AJUSTE DE MODELO REOLÓGICO PARA ESMALTE CERÂMICO FORMULADO COM FRITA CERÂMICA DE DIFERENTE GRANULOMETRIA/RHEOLOGICAL MODEL FIT FOR CERAMIC GLAZE MADE WITH CERAMIC FRIT OF DIFFERENT GRAIN SIZE

Headnote

RESUMO

Esmaltes cerámicos sao camadas finas e continuas de constituiçao fundamentalmente vitrea, formadas a partir de uma mistura de matérias-primas a qual se funde sobre a superficie de uma matriz. As fritas cerámicas aparecem como matéria-prima majoritária desse tipo de revestimentos, os quais exibem a natureza física e química de vidros, insolúveis e impermeáveis a líquidos e gases. A produçao de esmaltes com qualidade e especificaçoes técnicas para o uso como revestimentos cerámicos requer estudo de propriedades relevantes inerentes aos processos de formulaçao e aplicaçao dos esmaltes cerámicos, de forma a se alcançar efeitos e características desejados no produto final. O estudo visou o entendimento da influência da granulometria e composiçao química da frita cerámica transparente no comportamento reológico das suspensoes de esmalte cerámico, parámetro importante para assegurar a qualidade do processo de produçao e aplicaçao dos esmaltes cerámicos. A formulaçao de esmalte cerámico com frita de menor granulometria apresentou um comportamento reológico mais viscoso com maiores tensoes de escoamento em relaçao a formulaçao de maior granulometria. O modelo Hershel Bulkley foi o que melhor se ajustou ao comportamento reológico dos esmaltes cerámicos em relaçao aos modelos de Bingham e Ostwald de Waele.

PALAVRAS-CHAVE: Frita transparente, Esmalte Ceramico, Viscosidade, Reologia.

RHEOLOGICAL MODEL FIT FOR CERAMIC GLAZE MADE WITH CERAMIC FRIT OF DIFFERENT GRAIN SIZE

ABSTRACT

Ceramic Glazes are thin and continuous layers of glass constitution basically formed from a mixture of raw materials which is melted on the surface of a matrix. The ceramic chips appear to majority feedstock of this type coatings which exhibit chemical and physical nature of glass, insoluble and impermeable to liquids and gases. The production of enamels and quality specifications for use as ceramic tile requires the study of material properties inherent in the formulation and application of ceramic glaze, so as to achieve desired effects and characteristics in the final product. The study aimed at understanding the influence of particle size and chemical composition of the ceramic frit transparent on the rheological behavior of ceramic glaze suspensions, important parameter to ensure the quality of the production process and application of ceramic glazes. The ceramic enamel frit formulation with smaller grain size had a more viscous rheological behavior with higher yield stresses over the formulation of larger granulometry. Herschel Bulkley model was the best fit to the rheological behavior of ceramic glazes in respect of models of Bingham and Ostwald de Waele.

KEYWORDS: Transparent fries, ceramic glaze, Viscosity, Rheology.

1INTRODUÇAO

As fritas cerámicas sao materiais vitreos com composiçao química adequada à necessidade de utilizaçao como matérias-primas de revestimentos cerâmicos, esses materiais sao fabricados por indústrias especializadas a partir da fusao da mistura de diferentes matérias-primas. As fritas sao os componentes mais importantes da maioria dos esmaltes industriais. Após a queima esses revestimentos conferem o aspecto vitreo à matriz sobre a qual sao aplicados. Além disso, a aplicaçao de esmalte tem por finalidade aprimorar a estética, tornar a peça impermeável a líquidos e gases, aumentar a resistência mecánica e melhorar ou proporcionar outras características (DURAN,2002).

A correta aplicaçao do esmalte sobre o corpo cerámico e consequentemente a qualidade da cobertura vitrea formada possuem forte dependência das propriedades reológicas da suspensao de esmalte. Em vista disso o conhecimento e a adequaçao do comportamento reológico dos esmaltes cerámicos se tornam fundamentais para a obtençao de vidrados com qualidade elevada (MELCHIADES,2009).

Devido a influência de parámetros físicos como o tamanho e a orientaçao das partículas, além da complexidade da composiçao química das fritas, haja vista o elevado número de óxidos que geralmente estao presente em suas formulaçôes, a completa previsao das características e do comportamento dos revestimentos formulados a partir destas matérias-primas se torna um desafio para as indústrias do setor cerámico. Assim, aspectos relevantes às etapas de elaboraçao e aplicaçao desses materiais, com diversidade e qualidade compatíveis com a evoluçao do setor cerámico, tem sido objeto de estudo (HOTZA,1998).

Na prática industrial, as fritas ainda hoje sao desenvolvidas mediante procedimentos empíricos. Sendo assim a nao adequaçao dos processos físicos e químicos atualmente utilizados na preparaçao para o uso industrial dessa matéria-prima podem tornar o processo produtivo oneroso. Em virtude disso, estudos sobre a influência das características físicas e das composiçôes químicas das fritas no comportamento e qualidade dos esmaltes produzidos, tornaram-se uma atividade de fundamental importáncia para o setor principalmente na etapa de formulaçao e aplicaçao dos esmaltes cerámicos (SERPA,2007).

A busca pela reduçao dos custos na produçao de esmaltes, sem prejuízo às propriedades técnicas adequadas ao seu emprego se reflete no desenvolvimento de novas formulaçôes e técnicas para obtençao e utilizaçao das fritas cerámicas (SILVA,2016)

O entendimento do comportamento reológico das suspensôes de esmalte é importante principalmente em virtude das exigências dos métodos de aplicaçao a serem utilizados. As características físicas, o incremento, a reduçao ou até mesmo ausência total de determinados óxidos na composiçao da frita cerámica, podem ocasionar alteraçôes significativas em propriedades reológicas, como a viscosidade dos esmaltes obtidos a partir desta matéria-prima. O que por sua vez poderá ocasionar resultados indesejados nas etapas subseqüentes do processo produtivo.

2MATERIAIS MÉTODOS

2.1Caracterizaçao química das matérias-primas

A frita cerâmica transparente, Borax e a Argila foram submetidas a caracterizaçao química através da técnica de fluorescência de raios-X utilizando espectrómetro WDS sequencial, modelo Axios Minerals PANalytical, com tubo de raios-X cerámico e anodo de ródio.

2.2Moagem e classificaçao granulométrica da frita cerâmica transparente

A frita transparente passou por um processo de moagem, nos tempos de 5, 10, 30, 60, 90 e 120 minutos, em condiçôes operacionais especificadas na Tabela 1.

A moagem tem o objetivo reduzir as partículas do material, aumentando sua área específica e conseqüentemente, a interaçao entre as matérias-primas utilizadas (GLENN,1980).

A cominuiçao da frita transparente e demais matérias-primas foi realizada a seco utilizando um moinho de bolas de escala piloto com dimensôes de 260 x 350 mm (diámetro x comprimento), o moinho de bolas foi carregado com 1 kg de frita transparente para aproximadamente 3 kg de bolas, e operou a uma velocidade de rotaçao igual a 87% de sua velocidade crítica para cada ensaio. Amostras da frita transparente foi submetida a análise granulométrica com o objetivo de determinar o tamanho em funçao do tempo de moagem. As condiçôes operacionais de moagem segue a metodologia SAMPAIO (2007).

2.3Formulaçao dos Esmaltes Cerámicos

Após a moagem e classificaçao granulométrica da frita transparente, na classificaçao particular passantes nas peneiras de 106 e 63 pm para a formulaçao dos esmaltes cerámicos A e B, respectivamente.

A composiçao dos esmaltes formulados no trabalho foi adaptada segundo NÜRTÜN (1973). A Tabela 2 apresenta a composiçao mássica do esmalte cerámico variando apenas a granulometria da frita nas formulaçôes A e B. As matérias-primas devidamente pesadas foram misturadas em um gral durante 10 minutos, em seguida foram transferidas para um Béquer onde foram adicionas a água e as soluçôes de CMC e Água-cola.

2.4Ensaios reológicos

Üs estudos reológicos das suspensoes de esmaltes A e B, com teor massico de sólidos em 65% foram realizados a temperatura ambiente de 25°C, em viscosímetro modelo Haake VT 550 com sensor tipo cilindro coaxiais SV1. Ü viscosímetro modelo Haake VT 550 apresenta respostas com baixo desvio para sistemas particulados com teor mássico acima de 55 % (SILVA, 2015).

3RESULTADOS E DISCUSSÄO

3.1Composiçao química das matérias-primas

A Tabela 3 apresenta a composiçao química da frita transparente, do bórax e da argila, materiais usados na formulaçao dos esmaltes cerámicos.

Peía TabeÍa 3 observa-se que a frita transparente, apresenta composiçao química adequada a formulaçao de esmaltes cerámicos. Ü resultado indica um elevado percentuaí de SiÜ2 (74,48%), o qual, durante o processo de produçao das fritas, é introduzido sob a forma de quartzo, areia quartzosa, areia feldspática, feldspato e caulim. Ü resultado da fluorescência mostrou ainda um teor considerável de Al2Ü3 (6,95%). Üutras composiçoes importantes observadas na frita transparente foram as dos óxidos modificadores de rede como CaÜ, K2Ü e ZnÜ. As relaçôes entre os teores desses óxidos podem ser determinantes para o entendimento da viscosidade obtidas nos esmaltes cerámicas.

A argila revelou a presença de SiÜ2, Al2Ü3 e Fe2Ü3, principais responsáveis pela adequaçao do coeficiente de retraçao do revestimento ao coeficiente da peça sobre a qual o mesmo será aplicado. A análise do Borax utilizado revelou a presença em grande quantidade de Na2Ü (69,58%) o qual tem a funçao de agir como fundente durante a etapa de queima o que caracteriza esse componente como capaz de adequar o intervalo de temperatura de fusibilidade do revestimento em relaçao as necessidades operacionais.

3.2Análise granulométrica

A Figura 1 mostra a distribuiçao granulométrica da frita cerámica transparente nos diversos tempos empregados na etapa de moagem.

Pela Figura 1 observa-se que com o passar do tempo de moagem em minutos está havendo a diminuiçao da granulometria da frita cerámica o que confirma que as condiçôes operacionais de moagem está correta.

Para evidenciar a distribuiçao granulométrica da frita cerámica transparente de acordo com os tempos de moagem a Figura 2 apresenta o diámetro médio (D50) em pm da frita em funçao do tempo de moagem.

Pela Figura 2 os dados indicam a eficiência da operaçao até o tempo de 60 minutos, a partir do qual, observa-se uma tendência à estabilizaçao nos valores dos tamanhos médios de partícula em funçao do tempo em minutos da etapa de cominuiçao.

Para as condiçôes estabelecidas apos 60 minutos a variaçao nos tamanhos médios das partículas de frita nao sofre mais reduçao significativa em seu diámetro a ponto de justificar o gasto de energia com a operaçao de cominuiçao. Portanto, logo para as condiçôes operacionais estabelecidas e característica físicas iniciais da matéria-prima, a continuaçao da etapa de moagem, para tempos superiores a 60 minutos, geraria um maior gasto energético ao processo de produçao sem diminuiçao apreciável no dso do material.

Essa queda na eficiência de moagem provavelmente é ocasionada por diversos fatores, dentre eles destacam-se: as restriçôes operacionais da operaçao moagem tendo em vista o tamanho e forma inicial das partículas, dureza e tendência a aglomeraçao do material.

3.3Curva de moagem

Visando aperfeiçoar a obtençao de frita transparente na quantidade e especificaçôes físicas necessárias a formulaçao dos esmaltes, utilizaram-se os dados gerados na análise granulométrica para construir uma curva de eficiência da frita transparente em moinho de bolas.

A Figura 3 é a curva de moagem da frita transparente nas condiçôes estabelecidas para o teste. E foi obtida traçando-se o gráfico % Passantes versus tempo de moagem.

A partir da Figura 3 foi possível determinar de maneira eficiente o tempo de moagem necessário para a obtençao da maior quantidade passante possível da frita transparente em determinada peneira com as respectivas aberturas em mm.

A Tabela 4 mostra os passantes nas peneiras para as formulaçôes A e B.

Observa-se pela Tabela 4 que o esmalte A possui granulometria maior que o esmalte B. O esmalte A possui frita cerâmica em sua composiçao passante em peneira de 100 mesh com abertura de 106 pm já o esmalte B possui frita passante em peneira de 250 mesh de abertura de 63 pm.

3.4Comportamento Reologico dos esmaltes cerámicos

O estudo do comportamento reológico dos esmaltes cerámicos A e B, permitiu a verificaçao da adequaçao entre o comportamento experimental das suspensoes e os principais modelos reológicos conhecidos.

A Tabela 5 apresenta os valores dos parámetros reológicos bem como das correlaçoes obtidas para os esmaltes A e B, ajustados aos modelos reológicos da literatura.

De acordo com a Tabela 5 é possível observar que os modelos reológicos de HerschelBulkley e de Ostwald de Waele, apresentaram valores muito próximos. Contudo o modelo de Ostwald de Waele acaba nao sendo representativo por omitir a tensao limite de escoamento. O modelo de Hershel-Bulkley engloba fatores que o modelo de Ostwald de Waele nao revela, por isso torna-se o mais representativo para descrever o comportamento dos esmaltes A e B. A suspensao de esmalte B apresentou uma tensao limite de escoamento (i0 = 0,5491), superior ao apresentado pelo esmalte A. Isso é explicado fato de que a frita transparente utilizada na formulaçao do esmalte B (Di < 63 pm), apresenta uma maior superficie específica do que aquela utilizada na formulaçao do esmalte A (Di < 106 pm), o que diminui a sua capacidade de escoamento.

3.5Curvas de fluxo dos esmaltes A e B

A Figura 4 apresenta as curvas de fluxo obtidas para os esmaltes A e B.

As curvas da Figura 4 mostram o comportamento reológico característicos das suspensoes A e B, segundo o modelo reológico de Herschel-Bulkley. Segundo BRAGANÇA (2008) esse comportamento é explicado pela existência de uma estrutura interna, ocasionada pela formaçao de uma rede de ligaçao entre as partículas através de forças polares e ou de Van der Waals. Além disso, a presença da Carboximetilcelulose em dissoluçao modifica as características das suspensoes, promovendo ainda mais o comportamento plástico causando também um aumento na viscosidade dos esmaltes.

3.6Curvas de viscosidade dos esmaltes A e B

A Figura 5 mostra as curvas de viscosidade obtidas para os esmaltes A e B.

As curvas da Figura 5 mostram ainda que, mantendo fixa a concentraçao de sólidos e o valor da taxa de cisalhamento, o esmalte B é mais viscoso quando comparada ao esmalte A, pois apresenta maior quantidade de finos, aumentando assim, sua viscosidade. Este fato pode ser explicado pela maior área superficial das partículas finas, que favorece as interaçoes de van der Waals, inclusive com maior probabilidade de ocorrer a formaçao de aglomerados, nos quais as partículas primárias estao unidas e aprisionam água em seu interior. Como esta água nao está disponível para o fluxo, a suspensao se comporta como se a fraçao volumétrica de sólidos fosse maior, o que aumenta a viscosidade (WANG,2006).

A distribuiçao de tamanhos de partícula do esmalte exerce grande influência sobre a viscosidade, a fixaçao ao substrato, a velocidade de deposiçao e a espessura do recobrimento.

4 CONCLUSÄO

Conclui-se que na formulaçao de esmaltes cerámicos quanto menor a granulometria da frita cerámica maior será a viscosidade e a tensao cisalhante para escoar o esmalte. O esmalte B por possui menor granulometria de partículas em relaçao ao esmalte A apresentou comportamento reológico mais viscoso o que leva ao consumo de mais energia em um processo de escoamento para aplicaçao de esmalte em peças cerámicas além de aumenta a espessura de deposito do esmalte em peças. Tanto o esmalte A quanto o esmalte B possuem comportamento reológico regido pelo modelo de Hershel Bulkley. Todos os dois esmaltes possuem comportamento reológico ajustável o que garante boa modelagem nos processos de escoamento na industria cerámica.

5 AGRADECIMENTOS

Agradecimento a CAPES, ao programa de pós-graduaçäo em Engenharia Química da Universidade Federal do Pará por criarem boas condiçôes ao desenvolvimento de pesquisa.

References

6 REFERÊNCIAS

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