INCREMENTO DE RESISTÊNCIA MECÂNICA DE PORCELANATOS ESPANHOLES VIA TÊMPERA QUÍMICA

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

Dal Bó, M. (IFSC) ; Medina, F.C. (URV)

Resumo

Este trabalho estuda a aplicação do processo de têmpera química em porcelanatos fabricados na Espanha. O processo de têmpera química, amplamente usado em vidros especiais como a tela de smartphones, tem o objetivo de incrementar a resistência mecânica dos materiais. Para isso, foram selecionados três porcelanatos espanholes. As peças industriais foram cortadas em amostras pequenas com dimensões de 70x17x9 mm. Um planejamento de experimentos foi desenvolvido variando o tipo de porcelanato, a temperatura e o tempo de tratamento químico. Os resultados mostraram um incremento da resistência mecânica à flexão de ~55%. Além disso, o estudo estatístico mostrou que o tipo de porcelanato e a temperatura do tratamento químico influenciaram a resistência mecânica dos porcelanatos.

Palavras chaves

Intercâmbio iônico; Revestimentos cerâmicos; Propriedades mecânicas

Introdução

O grés porcelânico é uma tipologia de revestimentos cerâmicos que apresenta excelentes propriedades frente a seus similares. Baixa porosidade, notável resistência mecânica, fácil limpeza e boa estética são exemplos de características que ajudaram a incrementar a produção deste material nas últimas décadas. Geralmente, o porcelanato é fabricado usando uma mistura de argilas, as quais conferem plasticidade; feldspatos, responsáveis pela formação da fase viscosa durante a sinterização e também matérias-primas inertes, como é o caso do quartzo (BARBA et al., 2000). As suas propriedades mecânicas são influenciadas pela composição química, pelas variáveis do processo e, consequentemente, pela microestrutura do material. Existem diferentes metodologias para melhorar o desempenho mecânico dos materiais cerâmicos. Pode-se alterar a formulação da massa cerâmica, alterando a composição química. E, por outro lado, existe a opção de alterar algumas variáveis do processo, como a pressão de compactação e a temperatura de queima. Atualmente, estas variáveis já foram bem exploradas e, em muitos casos, já não é possível obter um aumento expressivo na resistência mecânica alterando essas variáveis (CORREIA et al., 2006; MARTÍN-MÁRQUEZ et al., 2008). Recentemente, a têmpera química foi aplicada à materiais porcelânicos (DAL BÓ; DOMINGUINI; et al., 2016; DAL BÓ; ZIMMER; et al., 2016). Incrementando a resistência mecânica à flexão em porcelanatos em até 74%. Esse processo, inicialmente aplicado a vidros (KARLSSON et al., 2010; VARSHNEYA, 2010), submete o material cerâmico a um intercâmbio catiônico que produz uma tensão de compressão na superfície do material. Com isso, este trabalho objetiva estudar a aplicação da têmpera química em porcelanatos industriais fabricados na Espanha.

Material e métodos

Três porcelanatos Espanholes foram selecionados aleatoriamente em uma loja de materiais de construção em Tarragona, Espanha. Um planejamento fatorial 3(3-1) foi desenvolvido variando o tipo de porcelanato (Tipo 1, 2 e 3), a temperatura (360ºC, 420ºC e 480ºC) e o tempo do tratamento químico (15 min, 30 min e 60 min). As pelas industriais foram cortadas em dimensões menores de 70x17x9 mm, aproximadamente, expressando o comprimento, largura e espessura. Estas foram secas a 110ºC durante 24 h. Para cada ensaio de resistência mecânica foram testadas cinco peças. Nitrato de Potássio (KNO3) >98% Montplet & Esteban S.A., Panreac, foi utilizado durante o processo de têmpera química. Este sal foi fundido nas temperaturas indicadas pelo planejamento fatorial e as amostras foram imersas no banho fundido respeitando o tempo também indicado no planejamento. Após isso, as amostras foram lavadas e secas. A resistência mecânica foi medida com uma máquina universal de ensaios Hounsfield H10KS, usando una velocidade de 1 mm/min. Uma caracterização química foi feita na seção transversal do porcelanato, visando comprovar a difusão iônica entre o KNO3 fundido e o porcelanato. Para isso foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura ambiental (ESEM), FEI, modelo Quanta 600. E, acoplado a este, um EDX, Oxford Instruments, para fazer um mapa de íons presentes na seção transversal dos porcelanatos. A voltagem de aceleração usada foi de 20 kV. Para conhecer a composição química mineralógica dos porcelanatos foi feito uma difração de raios-X (DRX) usando um difratômetro Siemens D5000, um contador de abertura de recepção de 0,06º e um detector de cintilação. O range de difração de 2θ estava entre 5 y 70º. A radiação Cukα se obteve a partir de um tubo de raios X de Cobre operado a 40kV e 30mA.

Resultado e discussão

Propriedades mecânicas O processo de têmpera química incrementou mais fortemente a resistência mecânica a flexão dos porcelanatos do tipo 2 e 3, como mostra a Figura 1, aonde o porcelanato tipo 2 chegou a um incremento de ~ 55% na tensão de ruptura usando a temperatura de 480ºC. Figura 1: Incremento de resistência mecânica à flexão de acordo com a temperatura e o tipo de grés porcelanato. Análise química y microestrutural Os resultados da microestrutura e da análise química da seção transversal do produto são mostrados na Figura 2. Uma variação no perfil de concentração dos íons Sódio (vermelho) e Potássio (azul) é claramente notada. Perto da superfície do material se encontrou maior concentração de íons Potássio em todos os porcelanatos estudados. Comprovando que o incremento de resistência foi obtido pela difusão e o intercâmbio iônico entre o KNO3 fundido e o porcelanato. Figura 2: Microestrutura obtida por ESEM e a análise química por EDS realizada. (a) Porcelânico tipo 1, (b) Porcelânico tipo 2 y (c) Porcelânico tipo 3. O estudo estatístico de análise de variância (ANOVA) dos três fatores estudados, tipo de porcelanato, tempo e temperatura mostrou que a temperatura do tratamento químico e o tipo de porcelanato (composição química) foram as variáveis que influenciaram a tensão de ruptura do material após a têmpera. Por outro lado, notou-se que profundidade de intercâmbio iônico ocorreu entre 50 a 100 μm da superfície do material. Baixas profundidades de intercâmbio iônico proporcionam uma tensão de compressão muito acentuada na superfície destes materiais, estando de acordo com os perfis encontrados em outros trabalhos que usaram o processo de têmpera química (KARLSSON, 2012; DAL BÓ; DOMINGUINI; et al., 2016; DAL BÓ; ZIMMER; et al., 2016).

Incremento de resistência mecânica a flexão de acordo com a temperatura e o tipo de grés porcelanato.


Microestrutura obtida por ESEM e a análise química por EDS realizada. (a) Porcelânico tipo 1, (b) Porcelânico tipo 2 y (c) Porcelânico tipo 3.

Conclusões

Este trabalho estudou a aplicação do processo de têmpera química em porcelanatos industriais fabricados na Espanha. Os resultados mostraram que houve a possibilidade de incrementar a resistência mecânica à flexão em torno de 55%. O estudo estatístico mostrou que a temperatura e a composição química dos porcelanatos influenciaram o incremento de resistência mecânica. A variação no perfil de concentração dos íons Sódio e Potássio durante a seção transversal do porcelanato comprovaram que houve a troca catiônica, justificando o incremento de resistência mecânica à flexão encontrado neste trabalho

Agradecimentos

Os autores agradecem a Fundação Carolina (Espanha) - Movilidad de Profesores e Investigadores Brasil-C.2016, a Universidad Rovira i Virgili (URV) e o IFSC (Brasil).

Referências

BARBA, A.; BELTRÁN, V.; FELIU, C.; GARCÍA, J.; GINÉS, F.; SÁNCHEZ, E.; SANZ, V. Materias primas para la fabricación de soportes y baldosas cerámicas. 2a. Castellón, Espanha: Instituto de Tecnología Cerámica (ITC), 2000. ISBN 84-923176-6-3.

CORREIA, S. L.; OLIVEIRA, A. P. N.; HOTZA, D.; SEGADÃES, A. M. Properties of Triaxial Porcelain Bodies: Interpretation of Statistical Modeling. Journal of the American Ceramic Society, v. 89, n. 11, p. 3356-3365, 2006.

DAL BÓ, M.; DOMINGUINI, L.; ZIMMER, A.; GRANDO, S. R.; KASPARI, P.; HOTZA, D. Chemical tempering of porcelain tiles. Ceramics International, v. 42, n. 14, p. 15199-15202, 2016.

DAL BÓ, M.; ZIMMER, A.; GRANDO, S. R.; KASPARI, P.; HOTZA, D. Incremento de resistencia mecánica en materiales de gres porcelánico a partir de tratamiento químico de intercambio iónico. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, v. 55, n. 5, p. 197-201, 2016.

KARLSSON, S. Modification of float glass surfaces by ion exchange. 2012. (Doctor). Linnaeus University, Sweden

KARLSSON, S.; JONSON, B.; STÅLHANDSKE, C. The technology of chemical glass strengthening - a review. Glass Technol-Part A, v. 51, n. 2, p. 41-54, 2010.

MARTÍN-MÁRQUEZ, J.; RINCÓN, J. M.; ROMERO, M. Effect of firing temperature on sintering of porcelain stoneware tiles. Ceramics International, v. 34, n. 8, p. 1867-1873, 2008.

VARSHNEYA, A. K. Chemical Strengthening of Glass: Lessons Learned and Yet To Be Learned. Int J Appl Glass Sci, v. 1, n. 2, p. 131-142, 2010.