UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA -EEL

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BEATRIZ REGINA PARRA

OBTENÇÃO DE ALUMINA POROSA UTILIZANDO CASCA DE ARROZ COMO AGENTE POROGÊNICO

LORENA 2016

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BEATRIZ REGINA PARRA

Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação apresentado à Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo, para atender parte dos requisitos

para obtenção do diploma de Engenheira de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Sebastião Ribeiro

Lorena - SP 2016

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AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena, com os dados fornecidos pelo (a) autor (a)

Parra, Beatriz Regina

Obtenção de alumina porosa utilizando casca de arroz como agente porogênico / Beatriz Regina Parra; orientador Sebastião Ribeiro. - Lorena, 2016.

59 p.

Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia de Materiais - Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo. 2016 Orientador: Sebastião Ribeiro

1. Cerâmica porosa. 2. Alumina. 3.Porosidade. 4. Casca de arroz. 5. Elemento porogênico

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Dedico este trabalho aos meus pais Jorge e Rita, à minha irmã Deborah e aos amigos de verdade.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço do fundo do meu coração aos meus pais Jorge Alberto Parra e Rita de Cassia Granata Parra que são mais do que simplesmente pais. São meus melhores amigos, meus conselheiros e meus apoiadores incondicionais. Agradeço por me darem a vida e tudo o que há nela. Enfim, agradeço por tudo. Sem eles, não seria quem eu sou e não sonharia com o que sonho.

Agradeço à minha irmã Deborah Cristina Parra, que também é parte de mim e de quem eu sou. Que sempre esteve por perto, e sempre estará.

Agradeço ao meu melhor amigo e maior companheiro desse período de graduação, Murilo de Oliveira Sacco Júnior. Nós fizemos tudo junto, desde o começo até o fim. Dele eu tive ajuda, apoio e companhia, nas matérias da faculdade e nas matérias da vida.

Agradeço aos amigos verdadeiros, que estavam sempre lá quando eu precisei.

Agradeço ao Professor Sebastião Ribeiro pela paciência e pela ajuda ilimitada tanto durante suas aulas, quanto durante a orientação e execução de cada tarefa desse trabalho. Pelas dicas e pelo conhecimento passado.

Agradeço também à Marcela Oliveira e ao Bento Ferreira que me ajudaram muito com a execução dos ensaios desse trabalho.

Agradeço aos professores do DEMAR (Departamento de Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia de Lorena, Lorena, São Paulo), por todas as aulas e conhecimento transmitido e por terem sido responsáveis por minha formação.

E, por fim, agradeço também aos técnicos do DEMAR, pela gentileza e rapidez ao me atender sempre que precisei de ajuda.

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EPÍGRAFE

“Ama-se mais o que se conquista com esforço”. Benjamin Disraeli

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Fluxograma do processo de obtenção de alumina pelo processo Bayer .. 18

Figura 2 - Geometrias do teste de flexão e diagrama de tensão dos dois casos ... 21

Figura 3 - Fluxograma dos procedimentos experimentais ... 25

Figura 4 - Casca de arroz ... 25

Figura 5 - Moinho com os corpos moedores e casca de arroz ... 26

Figura 6 - Diagrama de fases sílica-alumina ... 29

Figura 7 - Ciclo de queima das amostras ... 29

Figura 8 – Retificadora utilizada e disposição das amostras na retificadora ... 30

Figura 9 - Amostra prismática após retificação e corte ... 31

Figura 10 - Amostra no dispositivo do ensaio de flexão ... 32

Figura 11 – Superfícies fraturadas das amostras após a metalização ... 33

Figura 12 - Composições 10% e 15% em peso de casca de arroz com granulometria -65+100 mesh após a queima ... 34

Figura 13 - Amostra de composição 15% em peso de casca de arroz com faixa granulométrica de -100+250 mesh após tentativa de corte ... 34

Figura 14 - Gráfico de barras da massa específica à verde e sinterizada para todas as composições e seus desvios padrão ... 36

Figura 15 - Gráfico de barras que mostra a retração das amostras em porcentagem para cada composição ... 37

Figura 16 - Módulo de elasticidade médio e seus desvios padrão versus a massa específica ... 39

Figura 17 - Módulo de elasticidade médio e seus desvios padrão para cada composição ... 40

Figura 18 - Módulo de ruptura médio e seus desvios padrão versus sua massa específica ... 41

Figura 19 - Módulo de ruptura médio e seus desvios padrão para cada composição42 Figura 20 – Volume médio de poros para cada composição ... 43

Figura 21 - Diâmetro médio dos poros para cada composição analisada ... 44

Figura 22 – Frequência dos diâmetros dos poros para cada composição ... 45

Figura 23 - Volume de mercúrio intrudado e extrudado variando de acordo com a pressão aplicada ao mercúrio ... 46

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Figura 24 – Micrografia do pó de casca de arroz com granulometria de -65+100 e -250 mesh com formato irregular ... 46 Figura 25 - Difratograma da amostra com composição 5% em peso de casca de arroz ... 48 Figura 26 - Difratograma da amostra com composição 10% em peso de casca de arroz ... 48 Figura 27 - Difratograma da amostra com composição 15% em peso de casca de arroz ... 49 Figura 28 Amostras de 5, 10 e 15% em peso de casca de arroz com granulometria -250 mesh... 50 Figura 29 - Amostras de 5, 10 e 15% em peso de casca de arroz com granulometria de -100+250 mesh ... 50 Figura 30 - Amostra de 5% em peso de casca de arroz com granulometria -65+100 mesh ... 50 Figura 31 - Micrografias da superfície fraturada da amostra com composição de 5% e granulometria de -250 mesh... 51 Figura 32 - Micrografias da superfície fraturada da amostra com composição de 10% e granulometria de -250 mesh ... 52 Figura 33 - Micrografias da superfície fraturada da amostra com composição de 15% e granulometria de -250 mesh ... 53 Figura 34 - Micrografias da superfície fraturada da amostra com composição de 5% e granulometria de -100+250 mesh ... 54 Figura 35 - Micrografias da superfície fraturada da amostra com composição de 10% e granulometria de -100+250 mesh... 55 Figura 36 - Micrografias da superfície fraturada da amostra com composição de 5% e granulometria de -65+100 mesh ... 56

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Composição química da casca de arroz ... 27 Tabela 2 - Composições das amostras ... 28 Tabela 3 - Composições iniciais e observações sobre sua resistência ao corte ... 35 Tabela 4 - Massas específicas médias das amostras à verde e após a sinterização e seus respectivos desvios padrão ... 35 Tabela 5 - Retração linear média e desvios padrão para cada composição ... 37 Tabela 6 - Módulo de elasticidade (E), seus desvios padrão e as massas específicas médias para cada composição ... 38 Tabela 7 - Módulo de ruptura médio com seus desvios padrão e massas específicas para cada composição ... 40

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RESUMO

Cerâmicas porosas possuem muitas aplicações no mercado e podem ser usadas como, por exemplo, suporte para catalisadores, isolantes térmicos, filtros usados em altas temperaturas, trocadores de calor e até mesmo implantes biomédicos. As propriedades térmicas, sua alta área superficial e sua baixa densidade são os grandes diferenciais desse grupo de materiais. Atualmente, usa-se como elemento porogênico materiais como espumas poliméricas, pós de madeira, entre outros.

A casca de arroz é um rejeito agropecuário produzido em grande quantidade. Algumas aplicações desse rejeito são a queima para a geração de energia para a própria usina beneficiadora de arroz, ou ainda as cinzas da casca podem ser utilizadas como fonte de sílica ativa na fabricação de concretos de alto desempenho.

O objetivo desse trabalho é obter cerâmicas de alumina porosa com boas propriedades mecânicas (módulo de ruptura e de elasticidade) utilizando a casca de arroz como elemento porogênico. Assim, diminui-se ainda mais o impacto desse rejeito na natureza e ainda se produz um material com grande valor econômico.

Alumina calcinada e casca de arroz lavada, seca, moída e classificada granulométricamente foram misturadas em 9 diferentes composições. Depois da mistura, as amostras foram conformadas numa prensa e sinterizadas. As propriedades obtidas foram as densidades à verde e sinterizada, as retrações, o módulo de elasticidade, o módulo de ruptura, a composição de fases e a porosidade de cada composição. A análise microestrutural também foi realizada.

Como resultado obteve-se o esperado: quanto menor é a massa específica, maior será a porosidade, porém, menores serão os módulos de elasticidade e de ruptura. As fases encontradas foram a alumina, a mulita e a cristobalita. Entretanto, o diâmetro dos poros obtido para os diferentes granulometrias de casca de arroz não seguiu o esperado, pois, em média, foi igual para todas as composições. Isso se deve ao fato de que o tempo e a temperatura da sinterização foram suficientes para que ocorresse transporte de massa para que os poros se fechassem.

Concluiu-se que é possível utilizar casca de arroz como elemento porogênico na produção de alumina porosa e como resultado obtém-se um produto final com propriedades mecânicas dependentes de sua densidade.

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ABSTRACT

Porous ceramics have many applications in market and can be used as, for example, supports for catalysts, thermic insulator, filters that can be used in high temperatures, heat exchangers and biomedical implants. The thermal properties, high superficial area and low density are the differential of these materials group. Today, materials as polymeric foams and wood dust are used to produce porous ceramics.

The rice husk is an agricultural reject that is produced in high quantity. Some applications to this material are production of energy to the rice producer and the rice husk ash can be used as source of active silica to produce high performance concrete.

The objective of this dissertation is to obtain porous alumina with reasonable mechanical properties using rice husk to produce the pores so the impact of this material to the nature can be decreased and, at the same time, produce a material with a high aggregated value.

Calcined alumina and washed, dried, ground and granulometrically classified rice husk were mixed in nine different compositions. After the mixing, the samples were pressed and sinterized. The properties that were measured were green density, sintered density, retraction, modulus of elasticity, modulus of rupture, the phases composition and the porosity of each composition. The microestrutural analyses were also done.

As results, the obtained was the expected: the lower is density, the greater will be the porosity, but the modulus of elasticity and modulus of rupture will be lower. Alumina, mulite and cristobalite phases were found.

However, the pores diameter was different that the expected. The expected was that the greater was the particle size of rice husk the greater the pores should be, but the result was that the diameter was almost the same for all compositions. Probably this issue was caused by the fact that the time and temperature of the sintering were sufficient to cause mass transport to close the pores.

The conclusion was that the rice husk can be used as pore former to produce porous alumina and, as result, the final product obtained have mechanical properties that will vary with your density.

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 2 JUSTIFICATIVA ... 15 3 OBJETIVO ... 16 4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16 4.1 Cerâmicas ... 16 4.1.1 Cerâmicas porosas ... 16 4.1.1.1 Elemento Porogênico ... 17 4.2 Alumina ... 18 4.3 Arroz ... 19 4.3.1 Casca de arroz ... 19

4.4 Testes mecânicos em cerâmicas ... 20

4.4.1 Resistência à flexão – Módulo de ruptura ... 21

4.4.2 Determinação do módulo de elasticidade ... 22

4.5 Medidas de porosidade ... 23

4.5.1 Porosimetria de mercúrio ... 23

5 MATERIAIS E MÉTODOS ... 24

5.1 Materiais ... 24

5.2 Métodos ... 24

5.2.1 Preparo da casca de arroz ... 25

5.2.1.1 Lavagem e secagem da casca de arroz ... 25

5.2.1.2 Moagem da casca de arroz ... 26

5.2.1.3 Classificação granulométrica ... 26

5.2.1.4 Análise química da casca de arroz ... 26

5.2.2 Mistura da casca de arroz com a alumina ... 27

5.2.3 Conformação das amostras ... 28

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5.2.5 Medição e pesagem das amostras ... 29

5.2.6 Retificação das amostras ... 30

5.2.7 Corte das amostras ... 30

5.3 Caracterização das amostras sinterizadas ... 31

5.3.1 Módulo de elasticidade ... 31

5.3.2 Módulo de ruptura ... 31

5.3.3 Porosidade ... 32

5.3.4 Análise de fases ... 32

5.3.5 Análise microestrutural e fractográfica ... 33

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 33

6.1 Amostras não sinterizadas ... 33

6.2 Amostras sem resistência ao corte ... 34

6.3 Massa específica à verde e sinterizada ... 35

6.4 Retração linear das amostras ... 37

6.5 Módulo de elasticidade ... 38

6.6 Módulo de ruptura ... 40

6.7 Porosidade ... 42

6.8 Análise de fases ... 47

6.9 Aparência macroscópica das amostras ... 49

6.10 Análise microestrutural e fractográfica ... 50

6.10.1 MEV da amostra de composição 5% -250 mesh ... 51

6.10.4 MEV da amostra de composição 5% -100+250 mesh ... 53

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1 INTRODUÇÃO

Cerâmicas porosas possuem muitas aplicações no mercado como, por exemplo, isolantes térmicos, suportes de catalisadores, filtros usados em altas temperaturas, trocadores de calor e implantes biomédicos. Essa grande gama de aplicações se deve às suas propriedades térmicas, como sua refratariedade, sua resistência ao choque térmico e sua baixa condutividade térmica e outras propriedades tais como sua baixa densidade e alta área superficial (MOHANTA et al., 2014).

Muitos materiais podem ser usados como elementos porogênicos (aquele que gera os poros). Como exemplo podem ser citados os amidos, espumas poliméricas, pós poliméricos, pó de madeira entre outros (HE et al., 2015).

A casca de arroz é um rejeito agropecuário, ou seja, é um problema ambiental à ser considerado. Cerca de 23% do peso do arroz corresponde à casca e, segundo o IBGE, a produção em 2015 no Brasil foi de 12.303.130 toneladas, ou seja, 2.829.719,9 toneladas de casca de arroz foram produzidas (IBGE, 2016).

Atualmente, a casca de arroz tem sido utilizada para a fabricação de blocos e painéis para a construção civil ou é reaproveitada na própria usina de beneficiamento de arroz. Outro possível uso dessa casca é como elemento porogênico para a produção de cerâmicas porosas (DELLA et al., 2001).

Este trabalho tem como objetivo a produção de cerâmicas porosas utilizando alumina como matriz e a casca de arroz como elemento porogênico. Além do fato de ser um material composto por uma fração orgânica que entra em combustão durante o processo de sinterização formando os poros, a casca de arroz também possui sílica que reagirá com a alumina da matriz formando mulita (3Al2O3.2SiO2) um composto

cerâmico de alta resistência mecânica e ao choque térmico, alta refratariedade e inércia térmica (MENEZES et al., 2008).

2 JUSTIFICATIVA

As cerâmicas porosas possuem uma vasta gama de aplicações no mercado e a casca de arroz é um rejeito agropecuário, considerado um problema ambiental. A utilização desse rejeito como agente porogênico é uma forma interessante de eliminá-lo da natureza obtendo ainda um novo produto com grande potencial econômico.

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3 OBJETIVO

O objetivo desse trabalho foi obter uma cerâmica porosa com boas propriedades mecânicas a partir de uma matriz de alumina com a adição de casca de arroz como elemento porogênico.

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4.1 Cerâmicas

A melhor definição de cerâmica é dada por Kingery (1976) e é simplesmente “materiais cerâmicos são inorgânicos e não metálicos”. São geralmente compostos formados por elementos metálicos e não metálicos cujas ligações são total ou parcialmente iônicas. Geralmente são óxidos, nitretos e carbonetos. A palavra cerâmica vem do grego keramikos que significa “matéria queimada”, o que indica que a matéria deve ser queimada para que as propriedades desejadas sejam obtidas (CALLISTER, 2011).

Existem muitos tipos de cerâmicas, desde as chamadas “cerâmicas tradicionais” que são aquelas que tem como matéria-prima base a argila e sílica (porcelana, tijolos e telhas) e as “cerâmicas avançadas” que também podem ser chamadas de “cerâmicas especiais”, ou “cerâmicas tecnológicas” ou ainda de “cerâmicas de engenharia” que são provenientes de materiais sintetizados. Esse grupo de cerâmicas apresentam geralmente propriedades mecânicas superiores como a resistência à oxidação e corrosão, e/ou propriedades térmicas, ópticas, magnéticas ou elétricas. Essa gama variada de propriedades fazem com que as cerâmicas avançadas tenham aplicações mais específicas e nobres tendo até mesmo, por exemplo, no setor aeroespacial. Enquanto as cerâmicas tradicionais são usadas há mais de 25000 anos, cerâmicas avançadas foram desenvolvidas somente nos últimos 100 anos (CALLISTER, 2011).

4.1.1 Cerâmicas porosas

Devido às limitações do processo de prensagem de pós cerâmicos, na maioria das vezes, tem-se alguma porosidade residual que, no caso das cerâmicas densas, causam redução da resistência mecânica do produto final. Tem-se também um outro

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lado, o das cerâmicas porosas, que têm aplicações diferentes. Nos dois casos, o controle da porosidade é de extrema importância (YOSHIMURA et al., 2005).

Propriedades térmicas singulares como a baixa condutividade térmica, alta refratariedade, baixa densidade e alta área superficial tornam as cerâmicas porosas muito interessantes para aplicações tecnológicas como, por exemplo, filtros usados em alta temperatura, suporte para catalisadores, isolamento térmico, entre outras (ROMANO; PANDOLFELLI, 2006).

Geralmente, cerâmicas porosas apresentam menor resistência mecânica quando comparadas com as cerâmicas densas e por isso, não são tão empregadas como materiais estruturais (VASCONCELOS, 1997).

4.1.1.1 Elemento Porogênico

A porosidade nas cerâmicas é decorrente das condições de processamento e das matérias-primas empregadas na obtenção de tal material (VASCONCELOS, 1997).

Atualmente, uma das principais técnicas para a obtenção de cerâmicas porosas é o uso de elementos porogênicos, ou seja, aquele que gera o poro (ŽIVCOVÁ et al, 2008).

Alguns exemplos de elementos porogênicos usados atualmente são pó de madeira, pós poliméricos, espumas poliméricas, amidos, dentre outros. Durante o processo de sinterização das cerâmicas, esses elementos porogênicos, que são previamente misturados à matriz cerâmica, queimam formando os poros (DUTRA; PONTES, 2002; NETO, CRUZ, 2012; ROMANO; PANDOLFELLI, 2006; HE, et al., 2015).

Segundo Mohanta, a casca de arroz pode ser usada como elemento porogênico na produção de cerâmicas porosas, pois possui uma fração orgânica responsável pela formação do poro durante a sinterização, e ainda possui grande quantidade de sílica, que pode reagir com a alumina da matriz (no caso de aluminas porosas), produzindo mulita (3Al2O3.2SiO2), um composto com propriedades térmicas

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4.2 Alumina

Alumina é o nome dado ao óxido de alumínio que é obtido principalmente através da bauxita pelo processo Bayer. A bauxita é um material heterogêneo constituído de uma mistura de hidróxidos de alumínio hidratados (gipsita, boehmita e diaspório) e impurezas como óxido de ferro, sílica, óxido de titânio e aluminossilicatos (CONSTANTINO, et al., 2002).

O processo Bayer é a principal rota comercial de obtenção de alumina e de hidróxido de alumínio. É baseado na dissolução da gibbsita, boehmita e diaspório em soda cáustica (NaOH). Na Figura 1 é apresentado um fluxograma que explica resumidamente o processo Bayer.

Figura 1 - Fluxograma do processo de obtenção de alumina pelo processo Bayer

FONTE: CONSTANTINO, et al., 2002

Do hidróxido de alumínio obtido pelo processo Bayer no mundo, 90% é destinado à produção de alumínio metálico e somente 10% para a produção de alumina (CONSTANTINO, et al., 2002).

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A alumina tem um papel importante em muitos setores da indústria como por exemplo para a fabricação de materiais refratários, abrasivos, velas de ignição entre outras (CONSTANTINO, et al., 2002).

4.3 Arroz

O arroz é uma planta da família das gramíneas, do gênero Oryza, que possui em torno de vinte espécies, sendo a mais cultivada a Oryza sativa (CONAB, 2015).

Segundo a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e Agricultura (FAO), a origem das plantações de arroz é ainda indefinida, mas sabe-se que o cultivo ocorreu independentemente na China, Índia e Indonésia por volta de 1500 à 2000 a.C. O arroz só foi introduzido no Brasil pela frota de Pedro Álvares Cabral, mas só começou a ser cultivado em 1530 na capitania de São Vicente e depois se espalhou pelo resto do território.

Hoje, o arroz é um dos cereais mais produzidos e consumidos do mundo, podendo ser classificado como principal alimento para mais da metade da população mundial. Segundo o IBGE, a produção em 2015 no Brasil foi de 12.303.130 toneladas (IBGE, 2015; CONAB, 2015).

O Vale do Paraíba é o maior produtor de arroz do estado de São Paulo segundo o IBGE. A região produz um milhão de sacas de 60 kg por ano, porém, no Brasil, o estado que mais produz é o Rio Grande do Sul (IBGE, 2015).

4.3.1 Casca de arroz

Depois de colhido, o arroz passa por procedimentos que tem como objetivo a retirada da casca e de outras estruturas do grão, e ainda outros processos que geram a mais variada gama de produtos finais, entre eles o arroz polido, o arroz integral e o arroz parboilizado. Segundo a Instrução Normativa nº 6/2009 (BRASIL, 2009), do Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, o arroz beneficiado é o produto maduro que foi submetido a algum processo de beneficiamento e se encontra desprovido de, no mínimo, sua casca. Ou seja, o primeiro processo de beneficiamento que o arroz deve passar para que qualquer produto final seja obtido é a retirada da casca (CONAB, 2015).

Segundo a Agência Embrapa de Informação Tecnológica, a etapa de descascamento do arroz é feita em máquinas providas de dois roletes de borracha,

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que giram em sentidos opostos, em velocidades diferentes, retirando o grão de arroz do interior da casca por um movimento de torção. Depois, o arroz é separado da casca em outra máquina, chamada câmara de palha, através de um sistema pneumático.

O grão de arroz, então, parte para os próximos processos de beneficiamento e finalmente atinge o seu destino final que é o consumidor. Porém, a casca de arroz, geralmente, não tem um destino tão nobre.

A casca de arroz é um rejeito agropecuário, ou seja, é um problema ambiental à ser considerado. Cerca de 23% do peso do arroz corresponde à casca e, segundo o IBGE, a produção em 2015 no Brasil foi de 12.303.130 toneladas ou seja, 2.829.719,9 toneladas de casca de arroz foram produzidas (DELLA, et al., 2001; IBGE, 2016).

Atualmente, são dois os possíveis destinos dados à casca de arroz. Ou a compostagem que reduz sua carga orgânica, mas tem como problemas o grande volume de metano produzido e o tempo que a casca de arroz leva para se decompor (aproximadamente 5 anos), ou a queima não controlada a céu aberto que produz uma grande quantidade de monóxido e dióxido de carbono (MAYER, et al., 2006).

Alguns engenhos de beneficiamento de arroz utilizam o poder energético da casca desse grão, ou seja, queimam a casca e com o calor produzido geram vapor que é utilizado processo de parboilização do arroz (MAYER, et al., 2006).

4.4 Testes mecânicos em cerâmicas

Os materiais cerâmicos são frágeis à temperatura ambiente e o estudo das falhas é de grande importância para esse grupo de materiais. Por causa das suas características, a medição, por exemplo, do módulo de elasticidade de uma cerâmica torna-se mais complexa quando comparada com a medição da mesma propriedade de um metal.

A grande dificuldade é o preparo das amostras no formato de “gravata borboleta”, pois a própria usinagem causaria falhas na superfície, fazendo com que os resultados gerados não sejam confiáveis. Geralmente, para se obter a curva tensão-deformação de cerâmicas, utiliza-se ensaios de flexão ou de compressão que é mais usado para concreto (CARTER, NORTON, 2007).

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4.4.1 Resistência à flexão – Módulo de ruptura

Os ensaios de flexão são utilizados com o objetivo de avaliar a resistência mecânica de um material quando submetido à uma carga fletora. Podem ser usados corpos de prova de formato retangular ou cilíndrico e podem ser realizados de duas formas: o ensaio de flexão de três pontos e o de quatro pontos. A Figura 2 mostra as duas geometrias e apresenta também o diagrama de tensões dos dois casos (CARTER, NORTON, 2007).

Figura 2 - Geometrias do teste de flexão e diagrama de tensão dos dois casos

FONTE: CARTER, NORTON, 2007

Nesse trabalho, o ensaio de flexão de 3 pontos com corpos de prova de formato retangular será utilizado. Como se pode notar pela figura, a amostra é apoiada por dois roletes na parte inferior e um rolete é colocado no centro do corpo de prova na parte superior. A amostra então sofre carregamento de compressão na parte superior e, simultaneamente, tração na superfície inferior.

A tensão máxima atingida na superfície da amostra quando ela rompe é chamada de módulo de ruptura (σr) e pode ser encontrada a partir da seguinte

equação:

𝜎_𝑟 = 3𝑃𝐿 2𝐵𝑊2×

𝐿 2⁄ − 𝑋

𝐿 2⁄ (1)

Em que P é a força aplicada no momento da fratura (N), L é a distância entre os dois apoios inferiores (mm), B é a largura do corpo de prova (mm), W é a altura do

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corpo de prova (mm), e X é o fator de correção, que corresponde a distância entre a posição onde ocorreu a fratura e o centro da amostra (CARTER, NORTON, 2007; CINTRA, et al., 2010).

4.4.2 Determinação do módulo de elasticidade

Conhecer algumas características mecânicas dos materiais, como por exemplo o módulo de elasticidade, é de extrema importância para projetar peças e componentes que qualquer deformação resultante seja prevista e não excessiva ao ponto de ocorrer falhas (COSSOLINO; PEREIRA, 2010).

Nesse trabalho foi medido o módulo de elasticidade, também conhecido como módulo de Young (E), que é uma grandeza proporcional à rigidez de um material quando submetido a uma tensão externa de tração ou compressão. É dado pela razão entre a tensão aplicada (σ) e a deformação causada por essa tensão (ε), ou seja:

𝐸 = 𝜎

𝜀 (2)

O método utilizado para tal medição foi o método por ultrassom, também chamado de pulso-eco. Esse método é não-destrutivo e consiste em emitir ondas ultrassônicas, que são ondas de alta frequência (acima de 20kHz), e captar seu eco. O pulso ultrassônico é emitido por um transdutor eletroacústico e quando encontra uma superfície refletora parte ou toda a sua energia é refletida, retornando ao transdutor. Calcula-se então o valor da velocidade do som para percorrer esta distância e em seguida o módulo de Young (COSSOLINO; PEREIRA, 2010).

Primeiramente a velocidade do pulso é calculada da seguinte maneira:

𝑉 = 𝐿

𝑡 (3)

Em que L é a distância entre os transdutores e t é o tempo que o pulso demora para percorrer essa distância. A partir dessa velocidade, calcula-se então o módulo de elasticidade E:

𝑉 = √ 𝐸 (1 − 𝜈)

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Em quem ρ é a densidade do material e ν é a razão de Poisson (COSSOLINO; PEREIRA, 2010).

Um problema desse método é justamente a necessidade de estimar o valor da razão de Poisson, pois não é possível calculá-la devido a impossibilidade de medir a velocidade transversal do som, além da velocidade longitudinal (que é medida). Essa estimativa pode prejudicar a exatidão do valor do módulo de elasticidade encontrado. O software utilizado nesse trabalho usa 0,25 como valor do coeficiente de Poisson e, segundo a literatura, esse é um valor razoável para cerâmicas porosas (COSSOLINO; PEREIRA, 2010).

4.5 Medidas de porosidade

Conhecer o tamanho, a distribuição e o número total de poros de uma amostra cerâmica, principalmente quando se trata de uma cerâmica porosa, é de extrema importância já que o controle dessa característica vai gerar as propriedades mecânicas e térmicas do produto final. Os poros podem ser visualizados por meio de algumas técnicas de microscopia. A técnica escolhida vai depender do tamanho médio dos poros encontrados no material. Porém, observar os poros utilizando microscópios não dá nenhuma medida estatística da medida deles (CARTER, NORTON, 2007).

O número total de poros pode ser determinado se as quantidades de cada fase do material são conhecidas. Estima-se a densidade teórica, calcula-se a densidade real e depois estima-se a porosidade (CARTER, NORTON, 2007).

4.5.1 Porosimetria de mercúrio

Para se determinar o tamanho médio dos poros é possível usar um método denominado porosimetria de mercúrio. Nessa técnica, infiltra-se mercúrio líquido na amostra. Quando varia-se a pressão do mercúrio, varia-se também o tamanho dos poros preenchidos, ou seja, a pressão necessária para intrudar o mercúrio depende do tamanho do poro. A Equação 5 mostra a relação entre a porosidade e o diâmetro dos poros. (CARTER, NORTON, 2007).

𝐷 = −4 𝛾 𝑐𝑜𝑠𝜃

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24

Por meio de um software, a distribuição do tamanho (diâmetro) dos poros, a média, mediana e moda do diâmetro dos poros, a área superficial a massa específica e o volume intrudado de mercúrio (que é equivalente ao volume de poros da amostra) entre outros dados são disponibilizados através de relatórios gerados automaticamente.

Uma desvantagem dessa técnica é que somente os poros interconectados com o exterior são preenchidos, ou seja, os poros internos são isolados e, consequentemente, não são medidos. Provavelmente essa desvantagem traz um grande problema na estimativa da porosidade das amostras pois um grande volume do material não é considerado. Para que esse problema seja resolvido, o ideal seria a realização da medida de porosidade utilizando outros métodos e testes disponíveis (CARTER, NORTON, 2007).

5 MATERIAIS E MÉTODOS 5.1 Materiais

A fim de se obter os corpos de prova de alumina porosa, utilizou-se: Alumina calcinada (Baikalox, CR10, tamanho 0,5 µm, pureza de 99,9%) e casca de arroz cedida pela COOPAVALPA (Cooperativa dos produtores de arroz do Vale do Paraíba).

É importante observar que, durante a realização desse trabalho, não foi utilizado nenhum tipo de ligante para melhorar a resistência das amostras à verde.

5.2 Métodos

(25)

Figura 3 - Fluxograma dos procedimentos experimentais

FONTE: Arquivo pessoal 5.2.1 Preparo da casca de arroz

5.2.1.1 Lavagem e secagem da casca de arroz

A casca de arroz cedida pela COOPAVALPA (Cooperativa dos produtores de arroz do Vale do Paraíba) foi previamente lavada com água corrente e posteriormente lavada com água destilada para remoção de areia, argila e poeira aderida na superfície. A Figura 4 mostra a casca de arroz como ela foi recebida.

Figura 4 - Casca de arroz

FONTE: Arquivo pessoal

Posteriormente, a casca de arroz molhada foi seca em uma estufa à 120°C por 24 horas.

(26)

26

5.2.1.2 Moagem da casca de arroz

Depois de totalmente seca, a casca de arroz foi moída num moinho de bolas de alumina por duas horas. Como a capacidade do moinho era baixa, foram feitas várias bateladas para que a quantidade necessária de casca de arroz moída fosse obtida. A Figura 5 mostra o moinho com os corpos moedores e a casca de arroz.

Figura 5 - Moinho com os corpos moedores e casca de arroz

FONTE: Arquivo pessoal 5.2.1.3 Classificação granulométrica

A classificação granulométrica da casca de arroz foi feita utilizando um conjunto de três peneiras (212 µm, 150 µm e 65 µm), obtendo-se então quatro faixas granulométricas: +212 µm, -212+150 µm, -150+65 µm e -65 µm. Dessas quatro faixas, somente a +212 µm não foi utilizada nesse trabalho. Essas faixas granulométricas foram escolhidas tendo como base o trabalho de Mohanta (2014).

5.2.1.4 Análise química da casca de arroz

Utilizou-se uma porção da faixa mais fina (-65 µm) para que a análise química por fluorescência de raios X fosse realizada em equipamento Axios MAX, marca PANalytical sendo semiquantitativa sem padrões, com determinação de elementos químicos de flúor a urânio. A amostra foi preparada por fusão, após perda ao fogo (1000ºC por 1 hora). A Tabela 1 mostra os resultados obtidos por tal análise.

(27)

Tabela 1 - Composição química da casca de arroz

Além de obter a composição química da casca de arroz e, principalmente, as concentrações de alumina e sílica (que reage com a alumina da matriz e forma mulita) um outro objetivo dessa análise era obter os teores de alcalinos na amostra, pois se o material tivesse altos níveis desses elementos, compostos com baixo ponto de fusão poderiam se formar com a alumina, o que prejudicaria a sinterização das amostras. O resultado dessa análise descartou a necessidade de se realizar uma lixiviação, pois o material não apresentou altos teores de alcalinos.

5.2.2 Mistura da casca de arroz com a alumina

Com as faixas granulométricas devidamente separadas, as misturas com 5%, 10% e 15% em peso de casca de arroz com a alumina foram feitas manualmente, ou seja, misturou-se o material utilizando uma espátula numa superfície lisa por aproximadamente 10 minutos. Esse método foi escolhido porque anteriormente testou-se um misturador que não se mostrou eficiente pois houve muita aderência por eletricidade estática dos pós de alumina e casca de arroz nos corpos misturadores.

(28)

28

Tabela 2 - Composições das amostras

Composição Granulometria da casca de arroz

Porcentagem em peso de casca de arroz

µm Mesh (#) -212+150 -65+100 5% 10% 15% -150+65 -100+250 5% 10% 15% -65 -250 5% 10% 15%

É importante dizer que foram preparadas amostras de alumina pura para efeito de comparação.

5.2.3 Conformação das amostras

As amostras foram então conformadas em uma matriz retangular com dimensões de 51,80 mm X 29,15 mm em prensa hidráulica uniaxial com dupla ação de pistões. A pressão inicial (antes da retirada do calço) utilizada foi de 13 MPa e a pressão final foi de 39 MPa para todas as amostras. A pressão final foi mantida por aproximadamente 50 segundos. Esses parâmetros foram selecionados com base na resistência à verde das amostras, pois elas deviam apresentar boa resistência ao manuseio.

5.2.4 Sinterização das amostras

Para a sinterização das amostras, um forno resistivo tipo box foi utilizado. Com o objetivo de queimar a casca de arroz presente nas amostras sem gerar defeitos, o aquecimento inicial adotado foi de 5°C por minuto até 700°C e essa temperatura foi mantida por 30 minutos. A taxa de aquecimento e a temperatura do primeiro patamar foram escolhidas tendo como base testes preliminares.

Posteriormente, a taxa de aquecimento utilizada foi de 10°C por minuto até 1450°C, 1450°C, temperatura essa que foi mantida por 60 minutos. A temperatura de 1450ºC

foi escolhida tendo como base o trabalho de Mohanta (2014) e o diagrama de fases alumina – sílica (

(29)

Figura 6) que mostra que em altas concentrações de sílica há um ponto eutético de temperatura de 1600ºC. Nessa temperatura, a sinterização é via fase sólida.

A taxa de resfriamento adotada foi de 10°C por minuto até a temperatura ambiente. A Figura 7 mostra o gráfico que representa o ciclo de queima utilizado.

Figura 6 - Diagrama de fases sílica-alumina

Figura 7 - Ciclo de queima das amostras

FONTE: Arquivo pessoal 5.2.5 Medição e pesagem das amostras

Antes e depois de sinterizadas, as amostras foram medidas utilizando um paquímetro digital. Obteve-se três medidas das três dimensões com o objetivo de se calcular a média de cada dimensão. As amostras também foram pesadas antes e

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Te m p era tu ra ( °C) Tempo (min)

Ciclo de queima

(30)

30

depois da sinterização. Esses dados foram coletados com o objetivo de se obter as massas específicas à verde e sinterizada e a retração linear (calculada com base no comprimento das amostras).

5.2.6 Retificação das amostras

Utilizando uma retificadora FERDIMAT (disponível no DEMAR, na Escola de Engenharia de Lorena, Lorena, São Paulo) com rebolo diamantado (D126), as amostras foram retificadas com passes de 0,1 mm a fim de apresentarem um perfeito alinhamento na máquina de ensaios para os testes de flexão em 3 pontos. A Figura 8 mostra a retificadora utilizada e a disposição das amostras e dos apoios metálicos.

Figura 8 – Retificadora utilizada e disposição das amostras na retificadora

FONTE: Arquivo pessoal 5.2.7 Corte das amostras

Com o objetivo de realizar o ensaio de determinação do módulo de elasticidade e de flexão, as amostras foram cortadas usando uma retificadora com disco diamantado de 1,5 mm de espessura. Para realizar essa tarefa, primeiramente, as amostras foram coladas com cola cianoacrilato (Superbonder) em placas de metal e, depois de cortadas. Essas placas eram mergulhadas em acetona com o objetivo de dissolver a cola e soltar as amostras. Depois de cortadas, amostras prismáticas com espessura de aproximadamente 3 mm foram obtidas.

Das amostras cortadas, 10 de cada composição foram destinadas ao ensaio de flexão, 4 de cada composição foram destinadas ao ensaio de módulo de elasticidade e 1 de cada composição foi quebrada ao meio e destinada ao teste de porosimetria de mercúrio. Todas elas tiveram suas arestas lixadas para diminuir os

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defeitos causados pelos processos de usinagem (retificação e corte), lavadas e colocadas em estufa à 120ºC por 24 horas. A Figura 9 mostra uma das amostras prismáticas após retificação e corte.

Figura 9 - Amostra prismática após retificação e corte

FONTE: Arquivo pessoal 5.3 Caracterização das amostras sinterizadas 5.3.1 Módulo de elasticidade

Com o objetivo de se obter o módulo de elasticidade (ou módulo de Young – E), 4 amostras prismáticas de cada composição foram submetidas ao teste não destrutivo no equipamento denominado Sonelastic 3.0, da empresa ATCP Engenharia Física (disponível no DEMAR, na Escola de Engenharia de Lorena, Lorena, São Paulo).

5.3.2 Módulo de ruptura

Para se obter representatividade estatística, foram testadas 10 amostras prismáticas de cada composição. O teste foi realizado em uma máquina de ensaios EMIC, modelo DL3000, com célula de carga de 500 N e com velocidade do atuador 0,5 mm/min. A distância entre roletes de apoio foi de 40 mm. A Figura 10 mostra uma das amostras prismáticas no dispositivo padronizado da MTS tipo bend fixture de ensaio.

(32)

32

Figura 10 - Amostra no dispositivo do ensaio de flexão

FONTE: Arquivo pessoal 5.3.3 Porosidade

Uma amostra de cada composição foi submetida ao ensaio de porosimetria de mercúrio com o objetivo de se determinar a sua porosidade. As dimensões da célula do equipamento eram de aproximadamente 0,9 mm de diâmetro e 2,5 mm de comprimento e as peças deveriam caber nestas dimensões. Para isso, as amostras prismáticas obtidas depois do corte foram quebradas manualmente ao meio. Outro detalhe é que cada amostra deve ser analisada em uma peça única, para que não se crie uma porosidade interpartículas.

Com essas medidas tomadas, as análises de porosimetria de mercúrio foram feitas no INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) em Cachoeira Paulista, no estado de São Paulo. O porosímetro de mercúrio utilizado é da marca Quantachrome, modelo Poremaster. O tratamento térmico realizado antes da análise foi de 120ºC por 2 horas e a pressão do mercúrio utilizada foi de 20 à 33000 psi.

5.3.4 Análise de fases

Com o objetivo de se determinar a composição das fases presentes nas amostras após a sinterização, o teste de difratometria de raios X foi realizado num difratômetro Panalytical, modelo Empyrean, com radiação Cu-Kα monocomatizada, intervalo angular de 10 a 80º e passo de 0,02º/s. Uma amostra de cada composição (5, 10 e 15% em peso de casca de arroz com granulometria menor do que 65 µm) foi quebrada e macerada até se obter um pó fino o suficiente para que a análise fosse

(33)

realizada. O equipamento está disponível no DEMAR, na Escola de Engenharia de Lorena, Lorena, São Paulo.

5.3.5 Análise microestrutural e fractográfica

Depois de terem passado pelo ensaio de flexão, as superfícies fraturadas de uma amostra de cada composição foram submetidas à metalização, ou seja, foram cobertas com uma película de ouro (aproximadamente 25 nm de espessura) com o objetivo de se realizar a análise microestrutural. Utilizou-se um microscópio eletrônico de varredura (MEV) de marca LEO, modelo 1450 VP (disponível no DEMAR, na Escola de Engenharia de Lorena, Lorena, São Paulo). As micrografias foram obtidas utilizando elétrons secundários. A Figura 11 mostra as amostras metalizadas.

Figura 11 – Superfícies fraturadas das amostras após a metalização

FONTE: Arquivo pessoal 6 RESULTADOS E DISCUSSÃO

6.1 Amostras não sinterizadas

As amostras de duas das composições não sinterizaram durante a queima, ou seja, a quantidade e o tamanho da casca de arroz eram excessivos e não permitiram contato suficiente entre as partículas de alumina, e portanto a difusão foi impedida. A Figura 12 mostra as amostras das composições de 10% e 15% em peso de casca de arroz e faixa granulométrica -212+150 µm (-65+100 mesh) após a queima.

(34)

34

Figura 12 - Composições 10% e 15% em peso de casca de arroz com granulometria -65+100 mesh após a queima

Portanto, essas composições não puderam ser medidas, pesadas e ensaiadas.

6.2 Amostras sem resistência ao corte

As amostras de 15% em peso de casca de arroz com granulometria de -150+65 µm (-100+250 mesh) não apresentaram resistência ao corte. A Figura 13 mostra o efeito da tentativa de corte em uma das amostras.

Figura 13 Amostra de composição 15% em peso de casca de arroz com faixa granulométrica de -100+250 mesh após tentativa de corte

Como a falta de resistência só influenciou durante o corte, as amostras dessa composição puderam ser medidas e pesadas, porém não puderam ser ensaiadas.

(35)

Portanto, devido aos dois efeitos descritos, somente 6 das 9 composições iniciais possuem os resultados de todos os testes. A Tabela 3 sintetiza esses resultados.

Tabela 3 - Composições iniciais e observações sobre sua resistência ao corte

Granulometria da casca

% em peso de casca Observação

µm Mesh (#)

-212+150 -65+100

5% Boa resistência

10% Não resistiram à sinterização 15% Não resistiram à sinterização

-150+65 -100+250

5% Boa resistência

10% Boa resistência

15% Não resistiram ao corte

-65 -250

5% Boa resistência

FONTE: Arquivo pessoal 6.3 Massa específica à verde e sinterizada

A massa específica à verde foi obtida dividindo-se a massa pelo volume de cada amostra prensada antes de ser sinterizada. A Tabela 4 mostra as massas específicas médias e os desvios padrão de cada composição e a Figura 14 mostra o gráfico desses dados.

Tabela 4 - Massas específicas médias das amostras à verde e após a sinterização e seus respectivos desvios padrão

Composição ρ à verde Desvio padrão ρ sinterizada Desvio padrão 5% -250 # 1,53 0,01 2,13 0,03 -100+250 # 1,54 0,04 2,52 0,06 -65+100 # 1,53 0,04 2,55 0,09 10% -250 # 1,48 0,02 1,91 0,02 -100+250 # 1,50 0,06 2,11 0,15 -65+100 # 1,56 0,01 . . 15% -250 # 1,43 0,05 1,77 0,04 -100+250 # 1,45 0,05 1,76 0,04 -65+100 # 1,48 0,04 . .

(36)

36

Figura 14 - Gráfico de barras da massa específica à verde e sinterizada para todas as composições e seus desvios padrão

Pode-se notar que a massa específica à verde é menor do que a massa específica sinterizada. Esse é o efeito da sinterização.

Outro fator é que quanto maior é a porcentagem em peso de casca utilizada, menor é a massa específica à verde obtida. Isso se deve ao fato de que a casca é mais leve do que a alumina, ou seja, quanto mais casca de arroz na amostra, para um mesmo volume, se obtém amostras mais leves e, portanto, menos densas.

A massa específica sinterizada foi obtida dividindo-se a massa pelo volume de cada amostra após a sinterização. A Tabela 4 também mostra as massas específicas das amostras sinterizadas médias e os desvios padrão de cada composição.

A mesma tendência da massa específica à verde é observada após a sinterização: quanto maior é a porcentagem em peso de casca na amostra, menor é a massa específica. A explicação para esse fato é a mesma, ou seja, quanto mais casca é usada, menos alumina é usada e portanto, mais leve é o material final.

Quanto à faixa granulométrica, pode-se observar que quanto mais grossa é a faixa, maior é a massa específica obtida após a sinterização. Isso se deve ao fato de que, para uma mesma porcentagem em peso de casca de arroz, quanto maiores forem as partículas de casca, maiores são as regiões da amostra que não apresentam partículas de casca, e, portanto, maior é o contato entre as partículas de pó de alumina e mais intensa é a sinterização. Portanto, espera-se que as amostras feitas com faixas granulométricas maiores tem menor porosidade.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Ma ss a es p ecíf ica (g/ cm ³)

Massa específica à verde e sinterizada

(37)

6.4 Retração linear das amostras

Para a obtenção da retração linear das amostras, tomou-se como base o comprimento das amostras à verde e das amostras após a sinterização. A Tabela 5 mostra as médias de retração linear em porcentagem e os respectivos desvios padrão para cada composição e a Figura 15 mostra o gráfico que mostra esses mesmos dados.

Tabela 5 - Retração linear média e desvios padrão para cada composição

Composição Retração linear (%) Desvio padrão

5% -250 # 12,64 0,32 -100+250 # 16,33 0,94 -65+100 # 17,06 1,19 10% -250 # 11,14 0,26 -100+250 # 14,06 2,48 -65+100 # . . 15% -250 # 11,16 0,27 -100+250 # 12,14 1,03 -65+100 # . .

Figura 15 - Gráfico de barras que mostra a retração das amostras em porcentagem para cada composição

É possível observar que quanto maior é a porcentagem de casca de arroz presente nas amostras, menor é a retração após a sinterização. Isso se deve ao fato de que o espaço médio entre as partículas do pó de alumina é maior quanto mais

0 5 10 15 20 25 Re tra ção (% )

Retração (%)

(38)

38

casca de arroz foi utilizada e essa distância maior impede a difusão dos átomos, fazendo com que a sinterização seja dificultada.

Outro fator interessante é a diferença entre as retrações lineares obtidas para as diferentes granulometrias de casca de arroz utilizadas. Nota-se que as amostras preparadas com as partículas de casca de arroz mais finas, possuem retração linear menor do que aquelas preparadas com a granulometria de casca mais grossa. Esse efeito tem a mesma explicação das massas específicas, ou seja, quanto mais grossa for a faixa granulométrica para uma mesma porcentagem em peso de casca, maiores serão as regiões da amostra sem partículas de casca e, portanto, mais intensa é a sinterização dessas regiões, fazendo com que a amostra retraia mais.

6.5 Módulo de elasticidade

Quatro amostras de cada composição foram submetidas ao ensaio não-destrutivo de módulo de elasticidade. Cada uma delas foi testada 5 vezes para que se obtivesse representatividade estatística. A Tabela 6 e a Figura 16 mostram a relação entre o módulo de elasticidade médio, com cada desvio padrão, e a massa específica média de cada amostra testada.

Tabela 6 - Módulo de elasticidade (E), seus desvios padrão e as massas específicas médias para cada composição Composição Massa específica média (g/cm³) E médio (GPa) Desvio Padrão (GPa) 5% -250# 2,23 52,45 3,51 10% -250# 1,91 22,45 1,43 15% -250# 1,76 14,81 1,03 5% -100+250 # 2,52 86,8 4,02 10% -100+250 # 2,32 62,88 2,69 5% -65+100 # 2,61 112,39 3,25

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Figura 16 - Módulo de elasticidade médio e seus desvios padrão versus a massa específica

Pode-se notar que quanto maior for a massa específica do material, maior sua resistência mecânica. O módulo de elasticidade nada mais é do que uma constante do material que reflete sua resistência mecânica, de modo que, quanto maior ele for, maior é a resistência mecânica do material. Portanto, a conclusão à que se chega é: quanto maior é a massa específica do material, maior será sua resistência mecânica e, portanto, maior é o seu módulo de elasticidade, porém menor será a sua porosidade. Também é possível dizer que o comportamento observado para essas composições analisadas poderia ser descrito por uma reta. Isso significa que essas propriedades se relacionam de forma linear, ou seja, o comportamento pode ser previsto para diferentes composições de uma maneira relativamente simples. Uma possível análise futura seria modelar esse comportamento estudando diferentes composições.

É importante observar também que o módulo de elasticidade é uma propriedade mecânica relacionada ao comportamento elástico do material, ou seja, quando qualquer deformação causada pela aplicação de uma tensão é recuperada assim que a tensão for cessada. Porém como se trata de um material cerâmico que geralmente apresenta alta resistência mecânica, porém baixa tenacidade e comportamento frágil, é possível afirmar que quase não existe deformação plástica no material antes da ruptura.

A Figura 17 mostra o módulo de elasticidade médio para cada composição estudada nesse trabalho.

0 20 40 60 80 100 120 140 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Mó d u lo d e elas ticid ad e (G Pa ) Massa específica (g/cm³)

(40)

40

Figura 17 - Módulo de elasticidade médio e seus desvios padrão para cada composição

FONTE: Arquivo pessoal 6.6 Módulo de ruptura

Após 10 amostras cortadas de cada composição serem submetidas ao ensaio de flexão, obteve-se, por meio da Equação 1, os módulos de ruptura médios e seus desvios padrão. A Tabela 7 e a Figura 18 mostram a relação entre os módulos de ruptura obtidos e as massas específicas.

Tabela 7 - Módulo de ruptura médio com seus desvios padrão e massas específicas para cada composição

Composição

Massa específica (g/cm³)

Módulo de ruptura médio (MPa) Desvio Padrão (MPa) 5% -250# 2,21 31,46 4,22 10% -250# 1,93 14,15 1,5 15% -250# 1,79 9,34 1,38 5% -100+250# 2,56 40,83 3,96 10% -100+250# 2,35 31,55 2,9 5% -65+100# 2,7 62,28 3,78

0 20 40 60 80 100 120 140 Mó d u lo elás tico (G Pa ) Composição

(41)

Figura 18 - Módulo de ruptura médio e seus desvios padrão versus sua massa específica

É fácil observar que quanto maior é a massa específica, maior é o módulo de ruptura obtido. Esse resultado já era esperado, pois a resistência mecânica dos materiais é diretamente ligada à sua massa específica de forma diretamente proporcional, e a mesma tendência foi descrita pela Figura 18 que relaciona os módulos de ruptura e as massas específicas. A mesma análise sobre o comportamento aproximadamente linear pode ser feita para essa propriedade mecânica.

Um fator interessante é que o módulo de ruptura apresenta algumas variações (desvios padrão e pontos que fogem do comportamento linear) um pouco maiores do que os resultados de módulo de elasticidade obtido. Isso se deve ao fato de que a configuração do ensaio de flexão escolhida possui algumas limitações que podem influenciar nos resultados.

A Figura 19 mostra a relação entre as composições utilizadas no trabalho e os módulos de ruptura médios obtidos durante o teste de flexão.

0 10 20 30 40 50 60 70 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5 2.7 Mó d u lo d e r u p tu ra (MPa) Massa específica (g/cm³)

Módulo de ruptura

(42)

42

Figura 19 - Módulo de ruptura médio e seus desvios padrão para cada composição

Nota-se que quanto menor é a faixa granulométrica, menor é o módulo de ruptura obtido e quanto maior é a porcentagem em peso de casca de arroz utilizada, menor é o módulo de ruptura encontrado. Essa tendência também é explicada através da massa específica das amostras que é menor para as amostras cuja composição é de 15% -250 mesh e segue a mesma sequência até a maior cuja composição é de 5% -65+100 mesh.

É interessante observar que a composição que apresentou o menor módulo de elasticidade, também apresentou o menor módulo de ruptura e a menor massa específica. A mesma relação pode ser feita em sequência até a composição que apresentou o maior módulo de elasticidade, maior módulo de ruptura e a maior densidade.

6.7 Porosidade

Dentre os resultados que o porosímetro de mercúrio utilizado disponibiliza automaticamente, os mais importantes para o presente trabalho são: massa específica, volume total de mercúrio intrudado, ou seja, o volume total de poros, o diâmetro médio dos poros e a distribuição dos diâmetros dos poros.

É importante ressaltar que, devido à composição de fases das amostras sinterizadas (três fases: alumina, mulita e cristobalita), o cálculo da densidade relativa não pode ser realizado através dos resultados obtidos e, portanto, a porosidade em porcentagem também não pôde ser estimada.

0 10 20 30 40 50 60 70 15%-250# 10%-250# 5%-250# 10%-100+250# 5%-100+250# 5%-65+100# Mó d u lo d e r u p tu ra (MPa)

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A Figura 20 mostra a média do volume de poros de cada composição.

Figura 20 – Volume médio de poros para cada composição

É possível notar que as composições que possuem maior porcentagem em peso de casca de arroz numa mesma granulometria, possui um volume de poros maior do que aquelas que possuíam menos casca na sua composição. Outro detalhe importante é a influência da granulometria da casca de arroz no volume de poros. Nota-se que quanto mais fina é a faixa granulométrica, maior é o volume de poros alcançado para uma mesma porcentagem em peso. Isso se deve ao fato de que quando as partículas de casca são maiores, as regiões que possuem somente partículas de pó de alumina são maiores e, portanto, maior é o contato entre elas e mais intensa é a sinterização, densificando o material, ou seja, tornando-o menos poroso.

A Figura 21 mostra o diâmetro médio dos poros de cada composição. Esses dados também são apresentados automaticamente pelo software do porosímetro de mercúrio. 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Volu m e d e p o ro s (cm ³/g)

Volume de poros

(44)

44

Figura 21 - Diâmetro médio dos poros para cada composição analisada

Com esse diagrama é possível observar que o diâmetro dos poros não variou muito com a composição. A explicação para esse fato é que durante a sinterização, o tempo e a temperatura utilizados permitiram que ocorresse transporte de massa suficiente para que os poros se fechassem até um determinado tamanho máximo. A composição de 10% -250# apresentou um diâmetro de poros um pouco diferente das demais.

A Figura 22 mostra a distribuição do diâmetro dos poros das amostras de cada composição versus a derivada da função que descreve a intrusão de mercúrio nas amostras (-dV/d (log d)). É possível observar que todas as amostras possuem um grande número de poros com o mesmo diâmetro (pico em 0,2 µm), isto é, mesmo usando a maior granulometria, os poros não ficaram com diâmetro maior do que nas outras amostras. A explicação é a mesma dada para a Figura 21 que mostra o diâmetro dos poros versus a composição, ou seja, provavelmente o tempo e a temperatura utilizados durante a queima permitiram que ocorresse tanta difusão atômica que os poros acabaram se fechando até esse diâmetro máximo alcançado.

É importante dizer que o eixo y, ou seja, -dV/d (log d), é uma variável que se compara à frequência que um evento acontece. Ou seja, quanto mais alto é o pico mostrado na Figura 22, maior é a quantidade de poros que possuem aquele determinado diâmetro. Portanto, pode-se concluir que a amostra cuja composição é 10% -250 mesh possui a maior quantidade de poros com o diâmetro de 0,2 µm.

Um outro fato interessante é a presença de um pico de mesmo diâmetro predominante para todas as composições. Isso significa que o diâmetro dos poros foi

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Diâme tro d e p o ro s (mi crome tro s)

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bem controlado. Porém, pode-se notar um segundo pico de menor altura para algumas composições, que indica que essas amostras possuem uma segunda população de poros com um diâmetro maior (aproximadamente 2 µm). Provavelmente isso se deve ao fato dessas amostras possuírem maior porcentagem em peso de casca de arroz.

Figura 22 – Frequência dos diâmetros dos poros para cada composição

A Figura 23 mostra o volume de mercúrio intrudado e extrudado versus a pressão aplicada no mercúrio para a amostra de composição 5% -250 mesh. Todas as amostras tiveram comportamento parecido. É possível perceber o efeito de histerese do gráfico que é um indicativo do formato dos poros. As pressões para intrudar e extrudar o mercúrio são diferentes, e isso mostra que os poros não possuem formato totalmente cilíndrico ou esférico.

O formato da casca de arroz é o responsável pelo formato dos poros, e, portanto, observouse duas granulometrias do pó de casca de arroz (250 mesh e -65+100 mesh) utilizando o microscópio eletrônico de varredura. A Figura 24 mostra as micrografias obtidas. Nota-se que as duas faixas granulométricas não apresentam um pó com partículas de formato homogêneo e, portanto, é esse fator que não permite que os poros possuam formatos esféricos ou cilíndricos perfeitos.

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 0.01 0.10 1.00 10.00 -d V/ d (l og d )

Diâmetro dos poros (µm)

Diâmetro dos poros

5% -250# 10%-250# 15%-250# 5%-100+250# 10%-100+250# 5%-65+100# ALUMINA PURA

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Figura 23 - Volume de mercúrio intrudado e extrudado variando de acordo com a pressão aplicada ao mercúrio

Figura 24 – Micrografia do pó de casca de arroz com granulometria de -65+100 e -250 mesh com formato irregular

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6.8 Análise de fases

A análise de DRX foi feita somente para 3 amostras de composições cujas porcentagens em peso de casca de arroz eram diferentes, já que, a granulometria da casca utilizada não influencia na composição de fases do material. As composições selecionadas foram: 5% -250#, 10% -250# e 15% -250#.

Os picos foram identificados com os padrões disponíveis no software chamado Pearson’s Crystal Data. Aqueles identificados com a letra “A” se referem a alumina (Al2O3), os identificados com a letra “M” se referem a mulita (3Al2O3.2SiO2) e os

identificados pela letra “C” se referem a cristobalita (SiO2). As letras “A” e “M” juntas

se referem aos picos cujas fases mulita e alumina possuem picos coincidentes, ou seja, nos mesmos ângulos.

As Figura 25, 26 e 27 mostra os três difratogramas juntos. Com ela, é possível observar a diferença na composição de fases entre as três composições analisadas. A primeira diferença é a presença crescente dos picos referentes à mulita conforme a porcentagem em peso de casca de arroz aumenta e também, o aumento da intensidade desses picos. Isso mostra que a presença de mulita está intimamente ligada com a concentração de sílica que é maior quanto maior for a porcentagem em peso de casca de arroz.

Outra diferença bastante interessante é a intensidade do pico referente à cristobalita. Apesar de haver somente um pico presente que é referente à essa fase, é possível observar que a sua intensidade aumenta conforme aumenta-se a porcentagem em peso da casca de arroz. Isso se deve ao fato de que a cristobalita também é dependente da concentração de sílica no material. Por isso, quanto maior for a porcentagem em peso de casca de arroz presente na amostra, maior é a concentração de sílica e, portanto, maior será a concentração da fase cristobalita.

A presença desse pico também indica que o tempo que a temperatura de sinterização foi mantida não foi suficiente para que toda a sílica reagisse com a alumina da matriz e formasse mulita. Provavelmente, se esse tempo fosse aumentado, esse pico não apareceria, independentemente da concentração de sílica presente no material. Porém, como consequência, o produto final obtido teria uma menor porosidade, já que mantendo a temperatura de sinterização por um tempo ainda maior, a transferência de massa por mecanismos difusionais poderia continuar acontecendo e, portanto, os poros poderiam se fechar completamente.

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48

Figura 25 - Difratograma da amostra com composição 5% em peso de casca de arroz

Int en s ida de Int en s ida de 2θ (graus) 2θ (graus)

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O efeito da presença de mulita nas amostras, entretanto, não foi suficiente para que as propriedades mecânicas não caíssem tanto com o aumento da porosidade.

As pequenas variações dos ângulos e das larguras dos picos observadas entre os difratogramas provavelmente foram causadas pela colocação das amostras no equipamento.

6.9 Aparência macroscópica das amostras

As Figura 28, 29 e 30 apresentam as amostras após a retificação. É possível notar a diferença na porosidade de cada composição, sendo que, para uma mesma faixa granulométrica, a amostra que parece ter mais poros é a que possuía maior porcentagem em peso de casca. Nota-se também que, para a mesma porcentagem em peso, a amostra que aparenta maior porosidade é aquela cuja granulometria da casca de arroz é maior.

Int en s ida de 2θ (graus)

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50

Figura 28 - Amostras de 5, 10 e 15% em peso de casca de arroz com granulometria -250 mesh

Figura 29 - Amostras de 5, 10 e 15% em peso de casca de arroz com granulometria de -100+250 mesh

Figura 30 - Amostra de 5% em peso de casca de arroz com granulometria -65+100 mesh

FONTE: Arquivo pessoal 6.10 Análise microestrutural e fractográfica

Foram feitas 3 micrografias da superfície fraturada de cada amostra, cada uma com ampliações diferentes (50, 500 e 1000 vezes).

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6.10.1 MEV da amostra de composição 5% -250 mesh

As Figura 31 A, B e C mostram as micrografias com 50, 500 e 1000 X de ampliação da superfície fraturada da amostra cuja composição é de 5% em peso de casca de arroz com granulometria menor do que 250 mesh. Pode-se notar que se trata de uma amostra que, visualmente, não possui muitos poros. Outro detalhe importante é a presença de trincas provenientes da fratura (indicadas com setas).

Figura 31 - Micrografias da superfície fraturada da amostra com composição de 5% e granulometria de -250 mesh

FONTE: Arquivo pessoal 6.10.2 MEV da amostra de composição 10% -250 mesh

As Figura 32 A, B e C mostram as micrografias com 50, 500 e 1000 X de ampliação da superfície fraturada da amostra cuja composição é de 10% em peso de casca de arroz com granulometria menor do que 250 mesh. Pode-se notar que, quando comparada com a amostra com composição de 5% em peso de casca de arroz com a mesma granulometria, essa amostra possui mais poros.

Outro aspecto importante é que, quanto maior é a porcentagem de casca de arroz presente, mais porosa e mais frágil é a amostra. Pode-se notar poros

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provenientes do arrancamento do material quando a fratura ocorreu durante o teste de flexão (indicadas com setas).

FONTE: Arquivo pessoal 6.10.3 MEV da amostra de composição 15% -250 mesh

As Figura 33 A, B e C mostram as micrografias com 50, 500 e 1000 X de ampliação da superfície fraturada da amostra cuja composição é de 15% em peso de casca de arroz com granulometria menor do que 250 mesh.

Com essas micrografias é possível ver o efeito que a quantidade de casca de arroz tem sobre a estrutura do material. Quanto maior é a porcentagem em peso de casca de arroz presente na amostra antes da queima, maior é a irregularidade da superfície do material, ou seja, maior é a porosidade obtida após a sinterização, porém, mais frágil é o comportamento do material.

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6.10.4 MEV da amostra de composição 5% -100+250 mesh

As Figura 34 A, B e C mostram as micrografias com 50, 500 e 1000 X de ampliação da superfície fraturada da amostra cuja composição é de 5% em peso de casca de arroz com granulometria entre 100 e 250 mesh.

Comparando as micrografias dessa amostra e aquelas obtidas quando a amostra cuja composição é de 5% -250 mesh (Figura 31), que possuem a mesma porcentagem em peso de casca de arroz, porém de faixas granulométricas diferentes, nota-se que o aspecto da amostra com 5% em peso de casca de arroz com granulometria entre 100 e 250 mesh é de menor porosidade.

Também é possível notar as facetas resultantes do modo de fratura frágil (indicadas com setas).