UTILIZACAO DE TÉCNICAS ESTATÍSTICAS NA OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO STARCH CONSOLIDATION

UTILIZACAO DE TÉCNICAS ESTATÍSTICAS NA OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO “STARCH CONSOLIDATION”

A. G. Storion1*; C. D. Roveri1; E. R. Pinto1; E. C. T. Ramos1; P. N. Mendes1; S. C. Maestrelli1

Rod. José Aurélio Vilela, 11999. CEP: 37715-400. *anastorion@gmail.com

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Universidade Federal de Alfenas campus Poços de Caldas

RESUMO

A técnica de conformação por consolidação de amido (“starch consolidation”) baseia-se na capacidade do amido inchar e gelatinizar em água, de modo que corpos cerâmicos a verde sejam conformados a partir de suspensões, gerando porosidade controlada após queima; todavia, ela é fortemente influenciada pela temperatura de gelatinização, amido utilizado, teor e tipo de defloculante, pH e viscosidade. Este trabalho envolveu a análise estatística de possíveis relações entre viscosidade, teor de defloculante e pH. Barbotinas contendo alumina, água e amido foram preparadas, fixando-se o teor de sólidos em 40% e variando-se o teor de amido em 10, 20, 30, 40 e 50% em relação aos sólidos presentes. Medidas de viscosidade e de pH das barbotinas foram realizadas em função do teor de defloculante adicionado. Foram obtidas e analisadas medidas de cada parâmetro, utilizando-se a correlação de Pearson, verificando-se a existência de uma correlação quase perfeita entre a maioria dos parâmetros estudados.

Palavras-chave: starch consolidation, cerâmicas porosas, ferramentas estatísticas.

INTRODUÇÃO

Cerâmicas porosas possuem propriedades tais como isolamento térmico, inércia química, porosidade, alta área superficial e refratariedade, o que as tornam interessantes para diversas aplicações tecnológicas. A Starch Consolidation é uma técnica de conformação direta para obtenção desse tipo cerâmico, em que o amido é utilizado como agente formador de poros e ligante, por ser capaz de inchar e

gelatinizar em água, permitindo a formação de suspensões, além de possibilitar a retirada do corpo sólido após a secagem. Outra vantagem da utilização do amido está relacionada com sua grande disponibilidade, fácil manipulação e armazenamento(1).

A técnica envolve a preparação da barbotina através da mistura do pó cerâmico com amido, água e defloculante à temperatura ambiente. A gelatinização da mistura se dá em faixas de temperaturas entre 55 e 80ºC, em que ocorrem interações que levam à conformação do sólido. O defloculante é responsável por evitar que ocorra a aglomeração antecipada das partículas envolvidas na mistura. A eficiência do defloculante geralmente é determinada pelas curvas de defloculação(2).

O estudo dos parâmetros que influenciam em um processo é de extrema importância para o entendimento e avaliação de suas relações e a forma com que estas interferem nas características pretendidas e qualidade do produto final. Quando dois ou mais parâmetros interferem no processo, é interessante avaliar a forma com que eles variam quando associados. A covariância mede a relação linear entre duas variáveis aleatórias. Se as variáveis estudadas não interagem linearmente, este método pode não apresentar sensibilidade nos resultados. Para quantificar essa relação linear entre as variáveis, comumente utiliza-se do coeficiente de correlação linear de Pearson (r), dado pela Eq.(A) abaixo(3):

1 1 1 2 2 2 2 2 1 2 1 1 1 . n n i i n i i i i xy i n n x y i i n n i i i i i i X Y X Y S SPXY n r SQX SQY S S X Y X Y n n = = = = = = = ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ − = = = ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ − −

∑

∑

∑

∑

∑

∑

∑

A interpretação do valor de r nos leva ao tipo de correlação entre as variáveis X e Y, e se encontra no intervalo de -1 a 1, de modo que quando r assume valor nulo, as variáveis não se correlacionam linearmente. Ao assumir valores positivos, entende-se que pequenos valores de X associam-se a pequenos valores de Y, e grandes valores de X a grandes valores de Y, cujos pontos seguem uma tendência linear crescente, e quanto mais próximo de 1 mais forte se dá a correlação. Ao assumir valores negativos, a tendência linear se dá de forma decrescente, onde

pequenos valores de X estão associados a grandes valores de Y, e vice-versa, e quanto mais próximo de -1, mais forte se dá a correlação(4).

Nesse ínterim, objetivou-se estudar a influência da adição de defloculante no pH e na viscosidade da mistura, analisando-se a forma com que essa adição se correlaciona com a resposta pretendida através da correlação de Pearson.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para a execução do proposto trabalho, primeiramente, calculou-se a massa necessária de cada componente (amido, água e alumina) pela fórmula de massa específica, conforme explícito na Eq. (B).

m=V.d (B) em que V é o volume total e d é densidade do componente.

Sabe-se que a densidade do amido é 1,524, do pó cerâmico 2,430 e da água 1,000. Fixada a percentagem do total de sólidos da mistura como 40% e variando-se apenas a quantidade de amido em 10, 20, 30, 40 e 50% em relação aos sólidos totais, sendo o volume utilizado de 250 ml, pode-se encontrar as respectivas massas de cada componente. Logo, foram feitas 5 misturas, uma para cada percentagem de amido. Após os cálculos, as massas encontradas foram pesadas em uma balança analítica e os componentes foram acrescentados e homogeneizados em um béquer de 250 mL.

Posteriormente, analisou-se a viscosidade da mistura com o auxílio do Viscosímetro Tipo VR3000 Model:L e o pH. Com o objetivo de obter a influência do defloculante na mistura, adicionou-se o mesmo ao sistema com o auxílio de um conta-gotas e fez-se a análise no viscosímetro e no pHmetro. Esse procedimento de adicionar o defloculante e fazer as análises de viscosidade e de pH foi feito diversas vezes até se observar certa estagnação na mudança de pH e viscosidade. O defloculante utilizado foi Disperlam L.A.

Após a coleta de dados, foram elaborados gráficos das medições realizadas para melhor visualização dos pontos coletados, e posteriormente utilizou-se da ferramenta estatística coeficiente de Correlação de Pearson para avaliar a forma com que os parâmetros se correlacionam.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Tendo em vista a metodologia proposta e executada, seguem os resultados obtidos para análise. Para a alumina, o cálculo para o preparo da barbotina encontra-se explícito na Tab. 1.

Tab. 1: Cálculo para o preparo da barbotina utilizada na análise de viscosidade e pH sob diferentes concentrações de amido de milho.

Material Alumina Amido Água Defloculante

Densidade (g/cm3) 2,430 1,524 1,000 0,35%

Volume total (ml) 250,0

Teor Sólidos

(%) 40,0%

Volume (ml) Teor (%) massa (g) Densidade Defloculante

Nº Sól Líq Amido Pó cer Amido Pó cer Água Barbotina (gotas)

1 100 150 10,0% 90,0% 15,240 218,700 150,000 1,536 16,4

2 100 150 20,0% 80,0% 30,480 194,400 150,000 1,500 15,7

3 100 150 30,0% 70,0% 45,720 170,100 150,000 1,463 15,1

4 100 150 40,0% 60,0% 60,960 145,800 150,000 1,427 14,5

5 100 150 50,0% 50,0% 76,200 121,500 150,000 1,391 13,8

Os cálculos foram realizados para amostras contendo 10, 20, 30, 40 e 50% de teor de amido, dentro de uma percentagem de 40% de sólidos total. As Figs. 1 e 2 representam, respectivamente, a variação da viscosidade e pH para cada amostra conforme a adição de defloculante.

Pode-se verificar pelo gráfico acima que a adição de defloculante leva a um decréscimo na viscosidade, tendência essa apresentada por todas as amostras, indiferente do teor de amido presente. Em relação ao teor de amido, verifica-se que com o aumento de seu percentual, mais rapidamente se dá o decréscimo da viscosidade.

Fig. 2: Gráfico da variação do pH em relação a adição de defloculante.

De acordo com a Fig. 2, pode-se verificar que assim como a viscosidade, também ocorre um decaimento no valor do pH da amostra conforme a adição de defloculante, e de acordo com que a percentagem de amido é aumentada diminui-se o pH da amostra.

Para verificar se existe uma tendência linear entre os parâmetros analisados foram calculados os Coeficientes de correlação de Pearson (r _{), explícitos na Tab. 2}

abaixo:

Tab. 2: Valores do coeficiente de correlação de Pearson para cada par analisado. (coeficiente de correlação de Pearson) % de amido Amostra 10 20 30 40 50 Defloculante x pH -0,937698215 -0,97269596 -0,9683 -0,9657 -0,9185 Defloculante x -0,866291221 -0,74863836 -0,78563 -0,65822 -0,4905

viscosidade

pH x viscosidade 0,936203712 0,68072431 0,866853 0,670681 0,20081

Pode-se verificar pelo valor de r _{que o par Defloculante x pH apresenta uma}

forte correlação negativa, o que significa que a adição de defloculante causa um decréscimo linear no valor de pH. Para o par Defloculante x viscosidade, em 10% de teor de amido a correlação negativa é forte, tornando-se moderada conforme o acréscimo de amido na amostra. Isso implica que a adição de defloculante ocasiona um decréscimo no valor da viscosidade, o que pode ser verificado ainda na Fig. 1, em que o decaimento linear da viscosidade acontece apenas em intervalos de valores, mas não no geral. O par analisado pH x viscosidade demonstra coeficientes de correlação positivo, o que indica que o aumento da viscosidade é seguido também do aumento do pH, porém para diferentes amostras a sua variação ocorreu de forma aleatória, apresentando correlações fortes, moderadas, e fracas.

O entendimento dos fatores que interferem no processo faz parte da etapa inicial do presente experimento, e irá possibilitar o avanço para as etapas subsequentes. Através das conclusões obtidas até então será possível realizar a escolha de um ponto ótimo de trabalho, que permitirá o processamento de peças cerâmicas íntegras, que serão caracterizadas quanto à resistência mecânica e analisadas via estatística de Weibull, avaliando assim o efeito completo da porosidade obtida com a técnica Starch Consolidation.

CONCLUSÕES

O uso da técnica “Starch Consolidation” para obtenção de corpos cerâmicos porosos se enquadra em uma faixa de aplicação barata e de fácil manuseio, porém dependente de um forte controle nos parâmetros que influenciam no processo para a obtenção de um produto satisfatório, tais como pH do meio, teor de defloculante adicionado e viscosidade da mistura a ser inserida no molde. O uso de ferramentas estatísticas mostrou ser de grande importância para um melhor entendimento da forma com que os parâmetros se correlacionam, permitindo uma melhor interpretação e visualização das alterações causadas na mistura decorrente da adição de defloculante.

Por meio dos gráficos elaborados e das análises realizadas, pode-se concluir que, para o pó cerâmico utilizado no experimento, a alumina, a adição de defloculante ocasiona o decaimento da viscosidade e do pH da mistura. No que diz respeito ao coeficiente de correlação de Pearson, o pH se correlaciona mais fortemente com o teor de defloculante do que a viscosidade. No que tange o teor de amido presente, conclui-se que aumentando-se seu valor, tende a diminuir a viscosidade e pH da mistura, e o decaimento da viscosidade com a adição de defloculante se dá de maneira mais rápida.

Sabendo-se que o defloculante evita uma aglomeração das partículas e tendo em vista os resultados obtidos, pode-se afirmar que o mesmo possui uma grande influência na viscosidade e no pH na mistura, e compreender a alteração provocada pela variação de seu teor é de grande importância para a otimização do processo.

AGRADECIMENTOS

À FAPEMIG pelo suporte técnico e financeiro.

REFERÊNCIAS

1. FERNANDES, R. S. Desenvolvimento de processo alternativo para fabricação

de materiais cerâmicos envolvendo as técnicas de conformação por consolidação com amido e colagem. 2008, 142p. Tese (Doutorado em Engenharia

Mecânica) - Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá.

2. MAFIOLETTI, D. et al. Utilização de diferentes métodos para a determinação da curva de defloculação de matérias-primas cerâmicas. In: SIMPÓSIO DE INTEGRAÇÃO CIENTÍFICA E TECNOLÓGICA DO SUL CATARINENSE – SICT-SUL, 1., 2012, Sul Catarinense. Anais. Florianópolis: Ifsc, 2012. p. 126 - 134.

3. MONTGOMERY, D. C.; RUNGER, G. C. Applied statistics and probability for

engineers. 3th ed. Arizona State University. John Wiley & Sons, Inc, 2003.

4. FIGUEIREDO, D. B.; SILVA Jr, J. A. da. Desvendando os Mistérios do Coeficiente de Correlação de Pearson (r). Universidade Federal de Pernambuco. Revista

USE OF STATISTICAL TECHNIQUES IN THE OPTIMIZATION OF THE PROCESS "STARCH CONSOLIDATION"

ABSTRACT

The Starch Consolidation method of molding technique is based on the ability of starch swell and gelatinize in water, so the green bodies are formed from suspensions, generating controlled porosity after firing; however, it is strongly influenced by gelatinization temperature, starch used, content and type of dispersant, pH and viscosity. This work involves the statistical analysis of possible relations between viscosity, content of dispersant and pH. Slurries containing alumina, water and starch were prepared, settling the solids in 40% and varying the starch content of 10, 20, 30, 40 and 50%, compared to the solids at the mixture. PH and viscosity measurements were made of the slurries as a function of added dispersant. Were obtained and analyzed measures of each parameter, using the Pearson correlation, verifying the existence of an almost perfect correlation between most of the parameters studied.