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ESTM002-17 - Tópicos Experimentais em Materiais I - B Noturno Professor Dr. Anibal de Andrade Mendes Filho Laboratório 3 – Processamento e caracterização de cerâmicas Bruno Henrique dos Santos R.A.: 21077413 Flavia Brito da Silva R.A.: 11037012 Letícia de Lima Ciriaco R.A.: 11072511 Lucas de Marchi R.A.: 11042113 Marcelo Bruno Oliveira Silva R.A.: 11005215 Pedro Ivo Cardoso R.A.: 21077513 SANTO ANDRÉ 2019 SUMÁRIO Sumário 1. OBJETIVOS 2 1.1 Parte 1 2 1.2 Parte 2 2 1.3 Parte 3 2 2. INTRODUÇÃO 3 3. MATERIAIS E EQUIPAMENTOS 6 3.1 Preparação do molde de gesso 6 3.2 Preparação da barbotina e efeito do defloculante 6 3.3 Análise do pó e estudo da distribuição granulométrica 7 3.4 Prensagem do pó atomizado de Porcelanato 7 3.5 Colagem 7 3.6 Determinação das características físicas dos corpos sinterizados 8 3.7 Determinação da resistência à flexão dos corpos sinterizados de porcelana 8 4. METODOLOGIA 9 4.1 Preparação e realização da Colagem da Barbotina 9 4.2.Análise de distribuição granulométrica e prensagem do pó cerâmico 12 4.3 Caracterização de cerâmicas sinterizadas 13 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 18 5.1 Preparo do molde de gesso 18 5.2 Preparo e colagem da barbotina e efeito do defloculante 19 5.3 Determinação das características físicas dos corpos sinterizados 31 5.4 Determinação da resistência à flexão dos corpos sinterizados de porcelana 33 6. CONCLUSÃO 38 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 40 1 1. OBJETIVOS 1.1 Parte 1 ● Aprender a técnica para fabricação de moldes de gesso; ● Medir a viscosidade de uma suspensão de argila (barbotina) utilizando o copo FORD. 1.2 Parte 2 ● Colagem da barbotina de alumina preparada anteriormente; ● Medir a distribuição granulométrica de um pó cerâmico; ● Confeccionar barras cerâmicas por meio de prensagem com os pós granulados de porcelanato; ● Estudar o efeito da pressão de compactação na densidade a verde do corpo compactado com pó granulado de porcelanato. 1.3 Parte 3 ● Determinar as características físicas dos corpos sinterizados preparados pelos métodos de conformação por colagem (slip casting) e por prensagem; ● Determinar a resistência à flexão dos corpos de prova de porcelana sinterizados em diferentes temperaturas e analisar os resultados pela estatística de Weibull. 2 2. INTRODUÇÃO Os materiais cerâmicos se caracterizam pela sua elevada dureza e alta temperatura de fusão, tais características se devem por suas fortes ligações primárias do tipo iônica-covalente que, por serem direcionais, necessitam de altas temperaturas para ruptura de ligação. Além disso, esse tipo de ligação dificulta o deslocamento entre átomos na molécula, reduzindo a capacidade de deformação do material (CALLISTER, 2016). Por se tratarem de minérios e materiais rochosos, e na grande maioria, naturais, as matérias primas cerâmicas devem ser previamente tratadas. Inicialmente, as matérias primas passam por um processo de cominuição para que tenham suas dimensões reduzidas, para a posterior separação granulométrica. A forma mais usual de realizar a separação granulométrica é o peneiramento em que o material particulado passa por uma sucessão de peneiras de diferentes meshs, separando por tamanho de partículas o material particulado obtido. A escolha do método de processamento do material cerâmico vai depender das propriedades da matéria prima e das características desejadas para o produto final. Dentre os métodos de processamento mais comuns estão a prensagem, extrusão, injeção e colagem. Além disso, pode ser necessário o emprego de aditivos nesta etapa a fim de minimizar os defeitos estruturais que possam comprometer a qualidade final da peça processada. Usualmente se faz uso de ligantes, defloculantes, coagulantes, agentes de dispersão, lubrificantes e anti-espumantes (ORTEGA,1997). O método de colagem, que é feito com base numa suspensão de partículas sólidas em um líquido, denominado Barbotina, se diferencia pela sua facilidade de execução e baixo custo. Essa suspensão é vertida em moldes de geometria específica à peça final desejada. Estes moldes majoritariamente também são feitos de materiais cerâmicos ou outros materiais porosos. Pelo baixo custo e facilidade de processar os moldes, usualmente emprega-se gesso. Após ser vertida no gesso, a Barbotina tem sua porção aquosa drenada pelos poros do molde. Desta forma o material cerâmico particulado presente nesta suspensão fica retido nos poros, depositando-se na 3 cavidade dos moldes e dando forma à peça final. Para que a peça final tenha qualidade é necessário o emprego de um agente defloculante na suspensão de Barbotina com o intuito de estabilizá-la. A viscosidade é um parâmetro interessante quando queremos controlar a densidade a verde do material, pois a velocidade de deposição é diretamente proporcional a viscosidade, quando é gerado uma barbotina menos viscosa o empacotamento é mais efetivo e assim a densidade é aumentada (CATAFESTA e col; 2014). O método de prensagem consiste na compactação do pó cerâmico granulado a fim de se obter uma peça final de formato estabelecido. Este formato é determinado com base em uma matriz metálica que atua em conjunto com uma prensa hidráulica ou outro maquinário para prensagem. Essa técnica é dividida em três tipos compressão: uniaxial, quando a pressão é aplicada na parte superior do molde; isostática, quando o molde possui as paredes móveis e a pressão é aplicada em todos lados ao mesmo tempo, normalmente com o auxílio de um fluido; ou a quente quando ocorre a aplicação simultânea de pressão e tratamento térmico. No método de prensagem, a densidade a verde é proporcional a pressão aplicada na peça, porém, como é uma prensagem a seco e temperatura ambiente, há um ponto onde as partículas não têm capacidade de se compactar ainda mais, tornando a densidade a verde constante, independe da adição de pressão (FREITAS, 2009). Após a conformação, quando necessário, ocorre a secagem do material para eliminação da umidade, realizada lentamente em estufa ou ao ar livre. Com o material seco, iniciasse a sinterização. O processo de sinterização é a etapa de acabamento do material em que um conjunto de partículas em contato umas com as outras se transformam em um corpo íntegro, sob ação da temperatura, geralmente elevada, o que causa uma grande modificação estrutural no material, com a diminuição dos poros e aumentando a área de contato entre os grãos. Assim, esse processo também altera aspectos macroscópicos, como a retração do material e a densificação do mesmo (ZACCARONA, 2014). 4 Podemos dividir esse processo de sinterização em três etapas: inicial (onde a estrutura dos poros é aberta e interconectada e a partícula mantém a sua identidade), intermediária (onde as partículas perdem a identidade gradativamente; o mecanismo que predomina é a difusão e ocorre a densificação do material) e final (etapa lenta, onde há o crescimento dos grãos e a porosidade chega a ser menor que 8%) ( ZACCARONA, 2014). Além disso, durante o processo de sinterização é comum acontecer redução nasmedidas do corpo cerâmico, chamada retração linear, pois as partículas vão se aproximando conforme a sinterização ocorre, bem como a perda de massa do corpo cerâmico,também chamada de perda ao fogo, que fornece informações sobre a presença de matéria orgânica e/ou substâncias voláteis no material que está sendo sinterizado. Se tratando de poros, também é possível calcular a porosidade aparente (fração de poros abertos no corpo cerâmico). O controle da porosidade remanescente do processo de sinterização é importante, pois interfere nas propriedades elétricas, magnéticas, ópticas, térmicas e mecânicas do corpo sinterizado. A resistência mecânica dos materiais cerâmicos está diretamente relacionada a sua microestrutura, que por sua vez apresenta forte relação a apresentação de defeitos ,que podem atuar como concentradores de tensão, contribuindo para a propagação de trincas e assim levar a fratura do material. Essa dependência da microestrutura, do tamanho e distribuição de defeitos,causa um efeito anisotrópico, que se caracteriza pelo material apresentar diferentes tensões de ruptura dependendo da orientação que essa força é aplicada na peça (LINO, 2006). Para se definir uma medida que considerasse essa característica estatística de ruptura do material, temos o módulo de Weibull, que indica a reprodutibilidade da resistência mecânica do material, como cerâmicas tem desprezível plasticidade e ductilidade, é muito comum esse módulo ser calculado em ensaios de flexão de 3 apoios, onde surge uma zona de compressão e na face oposta de tração (MENEGAZZO e col; 2002). 5 3. MATERIAIS E EQUIPAMENTOS 3.1 Preparação do molde de gesso ● Proveta de 100 mL; ● Bastão de vidro; ● Gesso moído; ● Água; ● Bacia plástica; ● Balança semi-analítica; ● Béquer de 1l de plástico; ● Mistura de sabão em pasta e querosene (desmoldante); ● Colher e espátula; ● Pincel; ● Modelo do cadinho ou barquinha em madeira de tubo de PVC; ● Misturador mecânico; ● Fita adesiva; 3.2 Preparação da barbotina e efeito do defloculante ● Micropipeta de 200μL; ● Copo Ford; ● Béquer plástico de 250mL; ● Béquel plástico de 150mL; ● Misturador mecânico; ● Balança semi-analítica; ● Colher; ● Caulim; ● Argila São Simão; ● Quartzo; 6 ● Feldspato; ● Água; ● Defloculante, Disperlan LA; ● Cronômetro; 3.3 Análise do pó e estudo da distribuição granulométrica ● Pó de porcelanato industrial; ● Proveta de 100ml; ● Balança analítica; ● Funil; ● Béquer de 250ml; ● Colher; ● Peneira vibratória; ● Microscópio óptico; ● Máscaras e luvas; 3.4 Prensagem do pó atomizado de Porcelanato ● Prensa; ● Pó de porcelana atomizada; ● Máscaras e luvas; ● Paquímetro; ● Balança analítica; 3.5 Colagem ● Molde de gesso confeccionado anteriormente; ● Barbotina obtida anteriormente; 7 ● Misturador mecânico; ● Agente desmoldante; 3.6 Determinação das características físicas dos corpos sinterizados ● Balança analítica; ● Paquímetro; ● Béquer 250 mL (2); ● Água; ● Estufa; 3.7 Determinação da resistência à flexão dos corpos sinterizados de porcelana ● Dispositivo de ensaio de flexão em três ponto; ● Paquímetro; 8 4. METODOLOGIA 4.1 Preparação e realização da Colagem da Barbotina Nessa etapa foram realizados os processos de preparação do molde de gesso e preparação da barbotina do gesso, com avaliação da viscosidade da barbotina através do viscosímetro copo Ford. 4.1.1 Preparo do molde de gesso Para preparação do molde de gesso, primeiramente é necessário realizar a montagem do contra-molde. O contra-molde foi feito com um pote de plástico colado sobre um suporte de madeira. As laterais do suporte foram feitas de tubo de PVC colado com fita adesiva. A figura 1 mostra o contra-molde antes de ser colocado o gesso. O molde utilizado tinha 10,0 cm de diâmetro. O conjunto do molde formado pelo tubo de PVC e pelo pote de plástico foi bem vedado com fita adesiva para que o gesso não vazasse. Figura 1. Contra-molde utilizado para o molde de gesso. Foi preparada uma mistura de gesso de forma a ter a quantidade suficiente para ocupar um volume no molde com 7 cm de altura. Para isso, foi necessário achar a densidade de 1,59 g/mL da barbotina do gesso para uma relação em peso de 9 água/gesso de 18/25. Foi então utilizada uma proveta de 100 ml e feita uma pequena quantidade de mistura de água e gesso, utilizando esta proporção. A mistura foi feita utilizando um bastão de vidro e o volume final, medido na proveta, foi verificado para o cálculo da densidade. A partir dessa densidade, foi calculada a massa de gesso e o volume de água para que a mistura pudesse ocupar o volume do tubo de PVC especificado no parágrafo anterior. A massa de gesso calculada, cerca de 507,9 g, pesada com um béquer de plástico de 1L em uma balança semi-analítica. A água, cerca de 366,6 mL, e o gesso foram misturados utilizando um bastão de plástico. Passou-se o desmoldante (mistura de sabão + óleo diesel), com o auxílio de um pincel, no molde de plástico antes de verter o gesso. Ao ser vertida a mistura dentro do molde, é importante bater um pouco o recipiente contendo a suspensão de gesso sobre a bancada de forma a retirar um pouco as bolhas de ar contidas na mesma. A mistura ficou secando no laboratório durante a semana, até que fosse possível remover o gesso do molde pelos técnicos. 4.1.2 Preparo da barbotina e efeito do defloculante Em um béquer, preparou-se a barbotina com massa total de aproximadamente 300 g composta por: Caulim 22% (66 g); Argila São Simão 30% (90 g); Quartzo 28% (84 g); Feldspato 20% (60 g). Adicionou-se 150 mL de água para obtenção de barbotina com densidade aparente entre 1,75 e 1,78 g/cm3. Com auxílio de misturador mecânico em rotação média a mistura foi homogeneizada a medida que o agente defloculante era adicionado em 0,2 mL progressivamente, sendo que inicialmente foram adicionados 2,6 mL de defloculantes para acelerar o processo. A cada adição e consequente homogeneização, mediu-se a viscosidade da barbotina através de viscosímetro Copo Ford e o tempo de escoamento pelo furo nº4, nº3 e nº2 foi cronometrado até chegar em um tempo de escoamento parecido em 3 medidas consecutivas. 10 Para medida de viscosidade, seguiu-se os seguintes passos: I. Verificou-se o nivelamento do copo Ford, utilizando a régua de nível; II. Tampou-se o orifício inferior com um dos dedos e preencheu-se o interior do copo Ford com a barbotina; III. Removeu-se o excesso de barbotina da superfície, com o auxílio de uma lâmina de vidro plana; IV. Retirou-se o dedo do orifício simultaneamente ao acionamento do cronômetro; V. Após a interrupção do fluxo do escoamento, encerrou-se a contagem no cronômetro e anotou-se o tempo transcorrido em segundos. Após estabilização no tempo de escoamento da barbotina através do furo nº4, o orifício foi alterado para o de nº3 e mediu-se a viscosidade da barbotina da mesma forma conforme descrito nos itens (i) a (v). Tal processo prosseguiusucessivamente até que o tempo de escoamento permaneceu praticamente invariável após 3 medições seguidas até o furo de nº2 que foi o último a ser utilizado. A viscosidade cinemática (ABNT NBR 5849) foi então determinada. 4.1.3 Colagem da Barbotina A barbotina, preparada na seção 4.1.2, foi despejada sob os moldes cerâmicos (cônico e em formato de barras) após aplicação de talco (para facilitar remoção do molde de gesso) até que toda a cavidade interna fosse preenchida pela suspensão cerâmica. Após intervalo de aproximadamente 15 minutos a barbotina contida no molde cônico foi despejada em béquer plástico e descartada, formando as paredes de um objeto oco, semelhante a um cadinho. Cerca de 30 minutos depois, o cadinho se desprendeu-se das paredes do molde, podendo ser removido mais facilmente. 11 O molde com geometria de barras fornecido previamente teve seu interior preenchido pela barbotina. Aproximadamente 1 hora depois pode-se obter o objeto conformado. Posteriormente ambas as peças foram secas em temperatura ambiente sobre bancada para eliminação da umidade residual. Os corpos de prova a verde foram então submetidos à pré-sinterização e, posteriormente, à sinterização pelos técnicos do laboratório. 4.2. Análise de distribuição granulométrica e prensagem do pó cerâmico Nesta etapa do experimento foi realizada a análise da distribuição granulométrica do pó cerâmico e a prensagem do pó atomizado de porcelanato. 4.2.1 Análise do pó e estudo da distribuição granulométrica Para determinação da densidade aparente do pó solto, preencheu-se uma proveta graduada com o pó granulado de porcelana com o auxílio de um funil até um volume determinado pelo grupo e mediu-se a massa do pó. Com essas informações obteve-se a densidade. Na determinação da densidade aparente do pó batido, utilizou-se a mesma proveta com o pó utilizado anteriormente, tampou-se a abertura da proveta e bateu-se com cuidado para assentar o pó, repetiu-se a operação até que o volume ficasse constante. As medidas de volume e massa foram determinadas e assim foi possível obter a densidade. Para determinação da distribuição granulométrica do pó granulado, utilizou-se uma massa de aproximadamente 100g e a peneira vibratória, mediu-se a massa do pó de porcelana retida em cada peneira e no prato do fundo. Com esses dados é possível determinar o histograma de distribuição da massa retida em função da abertura da peneira. 12 Na determinação morfológica do pó utilizou-se o microscópio óptico, prensou-se uma pequena quantidade de pó com o auxílio de duas lâminas de vidro e retirou-se a superior para colocar no microscópio. 4.2.2 Prensagem do pó atomizado de porcelanato Para prensar os pós granulados, ajustou-se a altura do punção inferior com calços na altura de 25 mm, preencheu-se a cavidade da matriz de prensagem com o pó e nivelou-se com o auxílio de uma espátula; depois, centralizou-se a matriz na base inferior/ móvel da prensa. Colocou-se o punção superior na cavidade da matriz, fechou-se a válvula do pistão hidráulico e subiu-se a base inferior da prensa com alavanca de bombeamento hidráulico até que o punção superior aproximou-se da base superior (não móvel) da prensa. Verificou-se o alinhamento do punção superior antes de iniciar a aplicação de força, a fim de evitar danos ao equipamento.Prensou-se o pó com as seguintes cargas: 10 MPa, 20 MPa e 30 MPa no manômetro da prensa e manteve-se a pressão constante por cerca de 15 segundos. Um total de 6 amostras de pó de porcelanato foram preparadas, duas amostras para cada carga. Após esses procedimentos, removeu-se a força aplicada ao mesmo tempo que abriu-se a válvula do pistão hidráulico. Removeu-se também o punção superior da matriz manualmente, após baixar a parte inferior da prensa. Fechou-se a válvula do pistão hidráulico, aplicou-se força e retirou-se o corpo prensado da matriz. Fechou-se a válvula do pistão hidráulico, aplicou-se força e retirou-se o corpo prensado da matriz. Abriu-se a válvula, abaixou-se a base inferior da prensa e retirou-se o punção inferior da matriz manualmente. Por último, limpou-se a matriz, removendo o material aderido. 4.3 Caracterização de cerâmicas sinterizadas 13 A caracterização das cerâmicas sinterizadas foi realizada através de análises de perda de massa, retração linear, absorção de água, porosidade aparente, densidade aparente e resistência à flexão. 4.3.1 Perda de massa A determinação da perda de massa foi feita para as amostras sinterizadas após prensagem da porcelana em pó e para a amostra de barra de faiança feita por colagem.Para a determinação do valor de perda de massa (PM), também chamada de perda ao fogo, foram medidas as massas dos corpos sinterizados e o cálculo de PM foi feito através da equação (1) , onde ms e mq são, respectivamente, as massas do corpo seco (após secagem ou colagem) e do corpo sinterizado (“queimado”). Para os corpos de prova conformados por prensagem, considerou-se ms como a massa do corpo prensado. Eq.1 Os corpos sinterizados foram retirados da estufa e pesados imediatamente, para evitar absorção de umidade. 4.3.2 Retração linear Foi feita também a determinação dos valores de retração linear dos corpos de prova de porcelana e de faiança após sinterização. Para isso, foram medidas as dimensões dos corpos sinterizados e calculados os valores de retração linear de queima ou de sinterização (RLQ) retração linear total (RLT), através da equação (2), onde Ls e Lq são, respectivamente, as dimensões do corpo seco (após prensagem ou colagem) e do corpo sinterizado (“queimado”). Eq.2 14 Foram calculados os valores de RLQ para as três dimensões (largura, espessura e comprimento) medidas. 4.3.3 Absorção de água, porosidade aparente e densidade aparente Para a determinação dos valores de absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e densidade aparente (ρa), também denominada massa específica aparente, de materiais sinterizados, o procedimento envolveu as seguintes etapas: I. Impregnação do corpo de prova com água: os corpos de prova foram colocados em um béquer e adicionou-se água o suficiente para cobrir todos os corpos de prova. O conjunto foi aquecido a cerca de 100ºC (água em ebulição) e mantido nesta temperatura por 30 minutos. Após o aquecimento, foi feito o resfriamento transferindo os corpos de prova para um segundo béquer com água à temperatura ambiente; II. Determinação da massa do corpo de prova imerso em água (mqi): Neste processo utilizou-se uma balança analítica. Montou-se o aparato do béquer com água e fio de sustentação sobre a balança. Após estabilidade, o equipamento foi tarado e colocou-se o corpo de prova no fio de sustentação com auxílio de pinça. Após nova estabilização, a massa foi anotada. Tomou-se o cuidado de manter o corpo de prova suspenso no meio do líquido, sem tocar o fundo e as paredes do béquer, e não deve haver bolhas de ar no corpo de prova ou no fio. III. Determinação dadensidade da água (H2O): Foi medida a temperatura da água utilizada no item anterior, utilizando um termômetro, e verificou-se a densidade da água por meio da Tabela 1. 15 Tabela 1. Densidade da água destilada em função da temperatura entre 15 e 30 ºC. IV. Determinação da massa do corpo de prova úmido (mqu): O corpo de prova foi limpo utilizando um papel para remover o excesso de água sobre o mesmo. A massa do corpo de prova úmido foi medida. Para o cálculo dos valores de absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e densidade aparente (ρa) de materiais sinterizados, foram utilizadas as seguintes equações: Eq.3 A porosidade aparente é a fração de poros abertos da cerâmica e a absorção de água indica a quantidade de água que é infiltrada nos poros abertos. A Equação (3) representa a densidade determinada pelo método de Arquimedes, onde o volume do CP corresponde ao volume de água deslocado, que é igual ao termo (mqu- mqi)/ρH2O. 16 4.3.4 Determinação da resistência à flexão dos corpos sinterizados de porcelanato Na determinação da resistência à flexão (ou módulo de ruptura) dos corpos cerâmicos, foi utilizado o dispositivo de ensaio de flexão em três pontos. Para isto, fez-se uso procedimento descrito a seguir. Mediu-se a distância entre os pontos de apoio (L) ou cilindros de apoio, bem como o respectivo diâmetro destes para determinar a distância entre apoios. Após este procedimento, o corpo de prova foi apoiado entre os cilindros e foi iniciado o ensaio de flexão em uma velocidade de 0,5 mm/seg. O gráfico gerado no ensaio foi fornecido após o procedimento. Em relação ao corpo de prova foram medidos a largura (b) e espessura (d) antes e depois do ensaio. Com estes dados foi calculada a resistência à flexão, σf, em três pontos com auxílio da equação (4), a seguir: Eq.4 Tendo os valores σf de todos os grupos que realizaram o experimento, encontrou-se um valor médio e seu desvio padrão. A partir destes dados foi feito um gráfico de Weibull e determinado o módulo de Weibull e a resistência característica. O módulo de Weibull é uma estimativa probabilística que possui aplicações em distribuições simétricas e assimétricas e considera o efeito do tamanho do corpo de prova. A distribuição de Weibull é descrita pela equação (5): Eq.5 Com Pf sendo a probabilidade de fratura, σ sendo a tensão aplicada, σ0 a resistência característica (parâmetro escalar, definido em Pf = 63,2%) e m é o módulo de Weibull. Outra forma de descrever a distribuição de Weibull é pela equação (6): Eq.6 17 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO A seguir estão descritos os resultados e discussões de todas as etapas do experimento. 5.1 Preparo do molde de gesso Visando o preparo do molde de gesso através do tubo de PVC, determinou-se a densidade da barbotina do gesso utilizando a proporção em peso água/gesso de 18/25, previamente definida. Mediu-se 25 g de gesso e 18 g de água, esta massa de gesso contabilizou 33 mL na proveta; adicionando-se a água obtivemos um volume final de 27 mL, o menor volume final em relação ao inicial se justifica devido à interação da água com o gesso fazendo com que os diversos espaços ocupados por ar entre os grãos sejam agora ocupados por água. De posse desse resultado, obtivemos a densidade da barbotina do gesso através da equação (7): Eq.7 1, 9 g.cm d = m TotalV Total = 27ml 18g + 36g = 5 −3 Com a densidade da barbotina determinada, foi possível calcular a massa de gesso (507,9 g) e água (366,6 g) necessários para ocupar o volume do tubo de PVC, que possui 10 cm de diâmetro por 7 cm de altura, portanto possui um volume de aproximadamente 549,8 mL. 5.2 Preparo e colagem da barbotina e efeito do defloculante A barbotina preparada nessa etapa do experimento é utilizada na fabricação de utensílios domésticos, comumente chamada de faiança, sua composição está descrita 18 na seção 4.1.2. A massa cerâmica foi previamente misturada e moída em moinho de bolas e a granulometria foi selecionada na peneira # 325 mesh. A viscosidade cinemática para cada furo é calculada conforme norma ABNT NBR 5849:2015, utilizando-se as equações abaixo: Eq. 8, 9 e 10 A seguir, os valores de tempo de escoamento, volume de defloculante utilizado e viscosidade cinemática obtidos no experimento: Tabela 2. Valores de defloculante utilizado, tempo de escoamento e viscosidades cinemática, para cada um dos furos.. 19 Para cada um dos furos, verificou-se a dependência da viscosidade em função do volume de defloculante utilizado, através dos gráficos 1, 2 e 3 a seguir: Gráfico 1: Viscosidade cinemática (eixo y) por volume de defloculante utilizado em mL (eixo X), para o furo nº 4. 20 Gráfico 2: Viscosidade cinemática (eixo y) por volume de defloculante utilizado em mL (eixo X), para o furo nº 3. Gráfico 3: Viscosidade cinemática (eixo y) por volume de defloculante utilizado em mL (eixo X), para o furo nº 2. O processo de colagem consiste no derramamento da suspensão cerâmica em moldes de gesso, que absorvem a água, formando uma camada de material entre o gesso e a suspensão. A espessura da parede depende do tempo e o processo pode 21 ser repetido até que a peça formada fique sólida. Ou, de outra maneira, espera-se somente o tempo até que esta parede adquira a espessura desejada. Na colagem as características da suspensão são muito importantes, pois a suspensão deve possuir alta gravidade específica, ser fluida e capaz de ser derramada. Isto depende da quantidade sólido/água. Entretanto alguns pós cerâmicos tendem a se aglomerar e decantar, a menos que os pós sejam defloculados por meio de aditivos, denominados como agentes defloculantes. Tais agentes permitem a obtenção de uma solução com dispersão estabilizada das partículas do óxido, isso ocorre quando um aditivo é absorvido nas partículas e aumenta as forças repulsivas de aproximação das partículas por meio de um carregamento eletrostático ou por uma resistência estérica. Na suspensão, íons ou moléculas polares da solução envolvendo a partícula respondem a uma superfície carregada, no caso, forças coulombianas vão repelir íons carregados positivamente, mas também vão atrair moléculas do líquido polar e íons carregados negativamente nas regiões próximas à superfície, aumentando sua concentração em relação ao interior das partículas. Por isso, a diferença de potencial entre a superfície e o interior da solução pode ser afetada e é desta forma que as partículas que compõem a suspensão ficam dispersas no meio líquido. Por tal motivo, a adição de um agente defloculante atua diretamente na diminuição da viscosidade da solução, pois evita que haja aglomeração de partículas e portanto diminuição da mobilidade, até certo limite, no qual passa a atuar como um floculante e torna a aumentar a viscosidade da suspensão. Em todos os casos mostrados nos gráficos 1, 2 e 3, o defloculante executa a função descrita no parágrafo anterior, sendo nítida a queda de viscosidade e em seguidao efeito nulo da adição repetitiva de defloculante. 5.2.1 Determinação da densidade aparente do pó e sua distribuição granulométrica 22 O pó granulado foi manipulado de duas maneiras para posterior análise da densidade: pó solto, o qual simplesmente foi transferido para uma proveta sem o cuidado de assentar adequadamente; e pó após cuidadosas batidas, de modo a não se ter vazios no interior da proveta. Em seguida, de posse dos dados de massa da proveta, massa do pó e do volume que este ocupa na proveta, é possível determinar a densidade aparente através da equação 11. Eq. 11 A seguir os dados para o cálculo da densidade aparente do pó: Tabela 3. Dados para cálculo de densidade aparente do pó. De posse dos resultados, observa-se que a densidade aparente do pó após ser batido é maior que a do pó solto. Isso se deve ao assentamento adequado das partículas após as batidas delicadas no corpo da proveta, permitindo que o pó fique mais denso. Em seguida, com o auxílio de uma peneira vibratória, peneirou-se 93g de pó granulado visando verificar a distribuição granulométrica do pó. Foram utilizadas as peneiras #60, #80 e #100. Para a análise, infere-se que a quantidade de massa retida em cada peneira corresponderá diretamente ao percentual de massa retida. Tabela 4. Distribuição granulométrica do pó para cada peneira. 23 Figura 3. Distribuição de massa retida em cada peneira utilizada em função da respectiva abertura. Analisando o histograma verifica-se que o perfil de distribuição granulométrica é composto em sua grande maioria de massa com tamanho igual ou superior a 0,25 mm, ou seja, majoritariamente a composição deste pó corresponde à grãos grandes. No entanto, tendo em vista que foram utilizadas somente 3 peneiras, um resultado mais apurado poderia ser obtido através do emprego de mais peneiras com diferentes aberturas. 24 Em seguida, este mesmo pó foi analisado microscopicamente visando identificar sua morfologia após passar por cada peneira. As micrografias obtidas são apresentadas abaixo. Figura 4. Amostra de partida com aumento de 5x. Figura 5. Amostra com grãos mais grossos retidos na peneira #60; aumento de 5x. 25 Figura 6. Amostra com grãos grossos retidos na peneira entre #60-80, aumento de 5x. Figura 7. Amostra com grãos de tamanho intermediário retidos na peneira entre #80-100, aumento de 5x. 26 Figura 8. Amostra com grãos mais finos retidos na peneira #100, com aumento de 5x. É possível observar nas micrografias o formato dos grãos analisados, podendo ser aproximados ao modelo esférico. Sabe-se que partículas esféricas não podem ser muito compactadas, visto que há a formação de vazios entre as partículas, sendo estes preenchidos parcialmente apenas pela porção de menor tamanho de grão e somente quando há uma intervenção para que isto ocorra (compactação do pó, por exemplo, através de esforço mecânico ou então submetendo-o à sinterização). No caso de trabalharmos com um pó constituído majoritariamente por grãos muito grandes, consequentemente teremos maior taxa de vazios. Desta forma, e mediante a dificuldade de compactação, utiliza-se a sinterização do material prensado unindo as partículas do material através da queima; a quantidade de vazios é reduzida, assim como o volume do corpo de prova. 5.2.2 Prensagem do pó atomizado de porcelanato 27 As dimensões das amostras obtidas após a prensagem do pó foram medidas com um paquímetro comum. Tomou-se também as massas das barras com o auxílio de uma balança. Os valores obtidos foram utilizados para determinar a densidade das amostras pela aplicação da equação 11. O resultado obtido encontra-se na tabela 5. Figura 9. Prensagem do pó a diferentes forças. Tabela 5. Densidade verde das amostras. 28 Podemos perceber que para as amostras submetidas à carga de 10 MPa, A1 e A2, a densidade média é de 1,58 g/cm3. Para A3 e A4, submetidas à carga de 20 MPa, a média é 1,75 g/cm3 e para A5 e A6, carga de 30 MPa, é 1,85 g/cm3. Avaliando as dimensões das barras verdes, percebe-se que a densidade aumenta à medida que a carga aplicada aumenta em razão da variação da altura da barra, uma vez que largura e comprimento estão bastante limitados pelo molde da prensa. Deste modo, a pressão maior permite compactar reduzindo os poros na barra. Entretanto, as barras verdes, ou seja, apenas prensada, aparentou ainda ser um corpo bastante frágil necessitando de cuidados durante o manuseio. Figura 10. Curva de compactação do pó. 5.3. Determinação das características físicas dos corpos sinterizados Os mesmos corpos de prova utilizados na análise anterior, foram sinterizados com diferentes temperaturas: as amostras A1, A3 e A5 foram submetidas ao aquecimento a 1.100 ºC, enquanto as amostras A2, A4 e A6 foram submetidas ao 29 aquecimento a 1.200 ºC. Nota-se a diferença de coloração entre estas amostras decorrente da diferença de temperatura; àquelas submetidas ao aquecimento mais elevado ficaram escuras. Figura 11: Amostras após a sinterização, sendo as amostras escuras submetidas à 1.200 ºC e as claras à 1.100ºC. 5.3.1 Perda de massa Após a sinterização, os corpos de prova foram novamente pesados visando-se a determinação da perda de massa decorrente do processo de aquecimento ao qual foram submetidos. A perda foi calculada através da equação 1. E os resultados são apresentados na tabela abaixo. Tabela 6. Relação da massa do CP, antes e após sinterização. Amostra Massa CP (g) Massa CP sinterizado (g) Perda de Massa (g) A1 11,19 10,19 1,00 A2 11,21 10,34 0,87 A3 11,42 10,44 0,98 30 A4 11,26 10,25 1,01 A5 11,32 10,54 0,78 A6 11,28 10,17 1,11 A perda de massa pode ser explicada com a decomposição de compostos orgânicos, como ligantes e compostos inorgânicos, como aditivos na forma de carbonatos ou nitratos que se transformam nos respectivos óxidos, assim como pela evaporação de material durante a sinterização. Em média, os CP sofreram uma perda de 8,5% de massa após a sinterização. 5.3.2 Retração Linear Além disso, além da perda de massa, determinou-se a redução de suas dimensões utilizando-se da equação 2. Os resultados são apresentados na tabela abaixo. Tabela 7. Dimensões dos CP antes e após a sinterização, e a retração linear de cada dimensão. Nota-se que, conforme o padrão observado para a perda de massa, os corpos sinterizados à temperatura mais elevada (1.200 ºC) apresentaram maior retração linear que aqueles sinterizados à uma temperatura inferior, mostrando claramente a influência da temperatura na variação das dimensões dos corpos de prova. Isso decorre de como a fase vítrea formada durante a queima circula pelos poros, diminuindo sua porcentagem residual, densificando o material e aumentando sua retração dimensional. 31 5.3.3 Absorção de água, porosidade e densidade aparentes Dando continuidade às análises das características físicas do pó, determinou-se também os valores de absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e densidade aparente (ρa), de cada corpo de provaà partir das equações do subtópico 4.3.3. Para isso, foram utilizados os dados da tabela 8. Tabela 8. Massa dos corpos de prova secos, úmidos e submersos. Amostras Massa do corpo de prova seco (mqs) (g) Massa do corpo de prova úmido (mqu) (g) Massa do corpo de prova submerso (mqi) (g) A1 5,2729 5,6789 3,1218 A2 4,8386 5,2305 2,9733 A3 4,8928 5,2720 2,9439 A4 4,7723 5,1636 2,9322 A5 4,8816 5,2824 2,9911 A6 4,8034 5,1747 2,8931 Diante disso, foram calculados os valores de absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e densidade aparente (ρa) de acordo com a eq. 3. Os resultados estão apresentados na tabela 9. Tabela 9. Valores de absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e densidade aparente (ρa) das amostras. Amostras Absorção de água (AA) (%) Porosidade aparente (PA) (%) Densidade aparente (ρa) (g/cm3) A1 7,70 15,87736 2,055423 A2 8,10 17,36222 2,136727 A3 7,75 16,28796 2,094861 A4 8,20 17,53608 2,131816 A5 8,21 17,49225 2,123633 32 A6 7,73 16,27367 2,098498 Para a absorção de água, é possível se observar que a temperatura e a carga de prensagem não tiveram influência tão grande. Era esperado que com menor temperatura de queima e menor carga de prensagem houvesse mais espaço para a água preencher na amostra, o que não ocorreu. Isso pode ser visto também nos valores de porosidade e de densidade aparente, uma vez que o mesmo também não sofreu alterações significativas com a variação dos parâmetros citados anteriormente. 5.4. Determinação da resistência à flexão dos corpos sinterizados de porcelana Por fim, determinou-se o módulo de ruptura de cada um dos corpos de prova analisados, utilizando-se o ensaio de flexão em 3 pontos. Esse ensaio é caracterizado por trabalhar apenas no regime elástico de deformação até a fratura ou deformação de 5% do CP, o que justifica ser utilizado em materiais frágeis como as cerâmicas. O ensaio foi realizado a uma velocidade de 0,5 mm/seg e distância entre os apoios (L) de 50 mm. Ao final de cada ensaio foram medidas novamente a largura e a espessura de cada corpo de prova. De posse destes valores foi possível a determinação da resistência. Utilizou-se a equação 4 e os resultados são apresentados na tabela 10. Tabela 10. Valores de Carga máxima de flexão, largura, espessura e tensão de flexão das amostras Amostra Carga Máxima de Flexão (N) Largura (mm) Espessura (mm) Tensão de Flexão σ (MPa) A1 210,51 13,70 7,10 22,86 A2 415,69 13,05 6,90 50,18 A3 243,57 13,80 6,60 30,39 A4 377,22 13,50 6,28 53,14 A5 247,96 13,90 6,28 33,92 A6 340,52 13,70 6,18 48,81 33 Para calcular o módulo de Weibull, foram utilizados os dados da amostra A3 de todos os grupos. Na tabela 11 estão apresentados os resultados obtidos pela turma, assim como sua média e desvio padrão da média, a probabilidade de falha (P) entre outros. Tabela 11. Valores de Carga máxima de flexão, largura, espessura e tensão de flexão das amostras. Corpo de prova Tensão de Flexão σ (MPa) Probabilidade de falha (P) ln σ ln(ln(1/1-P)) 1 26,03 0,1 3,2594493 -2,25037 2 25,94 0,3 3,255624 -1,03093 3 23,13 0,5 3,141265 -0,36651 4 30,39 0,7 3,414085 0,185627 5 36,41 0,9 3,594802 0,834032 Média 28,38 Desvio Padrão 5,18 É possível observar uma variação considerável nos valores, como mostrado pelo desvio padrão. Isso pode ser explicado pela mudança de operador no processamento de uma amostra para a outra. Além disso, foram utilizadas duas prensas diferentes entre os grupos, o que também pode justificar o desvio padrão. Porém, esse valor médio de tensão é pouco empregado em materiais cerâmicos, devido à alta variância associada a cada medida. Dessa maneira, quando se trata de materiais cerâmicos, é empregado a distribuição probabilística de Weibull, devido à sua maior confiabilidade, pois considera as dimensões dos corpos de prova durante os cálculos. A figura 12 mostra a distribuição de Weibull das amostras da sala. Foi traçada uma linha de tendência dos valores e a sua angulação, m, corresponde ao módulo de Weibull, e encontrado o valor de m= 4,65291. 34 Figura 12. Distribuição de Weibull para os valores de tensão de flexão Dessa maneira, temos que a resistência característica σ0 da amostra A3 é obtida calculando-se a equação 5 para o caso em que Pf é igual a 63,2%. Entretanto, ao se comparar à equação obtida através do ajuste da curva da distribuição de Weibull, equação 12, com a equação 6, temos: Y = 4,65291x-16,04061 Eq. 12 Logo, mlnσ0 = 16,04061 Eq. 13 Como m = 4,65291, temos que: lnσ0 = 3,447436121 Eq. 14 Calculando-se a exponencial de ambos os lados dessa equação, temos, finalmente, o valor da resistência característica do material. 35 σ0= 31,42 MPa Eq. 15 O módulo de Weibull, m, é considerado um indicativo da reprodutibilidade da resistência mecânica de materiais a serem estudados, descrevendo quantitativamente o grau de dispersão dos valores encontrados de resistência mecânica. Dessa maneira, quanto maior esse valor, mais próximo da resistência real do material. 5.5. Análise ceramográfica dos corpos sinterizados Na figura 13 são apresentadas as microscopias ópticas das amostras para a determinação da fração volumétrica de poros com auxílio do software Image J. Figura 13. Microscopias ópticas das amostras. Utilizando o software ImageJ, obteve-se a tabela 12 com os dados da fração volumétrica de poros cada amostra. 36 Tabela 12. Amostras e seus respectivos valores de fração volumétrica Amostra %Área A1 62,68 A2 39,98 A3 60,44 A4 34,92 A5 56,75 A6 34,50 É possível observar que com o aumento da carga de prensagem, há uma diminuição dos valores de fração volumétrica de poros. O mesmo comportamento é observado com a temperatura. Em uma mesma carga de prensagem, com o aumento de temperatura, há uma diminuição nos valores de fração volumétrica. Esse comportamento já era esperado, uma vez que a o aumento da pressão no processo de prensagem provoca um maior rearranjo físico dos grãos no espaço do molde, gerando maior compactação do material e, assim, diminuindo a quantidade de vazios internos na estrutura da amostra. O aumento da temperatura também gera um decaimento da quantidade de poros, pois aumenta a probabilidade de eliminar impurezas da matéria-prima durante a sinterização. Além disso, o aumento da temperatura aumenta a energia de difusão do material, favorecendo a coesão dos grãos. 37 6. CONCLUSÃO Através do experimento foi possível perceber o impacto do uso de agentes defloculantes em suspensões cerâmicas. Sabe-se que na colagem de barbotina, as características da suspensão são cruciais, pois a suspensão deve possuir alta gravidade específica, ser fluida e capaz de ser derramada. Isto depende da relação sólido e água. A queda da viscosidade observada nos gráficos 1, 2 e 3 mostram que foi obtida uma solução com dispersão estabilizada das partículas cerâmicas, sendo assim evitado que houvesse aglomeração das partículas e, portanto, diminuição da mobilidade. Entretanto, como esperado, houve uma queda do efeito do agente defloculante quando utilizado em excesso, notado pela estabilizaçãoda viscosidade independente do aumento da concentração de aditivo. Na análise da distribuição granulométrica do pó cerâmico, diversas considerações podem ser feitas, tais como a densidade aparente do pó após ser batido ser maior que a do pó solto, sendo de 0,96 g.cm-3 o pó solto e 1,02 g.cm-3 o pó batido. Isso se deve ao assentamento adequado das partículas após eliminação de espaços devido ao choque do recipiente com a mesa, permitindo uma realocação do posicionamento dos grãos. Em relação à granulometria do pó cerâmico analisado, cerca de 80% em massa correspondem a grãos de maior diâmetro (acima de 0,25mm). Sendo outros 10% correspondentes à grãos entre 0,25mm e 0,16mm, o restante sendo dividido entre grãos menores que 0,16mm. Portanto, para o conjunto de peneiras utilizado é possível concluir que o pó possui uma distribuição granulométrica relativamente homogênea. No entanto, um resultado mais apurado poderia ser obtido através do emprego de mais peneiras com diferentes aberturas. Através das micrografias foi possível estimar uma geometria para os grãos, sendo aproximados ao modelo esférico. Sabe-se que partículas esféricas não podem ser muito compactadas, visto que há a formação de vazios entre as partículas, sendo 38 estes preenchidos parcialmente apenas pela porção de menor tamanho de grão. No caso de sinterização corpos prensados a partir de pós cerâmicos, é possível justificar a diminuição do volume através da diminuição de tais espaços vazios, decorrentes da difusão das partículas dentro do material. O aumento de densidade aparente média das amostras compactadas é diretamente relacionado com a diminuição de uma das dimensões das amostras (a altura), conforme o aumento de carga na prensa, portanto, aproximadamente a mesma massa passou a ocupar um volume menor, decorrente da diminuição de vazios no prensado, aumentou-se a densidade aparente do material, para as amostras submetidas à carga de 10 MPa, A1 e A2, a densidade média foi de 1,58 g/cm3, para A3 e A4, submetidas à carga de 20 MPa, a média foi de 1,75 g/cm3 e para A5 e A6, carga de 30 MPa, foi de 1,85 g/cm3. Na análise das características físicas dos corpos sinterizados, foi possível observar as influências da variação de temperatura no processo de sinterização das amostras. Os corpos de prova sofreram perda de massa durante a sinterização para ambas temperaturas (1.100ºC e 1.200ºC), provavelmente devido à decomposição de materiais orgânicos presentes na matéria-prima dos corpos de prova. Já durante a análise de retração linear, foi observado que os corpos de prova sinterizados a 1.200ºC sofreram maior retração linear do que os sinterizados a 1.100ºC, devido à maior densificação do material. Quanto às análises de absorção de água, porosidade e densidade aparentes, não foi observado nenhuma diferença relevante entre as amostras sinterizadas a diferentes temperaturas. As amostras cerâmicas foram submetidas ao teste de flexão de 3 pontos para o cálculo da resistência à flexão do material e também para a análise da distribuição de Weibull, utilizando como população todas as amostras testadas pela turma. A resistência à flexão encontrada foi de σ=28,38 土 5,18 MPa. O alto desvio padrão deve-se à variação de operadores e equipamento, além do alto índice de dispersão já esperado dos materiais cerâmicos. 39 Após a análise da distribuição de Weibull, foi encontrado o valor de m como m = 4,65291. O módulo m refere-se à largura da distribuição dos valores de tensão máxima para as amostras e, quanto maior o valor de m, mais estreita é essa distribuição e, portanto, mais confiável é a cerâmica. Considerando que o módulo m para uma cerâmica de confiabilidade fica em torno de 5 a 20, podemos concluir que a cerâmica sinterizada durante o experimento não apresenta confiabilidade industrial. No entanto, partindo dos pressupostos onde o material foi processado meramente para fins didáticos por operadores com pouca ou nenhuma experiência, o módulo atingido é satisfatório. Na análise ceramográfica dos materiais dispostos, foi observado que as amostras sinterizadas a uma temperatura e/ou pressão maiores apresentavam fração volumétrica de poros menor. Sendo assim, é possível concluir que o aumento de temperatura na sinterização e da pressão durante a prensagem foram capazes de diminuir a quantidade de poros contido na amostra, provavelmente porque uma maior temperatura favorece a difusão e eliminação dos poros do material, enquanto a pressão maior favorece um rearranjo mais compacto dos grãos dentro do molde. 40 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D.G. Ciência e Engenharia de Materiais. 9 ed. São Paulo: LTC, 2016. 2. CATAFESTA, J.et al. Colagem de barbotina de aluminas submicrométricas comerciais. Cerâmica, 2007. 3. DALTIN, Décio. Tensoativos: química, propriedades e aplicações. São Paulo: Blucher, 2011. 4. FREITAS, C.S.R. e col.Influência de diferentes processos de conformação nas características finais de produtos cerâmicos; Cerâmica Industrial, 14 (3) Maio/Junho, 2009 5. LINO,J.L. Módulo de Weibull. disponível em: http://paginas.fe.up.pt/~falves/moduloweibull.pdf acesso: 08 de abril de 2019. 6. 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