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AVALIAÇÃO DA CONSISTÊNCIA DO MOLDE DE GESSO NAS
PROPRIEDADES DAS PEÇAS DE ARDÓSIA PRODUZIDAS POR COLAGEM DE
BARBOTINAS
L. B. Palhares1; A.A.B.Gontijo1; D.F.Galvão1; C.G. dos Santos2
1Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
2Universidade Federal de Ouro Preto
1Departamento de Engenharia de Materiais
Av. Amazonas, 5253 – Nova Suiça
Belo Horizonte – MG – Brasil
CEP: 30421-169
RESUMO
Moldes de gesso são materiais porosos, fáceis de moldar e na indústria
cerâmica são utilizados no processo conhecido como colagem de barbotinas. Nesse
processo, uma suspensão aquosa de matéria prima (a barbotina) é vazada no
interior dos moldes de gesso que absorvem o excesso de água da suspensão
formando uma fina película de material sólido sobre as paredes do molde. A
deposição de partículas na superfície do molde deve ser adequada para permitir a
produção de corpos verdes com microestrutura homogênea e alta densidade que
será determinante durante o tratamento térmico para obtenção de peças com alta
resistência mecânica e baixas porosidades. No presente trabalho, moldes de gesso
com consistências entre 50 e 80 foram fabricados para produzir peças cerâmicas
com pó de ardósia proveniente de rejeito que foram avaliadas quanto à
microestrutura e porosidade. À medida que a consistência do molde aumentou
observou-se um aumento na porosidade e aumento da taxa de colagem na
superfície dos moldes de gesso gerando peças com menores densidades.
Palavras-chave: colagem de barbotinas, moldes de gesso, caracterização.
60º Congresso Brasileiro de Cerâmica15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP
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INTRODUÇÃO
O processo de colagem de barbotinas é muito simples e antigo e pode ser
aplicado para produção de peças cerâmicas tradicionais ou avançadas com
formatos complexos, ocos ou sólidos. O processo consiste na preparação de uma
suspensão estável de um pó cerâmico em um líquido aquoso ou não aquoso que é
vazada em um molde poroso de gesso1. A estrutura porosa dos moldes de gesso
será determinante nas propriedades e estrutura nas peças obtidas por colagem de
barbotinas2. A obtenção de corpos verdes com microestruturas homogêneas é um
importante objetivo dos processos cerâmicos, pois isso afetara o comportamento da
peça na sinterização e suas propriedades finais3.
O gesso é um material frágil, poroso, com facilidade de moldagem e baixo
custo4,5 sendo o mais utilizado na colagem de barbotinas para a produção de
moldes. Segundo Barbosa, et.al., 3% da produção do gesso produzido no Brasil é
aplicado na indústria cerâmica na forma de moldes.
No Brasil, 95% da produção de gesso concentra-se no estado de Pernambuco.
Cerca de 96% do material produzido é destinado diretamente ao emprego na
construção civil como gesso de fundição e de revestimento para produção de placas,
blocos e revestimentos de paredes. Um gesso de maior pureza, conhecido como
gesso industrial, é utilizado na confecção de cerâmicas, porcelanas e como matéria-
prima em indústrias de vidro6.
O gesso é um sulfato de cálcio hemihidratado com fórmula química
CaSO4.0,5H2O que é produzido pela calcinação da gibsita em temperaturas entre
120oC e 160oC, através da reação (A)7:
CaSO4.2H2O + calor CaSO4.0,5H2O + 1,5.H2O (A)
Quando o gesso é misturado com água a reação reversa acontece e a água é
reabsorvida formando a gibsita. A reação é exotérmica e resulta em um sólido com
cristais entrelaçados na forma de agulhas. Estequiometricamente são necessários
apenas 18,6% em peso de água para que a reação ocorra, mas na prática, excesso
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de água é utilizada levando a porosidades consideráveis após a secagem dos
moldes.
A morfologia dos cristais formados depende da variação das condições de
hidratação. Com a variação dos parâmetros em cada etapa (dissolução, nucleação e
crescimento), diferentes microestruturas podem ser obtidas. Cristais grandes e
irregulares reduzem a densidade e resistência mecânica do gesso por apresentarem
maior porosidade. Cristais pequenos e com morfologia prismática permitem maior
compactação8.
A estrutura dos poros nos moldes de gesso para produção de peças por
colagem de barbotinas afeta a velocidade de absorção de água e, portanto, a
qualidade final das peças.
No presente trabalho, moldes de gesso com diferentes consistências foram
produzidos e estudados e sua influência nas peças produzidas foi avaliada por
microscopia eletrônica de varredura (MEV) e porosidade (análise de imagens e por
imersão).
MATERIAIS E MÉTODOS
O pó de ardósia, proveniente de rejeitos da extração e beneficiamento da
rocha, foi previamente tratado visando à retirada de impurezas, como rejeitos e
contaminações. As etapas deste tratamento foram: preparação de uma suspensão
do pó em água; peneiramento a úmido na peneira de 400#; decantação 24 horas;
sifonamento (Retirada da água); e secagem em estufa (Temperatura 120 oC durante
24 horas);
Os moldes de gesso foram produzidos com consistência 50, 60, 70 e 80. A
mistura foi agitada e vazada no pré-molde metálico ou plástico para promover as
reações químicas de hidratação do gesso permitindo seu enrijecimento. Antes do
total endurecimento do gesso formas plásticas ou vítreas variadas foram imersas no
gesso para obtenção da forma da peça que se deseja produzir. Após endurecimento
do molde este foi retirado e seco em temperatura ambiente (24h), seguido em
estufa, antes da utilização por mais 24 horas.
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As suspensões de pó de ardósia em água destilada foram preparadas com
porcentagem de sólidos constante (70%) e homogeneizadas em um agitador
magnético por 24 horas.
Os moldes de gesso foram caracterizados quanto à porosidade e microscopia
em MEV. Para as medidas de porosidade pelo método geométrico as amostras
foram medidas com paquímetro (± 0,05 mm) e pesados em balança eletrônica de
laboratório (± 0,001 g). Suas densidades aparentes foram calculadas através da
divisão da massa pelo volume. Conhecendo-se a densidade teórica do gesso
(2,55g/cm3), calculou-se a porosidade total aparente através da relação entre a
densidade aparente e a densidade real do gesso.
As peças que foram caracterizadas quanto a porosidade e microscopia.
Para medidas das densidades e porosidade à verde, as peças para todas as
etapas do processamento foram secas à temperatura ambiente durante 24 horas,
seguida em estufa a 120oC. Após sinterizadas em forno elétrico até a temperatura de
1100oC com uma taxa de aquecimento de 10oC/min, novas medidas de densidade e
porosidade foram realizadas.
As densidades a verde e após sinterização foram determinadas por técnica
geométrica e a porosidade via análise de imagens (MEV) utilizando o software
ImageJ.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As microestruturas obtidas para os moldes de gesso em diferentes
consistências podem ser vistas na Figura 1.
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Figura 1: Micrografias no MEV na superfície de consistências (A) 50, (B) 60, (C) 70 e
(D) 80.
Para todas as consistências produzidas observa-se uma estrutura reticular
formada por partículas alongadas e cilíndricas com tamanhos variando de 10 até 40-
50 microns. A figura 1 mostra microestruturas típicas para o gesso após
rehidratação3,4,5.
A formação/precipitação dos cristais de dihidrato será influenciada pela
relação água/gesso. Os cristais de dihidrato crescem a partir de núcleos de
cristalização e quanto maior a quantidade de núcleos, mais rápido será o
crescimento e há formação de poucos cristais por unidade de volume na solução
(Figura 1 (A)). Quando ocorre a formação de poucos núcleos o crescimento é lento,
o que favorece a formação de cristais grandes e mais alongados, como pode ser
visto na foto (D) para consistência 80.
(A) (B)
(C) (D)
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A maior quantidade de água no molde da figura (D) leva a uma maior
porosidade devido ao excesso de água eliminado na secagem formando maior
volume de poros.
Os resultados obtidos para a porosidade por análise de imagens e pelo
método geométrico encontram-se na Tabela 1 e Tabela 2.
A porcentagem de poros em cada amostra de gesso foi calculada utilizando-
se os dados de densidade aparente e a densidade teórica. O volume de poros por
massa da amostra foi obtido multiplicando-se a porcentagem de poros pelo volume
do corpo de prova (volume de poros) e dividindo esse valor pela massa do corpo de
prova de gesso.
Tabela 1: Resultados de porcentagem de poros, densidade aparente e
volume de poros obtidos pelo método geométrico.
Consistência Densidade
Aparente (g/cm3)
Porcentagem de
Poros (%)
Volume de Poros
(mL/g)
50 1,35 47,1 0,285
60 1,28 49,8 0,389
70 1,10 56,9 0,520
80 0,80 68,7 0,860
Tabela 2: Comparação dos valores obtidos de porcentagem de poros pelo
método geométrico e análise de imagens.
Consistência Método
geométrico
Análise de
Imagens
50 47,1 19,9 ± 0,6
60 49,8 33,6 ± 0,6
70 56,9 41,1 ± 0,9
80 68,7 45,1 ± 0,7
Observou-se que para maiores consistências (maior teor de água) houve um
aumento gradativo da porosidade para as duas técnicas utilizadas. Os valores
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obtidos diferem de uma técnica para outro devido às diferenças de metodologias
adotadas para cada uma delas. Ambas as técnicas são simples, porém, para
resultados mais precisos seria necessária uma análise por porosimetria de mercúrio
ou adsorção de nitrogênio.
O processo de análises de imagens é um procedimento rápido de
quantificação da porosidade, porém, a eficácia do estudo depende de alguns fatores
como, por exemplo, aumento do microscópio e da área do campo de visão, o
número de imagens a serem analisadas e do operador do programa na definição da
limiarização (threshold).
As diferenças obtidas para as duas técnicas são devidas principalmente aos
fatores citados acima.
A Tabela 3 mostra os resultados de porosidade obtidos para as peças à verde
em contato com molde (PVM), porosidade à verde em contato com a suspensão
(PVS) e porosidade após tratamento em temperaturas de aproximadamente 1000oC
(PTT).
Tabela 3: Resultados de porcentagem de poros obtidos pelo método de
análise de imagens.
Consistência PVM (%) PVS (%) PTT (%)
50 7,9 14,5 12,2
60 12,4 13,0 13,1
70 13,7 11,4 13,8
80 14,1 18,3 13,4
Observa-se uma tendência geral de aumento da porosidade com a
quantidade de água (consistência) na superfície do molde de gesso. Isso pode ser
devido ao aumento da taxa de colagem no molde que afetou o empacotamento das
partículas. Quando se comparam os valores de porosidade das peças coladas
próximas a suspensão, verifica-se uma tendência de aumento da porosidade
comparada às porosidades na superfície do molde, exceto para a consistência 70.
Como já era de se esperar a porosidade aumenta devido aos diferencias de pressão
no molde de gesso e na camada de partículas que está sendo formada. À medida
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que a camada aumenta de tamanho, a compactação diminui, aumentando a
porosidade.
Após tratamento térmico foi observado uma redução da porosidade total das
peças com valores próximos a 13% sugerindo que a consistência afetou pouco esse
processo.
Os processos de tratamento térmico de peças com ardósia promovem a
diminuição da porosidade, porém para maiores reduções nesses valores são
necessárias temperatura mais elevadas que envolvem a formação de fase líquida
em temperaturas de 1100oC9 que é responsável pelo fechamento dos poros e
consequente diminuição da porosidade. A porosidade remanescente pode ser
atribuída às mudanças estruturais sofridas pelos constituintes da rocha.
A figura 2, 3, 4 e 5 mostram as micrografias obtidas para as peças antes e
após tratamento térmico com um aumento de 1800x no MEV sendo (PVM) peças à
verde em contato com molde, (PVS) peças à verde em contato com a suspensão e
(PTT) peças após tratamento.
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Figura 2: Micrografias obtidas para peças antes de após tratamento térmico
(aumento 1800x) para moldes com consistência 50: A (PVM), B (PVS) e C (PTT).
Figura 3: Micrografias obtidas para peças antes de após tratamento térmico
(aumento 1800x) para moldes com consistência 60: A (PVM), B (PVS) e C (PTT).
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Figura 4: Micrografias obtidas para peças antes de após tratamento térmico
(aumento 1800x) para moldes com consistência 70: A (PVM), B (PVS) e C (PTT).
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Figura 5: Micrografias obtidas para peças antes de após tratamento térmico
(aumento 1800x) para moldes com consistência 80: A (PVM), B (PVS) e C (PTT).
Nas microestruturas das peças a verde observou-se a formação de
aglomerados com superfícies irregulares e não homogêneas. A elevação da
temperatura no tratamento térmico levou a diminuição da porosidade e a formação
de uma superfície mais homogênea e regular das partículas, porém, com existência
de porosidade residual.
CONCLUSÕES
O processo de colagem de barbotinas é adequado para produção de peças
cerâmicas de ardósia em moldes de gesso. Tanto a consistência do gesso quanto os
parâmetros utilizados para produzir a barbotina influenciam diretamente as
propriedades das peças obtidas sendo necessário um controle rigoroso do processo.
Dos resultados obtidos conclui-se que quanto maior a consistência do molde
maior será a sua porosidade.
Como o processo de colagem assemelha-se a uma filtração, no caso estudado,
a taxa de colagem na superfície dos moldes de gesso aumentou com a consistência.
Porém sabe-se que a porosidade total não é o único fator que irá influenciar essa
propriedade, mas também, a distribuição do tamanho de poros no molde.
Comparando-se as peças a verde observou-se que a porosidade do molde
aumentou a porosidade no corpo verde devido as questões de empacotamento e a
maior velocidade da retirada de água da suspensão.
A comparação das peças à verde e tratadas termicamente mostrou uma redução da
porosidade com o tratamento em temperaturas de aproximadamente 1000oC. Essa
porosidade pode ser ainda reduzida aumentando-se as temperaturas de tratamento térmico.
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ABSTRACT
Plaster molds are porous, easy shaping and in ceramic industry are used in slip
casting process. In slip casting an aqueous suspension of raw material (the slip) is
poured in plaster molds. It absorbs the excess of water from suspension to form an
internal wall of solids. Deposition of particles on the mold surface has to be
appropriate to allow the production of high density and homogeneous green bodies
after heat treatment. The homogeneity of green bodies is an important factor to
obtain pieces with high mechanical strength and low porosity. In this paper, plaster
molds with different proportions water/plaster between 50 and 80 were fabricated to
produce ceramic pieces with slate waste. Here, was evaluated the microstructure
and porosity. As the proportions water/plaster increased as the porosity and the
velocity of wall formed in internal mold increase generating lower densities pieces.
Keywords: slip casting, plaster molds, characterization.
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