalho teve por objetivo
estudar a influência do tipo de feldspato, do teor de feldspato e da temperatura de sinterização.
Nesse
tipo de estudo, o planejamento fatorial se mostra bastante eficiente. Todas as
combinações possíveis dos níveis de cada variável são investigadas quando o efeito de uma
variável depende do valor
das outras variáveis. Nestes casos, pode-se afirmar que há
interação entre essas variáveis. (MONTGOMERY, 1991)
36
As variáveis de resposta escolhida para a análise são: a porosidade, absorção de água e
a tensão de resistência à flexão.
Com base nestes parâmetros foi definido um planejamento fatorial aleatorizado para
verificar a influência da temperatura de sinterização, do teor de feldspato e do tipo de
feldspato utilizado.
Nos anexos I e II apresentam-se fundamentos empregados na avaliação, de acordo com
MONTGOMERY 1991.
37
5- RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo são discutidos os resultados de caracterização química e mineralógica
das matérias-primas utilizadas no subitem 5.1, como também as caracterizações dos corpos de
prova após a sinterização no subitem 5.2.
5.1 – MATÉRIAS-PRIMAS
5.1.1 – CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA
A argila e o caulim apresentaram como principais constituintes os óxidos de silício e de
alumínio, simultaneamente, já o quartzo apresenta apenas o óxido de silício como principal.
O feldspato sódico contem além dos óxidos de silício e de alumínio, também os óxidos
de ferro, de cálcio, de sódio, de potássio e de manganês, sendo o oxido de sódio o principal
constituinte. Os óxidos alcalinos e alcalinos-terrosos (Fe₂O₃, CaO, Na₂O, K₂O e MnO)
possuem efeito fundente e representam 14,77% dos elementos presentes no feldspato sódico.
Segundo Lucena (2007), os óxidos de cálcio e manganês (com 0,38% e 0,04%
presentes no feldspato sódico , respectivamente) e (com 1,42% e 0,15 presentes no feldspato
lítico, respectivamente) têm um efeito fundente, ou seja, diminui a temperatura de
sinterização, moderado em temperaturas de queima abaixo de 1100 ° C.
Segundo BIFFI (2002), o valor teórico do Na₂O no feldspato sódico é de 11,8% e
quanto mais o teor em álcalis se aproxima do valor teórico, mais aumenta o valor do
feldspato. O óxido de sódio (com 11,8% presente no feldspato sódico) tem efeito fundente
intenso abaixo de 1100 °C.
O feldspato lítico contém 7,55%
em álcalis, distribuídos em óxidos alcalinos e
alcalinos terrosos, além dos encontrados no feldspato sódico obtém o óxido de titânio, de
manganês, de potássio e de lítio (TiO₂, MgO, P₂O₅ e LiO₂). As pequenas quantidades de
óxidos de titânio (com 0,0003% presente no feldspato lítico) são irrelevantes para material
de queima clara, pois estas substâncias conferem coloração avermelhada nas cerâmicas
após sinterização.
38
Assim, os componentes químicos detectados na
fluorescência de raios x e suas
respectivas quantidades permitem conhecer a composição química dos minerais.
5.1.2 – CARACTERIZAÇÃO MINERALÓGICA
A identificação dos materiais
difração
obtido no ensaio
com
cristalinos
padrões
é feita comparando o espectro de
pré-estabelecidos. Cada pico de difração
obtido na análise de difração de raios X está relacionado com planos cristalinos (h k l) de
determinado material cristalino. (ACCHAR, 2006). Nas figuras a seguir serão apresentados os
difratogramas de raios x das matérias-primas utilizadas neste estudo.
Nas figuras 5.1, 5.2 e 5.3 são mostrados os difratogramas de raios x da argila , do
caulim e do quartzo onde podemos constatar a presença de quartzo e caulinita na argila e no
caulim, como fases cristalinas. A argila e o caulim apresentaram composição química
praticamente equivalentes em relação ao percentual das substâncias SiO2 e Al2O3.
O difratograma
de
raios x
permite observar que
o
Al2O3
vem
caulinita (Al2Si2O5 (OH)4). O SiO2 vem do quartzo , sendo o seu principal constituinte.
Figura 5.1– Difratograma de raios x da argila São Simão
da
39
Figura 5.2 – Difratograma de raios x do caulim.
Figura 5.3 – Difratograma de raios x do quartzo.
40
Nas figuras 5.4 e 5.5 são mostrados os difratogramas de raios x dos feldspatos sódico
e lítico. Os difratogramas dos feldspatos, indicam a presença de Quartzo (SiO2), Albita
(NaALSi 3O8), sendo este último em baixíssimas proporções. No feldspato sódico encontra-se
a presença de Microclínio (KAlSi3O8) e no feldspato lítico a presença de oxido de lítio (Li2O).
Os pegmatitos, minérios constituídos de elevados teores de feldspatos, mas
também de um pouco de quartzo e de mica. Embora esta última esteja presente,
provavelmente na forma de muscovita
(KAl3Si3O11) sua presença não foi detectada,
possívelmente devido à sua baixa concentração. A difração de raios x apresenta os picos em
função de suas intensidades, portanto, é possível que os da muscovita estejam cobertos pelos
ruídos normais da linha base.
Figura 5.4 – Difratograma de raios x do feldspato sódico.
41
Figura 5.5 – Difratograma de raios x do feldspato lítico
5.2 – CARACTERIZAÇÕES DOS CORPOS DE PROVA APÓS SINTERIZAÇÃO
5.2.1 – ANÁLISE MINERALÓGICA POR DIFRAÇÃO DE RAIOS X
Nas figuras 5.6, 5.7, 5.8 e 5.9 são exibidos os gráficos de difratograma de raios x dos
corpos de prova sinterizados a 700ºC das formulações variando o teor de feldspato sódico
e lítico de 15 a 30g respectivamente. Foi escolhida a temperatura de 700°C devido o resultado
da dilatometria, que será exposto posteriormente. No gráfico de dilatometria ocorreu um pico
próximo a 700°C, devido à transformação de fase do caulim para o meta-caulim.
Os
difratogramas
das
amostras
estudadas , apresentam
como componentes
principais o quartzo (SiO2) e a mulita (Al6 Si2O13), o meta-caulim não foi verificado,
acredita-se devido a sua baixa concentração.
42
Em todas as figuras percebe-se que já na primeira queima, de 700°C, ocorre a mudança
de fase da caulinita, transformando-se provavelmente, em fases de SiO₂/alumino-silicatos.
Observa-se também que para todas as misturas, uma nova fase surge, a mulita 3Al₂O3 . 2SiO₂.
Figura 5.6– Difratograma de raios-X do corpo de prova sinterizado a 700ºC, contendo 15g (a)feldspato
sódico e (b) feldspato lítico.
43
Figura 5.7– Difratograma de raios x do corpo de prova sinterizado a 700ºC, contendo 20g (a)feldspato sódico e
(b) feldspato lítico.
Figura 5.8– Difratograma de raios x do corpo de prova sinterizado a 700ºC, contendo 25g (a)feldspato
44
sódico e (b) feldspato lítico
As figuras 5.10, 5.11 , 5.12 e 5.13 mostram os gráficos do difratograma de raios x dos
corpos de prova sinterizados a 1000ºC das formulações variando o teor de feldspato sódico
e lítico de 15 a 30g respectivamente. Os difratogramas das amostras utilizando tanto o
feldspato sódico como o lítico, apresentam como fases principais o quartzo (SiO2) e a
mulita (Al6Si2 O13).
45
46
47
Nas figuras 5.14, 5.15 , 5.16 e 5.17 são exibidos os gráficos do difratograma de raios x
dos corpos de prova sinterizados a 1280ºC das formulações variando o teor de feldspato
sódico e lítico de 15 a 30g respectivamente. Como nos demais casos, os difratogramas das
amostras
utilizando tanto o feldspato sódico como o lítico,
apresentam
como fases
principais o quartzo (SiO2) e a mulita (Al₆Si₂O₁₃).
Observa-se ainda, que em todas as misturas a albita (NaAlSi308) e espodumênio
(LiAlSi₂O6) estão presentes apenas nas massas cruas. Isso ocorre, possivelmente, por dois
fatores. O primeiro, por estar em baixa concentração, e segundo, por apresentarem um ponto
de fusão aproximadamente de 1000 °C, transformando-se em fase amorfa, segundo Sanchéz
et tal. (1997).
48
49
5.2.2 – CURVA DE GRESIFICAÇÃO
As Tabelas 5.1 e 5.2 apresentam os valores de absorção de água e retração linear pós
queima em percentagem das amostras sinterizadas nas temperaturas de 1000, 1100, 1200 e
1280ºC, sob patamar de queima de 60 min. Os valores de cada item é referente à média
aritmética dos cinco corpos de provas confeccionados para cada formulação, totalizando 160
corpos de prova.
50
Tabela 5.1 – Absorção de água em % para amostras sinterizadas com patamar de 60 min.
Teor de
Feldspato
15g
20g
25g
30g
Absorção H₂O (%)
Feldspato sódico
Feldspato lítico
1000⁰C 1100⁰C 1200⁰C 1280⁰C 1000⁰C 1100⁰C 1200⁰C 1280⁰C
31,57 23,67 15,87 12,17 25,88 22,88 16,76 10,74
23,55 21,57 13,80 9,19
24,76 21,91 14,67 8,63
25,52 21,04 11,36 7,10
22,27 19,02 13,48 6,87
21,24 16,37 9,55
5,74
19,22 18,13 12,26 5,40
Observa-se que absorção é decresente em relação ao aumento da temperatura. Para cada
temperatura verifica-se a diminuição da absorção com o aumento do teor de feldspato.
Segundo os resultados obtidos de absorção de H₂O, e de acordo com a norma ABNT - NBR
13817 de 1997, as amostras tanto utilizando feldspato sódico ou lítico, tiveram a mesma
classificação de “semi-grés”.
Tabela 5.2 – Retração Linear em % para amostras sinterizadas com patamar de 60 min.
Teor de
Feldspato
15g
20g
25g
30g
Retração Linear (%)
Feldspato sódico
Feldspato lítico
1000⁰C 1100⁰C 1200⁰C 1280⁰C 1000⁰C 1100⁰C 1200⁰C 1280⁰C
0,38
1,23
4,92
7,79
1,38
1,65
4,76
7,40
0,56
1,44
5,91
8,79
1,39
1,89
5,49
8,60
0,62
1,63
6,72
9,53
1,65
2,29
6,35
9,25
0,66
1,93
7,45
10,13 1,85
2,72
6,41
9,97
Retrações elevadas são indesejadas, pois podem
causar defeitos na peça após
sinterização, por exemplo, empenos e microfissuras. Por outro lado, uma retração linear
muito baixa (em torno de 3%) é indício de que houve pouca densificação da peça e
consequentemente menor redução da porosidade.
Pode-se observar pelos resultados obtidos, quanto maior o percentual de feldspato
adicionado maior é a retração linear após a sinterização. Em relação à temperatura de
queima, observa-se que o aumento da retração é proporcional à temperatura, ou seja, as
maiores retrações observadas aconteceram nas maiores temperaturas de queima.
51
Observa-se ainda que, para os corpos de prova sinterizados em temperaturas abaixo
de 1100ºC, a retração linear foi menor que 3%, comprovando que houve pouca densificação
nos mesmos. Neste experimento a maior retração foi de 10,13% obtida pela formulação de
30% de feldspato sódico em 1280ºC.
Os resultados de retração linear e absorção de H₂O para as amostras com feldspato
sódico e lítico, mostram-se muito semelhantes,
indicando
que o feldspato lítico pode
substituir o sódico.
Segundo BIFFI (2002), para placas cerâmicas tipo porcelanato as retrações lineares,
para placas de cores únicas, podem atingir de 8,5 a 9,0 %, enquanto que para as demais o
intervalo usual é de 7 a 8 %. Portanto, os valores de retração linear das amostras estão
dentro faixa usual das placas cerâmicas para grês porcelanato.
Para construir as curvas de gresificação de cada mistura 5.18 e 5.19, utilizou-se os
valores das tabelas 5.20 e 5.21.
Figura 5.18 – Gráfico de Gresificação de amostras contendo feldspato sódico.
52
Figura 5.19 – Gráfico de Gresificação de amostras contendo feldspato lítico.
5.2.3 – POROSIDADE E DENSIDADE APARENTE
As Tabelas 5.3 e 5.4 apresentam os valores de porosidade e densidade aparente de
queima em percentagem das amostras sinterizadas às temperaturas de 1000, 1100, 1200 e
1280ºC, sob patamar de queima de 60 min. Os valores de cada item é referente a média
aritmética dos cinco corpos de provas confeccionados para cada formulação, totalizando 160
corpos de prova.
53
Tabela 5.3 – Porosidade Aparente em % para amostras sinterizadas com patamar de 60 min.
Concentração de
Feldspato
15g
20g
25g
30g
Porosidade Aparente (%)
Feldspato sódico
Feldspato lítico
1000⁰C 1100⁰C 1200⁰C 1280⁰C 1000⁰C 1100⁰C 1200⁰C 1280⁰C
50,59 37,58 28,46 22,99 43,19 36,92 29,97 23,44
40,96 35,06 25,66 18,51 40,06 35,75 27,23 20,54
41,56 34,10 21,98 14,35 36,61 32,23 25,50 16,86
38,77 27,83 19,10 12,17 32,43 29,59 23,89 13,28
Tabela 5.4 – Densidade Aparente em g/cm³ para amostras sinterizadas com patamar de 60 min.
Concentração de
Feldspato
15g
20g
25g
30g
Densidade Aparente (g/cmª)
Feldspato sódico
Feldspato lítico
1000⁰C 1100⁰C 1200⁰C 1280⁰C 1000⁰C 1100⁰C 1200⁰C 1280⁰C
1,60
1,59
1,79
1,89
1,67
1,61
1,79
2,18
1,74
1,64
1,86
2,01
1,62
1,63
1,86
2,38
1,64
1,62
1,94
2,03
1,65
1,70
1,89
2,45
1,82
1,70
2,00
2,13
1,69
1,63
1,95
2,47
As Figuras 5.21 e 5.22 apresentam os gráficos da porosidade aparente em %, e as
figuras 5.23 e 5.24 apresentam os gráficos da densidade aparente em g/cm³. Os gráficos estão
em função da temperatura máxima de queima 1000, 1100, 1200 e 1280ºC, em um patamar de
60 min.
Verifica –se que com o aumento da temperatura de sinterização houve um
aumento da densificação onde, provavelmente, houve melhor relação quantidade/viscosidade
da fase líquida e conseqüentemente uma diminuição da porosidade. Nota-se também que a
porosidade e a densidade são inversamente relacionadas.
A absorção de água fornece uma medida da porosidade: quanto mais baixa a absorção
de água, menor é a porosidade e , maior é a compactação. Este é o dado fundamental,
uma vez que a porosidade influencia de modo marcante as características técnicas das
placas cerâmicas. (BIFFI, 2002)
54
Deste modo, os resultados da porosidade aparente dos corpos de prova sinterizados
apresentaram analogia em relação aos resultados da absorção de água. Nos gráficos a seguir
percebe-se essa analogia, pois as mesmas formulações que apresentaram baixa absorção de
água também apresentaram baixa porosidade aparente. As amostras com 30g de feldspato
sódico ou lítico a temperatura de 1280ºC , foram as que apresentaram a menor porosidade, e
percebe-se que o grau de redução da porosidade aparente entre as amostras é semelhante ao
ocorrido com a absorção de água. Na indústria de placas cerâmicas a porosidade permite
avaliar a qualidade do produto final, visto que peças que possuam menor porosidade
certamente apresentarão melhores propriedades técnicas.
Figura 5.20 - Gráfico de Porosidade x Temperatura dos corpos de prova contendo 15,20,25 e 30g
feldspato sódico.
55
Figura 5.21 - Gráfico de Porosidade x Temperatura dos corpos de prova contendo 15,20,25 e 30g
feldspato lítico.
Figura 5.22 - Gráfico de Densidade x Temperatura dos corpos de prova contendo 15,20,25 e 30g
feldspato sódico.
56
Figura 5.23 - Gráfico de Densidade x Temperatura dos corpos de prova contendo 15,20,25 e 30g
feldspato lítico.
Observa-se uma porosidade levemente menor de 12,17% para as amostras com 30g de
feldspato sódico sinterizadas a 1280ºC, em comparação as amostras com o feldspato lítico de
13,28% nas mesmas condições. Observa-se ainda uma dependência da porosidade com a
quantidade de teor de feldspato.
5.2.4 – TENSÃO DE RUPTURA À FLEXÃO
A Tabela 5.5 apresenta os valores de tensão de ruptura à flexão (TRF), determinada pelo
ensaio de flexão em três pontos nos corpos de prova, sintetizado às temperaturas de 1000,
1100, 1200 e 1280ºC, sob patamar de queima de 60 min.
57
Os valores de cada item é referente a média aritmética dos cinco corpos de provas
confeccionados para cada formulação, totalizando 160 corpos de prova.
Tabela 5.5 – Tensão de Ruptura à Flexão em MPa para amostras sinterizadas com patamar de 60 min.
Tensão de Ruptura à Flexão
Feldspato sódico
Feldspato lítico
Concentração de
Feldspato
15g
20g
25g
30g
1000⁰C
2,34
2,74
2,22
2,77
1100⁰C
4,26
4,38
4,71
5,65
1200⁰C
10,80
13,23
13,58
13,76
1280⁰C
27,16
27,21
29,27
29,08
1000⁰C
2,74
3,47
4,42
5,82
1100⁰C
7,09
9,69
11,75
12,05
1200⁰C
10,89
10,86
16,04
17,32
1280⁰C
20,36
24,96
25,40
29,59
As Figuras 5.24 e 5.25 apresentam os resultados de TRF em função da temperatura
máxima de queima para todas as misturas.
No ensaio de tensão à flexão, ambos os corpos de prova feitos com feldspato sódico ou
lítico mostraram aumento da resistência à flexão conforme o aumento da temperatura
de sinterização. Nota-se ainda que a resistência é maior no intervalo de temperatura
entre 1200 a 1280⁰C, quando comparado com o intervalo entre 1000 a 1100⁰C. Observa-se
que as resistências das composições preparadas com feldspato lítico de 29,59 MPa foram
levemente maiores do que as preparadas com feldspato sódico de 29,08 MPa, atribuímos
isso a melhor eficiência de reação do lítio, estando em concordância com os outras
propriedades mecânicas analisadas.
É importante destacar que a ABNT não classifica os revestimentos quanto à resistência
à flexão, embora cite como fazer o ensaio. Porém, segundo a norma européia EM 100 para o
grês porcelanato, a resistência à flexão deve ser acima ou igual a 27 MPa, as formulações
dentro desta faixa de classificação foram as que contêm feldspato sódico sintetizados a
1280ºC independente da concentração de feldspato, e as que contém feldspato lítico
sintetizados a 1280ºC com 30g de feldspato.
58
Figura 5.24 - Gráfico de Ruptura em Flexão x Temperatura dos corpos de prova contendo 15,20,25 e 30g
feldspato sódico.
F
Figura 5.25 - Gráfico de Ruptura em Flexão x Temperatura dos corpos de prova contendo 15,20,25 e 30g
feldspato lítico.
59
A ISO 13006 determina que, para os porcelanatos, a resistência à flexão deve ser
igual ou maior que 35 MPa, nenhuma das formulações estudadas atenderam a essa
especificação. Já para as placas cerâmicas tipo grês a resistência à flexão mínima exigida é
30 MPa, a
formulação que mais se aproxima é a que contém 30g de feldspato lítico
sintetizado a 1280ºC, com 29,59 MPa e desvio padrão 3,84.
5.2.5 – MICROSCOPIA ELETRÔNICA POR VARREDURA
Na Figura 5.26 é apresentada, uma ampliação de 1000x, a microscopia de fratura
da superfície dos corpos de prova com teor de feldspato sódico de 15 e 30g sintetizado a
1000ºC. Em sequencia, as figuras 5.27, 5.28, 5.29 as amostras foram sintetizadas a
temperaturas de 1100, 1200 e 1280ºC respectivamente.
Figura 5.26- Micrografias de amostras sinterizadas a 1000⁰C contendo respectivamente 15 e 30g de
feldspato sódico, com aumento de 1000 vezes.
60
Figura 5.27 - Micrografias de amostras sinterizadas a 1100⁰C contendo respectivamente 15 e
30g de feldspato sódico.
feldspato sódico.
feldspato sódico.
61
Todas as amostras apresentaram algumas partículas grandes, representando o
quartzo, que não reagiu com os outros elementos. (SANCHEZ, 2001).
Com o aumento da temperatura houve formação de fase vítrea, principalmente
nas amostras sintetizadas a partir de 1200ºC. Já nas amostras com maior concentração de
feldspato, entre 25 e 30g, houve uma maior formação de fase vítrea. As amostras compostas
de 30g de feldspato à 1280ºC , a superfície de fratura encontra-se mais lisa, mesmo assim
nota-se uma porosidade considerável. Também há formação de mulita a partir de 1200ºC,
oriundo da reação entre o feldspato e a argila, essas transformações de fases são comuns
durante a sinterização de massas cerâmicas triaxiais, conforme visto em alguns textos da
revisão da literatura.
Nas Figuras 5.30, 5.31, 5.32 e 5.33 são apresentadas, a microscopia de superfície de
fratura dos corpos de prova com 15 e 30 g de feldspato lítico sintetizado a 1000, 1100,
1200 e 1280ºC, respectivamente.
feldspato lítico.
62
Figura 5.31- Micrografias de amostras sinterizadas a 1100⁰C contendo respectivamente 15e 30g de
feldspato lítico.
feldspato lítico.
feldspato lítico.
63
Podemos observar que as superfícies de fratura das amostras preparadas com feldspato
lítico tiveram o mesmo comportamento das preparadas com feldspato sódico.
As Figuras 5.34 e 5.35 apresentam as microestruturas das superfícies de fratura dos
corpos de prova formulados a partir de 30g de feldspato sódico e lítico, sinterizados à 1280ºC
por 60 min, ampliação de 500x. Assim, é possível observar a distribuição dos poros em meio
à fase vítrea, esses poros têm formato irregular e não isolados, ou seja, existe comunicação
entre eles. Esse fato pode explicar a maior absorção de água das amostras. Também
observa-se uma fase menos sinterizada, que segundo a literatura, deve ser partículas de
quartzo, por serrem bem consistentes elas ficam imersas na fase vítrea.
As Figuras 5.36 e 5.37 apresentam as microestruturas das superfícies fraturadas dos
corpos de prova sinterizados a 1200ºC por 60 min, ampliação de 1000 x. O surgimento da
mulita já foi detectado pelo método de difração de raios x, contudo as micrografias por MEV
conseguem auxiliar na visualização dessa fase, dando uma ideia da concentração e disposição,
de acordo com as temperaturas de queima. Nas figuras abaixo aparecem em detalhe os cristais
aciculares de mulita imersos em fase vítrea.
Nas massas cerâmicas mais ricas em alumina (Al₂O₃), durante a sinterização, tem-se
uma maior presença de mulita e uma quantidade de fase amorfa mais baixa que se reflete em
uma resistência mecânica mais baixa em relação às massas cerâmicas mais ricas em sílica
(SiO₂). Segundo BIFFI (2002), as massas cerâmicas com maior conteúdo de fase vítrea e
menor teor de mulita, apresentam um módulo de ruptura e de Young mais elevado. Por isso as
amostras que apresentaram menor resistência à flexão foram as com menor concentração de
feldspato sinterizadas em temperaturas de 1000 e 1100ºC, enquanto as amostras com maiores
concentrações de feldspato sinterizadas a 1200 e 1280ºC apresentaram melhores resultados.
64
Figura 5.34 – Micrografias de amostra sinterizada a 1280ºC contendo 30g feldspato sódico.
Figura 5.35 – Micrografias de amostra sinterizada a 1280ºC contendo 30% feldspato lítico, com aumento
de 500 vezes.
65
Figura 5.36 – Micrografias de amostra sinterizada a 1200ºC contendo 30g feldspato sódico.
Figura 5.37 – Micrografias de amostra sinterizada a 1200ºC contendo 30g feldspato lítico.
66
A figura 5.38 com ampliação em 3000x, e nessa micrografia é possível observar
com detalhe as “cavidades” de vazios entre a fase não sinterizada, o quartzo, e a fase
vizinha , a fase vítrea.
Figura 5.38 – Micrografia de amostra sinterizada a 1280ºC contendo 30% feldspato sódico.
5.2.6 – ANÁLISE DILATOMÉTRICA
As Figuras de 5.39 a 5.42 apresentam o comportamento de dilatação térmica linear
entre ~30ºC e 1280ºC, de amostras utilizando feldspato sódico. As Figuras 5.43 a 5.46
apresentam o comportamento de dilatação térmica nas mesmas condições anteriores, de
amostras utilizando feldspato lítico.
67
Foi observado as amostras com feldspato lítico iniciaram sua retração na média de
1050°C, já as amostras com feldspato sódico na média de 1100 °C. Também foi notado que o
aumento no teor de feldspato resultou numa maior retração linear, concentração de 15g de
feldspato teve retração linear de -0,07 dL/L0, já as amostras com 30g de feldspato teve
retração linear de -0,10 dL/L0. As amostras com
30g de feldspato lítico apresentaram
retração linear de - 0,10 dL/L0, já as amotras com feldspato sódico apresentaram -0,25 dL/L0.
Figura 5.39 - Gráfico de Dilatometria x Retração linear do corpo de prova contendo 15g feldspato sódico.
68
69
Figura 5.43 - Gráfico de Dilatometria x Retração linear do corpo de prova contendo 15g feldspato lítico.
70
71
Nas análises, há uma expansão atingindo um pico em aproximadamente 1050°C para as
composições com feldspato lítico, e aproximadamente 1100°C para as composições com
feldspato sódico. Podemos observar que em seguida as amostras começam a sofrer uma
contração que pode indicar o início da sinterização. As amostras com maior de teor de
feldspato, como as que contém 30g de feldspato, observa-se que a sinterização inicia em
temperaturas menores . A contração segue até o final do ensaio indicando a densificação do
material.
Acredita-se que, com a atomização das misturas, pode-se alcançar melhores resultados,
utilizando até, temperaturas mais baixas de sinterização.
72
5.2.7 – COLORAÇÃO
A Figura 5.47 apresenta os corpos de prova dispostos do corpo verde ao sinterizado a
1280ºC. É observado uma coloração um pouco mais clara para as amostras que contém
feldspato sódico do que as que contém feldspato lítico. Isso é devido ao teor de Fe₂O₃ e TiO₂
serem menores no feldspato sódico em comparação ao feldspato lítico.
De acordo com o resultado obtido pela fluorescência de raio x, o feldspato sódico não
contém TiO₂ e o teor de Fe₂O₃ é de 0,31 %(m/m), já para o feldspato lítico os teores são
respectivamente, 0,0003 e 2,05% (m/m).
Segundo SOUZA, 2007, o teor de Fe₂O₃ deve ser menor que 0,9% de modo que
não interfira na cor clara final.
Figura 5.47 – Fotografia dos corpos de prova contendo feldspato sódico e lítico.
73
A cor clara nas peças de porcelanato é desejada por quem fabrica, não só pelo aspecto
estético da peça em si, principalmente em porcelanatos polidos, como também pela interação
do Fe₂O₃ e TiO₂ com os elementos dos pigmentos e corantes resultando em desvio de
tonalidades em peças esmaltadas.
Os corpos de prova sinterizados tem uma coloração uniforme de tom pastel, onde são
classificados como monocolores.
5.2.8 - MÓDULO DE ELASTICIDADE
A Tabela 5.6 apresenta os valores de módulo de elasticidade das amostras sinterizadas
às temperaturas de 1000, 1100, 1200 e 1280ºC, sob patamar de queima de 60 min, e com a
concentração de feldspato sódico e lítico de 15 a 30g . Os valores de cada item é referente a
média aritmética dos cinco corpos de provas confeccionados para cada formulação,
totalizando 160 corpos de prova.
Tabela 5.6 – Módulo de Elasticidade em GPa para amostras sinterizadas com patamar de 60 min.
Módulo de Elasticidade (GPa)
Feldspato sódico
Feldspato lítico
Concentração
de Feldspato
15g
20g
25g
30g
1000⁰C
8,87
10,34
11,58
12,88
1100⁰C
13,53
14,90
19,57
23,56
1200⁰C
20,48
20,65
28,42
36,23
1280⁰C
22,57
26,63
32,83
37,97
1000⁰C
6,55
7,62
12,76
18,26
1100⁰C
11,23
15,07
18,36
24,00
1200⁰C
23,66
27,54
30,45
36,00
1280⁰C
26,21
28,95
32,55
36,18
As Figuras 5.48 e 5.49 apresentam os resultados de Módulo de Elasticidade em função
da temperatura de queima para todas as misturas.
74
Como as ligações nas cerâmicas são fortes os módulos de elasticidade são altos, pois é
um índice que decorre das forças das ligações interatômicas. Outros índices que representa
essa força são o ponto de fusão, a dureza e a porosidade. Quanto menor a porosidade maior é
o módulo de elasticidade, isso é comprovado nas amostras com 30g de feldspato sódico e
lítico sinterizadas a 1280ºC.
O módulo de elasticidade dos compostos cerâmicos, não se distribui uniformemente na
microestrutura do material, variando de grão para grão. As concentrações de tensões são
maiores em grãos grossos do que em finos. Variações nas tensões implicarão necessariamente
em variações no módulo, se considerarmos deformação constante.
Figura 5.48 - Gráfico de Modulo de Elasticidade x Temperatura dos corpos de prova contendo 15,20,25 e
30g feldspato sódico.
75
Figura 5.49 - Gráfico de Modulo de Elasticidade x Temperatura dos corpos de prova contendo 15,20,25 e
30g feldspato lítico.
5.3 – ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Como descrito no Capítulo 4, foi executado um planejamento fatorial aleatorizado com
três variáveis: (A) é a variável de temperatura, (B) é a variável de concentração de feldspato e
(C) é a variável tipo de feldspato, e sua análise estatística é apresentada a seguir.
As Tabelas de 5.7 a 5.9 mostram os valores S dos somatórios parciais dos níveis. Na
linha SSAB , estão registrados os quinze somatórios parciais das combinações entre os
feldspatos e as temperaturas de sinterização. Isto é necessário para análise dos contrastes das
várias combinações. As tabelas também trazem a Análise de Variância desses resultados.
O valor de Ftabelado, mostrado na tabela, é a distribuição de F(α, υ1, υ2) para o nível de
significância α = 0,05 e para os valores dos graus de liberdade υ1 e υ2 anotados. O valor de
F0, mostrado, é a distribuição F(α,υ3, υ4) para o nível de significância α = 0,05, e para os valores
dos graus de liberdade υ3 e υ4 também anotados.
76
Os resultados permitem afirmar-se que a menor porosidade ocorreu com amostras com
30g de feldspato à temperatura de 1280ºC, independente do tipo do feldspato. Como também
a menor porosidade ocorreu com o feldspato sódico à temperatura de 1280ºC, independente
do teor de feldspato, em comparação ao feldspato lítico.
Tabela 5.7 – Análise de variância dos resultados experimentais da Porosidade
1
SStotal 15437,90
Componentes de variabilidade da Porosidade
υ
υ
F₀
Ftabelado Influência significativa
2
υ3
υ4
1
59
1
SSA
11774,84
28
3
3924,95
9,19
427,25
2,68
INFLUÊNCIA
0,73
9,19
0,08
3,92
NÃO INFLUÊNCIA
647,18
9,19
70,45
2,68
INFLUÊNCIA
32,16
9,19
3,50
2,68
INFLUÊNCIA
38,15
9,19
4,15
1,95
INFLUÊNCIA
10,39
9,19
1,13
2,68
NÃO INFLUÊNCIA
8,21
9,19
0,89
1,95
NÃO INFLUÊNCIA
1
SSB
0,73
28
1
SSC
1941,54
28
3
1
1
SSAB
96,48
28
3
1
SSAC
343,34
28
9
SSBC
31,17
28
3
1
1
SSABC
73,91
28
9
Os resultados da Tabela 5.8 permitem afirmar-se que a menor absorção de água ocorreu
nas amostras com feldspato lítico com 30g, à temperatura de 1280ºC.
77
Tabela 5.8 – Análise de variância dos resultados experimentais da Absorção de água
1
SStotal 7652,82
Componentes de variabilidade da Absorção de água
υ
υ
F₀ Ftabelado Influência significativa
2
υ3
υ4
1
59
SSA
6315,50
3
28
SSB
3,02
1
28
SSC
865,11
3
28
SSAB
49,31
3
28
SSAC
84,14
9
28
SSBC
47,21
3
28
SSABC
50,41
9
28
1
2105,17
1
3,02
1
288,37
1
16,44
1
9,35
1
15,74
1
5,60
1,86
1131,62
2,68
INFLUÊNCIA
1,86
1,62
3,92
NÃO INFLUÊNCIA
1,86
155,01
2,68
INFLUÊNCIA
1,86
8,84
2,68
INFLUÊNCIA
1,86
5,03
1,95
INFLUÊNCIA
1,86
8,46
2,68
INFLUÊNCIA
1,86
3,01
1,95
INFLUENCIA
Os resultados da Tabela 5.9 permitem afirmar-se que a maior tensão de ruptura em
flexão ocorreu em amostras com feldspato sódico a 1280ºC, independente do teor do
feldspato. Também podemos concluir que a maior tensão de ruptura em flexão ocorreu nas
amostras com feldspato lítico, com concentração de 30g de feldspato à 1280ºC.
78
Tabela 5.9 – Análise de variância dos resultados experimentais da Tensão Ruptura em flexão
SStotal
13732,47
SSA
12498,00
SSB
64,34
SSC
308,58
SSAB
71,19
SSAC
365,49
SSBC
114,71
SSABC
53,92
Componentes de variabilidade da Tensão Ruptura em flexão
υ
υ
υ
F₀
Ftabelado
Influência significativa
1
2
υ3
4
1
59
1
328 4166,00
2,00
2081,04
2,68
INFLUÊNCIA
1
128 64,34
2,00
32,14
3,92
INFLUÊNCIA
1
328 102,86
2,00
51,38
2,68
INFLUÊNCIA
1
328 23,73
2,00
11,85
2,68
INFLUÊNCIA
1
928 40,61
2,00
20,29
1,95
INFLUÊNCIA
1
328 38,24
2,00
19,10
2,68
INFLUÊNCIA
1
928
5,99 2,00
2,99
1,95
INFLUÊNCIA
79
6 – CONCLUSÕES
Após a apresentação dos resultados e das discussões do capítulo 5, chega-se às
seguintes conclusões:
1. Com o aumento do teor de feldspato há uma leve melhora nas propriedades
mecânicas e na caracterização da cerâmica tradicional;
2. Não foram observadas diferenças significativas nas composições usando feldspato
lítico, confirmando assim, a possibilidade da substituição integral ou parcial do feldspato
sódico pelo feldspato lítico;
3. A densificação deve ser melhorada, para isso as amostras devem ser sinterizadas em
temperaturas maiores e utilizar matérias-primas de granulometria menor;
4. Os baixos teores de óxido de ferro presentes nas matérias-primas contribuíram para
uma cor mais clara das amostras após a queima, sendo os corpos de prova com feldspato
sódico um pouco mais claro do que o feldspato lítico;
5. Todas as amostras, queimadas acima de 1200ºC apresentaram uma nova fase, a
mulita, 3.Al₂O₃.2SiO₂;
6. Apenas os corpos de prova contendo feldspato sódico sinterizados a 1280ºC
independente do teor de feldspato, e os com teor de 30 % feldspato lítico sinterizados a
1280ºC, atingiram a marca ideal de resistência à flexão, segundo a norma europeia EM 100,
atingindo valores acima de 27 MPa;
7. Nos resultados de retração linear, absorção de H₂O, densidade aparente, tensão à
ruptura à flexão, os corpos de prova com feldspato lítico apresentaram melhores resultados
9,97%, 5,40%, 2,47 g/cm³, 29,59 MPa em comparação ao feldspato sódico que apresentou os
valores 10,13%, 5,74%, 2,13 g/cm³, 29,08 MPa;
8. Já nos resultados de porosidade e o módulo de elasticidade os corpos de prova com
feldspato sódico apresentam melhores resultados, 12,17% e 37,97 GPa em comparação ao
feldspato lítico que apresentou os valores 13,28% e 36,18 GPa.
80
7 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Considerando os resultados obtidos neste trabalho, concluímos que a densificação
deve
ser melhorada. Para melhores resultados, sugerimos que
as amostras devem ser
sinterizadas em temperaturas maiores , utilizar matérias-primas de granulometria menor e
aumentar a pressão de compactação.
Neste trabalho foi utilizado a substituição integral do feldspato sódico pelo lítico,
sugerimos para trabalhos futuros a substituição parcial. E também a utilização de um
feldspato lítico com concentração maior que 0,91%(m/m) de óxido de lítio, esperamos assim
obtermos melhores resultados.
81
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85
ANEXO I
PLANEJAMENTO FATORIAL
O modelo estatístico empregado considera:
Yijklm = μ + αi + βj + γk + (αβ)ij + (αγ)ik + (βγ) jk + (αβγ)ijk + ε ijklm
i = 1, 2 , 3 e 4 , representa os níveis de A (temperatura), portanto a = 4
j = 1,2, 3 e 4, representa os níveis de B (teor de feldspato), portanto b = 4
k = 1 e 2, representa os níveis de C(tipo de feldspato), portanto c = 2
m = 1,....,n representa as réplicas.
αi é o efeito do fator A.
βj é o efeito do fator B.
γk é o efeito do fator C.
(αβ)ij é o efeito da interação de A e B.
(αγ)ik é o efeitor da interação de A e C.
(βγ) jk é o efeito da interação de B e C.
(αβγ)ijk é o efeito da interação de A,B e C.
ε ijklm é o erro experimental.
O teste de hipóteses busca definir se as variáveis têm ou não influência e também se sua
interação afeta a variável de resposta.
H0: αi = 0 (para pelo menos um i)
H0: βj = 0 (para pelo menos um j)
H0: γk = 0 (para pelo menos um k)
H0: (αβ)ij = 0 (para pelo menos um ij)
H0: (αγ)ik = 0 (para pelo menos um ik)
H0: (βγ) jk = 0 (para pelo menos um jk)
H0: (αβγ)ijk = = 0 (para pelo menos um ijk)
86
O somatório dos quadrados das diferenças é representado pelas expressões a seguir:
SST = Ʃ i=1 Ʃ j=1 Ʃ k=1 Ʃ m=1 γijkm 2 – y.....2
abcn
SSA = Ʃ i=1 yi.... 2 - y.... 2
bcn abcn
SSB = Ʃ j=1 yj.... 2 - y.... 2
acn abcn
SSC = Ʃ k=1 yk.... 2 - y.... 2
abn
abcn
SSAB = Ʃ i=1 Ʃ j=1 yij.... 2 - y.... 2 - SSA - SSB
cn
abcn
SSAC = Ʃ i=1 Ʃ k=1 yik.... 2 - y.... 2 - SSA - SSC
bn
abcn
SSBC = Ʃ j=1 Ʃ k=1 yjk.... 2 - y.... 2 - SSB - SSC
an
abcn
SSABC = Ʃ i=1 Ʃ j=1 Ʃ k=1 yijk.... 2 - y.... 2 - SSA - SSB - SSC - SSAB - SSAC – SSBC
n
abcn
SSE = SST – SSA - SSB - SSC - SSAB - SSAC – SSBC - SSABC
Para análise estatística das hipóteses, tem-se que SST é uma soma de variáveis aleatórias
normalmente distribuídas como chi-quadrado e respectivamente com seus graus de liberdade.
Para facilitar a demonstração das equações defini-se o grau de liberdade do erro como:
GE = (NA + NB + NC - 1) - (a-1) - (b-1) - (c-1) - [(a-1) (b-1)] - [(a-1) (c-1)] [(b-1) (c-1)] - [(a-1) (b-1) (c-1)]
87
Então temos:
F0A = SSA/(a-1)
SSE/GE
F0B = SSB/(b-1)
SSE/GE
F0C = SSC/(c-1)
SSE/GE
F0ABC = SSABC/(a-1)(b-1)(c-1)
SSE/GE
F0BC = SSBC/(b-1)(c-1)
SSE/GE
Para que a hipótese nula H0 seja verdadeira, devemos ter a seguinte situação:
F0 (calculado) < F (tabelado) , ou seja não existe influência da variável ou não existe interação
entre as variáveis de influência.
ANEXO - II
PLANEJAMENTO ALEATORIZADO POR NÍVEIS
Yij = μ + ηi + εij onde:
μ é a média geral
ηi é o parâmetro que define cada tratamento
εij é um componenete devido a erros aleatórios.
ANÁLISE DE UM MODELO DE EFEITOS FIXOS
SST = (Ʃ i=1 Ʃ j=1 yij2) - y.... 2
N
SSA = (Ʃ i=1 yi....
SSE = SST - SSA
2
) - y.. , Onde: N = Ʃ i=1 ni
ni
N
2

Camila Felippe de Oliveira Influência do Teor de Feldspato

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