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Obtenção de vitrocerâmica de nefelina termicamente reativa a microondas: resultados preliminares
G. G. V. Nuernberg 1, E. Angioletto 2, G. Menegali 3 Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais Campus Universitário Prof. Avelino Marcante S/N - Bairro Bom Retiro - Joinville - SC - Brasil - CEP: 89223 - 100 - CX. Postal 631 - Fone (0xx47) 431-7200 Fax (0xx47) 431-7240 1 – UDESC - Universidade do Estado de Santa Catarina; 2 – UNESC- Universidade do Extremo Sul Catarinense; 3 – CMG-Colégio Maximiliano Gaidzinski
RESUMO Desenvolveu-se neste trabalho um material vítreo reativo a interação com microondas, com objetivo de utilizar em utensílios domésticos. Partiu-se da composição química que conduz a formação da fase nefelina sódica tendo ainda a adição de matérias-primas que possibilitasse a formação da fase de titanato de bário. Estudou-se ainda a influencia da cristalização na eficiência da absorção de microondas resultando em aumento da temperatura. Utilizou-se nesse estudo analise térmica diferencial, difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura, microscopia ótica. Os resultados demonstraram ser possível o uso deste material vítreo para aquecimento em microondas. Palavras chave: Microondas, Nefelina, Vitrocerâmico. INTRODUÇÃO
As cerâmicas são empregadas atualmente em diversas áreas, entre essas,
está o uso doméstico para cozimento e armazenagem dos alimentos. No cozimento
de alimentos, um grande avanço que ocorreu foi a utilização de fornos de
microondas no lugar dos fogões tradicionais. O uso do microondas trouxe
vantagens, entre as principais, está a redução do tempo de cozimento. Outro uso
muito comum no início deste século é o uso de alimentos congelados, que são
aquecidos, empregando o forno de microondas. Uma das principais desvantagens
no uso do forno de microondas é o rápido resfriamento do alimento. Em parte isso
ocorre devido à baixa temperatura do recipiente em que o mesmo foi aquecido. Uma
das alternativas para se resolver parcialmente esse problema é elevar a temperatura
do recipiente ao mesmo tempo em que se está aquecendo o alimento. Todavia,
corre-se o risco de um superaquecimento localizado o que coloca em risco a
segurança dos usuários. Por esse motivo desaconselha-se a utilização de muitos
materiais para essa finalidade. Entretanto (MacDOWELL, 1984) afirma que certas
composições do vidro podem ser controladas de tal forma a adequar a taxa de
aquecimento e a taxa de absorção das radiações de microondas incidentes. Em
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vista da necessidade existente e da potencialidade de mercado começou-se o
desenvolvimento de um material vitrocerâmico com as propriedades anteriormente
descritas.
O objetivo principal deste trabalho foi o de obter um material vitrocerâmico de
nefelina, que fosse reativo termicamente á ação de microondas. Procurou-se ainda
abordar os seguintes tópicos: estudar a influência da composição química sobre a
taxa de absorção de microondas; avaliar os parâmetros de cristalização do
vitrocerâmico; obter a taxa de aquecimento do material quando exposto à
microondas; avaliar o processo de fabricação de um vidro com alta presença de
alumina.
Um dos mais interessantes aspectos relacionados com o forno de MO é o
aquecimento seletivo. Diferente de um forno elétrico ou a combustão, onde todos os
corpos que estão no interior do forno sofrem aquecimento, no forno de MO o
aquecimento dependerá do material presente em seu interior (dependerá
fundamentalmente da constante dielétrica e da freqüência de relaxação do material).
Assim é comum observar que partes do recipiente que contém o alimento recém
aquecido no forno de MO, (mas que não estão em contato direto com o mesmo),
continuam a temperatura próxima à do ambiente.
Os princípios envolvidos no aquecimento por MO, envolvem conceitos físico-
químicos, como: temperatura, capacidade calorífica, ligação química, estrutura
molecular, momento de dipolo, polarização, constante dielétrica, entre outros.
Relação entre as propriedades macroscópicas e moleculares das substâncias dielétricas.
Do ponto de vista clássico, o aquecimento de um material a irradiação por meio
de MO é devido a interação da onda eletromagnética com o dipolo elétrico da
molécula. O aquecimento de uma substância em um forno de MO pode ser
simplificadamente entendido, fazendo-se uma analogia ao que acontece com as
moléculas quando submetidas à ação de um campo elétrico. Quando o campo
elétrico é aplicado as moléculas que possuem momento de dipolo elétrico, tendem a
se alinhar com o campo, como demonstrado na Figura 1. Quando o campo que
provocou a orientação dos dipolos moleculares é removido ocorrerá uma relaxação
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dielétrica, isto é, as moléculas tenderão a voltar para o estado anterior (menos
alinhado), dissipando energia absorvida na forma de calor.
A principio quanto maior for o dipolo, mais intenso deve ser a orientação molecular
sob a ação do campo
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Figura 1– Esquema representando a polarização das moléculas devido a ação de um campo elétrico
elétrico. Se um material
sui maior valor de constante dielétrica (ε), então maior quantidade de energia
e, a principio, ser armazenada.
um campo que alterna as fases (como em uma onda eletromagnética), a
ntação molecular varia ciclicamente. Para irradiações na região de MO (1000 a
00 MHz) a polarização espacial das moléculas do material leva a seu
ecimento.
O tempo de relaxação requerido para os dipolos reduzirem o ordenamento
enderá fundamentalmente de dois fatores: o tamanho das moléculas e da
osidade do meio.
Em fase condensada, o tempo de relaxação também dependerá da “altura” da
reira de energia (associada com a interação entre as moléculas) que precisa ser
nçada no processo de re-orientação molecular. Haverá na verdade uma faixa de
pos de relaxação, pois existe um certo número de estados de equilíbrio para os
los separados por barreiras de potencial de diferentes magnitudes. As moléculas
am e rotacionam apenas nos níveis possíveis previstos pela mecânica quântica
RBOZA, 2001). No caso de moléculas que possuem dipolo permanente, a rotação
dipolo (devido a rotação molecular) gera um campo elétrico que pode interagir
o componente elétrico da MO.
NEFELINA A nefelina é uma fase de composição Na2O.Al2O3.2SiO2 (21,8% Na2O, 35,9%
Al2O3 e 42,3% SiO2 em peso) e dentre as principais propriedades associadas a esta
fase estão: alta resistência mecânica, resistência ao risco, superfície brilhante,
resistência química e baixa expansão térmica. Os feldspatóides apresentam estrutura similar aos feldspatos, composta por
seis tetraedros ligados entre si, formando hexágonos simétricos. Os feldspatos são
constituídos por quatro tetraedros ligados entre si, formando uma cavidade menor
que a dos feldspatóides.
Conforme MacDOWELL (1984), o uso da nefelina permite certo grau de
liberdade as moléculas para que ocorra vibração da rede cristalina e
consequentemente um aumento da temperatura por dissipação de energia.
MATERIAIS E MÉTODOS Os procedimentos experimentais para o desenvolvimento desse trabalho foram
realizados no Instituto de Pesquisas Ambientais e Tecnológicas (IPAT), ambos da
Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC), e a fusão das matérias-primas,
foi realizada no Colégio Maximiliano Gaidzinski (CMG).
Na primeira etapa de realização desse estudo, foram preparadas duas
composições de matérias-primas que deram origem aos vidros VNS (vidro de
nefelina sintética) e VNN (vidro de nefelina natural), a primeira tendo como base
nefelina artificial, e a segunda com nefelina natural, sendo que a composição de
ambas está exposta na Tabela 1.
Tabela 1 – Composição dos Vidros % em massa dos óxidos
Óxido VTNA % VTNN % SiO2 41,5 41 Al2O3 30,1 28 Na2O 17,0 16 TiO2 5,6 5,6 BaO 5,6 5,6 K2O x 3,5 CaO x 0,3
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As amostras depois de pesadas passaram por processo de cominuição a
úmido, em moinho de bola de por um período de 3 horas. A suspensão foi seca em
estufa com temperatura controlada entre 100ºC ± 5ºC, durante 12 horas para
eliminação total da água utilizada durante a moagem.
Para etapa de fusão as amostra foram levadas a um forno de fusão de fritas, a
temperatura de 1400ºC. O material permaneceu no forno por duas horas até a
completa fusão e homogeneização de todas as matérias-primas constituintes. Foi
utilizado cadinho ZAS (Silicato de Zirconia e Alumina). Este foi vazado rapidamente
sobre um recipiente de aço inox, onde se seguiu a etapa de prensagem.
As amostras foram submetidas a ensaios de caracterização térmica, em
equipamento de analise térmica diferencial (DTA), para obtenção da faixa de
temperatura ideal, onde o material apresenta maior taxa de nucleação, e maior taxa
de crescimento de cristais. O equipamento utilizado foi o STA Netzsch, modelo 409
C; a taxa de aquecimento foi de 10 graus por minuto e a atmosfera utilizada foi o ar
sintético.
Os materiais vitrocerâmicos VTNS e VTNN foram obtidos por meio de ciclos
térmicos de cristalização controlada. Para obtenção do material VTNS e VTNN foi
aplicado um ciclo térmico de 240 minutos na temperatura de máxima taxa de
cristalização determinada como sendo 920ºC, a e com taxa de aquecimento
constante de 5ºC por minuto.
A caracterização da reatividade térmica pela ação de microondas foi realizada
em forno doméstico de marca Panasonic Inverter Junior modelo NN-S52BK com
potência de 900W onde foram comparadas as temperaturas das amostras com a
temperatura de uma referência. Ambas foram submetidas à mesma exposição às
radiações de microondas. O valor da temperatura foi obtido por meio de um
termômetro digital (ALLA France), colocado em contato com a amostra, no momento
da sua retida do interior do forno.
Foi utilizado ainda um microscópio ótico marca Leica para obter-se as
micrografias do vidro e do vitrocerâmico. Os corpos de prova foram embutidos à frio
em resina, lixados e polidos e submetidos ao ataque químico com ácido fluorídrico,
sendo este numa concentração de 2% por 2 minutos. As micrografias apresentaram
aumento de 10 x 0,75 a 20 x 0,75. As difrações de raios X foram realizadas em
equipamento da marca Shimadzu LABX-XRD 6000, e foi utilizado o equipamento
ZEISS DSM 940 A para microscopia eletrônica de varredura.
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RESULTADOS OBTIDOS
Os vidros fundidos verteram por gravidade sobre um recipiente de aço
inoxidável, onde no momento seguinte foram submetidos a processo de prensagem
por um aparato de aço, e desta forma obteve-se a pastilha desejada.
Os vidros obtidos apresentaram algumas bolhas, isso ocorreu em virtude de
não conter em sua formulação óxido de arsênio (MacDOWELL, 1984) e de não ter
sido realizada uma calcinação desses materiais. Acredita-se que o uso de qualquer
um desse dois métodos reduzirá de maneira efetiva a quantidade de gás retido no
vidro.
No que diz respeito à aparência desses materiais, os vidros obtidos
apresentaram coloração amarelo clara (vidro de nefelina sintética) e ocre (vidro de
nefelina natural), a diferença de coloração entre esses materiais ocorre devido à
variação na composição entre os mesmos e também devido a maior quantidade de
impurezas no vidro de nefelina natural. Porém é importante ressaltar que ambos
apresentaram translucidez.
Da aparência das vitrocerâmicas obtidas pode ser observado uma coloração
cinza (VTNS) e negra (VTNN), essa coloração ocorre pela formação de cristais. Os
materiais vitrocerâmicos apresentaram opacidade sendo uma das características
que indicam a presença de cristais formados.
A análise térmica diferencial Figura 2 realizada na amostra de vidro de nefelina
natural, apresenta como resultados o valor de Tg (transição vítrea) 750ºC, sendo que
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Figura 2 – Análise Térmica Diferencial, de amostra do vidro VTNN.
esse valor foi determinado pelo método das tangentes aplicadas à curva de DTA. Seguindo a análise da curva, foi observado à formação de um pico exotérmico
na temperatura de 914º C, esse pico representa a temperatura onde ocorre a
cristalização. Com esse valor foi possível determinar a curva do tratamento térmico
que posteriormente os vidros foram submetidos. Como último dado fornecido pelo
gráfico de análise térmica, foi possível ainda ter conhecimento da temperatura de
fusão do material, sendo esta 1220ºC. Conforme pode ser observado nos
difratogramas apresentados nas Figuras 3 e 4, os dois vidros (VNN e VNS)
mostraram-se totalmente amorfos antes do tratamento térmico.
0 10 20 30 40 50 60 70
0
200
400
600
800
Inte
nsid
ade
(rela
tiva)
Ângulo de difração 2θ
1 - VNN2 - VTNN
Figura 3 – Difratogramas do vidro VNN e o vitrocerâmico VTNN.
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7
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0
0
2 0 0
4 0 0
6 0 0
8 0 0
1 0 0 0
1 2 0 0
Inte
nsid
ade
(rela
tiva)
 n g u lo d e d i f r a ç ã o 2 θ
1 - V N S2 - V T N S
Após o tratamento térmico ambos apresentaram os picos caraterísticos de material
cristalino. As fases formadas confirmam a presença de nefelina, cartões JCPDS
número 19-1176 e 09-0338. Pode ainda ser observado que os picos
correspondentes à fase de titanato de bário não estão claramente definidos,
entretanto se conhece que o titânio é um ótimo agente nucleante e é possível que
se tenha formado cristais muito pequenos e distribuídos por toda a rede de vidro
residual que envolve a recristalização para a formação da nefelina.
Figura 4 – Difratogramas do vidro VNS e o vitrocerâmicoVTNS.
Na seqüência os materiais vítreos e suas respectivas vitrocerâmicas foram
levados ao forno de microondas para respectiva analise das propriedades
desejadas. Neste ensaio foi constatado que as amostras de vitrocerâmica
apresentaram maior reatividade à ação de microondas, uma vez que mostraram
maior aquecimento que as amostras de vidro.
A aferição exata dos valores de temperaturas obtidos pelos materiais quando
submetidos ao aquecimento em forno de microondas, foi comprometida pelo longo
tempo de resposta fornecido pelo termômetro digital, uma vez que dessa forma
existe a possibilidade do material entrar em rápido equilíbrio térmico com o
ambiente.
No que diz respeito aos resultados obtidos da analise de reatividade à ação
de microondas foi possível verificar que as amostras apresentam tal propriedade, no
entanto essa é apenas uma análise preliminar das temperaturas alcançadas.
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Analisando a Tabela 2 onde são mostrados os resultados obtidos, foi constatado
que, as vitrocerâmicas possuem maior reatividade a ação de microondas que as
amostras de vidro. Que o aquecimento ocorrido nas amostras de vidro podem ter
ocorrido devido a troca de calor com moléculas de água. As temperaturas obtidas
para as vitrocerâmicas, no ensaio sem água mostram que parte da potência utilizada
pelo microondas é absorvida, o que pode ser contrastado no ensaio com água onde
o recipiente com água é adicionado a análise destas forma a radiação de
microondas que antes era absorvida unicamente pela mostra, agora passa a ser
absorvida pela água.
Tabela 2 – Resultados das temperaturas das amostras após serem retiradas
do MO
Materiais Temperaturas sem água Temperaturas com água
VTNS 100ºC 63ºC
VTNN 117ºC 50ºC
Vidro de nefelina sintética 50ºC 45ºC
Vidro de nefelina natural 53ºC 50ºC
As amostras foram submetidas à analise por microscopia eletrônica de varredura .
Por meio dessas micrografias (Figura 6) é possível verificar a formação de possíveis
frentes de cristalização nos materiais vitrocerâmicos.
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Após o ataque químico que os corpos de prova foram submetidos, foi constatada
uma melhora na visualização dos fenômenos que ocorreram no material como a já
citada frente de cristalização. (Figura 5).
VTNS VTNN
Figura 05 – Micrografias obtidas por MEV das amostras VTNS e VTNN.
CONCLUSÕES
Obteve-se uma drástica mudança de coloração durante a cristalização onde a
amostra de nefelina sintética passou de uma coloração amarela (antes do
tratamento) para cinza, e a amostra ocre passou para cor negra após o tratamento,
sendo que ambas mudaram de transparentes para opaco;
1) A temperatura de cristalização do sistema é de 914ºC;
2) Análise por difração de raio-x indica que houve formação da fase nefilina,
entretanto a fase titanato de bário se formou-se possui intensidade relativa muito
pequena;
4) Obteve-se vitrocerâmicos que se aquecem quando submetido ao radiação de
microondas.
REFERÊNCIAS A. C. R. N. BARBOZA, Aquecimento em forno de microondas: desenvolvimento de
alguns conceitos fundamentais.Química Nova, Campinas, Vol. 24, n.6, p. 901-902,
2001
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10
C. D. G BORBA, Obtenção e caracterização de vitrocerâmicos de nefelina: medição de tamanho de cristalino e quantificação de fases por difração de raios-x.
2000. 137f Tese (Doutorado em Ciências e Engenharia d Materiais) – Universidade
Federal de Santa Catarina, Florianópolis, abril de 2000.
G.M. BUSTAMANTE, J. C. BRESSIANI,. A industria cerâmica brasileira. Cerâmica Industrial, 5 (3) Maio/junho, p. 31-36, 2000.
W. D. CALLISTER, Jr, Ciência e Engenharia de Materiais: uma
introdução.Tradução de Sérgio Murilo Stamile Soares. 5. ed. Rio de Janeiro: Editora
LTC, 2002. 589 p. Título original : Materials Science and Engineering: an
introduction.
S. CHATTERJEE, B. D. STOJANOVIC, H.S. MAITI, Effect of additives and powder preparation techniques on PTCR properties of barium titanate, Materials Chemistry and Physics 78, 2003, 702–710. C.M. CHENGA, C. F. YANGB, S. H. LOB, T.Y. TSENG, Sintering BaTi4O9/Ba2Ti9O20 based ceramics by glass addition, Journal of the European Ceramic Society 20 (2000) 1061±1067 A. FELTZ, Amorphous: inorganic materials and glass. New York: VHC, 1993
I. GUTZOW, J. SCHMELZER, The vitreous state: thermodynamics, struture,
rheology and crystalization. 1. ed. Berlin: Springer-Verlag, 1995, 468 p.
R. HEVIA, , et al. Introducción a los esmaltes cerâmicos. 1. ed. Castellón: Faenza
Editrice Ibérica, S.L. , 2002. 224 p.
T. HU, H. JANTUNEN, A. UUSIMAKI, S. LEPPAVUORI Ba0.7Sr0.3 TiO3 powders with B2O3 additive prepared by the sol–gel method for use as microwave material Materials Science in Semiconductor Processing 5 (2003) 215–221 C. T. KNIESS,.Utilização de cinzas pesadas de carvão mineral com adição de óxido de lítio na obtenção de materiais vitrocerâmicos. 2001.135f. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de Santa Catarina,
Florianópolis, fevereiro de 2001.
J. F. MACDOWELL, Microwave heating of nefeline glass-ceramics. Ceramics Bulletin, Corning, Vol. 63, n. 2, p. 282-286, 1984. A. S. MONAYENKOVA, A. F. VOROB, A. A. POPOVA, L. A. TIPHLOVA, Thermochemistry of some barium compounds, J. Chem. Thermodynamics 2002, 34, 1777–1785.
NAVARRO, J. M. F., El vidrio. 2. ed. Madrid: Editora del CSIC, 1992.
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11
SEZZI, G. Produção e consumo mundial de revestimentos cerâmicos. Cerâmica Industrial, 7 (5) setembro/outubro, p. 20-28, 2002.
VOGEL, W. Glass Chemistry. Second edition. Berlin: Springer-Verlag, 1994
M. ZHU, B. WANG, R. WANG, S. SUN, H. YAN, Z. DING, Efect of internal electrostatic .eld on isothermal orientation of barium titanium silicate polar glass-ceramics Journal of Non-Crystalline Solids 324, 2003, 172–176.
Nepheline glass ceramics thermically induced by microwave radiation: a preliminary study
Nuernberg 1 , G. G. V., Angioletto 2, E. Menegali 3, G.,
1 – UDESC - Universidade do Estado de Santa Catarina; 2 – UNESC Universidade
do Extremo Sul Catarinense; 3 – CMG Colégio Maximiliano Gaidzinski
Abstract
This work deals with the development of a vitreous material that interacts with
microwave radiation increasing the heating for domestic use in microwave ovens.
Using a chemical composition designed to obtain a sodic nepheline phase, it was
added some raw materials that lead to a barium titanate phase formation. Also, it was
determined the crystallization influence on the microwave absorption efficiency by
DTA, XRD, SEM and OM analysis, resulting in a temperature increase of the
samples during use. The results showed that the use of a glass ceramics to help
microwave heating is possible.
Keywords: microwaves, nepheline phase, glass ceramics
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