PRENSAGEM PROCESSAMENTO CERÂMICO

Prévia do material em texto

INTRODUÇÃO 
A prensagem é a operação de conformação baseada na compactação de um pó granulado (massa) contido no interior de uma matriz rígida ou de um molde flexível, através da aplicação de pressão. A operação compreende três etapas ou fases: (1) preenchimento da cavidade do molde, (2) compactação da massa e (3) extração da peça. Este é o procedimento de conformação mais utilizado pela indústria cerâmica devido à sua elevada produtividade, facilidade de automação e capacidade de produzir peças de tamanhos e formas variadas, sem contração de secagem e com baixa tolerância dimensional. Podem se citar como variáveis que influenciam o processo de prensagem: a distribuição de tamanho de partículas e forma das partículas, ou seja, quanto menos esféricas as partículas, menor será a densidade de empacotamento e quanto menor o tamanho de partículas maior será o efeito devido à grande área superficial, melhorando assim o estado de aglomeração, densidade e resistência mecânica dos grânulos, concluindo se que o empacotamento das partículas varia com as características do pó.
Distinguem-se a seguir a prensagem isostática.
1.2 PRENSAGEM ISOSTÁTICA: A prensagem isostática é um processo de conformação de materiais no qual o pó, é colocado em um molde flexível que, por sua vez, é inserido em um vaso contendo líquido que é submetido a uma determinada pressão, após o fechamento do vaso. A pressão aplicada é transmitida ao molde flexível pelo líquido, de acordo com a lei de Pascal, a pressão aplicada em um fluído confinado é transmitida igualmente pelo fluído pressurizado, em todas as direções, e atua sobre todas as partes internas do vaso, por um ângulo reto, sendo o pó prensado uniformemente em todas as direções, conservando a forma do molde. Este processo permite a conformação de peças simples e simétricas, ou com detalhes complexos e uma alta razão comprimento - diâmetro. A grande vantagem deste processo sobre o de prensagem uniaxial é a redução significativa do atrito entre o pó e as paredes do molde. Assim, as peças obtidas apresentam uma maior uniformidade de densidade, ou seja, mínimos gradientes de densidade contribuindo para uma densificação homogênea na sinterização. Com isso, a presença de tensões internas é minimizada, promovendo a diminuição da presença de defeitos no interior das peças. A figura 1 mostra representativamente a prensagem isostática: 
Figura 1: Esquema de funcionamento da prensagem isostática
Fonte: PALLONE, 2013
CONFORMAÇÃO PLASTICA DE MASSA CERÂMICA
Processamento cerâmico onde o material, juntamente com aditivos (ligantes, plastificantes, lubrificantes e outros) é forçado a passar por uma matriz, como conformações plásticas pode se citar: extrusão e moldagem por injeção
Figura 2- Esquema de conformação plástica
Fonte: PALLONE, 2013
2.1 EXTRUSÃO: A extrusão é usada para o processamento de produtos cerâmicos há mais de 150 anos, tendo a tecnologia sofrido pequenas alterações a partir da década de 50 do século passado. No entanto este processo de conformação industrial tem se revelado essencial nas indústrias cerâmicas de barro vermelho (telhas e tijolos). É uma técnica de produção associada a uma elevada produtividade, principalmente para produtos de seção transversal constante (tijolo) e muito importante em termos de homogeneização e retirada do ar da massa. A plasticidade das massas interfere na qualidade final dos produtos extrudados. Para isso deve-se, sempre que possível extrudar as massas na zona de máxima plasticidade evitando situações desvantajosas em termos de extrusão. Nas massas com elevados teores de umidade, perto do limite líquido (LI), facilmente ocorre o deslizamento entre partículas, pelo que a massa argilosa tenderá a agarrar-se às hélices da extrusora e fluir pelo centro da fieira com maior velocidade. Algo semelhante ocorrerá se diminuirmos o teor de umidade e trabalharmos abaixo da zona de máxima plasticidade. 
Figura 3- conformação de cerâmica vermelha por extrusão
Fonte: PALLONE, 2013
O atrito nas paredes da extrusora aumenta e a massa argilosa tenderá também a fluir com maior velocidade no centro, enquanto que as forças de compressão desenvolvidas no interior da extrusora e o desgaste dos diversos componentes metálicos aumentam. Quanto menos plástica for a massa argilosa, maior sensibilidade terá a possíveis variações de umidade. Uma variação de 1,2 ou 3% de umidade numa massa plástica poderá não se notar em termos de extrusão, mas numa massa magra 
provocará uma alteração total da plasticidade a das condições de fluxo através da boquilha, devido à menor força de coesão entre as partículas .De um modo geral, pode-se afirmar que argilas gordas com elevada plasticidade, deslizam melhor sobre a superfície da hélice, traduzindo-se numa maior pressão e, 
consequentemente, numa melhor homogeneização e submeti compactação da massa argilosa na zona de saída (boquilha). Por outro lado, argilas magras, de baixa plasticidade, grão áspero e elevado atrito, devem ser utilizadas no fabrico baixa plasticidade, grão áspero e elevado atrito, devem ser utilizadas no fabrico de peças com grande seção de saída, o que pressupõe menor travamento no molde e menor pressão de extrusão. A figura 4, mostra esquematicamente uma extrusora cerâmica: 
Figura 4- Representação esquemática de uma extrusora cerâmica
Fonte: PALLONE, 2013
2.2 INJEÇÃO: Os processos de moldagem de pós cerâmicos por injeção envolvem a mistura de pós inorgânicos com ligantes orgânicos e agentes de superfície. O grau e a forma de interação físico-química entre os componentes da mistura influenciam o comportamento reológico da massa, e consequentemente o empacotamento das partículas formação de aglomerados, processabilidade, extração dos ligantes, precisão dimensional e também a origem dos defeitos nas peças finais sinterizadas. A metodologia de mistura para formar uma massa homogênea para injeção, bem como a natureza dos ligantes e agentes de superfície, varia dependendo do pó de partida e do processo de moldagem a serem empregados. Na moldagem por injeção em baixa pressão (MIBP), quando comparada com a moldagem em alta pressão, a temperatura e a pressão de injeção são consideravelmente menores (até 150ºC e 0,6 MPa), os ligantes são usualmente ceras naturais e sintéticas os moldes podem ser fabricados com materiais alternativos, e.g. latão, resinas poliméricas e recobertos com filme antiaderente e a mistura dos componentes é produzida na própria injetora. Estes fatores tornam o processo economicamente atrativo para a fabricação de componentes de geometria complexa. O tempo de mistura para o feedstock preparado para MBIP geralmente compreende várias horas. 
As injetoras de baixa pressão possuem o inconveniente de ter uma única câmara compartilhada para mistura e armazenagem do feedstock de injeção, o que impossibilita a moldagem de componentes simultaneamente a realização de misturas. A câmara de mistura das injetoras de baixa pressão é composta basicamente por um reservatório aquecido com misturador integrado e conectada a uma bomba de vácuo. Essa construção integrada das injetoras de baixa pressão abre à oportunidade de se avaliar o emprego de outros tipos de misturador externo a injetora para preparar uma mistura à parte e acelerar o processo de fabricação. 
Figura 5- Representação esquemática de uma injetora de baixa pressão.
Fonte: PALLONE, 2013
 CONFORMAÇÃO LIQUIDA
3.1 COLAGEM DE BARBONITA: processo de colagem de barbonita é muito antigo e largamente empregado na produção de peças cerâmicas devido à sua relativa simplicidade e baixo custo de investimento. É normalmente descrito como a consolidação de partículas cerâmicas de uma suspensão coloidal, através da remoção da parte líquida, por um molde absorvente. Em outras palavras, na suspensão (barbotina) a parte líquida, geralmente água, é retirada por meio de um molde poroso, normalmente gesso. Quando a água é absorvida pelo molde, ocorre a aproximação das partículas de pó, em suspensão na água, na superfíciedo molde. Após a formação da parede com a espessura desejada, o eventual excedente de barbotina pode ser drenado deixando-se o que resta de água na parede formada ser absorvido pelo molde, quando então temos a peça a verde. Entre as vantagens deste método temos a obtenção de formas relativamente complexas, com paredes finas e uniformes, economia em pequenas produções e moldes mais baratos. Apesar da técnica de colagem de barbotina ser antiga, é necessário o desenvolvimento de uma formulação (pó cerâmica e aditivos de moldagem) adequada, de acordo com 
as características de cada pó cerâmico. Se a barbotina não estiver bem dispersa, as propriedades das peças podem ficar aquém do desejado, gerando peças defeituosas, com paredes irregulares. Estas peças defeituosas terão suas propriedades mecânicas ou estruturais prejudicadas por defeitos ocorridos no processo de conformação, após a sinterização.
O processo de colagem de barbotina se assemelha à filtração. Em ambos os casos existem diferenciais de pressão que provocam a difusão da água através dos sólidos. O diferencial de pressão na colagem se deve às ações capilares que transportam a água através do gesso. A taxa de crescimento da espessura da camada depositada na parede do molde de gesso diminui com o inverso da espessura da parede formada.
A velocidade de deposição varia com a quantidade de água na suspensão: quanto mais água, mais vagaroso o processo, pois a água deve ser filtrada através do depósito formado. Altos valores de viscosidade são marcados por altas velocidades de deposição. Velocidades de deposição mais lentas produzem melhor empacotamento das partículas e melhor densidade a verde. Deste modo, uma barbotina deve ter baixa viscosidade para que ocorra uma melhor formação de camada e para evitar o aparecimento de bolhas de ar, portanto, uma boa dispersão é necessária também para assegurar a máxima fluidez com um mínimo de água. Através da colagem de barbotina, se pode conseguir corpos a verde com alta densidade, devido às grandes forças capilares envolvidas que atuam de modo a formar uma parede compacta de partículas sobrepostas principalmente em se tratando de um pó formado por partículas pequenas. A figura 6, mostra as etapas da colagem de barbotina: 
Figura 6: Etapas da colagem de barbotina 
Fonte: PALLONE, 2013
3.2 COLAGEM POR FITA: O processo de colagem de fita é uma técnica de conformação de baixo custo que permite obter corpos planos de área elevada e espessuras variando entre 10 pm e pouco mais que 1 mm. Muito utilizada para produção de substratos eletrônicos e dispositivos multicamadas, essa técnica pode ser utilizada na conformação de sensores de oxigênio e, também, de eletrólitos e anodos de pilhas a combustível de óxido sólido (PaCOS). A figura 6 é uma representação do processo de colagem de fitas e ilustra os princípios básicos envolvidos. 
Figura 7- Representação da técnica de colagem de fita
Fonte: PALLONE, 2013
A formação da fita tem início com o preenchimento do reservatório por uma suspensão de viscosidade moderada (2000 mPa.s). No fundo do reservatório, existe uma abertura limitada pela altura da lâmina niveladora (doctor blade), que pode ser ajustada com o auxílio de um micrômetro. Sob o reservatório, uma superfície coletora (esteira) move-se com velocidade constante, previamente estabelecida. A altura da lâmina niveladora, a velocidade com que a superfície coletora passa sob o reservatório e a viscosidade da suspensão são parâmetros decisivos na determinação da espessura de fitas cerâmicas. Outras variáveis importantes no processo são profundidade do reservatório e forma da base da lâmina niveladora. Para acelerar a secagem, pode ser empregada uma câmara de secagem em que a fita recém conformada é exposta a fluxo de ar com temperatura controlada. Dentro dessa câmara há também a possibilidade de aquecer-se toda a base acelerando ainda mais a secagem. Suspensões para colagem de fita são basicamente constituídas de pó cerâmico, solvente, dispersante, ligante e plastificante. Anti-espumantes e agentes de molhamento são também utilizados, principalmente, em suspensões aquosas. O processo de obtenção de suspensões para colagem de fita é composto por três etapas fundamentais: formulação, preparo e caracterização reológica.
A etapa de formulação começa com a escolha dos componentes a serem utilizados e termina com a determinação da concentração de cada componente na suspensão. Essas concentrações devem ser fixadas visando características específicas das suspensões e dos corpos conformados, conhecendo de que maneira os componentes da suspensão se relacionam. 
A etapa com maior influência sobre as características da fita verde é a de preparo das suspensões. Nesta etapa, os componentes da suspensão devem ser distribuídos homogeneamente e, para isso, o preparo de suspensões, mais comumente utilizado, ocorre em duas fases principais. Na primeira, o pó cerâmico é disperso por meios mecânicos numa solução de solvente e dispersante. Na segunda etapa são adicionados o ligante e o plastificante. Em colagem de fita, é muito marcante a relação entre processamento e microestrutura do produto final, por isso, é fundamental que os componentes estejam homogeneamente distribuídos e as partículas cerâmicas bem dispersas, possibilitando, dessa forma, a obtenção de peças com elevada densidade a verde. 
Figura 8- Processo de colagem por fita 
Fonte: PALLONE, 2013
Para maior controle de todo o processo de colagem e reprodutibilidade de resultados, as suspensões devem ser submetidas à caracterização de seu comportamento reológico. Apesar da elevada carga de sólidos necessária, as suspensões devem apresentar viscosidade suficiente para que possam fluir durante o processo de colagem. É desejável o comportamento pseudoplástico em que a viscosidade diminui quando submetida à tensão de cisalhamento que ocorre quando a suspensão passa sob a lâmina niveladora. Após a colagem, a fita não é mais exposta à força de cisalhamento e a viscosidade aumenta novamente, preservando a uniformidade da fita. 
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
CALLISTER, William D. Sérgio Murilo Stamile Soares. Ciência e Engenharia de Materiais, uma introdução. 7ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.
RICE, Roy W. Ceramic Fabrication Technology. Basel: Marcel Dekker: 2003.
PALLONE, Eliria M. J. Agnolon. Processamento de Materiais Cerâmicos Processos de conformação, 2 ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2013.
HEINRICH, Jurgen; GOMES, Cynthia. Introduction to Ceramics Processing. 2 ed. Berlin: Clausthal University Technology, 2002.