4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.2 RESULTADOS QUANTO A COMPOSIÇÃO E PROCESSO
Foram determinados os valores de porosidade e densidade aparente total das espumas de vidro para o primeiro modelo fatorial (tabela 6), a partir do método de Arquimedes.
Tabela 6 – Resultados experimentais para o primeiro modelo fatorial
Condição tp (min) B (% peso) N (% peso) Paberta (%) Pfechada (%) ρapt (%) 1 - - - 16,89 67,70 0,382 2 + - - 18,40 67,75 0,344 3 - + - 4,20 69,61 0,657 4 + + - 3,43 65,12 0,789 5 - - + 53,87 38,50 0,172 6 + - + 54,05 38,59 0,165 7 - + + 32,88 54,97 0,279 8 + + + 30,07 58,63 0,259 Fonte: O autor.
O experimento reportado na tabela 6 foi feito em duplicata. A partir dos resultados de porosidade aberta, porosidade fechada e densidade aparente total determinaram-se os efeitos e interações calculados pelo software para as respostas experimentais obtidas (tabela 7).
Tabela 7 – Efeitos e interações calculadas para o primeiro modelo fatorial. Os dados
destacados referem-se aos efeitos e interações significativas
Efeito Paberta (%) Pfechada (%) ρapt (g/cm3)
tp -0,47±2,31 -0,26±2,72 0,017±0,052 B -18,16±2,31 7,98±2,72 0,230±0,052 N 31,99±2,31 -17,64±2,72 -0,325±0,052 tp x B -1,32±2,31 -0,44±2,72 0,040±0,052 tp x N -0,84±2,31 2,17±2,72 -0,030±0,052 B x N -4,33±2,31 10,06±2,72 -0,130±0,052 tp x B x N -0,18±2,31 2,19±2,72 -0,046±0,052 Fonte: O autor.
Esses valores foram plotados em um gráfico de efeito normal (gráfico 7), mostrando os valores normalizados relativos à distribuição do ajuste linear (Teste-t de hipótese).
A partir dos resultados do gráfico 7(a), que analisa os efeitos e interações das variáveis na porosidade aberta, percebe-se que a variação na proporção de bórax (B) e na proporção de hidróxido de sódio (N) foram significativas, enquanto que o tempo de patamar e as demais interações não trazem nenhuma resposta significativa para essa propriedade. Os resultados obtidos (tabela 7) indicam que o aumento na proporção de hidróxido de sódio de 5 para 10% provoca um aumento na porosidade aberta, elevando-a em 31,99%. Isso ocorre devido à maior quantidade de gases liberados durante a sinterização, os quais tendem a criar interconectividade à medida que escapam do material (41, 131).
O aumento na proporção de bórax provoca um efeito inverso, reduzindo a porosidade aberta em 18,16%. Esse efeito ocorre porque o óxido de boro tende a reduzir a viscosidade do fundido (34, 50), o que favorece o fechamento dos poros. O Na2O oriundo tanto do NaOH quanto do bórax, provoca o surgimento de oxigênios não ligantes na rede de silicato promovendo a despolimerização da rede amorfa de SiO4, consequentemente, também reduzindo a viscosidade do fundido (40).
Gráfico 7 – Efeito normal (significância 0,05) para primeiro experimento estatístico: a) efeitos para a porosidade aberta, b) efeitos para a porosidade fechada, c) efeitos para a densidade aparente total
Neste trabalho não foi detectada a presença de anomalia de boro (seção 2.2.3) em nenhuma das composições, visto que as proporções molares de Na2O foram superiores a 16% e a razão Na2O/B2O3 foram inferiores a 0,1. Em uma pesquisa que relata a utilização de resíduos de vidro plano com composição química semelhante à utilizada nesse trabalho também não teve a presença dessa anomalia mesmo em proporções de bórax variando entre 8 e 12% (1).
Foi possível verificar a influência tanto do hidróxido de sódio quanto do bórax na porosidade fechada (gráfico 7(b)). Porém, percebe-se que também existe uma interação entre essas duas variáveis. Quando isso acontece, a interpretação do efeito provocado não se realiza individualmente e sim em conjunto (gráfico 8(a)) (113, 132).
Gráfico 8 – Interação entre variáveis da proporção de bórax e hidróxido de sódio: (a) em
relação à porosidade fechada, (b) em relação à densidade aparente total
Fonte: O autor.
Na parte I do gráfico 8(a) se verifica que para as composições com menores proporções de bórax, quando se eleva a proporção de hidróxido de sódio de 5 para 10% existe uma tendência acentuada à redução da porosidade fechada devido à maior quantidade de gases eliminados pelo hidróxido de sódio. Porém, para as composições onde se tem maiores proporções de bórax, o efeito da elevação do hidróxido de sódio apesar de seguir a mesma tendência, é menos pronunciado. Isso
ocorre porque o fechamento dos poros, provocado pela maior quantidade de bórax, se opõe à formação de porosidade aberta, minimizando esse efeito. Esse fechamento de poros também pode ser corroborado quando se analisa a parte II do gráfico 8(a). Observa-se que para as composições com maior proporção de hidróxido de sódio quando se eleva a quantidade de bórax de 5 para 10% ocorre um aumento da porosidade fechada. Já no caso de menores proporções de hidróxido de sódio, como se tem menos formação de gás, o fundido menos viscoso, além de ter promovido o fechando poros abertos, também reduziu os poros fechados, provocando a densificação do material. Isso fica evidenciado quando se comparam os resultados de porosidade e densidade aparente total da tabela 6 (condições 1 e 2 com as condições 3 e 4).
De uma maneira geral, observou-se que quando se pretende obter uma espuma com maior quantidade de poros abertos (como por exemplo, para aplicações de catálise ou filtragem, deve-se partir para maiores proporções de agente de expansão e menores proporções de agente de fluxo. Já no caso de necessitar-se de uma espuma predominantemente com porosidade fechada, como as utilizadas em isolamento térmico, deve-se optar por menores proporções de agente de expansão. Em relação ao agente de fluxo, apesar das maiores proporções favorecerem o fechamento dos poros abertos, podem também promover a densificação do material o que não é desejável para as propriedades da espuma. Existe assim a necessidade de verificar qual o ponto ótimo para uma determinada composição.
Neste trabalho também foi considerado o efeito das variáveis na densidade aparente total da espuma (gráfico 7(c)). Novamente comprovou-se a interação entre as proporções de bórax e hidróxido de sódio, a qual é analisada (gráfico 8(b)).
Na parte I do gráfico 8(b), observa-se que para as composições com uma menor proporção de bórax, quando se eleva a proporção de hidróxido de sódio de 5 para 10% tem-se uma tendência à redução da densidade aparente total. Isso ocorre pelo efeito de expansão promovida por uma maior quantidade gás gerada pelo agente de expansão. Esse efeito se repete de forma mais acentuada nas composições com mais bórax, pois a redução na viscosidade do fundido, favorece a expansão promovida pelos gases.
A parte II do gráfico 8(b) demonstra a elevação da densidade aparente total com o acréscimo de proporção de bórax, sendo esse efeito mais pronunciado
quando se tem menores proporções do agente de expansão, isso ocorre devido ao fundido menos viscoso que gera fechamento e densificação, aliado às menores quantidades de gás geradas, conforme já explicado anteriormente.
As imagens obtidas via MEV foram realizadas para as quatro condições significativas do primeiro modelo fatorial (figura 12).
Figura 12 – MEV de espumas de vidro para as quatro condições significativas do primeiro
experimento fatorial – 70x. (a) Condição 1 (5% bórax e 5% NaOH). As setas
indicam a nucleação de poros; (b) Condição 3 (10% bórax e 5% NaOH); (c) Condição 5 (5% bórax e 10% NaOH). As setas indicam a nucleação de poros no interstício e rompimento de células por pressão de gás; d) Condição 7 (10% bórax e 10% NaOH). As setas indicam a predominância de nucleação nos interstícios
Fonte: O autor.
Percebe-se uma nucleação de um grande número de pequenos poros intersticiais (figura 12 (a)), quando se tem 5% de bórax, os quais não são vistos quando a quantidade de bórax é aumentada para 10% (figura 12 (b)). Isso ocorre pelo efeito já demonstrado da densificação promovida pelo bórax.
Para maiores proporções de hidróxido de sódio (12 (c) e (d)) tende-se a gerar espumas com maiores tamanhos de poros. Isso ocorre porque se tem maior pressão de vapor devido à maior quantidade de gases formados o que promove o crescimento das células.
A comparação da condição com 5% de bórax e 10% de NaOH (figura 12 (c)) e a condição com 10% de bórax e 10% de NaOH ((figura 12 (d)) permite averiguar que menores quantidades de bórax geram menor nucleação de poros em regiões intersticiais e rompimento de células em virtude da pressão do gás responsável pela espumação, gerando porosidade aberta. Já para quantidades maiores, devido a menor viscosidade de fundido, predomina-se a nucleação de poros no interstício.
Para realização do segundo modelo estatístico optou-se pela composição contendo 5% de bórax e 10% de hidróxido de sódio, a qual foi a composição onde se verificou a maior espumação dentre as espumas obtidas. Os resultados dos efeitos calculados e suas respectivas interações e significâncias para o segundo experimento foram demonstrados conforme tabela 8 e gráfico 9.
Tabela 8 – Efeitos e interações calculadas para o segundo modelo fatorial. Os dados
destacados referem-se aos efeitos e interações significativas
Efeito Paberta(%) Pfechada (%) ρapt (g/cm3)
P 0,07±0,76 0,40±0,86 -0,010±0,006 tm -0,20±0,76 0,60±0,86 -0,009±0,006 T 1,80±0,76 -1,98±0,86 0,004±0,006 P x tm 0,09±0,76 -0,09±0,86 -0,000±0,006 P x T 0,15±0,76 0,21±0,86 -0,008±0,006 tm x T -0,04±0,76 -0,02±0,86 0,001±0,006 P x tm x T -0,76±0,76 1,07±0,86 -0,007±0,006 Fonte: O autor.
Nesse experimento, foi possível perceber que a pressão de compactação e o tempo de moagem não apresentaram nenhum efeito significativo nos parâmetros estudados. Em outra pesquisa reportada na literatura o tempo de moagem também não trouxe variações consideráveis na espuma de vidro obtida (41). Porém, verificou-se que um maior tempo de moagem reduziu o tamanho de poros e homogeneizou sua distribuição sem que se houvessem variações significativas nas demais variáveis. Esses parâmetros não foram avaliados nos modelos fatoriais. As imagens dessas espumas, bem como, de outras obtidas em diferentes condições são demonstradas no apêndice C.
Gráfico 9 – Efeito normal (significância 0,05) para segundo experimento estatístico: a) efeitos para a porosidade aberta, b) efeitos para a porosidade fechada, c) efeitos para a densidade aparente total
Em relação à temperatura de patamar de queima, a variação da temperatura de 730 oC para 750 oC interferiu somente no efeito na porosidade aberta, acarretando em um aumento de 1,80% na quantidade desses poros. Isso se deve ao fato de o aumento na temperatura reduzir a viscosidade do fundido e facilitar a liberação dos gases produzidos durante a sinterização. Porém, essa redução na viscosidade do fundido não foi suficiente para alterar a porosidade fechada e densidade aparente total da espuma dentro do nível de significância estatística estudado. Com isso, acredita-se que uma variação de temperatura superior aos 20 oC provavelmente trarão efeitos significativos na estrutura das espumas, conforme outros trabalhos reportados (69, 133, 134).
Para checar a validade dos modelos estatísticos estudados, construíram-se gráficos normais dos valores residuais (gráfico 10). O modelo é considerado válido quando os dados apresentam-se próximos da linha (113). Todas as respostas residuais são coerentes com o ajuste linear (gráfico 10), indicando validade dos modelos estudados.
Gráfico 10 – Gráficos normais com valores residuais de modelos fatoriais: (a) Experimento 1,
(b) Experimento 2
Em relação aos ensaios de solubilidade foram testadas as condições com melhores resultados (1,5 e 7). Os testes das amostras imersas em água durante 24 horas não alteraram a massa das espumas de vidro e o pH da água onde as amostras ficaram imersas permaneceu constante.
Estas amostras de espuma de vidro e o resíduo de vidro (RV) também foram observados quanto a sua estabilidade química em ataques ácidos. Para as amostras imersas nos ácidos com 10% de concentração não se verificou variação de massa ou volume apreciável em nenhum dos ataques.
Os resultados dos testes em ácido sulfúrico, clorídrico e nítrico, todos esses concentrados, também foram avaliados (tabela 9).
Tabela 9 – Perda de massa de espumas de vidro após teste de dissolução em ácidos
concentrados
H2SO4 HCl HNO3
Condição Perda de massa (%) Perda de massa (%) Perda de massa (%)
RV 0,0018 ± 0,0006 0,0689 ± 0,0150 0,0457 ± 0,0188
1 0,3910 ± 0,0097 0,4586 ± 0,0104 0,0469 ± 0,0125
5 0,7142 ± 0,0256 0,6410 ± 0,0386 0,3544 ± 0,0218
7 0,8768 ± 0,0442 9,5452 ± 0,3166 8,0645 ± 0,2184
Fonte: O autor.
O resíduo de vidro apresentou pequena perda de massa, principalmente ao ataque do ácido sulfúrico. As amostras contendo 5% de bórax e 5% de NaOH (condição 1) apresentaram as menores perdas de massa dentre as espumas de vidro, as quais foram inferiores a 0,50%, com menor variação quando estiveram imersas na solução de ácido nítrico, onde a perda de massa foi análoga ao resultado obtido para o resíduo de vidro.
Nas amostras contendo 5% de bórax e 10% de NaOH (condição 5) percebeu-se uma alteração de massa superior à condição 1, variando entre 0,35% e 0,71%, indicando uma maior suscetibilidade ao ataque. Novamente a melhor resistência ocorreu ao ataque do ácido nítrico.
As amostras contendo 10% de bórax e 10% de NaOH (condição 7) tiveram melhor resistência ao ataque do ácido sulfúrico e para os demais ácidos as perdas de massa foram consideráveis, o que indica que sofreram elevados ataques a esses ácidos para essas concentrações.
A interpretação dos resultados leva a supor que o aumento da quantidade de Na2O na composição, quando são comparadas as condições 1 e 5, tende a reduzir a resistência química promovido pela despolimerização da rede primária de SiO4, que por sua vez, foi provocado pela formação de oxigênios não ligantes (40). Essa redução na resistência química acentuou-se com o aumento na quantidade de bórax (condição 7) para os ácidos clorídrico e nítrico. Para uma futura utilização desses materiais, destaca-se que o ataque químico realizado com ácidos concentrados é muito mais severo do que os ataques realizados em espumas de vidro para aplicações convencionais como isolantes térmicos.