UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
INFLUÊNCIA DA GRANULOMETRIA ABRASIVA
#600 NO POLIMENTO DE PORCELANATOS COM
DIFERENTES FORMULAÇÕES
HÉRICO SILVA DE PAIVA
NATAL - RN, 2020
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
INFLUÊNCIA DA GRANULOMETRIA ABRASIVA
#600 NO POLIMENTO DE PORCELANATOS COM
DIFERENTES FORMULAÇÕES
HÉRICO SILVA DE PAIVA
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica (PPGEM) da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte como
parte dos requisitos para a obtenção do
título de MESTRE EM ENGENHARIA
MECÂNICA, orientado pelo Prof. Dr.
Fábio José Pinheiro Sousa.
NATAL - RN
2020
Paiva, Hérico Silva de.
Influência da granulometria abrasiva #600 no polimento de porcelanatos com diferentes formulações / Hérico Silva de Paiva. - 2020.
100 f.: il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Natal, RN, 2020.
Orientador: Prof. Dr. Fábio José Pinheiro Sousa.
1. Polimento de porcelanatos Dissertação. 2. Chamote -Dissertação. 3. Rota de polimento - -Dissertação. 4. Omissão de granulometria - Dissertação. I. Sousa, Fábio José Pinheiro. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 666.971.3
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
INFLUÊNCIA DA GRANULOMETRIA ABRASIVA #600 NO
POLIMENTO DE PORCELANATOS COM DIFERENTES
FORMULAÇÕES
HÉRICO SILVA DE PAIVA
Dissertação APROVADA pelo Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica (PPGEM) da Universidade Federal do Rio
Grande do Norte
Banca Examinadora da Qualificação
Prof. Dr. Fábio José Pinheiro Sousa ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador
Prof. Dr. Carlos Alberto Paskocimas ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Dr. José Elson Soares Filho ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Externo
Para Isabella e Lucas.
Amo vocês.
AGRADECIMENTOS
À Jeová Deus, Todo-Poderoso, por seu amor e paciência incomparáveis, pelo dom da vida e por me proporcionar as oportunidades da vida.
À Isabella, minha querida esposa, por sua compreensão, abnegação e companheirismo, me apoiando ao longo dessa trajetória acadêmica, mesmo quando é necessário abrir mão de um tempo juntos. Obrigado por todo cuidado amoroso que têm comigo e agora com nosso filho Lucas, ao qual você despende tanto tempo, me permitindo dedicar à dissertação. Lucas, meu filho, sou grato também a você que, apesar de não entender ainda o que acontece, já é responsável pelo meu empenho, por mudar minha vida para melhor e me ajudar a ter uma nova visão da vida.
Aos meus pais, Hélio e Vanúsia, pelo modo como me criaram, pelas oportunidades que me deram para estudar e a educação familiar, tão importantes para minha formação e construção do meu caráter. Agradeço também ao meu irmão Hugo por, ainda que um pouco afastados, sua amizade e parceria.
Ao professor Fábio Sousa, primeiro pela oportunidade de trabalho conjunto e também pela orientação, mostrando saídas e caminhos a se seguir dentro do que foi proposto. Tenho que reconhecer a sua boa disposição e tempo concedido, mesmo dentro da tão corrida vida acadêmica.
Fágner e Pedro, companheiros de laboratório, sou grato a vocês por possibilitarem e facilitarem etapas dessa pesquisa. Vocês dois, especialmente, foram como mãos a mais, com as quais pude contar para o bom andamento do trabalho. Obrigado também por, apesar de diferenças, mantermos um relacionamento amigável.
Agradeço a todos os outros colegas do Laboratório de Manufatura, aos professores responsáveis pelo setor e aos técnicos que nos ajudam tanto.
“Se alguém pensa que conhece
alguma coisa, ainda não
conhece como deveria”
1 Coríntios 8:2, Tradução do Novo Mundo da Bíblia SagradaPaiva, Hérico Silva de. Influência da Granulometria Abrasiva #600 no Polimento de Porcelanatos com Diferentes Formulações. Dissertação de Mestrado (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.
RESUMO
O porcelanato tem se destacado como um dos revestimentos cerâmicos de maior importância, uma vez que seu desenvolvimento proporcionou produtos de excelente qualidade técnica e estética. Para aprimorar suas características, o porcelanato é submetido a um processo de polimento que, além de complexo e importante, tem um alto consumo de água, energia e abrasivos. Paralelamente, além do desempenho tecnológico expressivo, há também a tendência ao uso de revestimentos sustentáveis por meio do reaproveitamento de rejeitos. No caso de porcelanatos polidos, a obtenção da curva de ganho de brilho no processo de polimento se faz necessária, tanto para guiar o aperfeiçoamento da operação de polimento, quanto para validar o reaproveitamento de resíduos pela incorporação de material na formulação da massa. O presente trabalho objetiva ambos propósitos. Para tanto, serão obtidas curvas de ganho de brilho com e sem a adição de rejeitos de cerâmica vermelha (Chamote), considerando simultaneamente a variação da rota de polimento industrial. Para todos os ensaios, a sequência de polimento aconteceu normalmente do abrasivo #36 ao #400, sendo seguido de três rotas de polimento distintas até o abrasivo #800. Após a passagem dos abrasivos, a avaliação da influência da variação da rota foi feita pela medição de brilho e rugosidade superficial das amostras. Os resultados demonstraram a aplicabilidade do porcelanato com chamote que obteve respostas de brilho final em média 16,8% maior que o porcelanato padrão. Foi possível verificar que, dentro dos parâmetros usados, não houve influência significativa da variação da rota de polimento, sendo possível omitir o abrasivo #600, sem perda estética significativa.
Palavras-chave: Polimento de porcelanatos, chamote, rota de polimento, omissão de granulometria.
Paiva, Hérico Silva de. Influence of Abrasive Granulometry #600 on Porcelain Tile Polishing with Different Formulations. Master’s Dissertation in Mechanical Engineering – Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.
ABSTRACT
Porcelain stoneware tiles have major importance among the ceramic floor tiles, since their development provided products of excellent technical and aesthetic quality. To improve its characteristics, the porcelain tile is subjected to a polishing process, which besides complexity and importance, has a high consumption of water, energy and abrasives. Beyond the technological performance, there is also a trend towards the use of sustainable coatings through the reuse of industrial wastes. In the case of polished porcelain tiles, obtaining the glossiness gain curve in the polishing process is necessary both to guide the improvement of the polishing operation and to validate the incorporation of industrial wastes in the mass formulation. This Master Thesis aims at both purposes. In order to achieve this, glossiness gain curves were obtained with and without the addition of red ceramic waste (Chamotte, or also grog), while considering the variation of the industrial polishing route. For all tests, the polishing sequence will normally follow abrasive #36 to #400, followed by three different polishing routes up to # 800 abrasive. After abrasives were passed, the influence of the route variation was evaluated by measuring the glossiness and surface roughness of the samples. The results demonstrated the applicability of the chamotte porcelain tile that obtained final glossiness responses on average 16.8% higher than the standard porcelain. It was possible to verify that, within the parameters used, there was no significant influence of the polishing route variation. As consequence, it is possible to omit abrasive #600 without significant aesthetic loss.
Keywords: Porcelain tiles polishing, chamotte, polishing route, granulometry omission.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Produção mundial de materiais cerâmicos. ... 1
Figura 2 – Produção brasileira anual de revestimentos cerâmicos. ... 2
Figura 3 – Tipos de produtos cerâmicos fabricados no Brasil. ... 2
Figura 4 – Porcelanato Bianco® da Eliane. ... 3
Figura 5 – Processo de fabricação do porcelanato. ... 9
Figura 6 – Processos de usinagem de geometria não-definida. ... 10
Figura 7 – Desgaste abrasivo de dois e três corpos. ... 11
Figura 8 – Mecanismos de desgaste por abrasão. ... 12
Figura 9 – Trem de polimento industrial. ... 13
Figura 10 – Diagrama de dificuldade de polimento. ... 14
Figura 11 – Aparência da superfície do porcelanato após o nivelamento. ... 15
Figura 12 – Perda de massa e rugosidade superficial no polimento. ... 16
Figura 13 – Grana de abrasivos usados nas cabeças de polimento industriais. ... 16
Figura 14 – Defeitos identificados nas placas de porcelanato... 17
Figura 15 – Representação dos abrasivos montados na cabeça de polimento. ... 18
Figura 16 – Diagrama esquemático do processo de polimento industrial. ... 18
Figura 17 – Variação da pressão de contato durante o processo de polimento. ... 20
Figura 18 – Cinemática da politriz de primeiro tipo. ... 21
Figura 19 – Cinemática da politriz do segundo tipo. ... 21
Figura 20 – Favorecimento geométrico no polimento na politriz do primeiro tipo. ... 22
Figura 21 – Tempo Efetivo de Polimento na Politriz com Oscilação Lateral. ... 22
Figura 23 – Micrografias obtidas por MEV da superfície do porcelanato. ... 23
Figura 24 – Componentes da percepção de Brilho. ... 25
Figura 25 – Diferenças entre os tipos de reflexão da luz em superfícies planas. ... 26
Figura 26 – Efeito das irregularidades no caminho da luz. ... 27
Figura 27 – Curvas assintóticas típicas para a rugosidade e o brilho. ... 29
Figura 28 – Evolução da rugosidade e do brilho no polimento. ... 29
Figura 29 – Brilho em peças polidas com abrasivo #1000 sob 3 cargas diferentes. . 30
Figura 30 – Ganho de brilho no polimento sob 3 cargas diferentes. ... 31
Figura 31 - Marcas de fábrica conhecidas como “sombras de polimento”. ... 32
Figura 32 – Padrões de polimento simulados para 16 condições cinemáticas. ... 33
Figura 33 – Tijolos e telhas fora da especificação ou quebrados por manuseio. ... 36
Figura 34 – Tijolos e telhas quebradas despejadas na estrada. ... 37
Figura 35 – Composição mineralógica do chamote. ... 40
Figura 36 – Dimensão das amostras de porcelanato. ... 41
Figura 37 – Comparação visual das amostras de porcelanato... 41
Figura 38 – Fluxograma da metodologia aplicada. ... 42
Figura 39 – Dimensionamento das amostras para embutimento. ... 43
Figura 40 – Amostras embutidas. ... 44
Figura 41 – Pontos de medição nas amostras. ... 44
Figura 42 – Processo de polimento de porcelanato em laboratório. ... 45
Figura 43 – Rota de polimento convencional. ... 45
Figura 44 – Resultados de brilho esperados das rotas de polimento 1-2-3. ... 46
Figura 46 – Análise mineralógica da composição de porcelanato P. ... 50
Figura 47 – Análise mineralógica da composição de porcelanato C. ... 50
Figura 48 – Curva de saturação para o abrasivo #36. ... 52
Figura 49 - Curva de saturação para o abrasivo #60. ... 52
Figura 50 – Curva de saturação para o abrasivo #80. ... 53
Figura 51 – Curva de saturação para o abrasivo #100. ... 53
Figura 52 – Curva de saturação para o abrasivo #120. ... 53
Figura 53 – Curva de saturação para o abrasivo #180. ... 54
Figura 54 – Curva de saturação para o abrasivo #220. ... 54
Figura 55 – Curva de saturação para o abrasivo #240. ... 54
Figura 56 – Curva de saturação para o abrasivo #280. ... 55
Figura 57 – Curva de saturação para o abrasivo #320. ... 55
Figura 58 – Curva de saturação para o abrasivo #400. ... 55
Figura 59 – Curva de saturação para o abrasivo #600. ... 56
Figura 60 – Curva de saturação para o abrasivo #800. ... 56
Figura 61 – Evolução da rugosidade superficial do porcelanato padrão. ... 58
Figura 62 – Evolução do brilho do porcelanato padrão. ... 58
Figura 63 – Evolução da rugosidade superficial do porcelanato ecológico. ... 59
Figura 64 – Evolução do brilho do porcelanato ecológico. ... 60
Figura 65 – Comparação da rugosidade superficial: P1 x C1. ... 60
Figura 66 – Comparação da rugosidade superficial: P2 x C2. ... 61
Figura 67 – Comparação da rugosidade superficial: P3 x C3. ... 61
Figura 69 - Micrografia das amostras após o abrasivo #800. ... 63
Figura 70 – Comparação do brilho: P1 x C1. ... 64
Figura 71 – Comparação do brilho: P2 x C2. ... 64
Figura 72 – Comparação do brilho: P3 x C3. ... 65
Figura 73 – Ganho de brilho do porcelanato padrão. ... 66
Figura 74 – Ganho de brilho do porcelanato ecológico. ... 67
Figura 75 – Ganho de brilho: P1 x C1. ... 68
Figura 76 – Ganho de brilho: P2 x C2. ... 68
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classificação das placas cerâmicas para revestimento. ... 7
Tabela 2 – Caracterização dos processos de usinagem por abrasivos. ... 10
Tabela 3 – Relação entre a grana do abrasivo e o tamanho médio das partículas. .. 17
Tabela 4 – Influência da quantidade de água no polimento. ... 31
Tabela 5 – Misturas cerâmicas estudadas por Melo et al. (2009). ... 38
Tabela 6 – Composição das peças de porcelanato. ... 39
Tabela 7 – Composição química das matérias-primas do porcelanato. ... 39
Tabela 8 – Composição química do resíduo usado. ... 40
Tabela 9 – Propriedades do porcelanato ecológico e convencional. ... 40
Tabela 10 – Rotas de Polimento 1-2-3. ... 47
Tabela 11 – Microdureza Vickers das amostras de porcelanato. ... 49
Tabela 12 – Análise química do porcelanato... 49
Tabela 13 – Resultados iniciais de Rugosidade e Brilho. ... 51
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABCERAM – Associação Brasileira de Cerâmica ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANFACER – Associação Nacional dos Fabricantes de Cerâmicas para Revestimentos, Louças Sanitárias e Congêneres
ANICER – Associação Nacional da Indústria Cerâmica
ASTM – American Society for Testing Materials (Sociedade Americana para Testes de Materiais)
CIE – Comission Internationale de l’Éclairage (Comissão Internacional de Iluminação) ISO – International Organization for Standardization (Organização Internacional para Padronização)
MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura NBR – Norma Brasileira
PTW – Polished Tile Waste (resíduo de polimento) FRX – Fluorescência de Raios-X
LISTA DE SÍMBOLOS
AA Absorção de Água RF Resistência à Flexão
Rugosidade Média
2b Largura Efetiva de Contato
W Carga Aplicada
R Raio de Curvatura do Bloco Abrasivo Coeficiente de Poisson do Bloco Abrasivo Coeficiente de Poisson do Porcelanato Módulo de Young do Bloco Abrasivo Módulo de Young do Porcelanato p Pressão de Contato de Hertz
Tempo Efetivo de Polimento Ângulo de Incidência da Luz Comprimento de Onda da Luz
Rugosidade Média Inicial no Polimento
Assíntota de Rugosidade Média no Polimento Brilho Inicial no Polimento
Assíntota de Brilho no Polimento
Tempo Característico do Polimento para a Rugosidade Tempo Característico do Polimento para o Brilho t Tempo de Polimento
A Amplitude de Oscilação da Politriz f Frequência de Oscilação da Politriz
Q Vazão de Água
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 MOTIVAÇÃO ... 1 1.2 JUSTIFICATIVA ... 5 1.3 OBJETIVOS ... 5 1.3.1 Objetivo Geral ... 5 1.3.2 Objetivos Específicos ... 5 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 6 2.1 PORCELANATO ... 62.2 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO PORCELANATO ... 8
2.2.1 Polimento ... 9
2.2.2 Abrasão ... 11
2.3 BRILHO ... 24
2.3.1 Ganho de Brilho no Polimento de Porcelanatos ... 28
2.3.2 Padrões de Distribuição Espacial de Brilho ... 32
2.4 REAPROVEITAMENTO DE RESÍDUOS NO PORCELANATO ... 34
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 39
3.1 MATERIAIS ... 39
3.2 MÉTODOS ... 42
3.2.1 Caracterização ... 42
3.2.2 Preparação dos Corpos de Prova ... 43
3.2.3 Primeira Bateria de Testes: Amostras P0 e C0 ... 44
3.2.4 Segunda Bateria de Testes: Amostras P ... 45
3.2.5 Terceira Bateria de Testes: Amostras C ... 48
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 49
4.1 CARACTERIZAÇÃO ... 49
4.3 CURVAS DE SATURAÇÃO ... 51
4.4 MEDIÇÕES: AMOSTRAS P SOB DIFERENTES ROTAS ... 57
4.5 MEDIÇÕES: AMOSTRAS C SOB DIFERENTES ROTAS ... 59
4.6 COMPARAÇÕES: AMOSTRAS P X AMOSTRAS C ... 60
4.7 GANHO DE BRILHO AO LONGO DO TEMPO: #600 E #800 ... 65
5 CONCLUSÕES ... 70
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 71
1 INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO
Em todo o mundo, o Brasil aparece como um dos principais países consumidor e produtor de revestimentos cerâmicos, ficando atrás do mercado chinês e, mais recentemente, do mercado indiano, como visto na figura 1. A riqueza de matérias-primas naturais, a disponibilidade de fontes de energia e de tecnologias para os equipamentos, fizeram com que a indústria ceramista brasileira conseguisse evoluir rápido e acompanhar outros produtores mundiais, permitindo que muitos tipos de produtos do segmento cerâmico atingissem o nível de qualidade mundial (ABCERAM, 2019).
Figura 1 – Produção mundial de materiais cerâmicos.
Fonte: ANFACER (2020).
No decorrer dos anos 2000, esse ramo da indústria teve franca expansão, propiciando em 2009, por exemplo, um faturamento estimado em R$ 6,5 bilhões, com uma média de crescimento anual de 5%. Entre os anos de 2014 e 2017, as exportações brasileiras de revestimentos cerâmicos cresceram em um ritmo ainda maior, com uma taxa de aumento próxima a 10% (ANFACER, 2020). Mesmo depois de uma queda significativa em âmbito mundial, nos últimos anos, o Brasil ainda se destaca no ranking entre os maiores produtores de revestimentos, estando em 2017
0 750 1500 2250 3000 3750 4500 5250 6000 6750 7500
China Índia Brasil Espanha Vietnã
Pr oduç ão (em milh ões de m² ) 2013 2014 2015 2016 2017
na 3ª posição, com a produção totalizando 792 milhões de m², após os valores de auge em 2014 e 2015, como pode ser visto na figura 2.
Figura 2 – Produção brasileira anual de revestimentos cerâmicos.
Fonte: ANFACER (2020).
Dentro desse cenário, o porcelanato tem se destacado como um dos revestimentos cerâmicos de maior importância, uma vez que seu desenvolvimento proporcionou produtos de excelente qualidade técnica e estética (DA SILVA et al., 2014). Essas características impulsionaram o consumo do produto, que continuou a crescer, como mostra a figura 3, apesar da diminuição no total geral do mercado, representando agora cerca de 15% da produção total.
Figura 3 – Tipos de produtos cerâmicos fabricados no Brasil.
Fonte: ANFACER (2020). 650 700 750 800 850 900 950 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Prod u ção (m ilhões de m ²) 588 589 569 487 490 166 186 191 166 157 24 26 32 25 22 93 102 108 113 121 0 75 150 225 300 375 450 525 600 2013 2014 2015 2016 2017 Pro d uçã o (mil hõe s de m²)
Para aprimorar suas características estéticas, o porcelanato é submetido a um processo de polimento em que, as peças ainda mantêm alta resistência mecânica e química, mas recebem um melhoramento nos aspectos estéticos do revestimento, tornando-o mais competitivo com as pedras naturais e ornamentais (HUTCHINGS et al., 2004) (RAMBALDI; LUCCHESE; BIGNOZZI, 2017). A figura 4 mostra as diferenças e o apelo estético entre o porcelanato técnico e o polido para uma mesma marca do produto.
Figura 4 – Porcelanato Bianco® da Eliane.
a) Técnico b) Polido
Fonte: https://www.eliane.com/produtos. Acesso em novembro de 2018.
O processo de polimento do porcelanato é bastante complexo, uma vez que é influenciado por diversos fatores, que dependem principalmente da microestrutura da cerâmica, das características das ferramentas abrasivas usadas no processo e do planejamento da sequência de abrasivos. Além de complexo e importante, o processo de polimento é bastante dispendioso: podendo ser responsável por cerca de 1/3 dos custos de produção das peças, com um alto consumo de abrasivos, água e energia, causando ainda impactos ambientais, como a produção de resíduos do polimento (MATSUNAGA; SALATI; SOUSA, 2014) (CAMPIONE; FRAGASSA; MARTINI, 2019).
Apesar do exposto anteriormente, o planejamento da linha de polimento industrial começou a ser desenvolvido baseado no conhecimento obtido no polimento de outros materiais, como o granito, por exemplo (IBÁÑEZ et al., 2002). E, no início dos anos 2000, o processo de polimento se deu basicamente por meio da tentativa e erro e à base da experiência da indústria e de operadores (HUTCHINGS et al., 2006a).
Nos últimos tempos, muitos trabalhos têm sido realizados a fim de melhorar os diversos aspectos dessa etapa, incluindo o estudo da influência das características cinemáticas no processo (OLENBURG et al., 2013a) (NASCIMENTO; SOUSA, 2014) e a aplicação de tecnologias computacionais (SOUSA et al., 2016) (CAMPIONE; FRAGASSA; MARTINI, 2019) que podem auxiliar no aprimoramento do polimento.
Assim como acontece em diversas outras áreas da indústria, o setor ceramista tem sido responsável pela produção de uma grande quantidade de rejeitos do processo e o aumento da demanda e consumo dos produtos contribuem para a intensificação da exploração de minérios (ANDREOLA et al., 2016). Como resposta a essa demanda, cresceu o interesse no reaproveitamento dos rejeitos industriais das mais diversas áreas no setor da construção civil (MENEZES et al., 2008) (ELÇI, 2016) (KAZMI et al., 2016).
Hoje, há uma tendência ao uso de revestimentos sustentáveis, ou seja, aqueles em que há preocupação com o meio ambiente durante seu processo de fabricação – seja na redução do consumo de água ou energia, seja na redução de matérias-primas. No Brasil, foi criada a norma NBR ISO 14024:2004 que estabelece os princípios e procedimentos para rotulagem de produtos com essa atenção ambiental. Em 2011, a Eliane – Revestimentos Cerâmicos produziu a linha Ecostone®, sendo o primeiro porcelanato ecológico do Brasil, produzido com até 60% de massa reaproveitada.
Vários trabalhos têm abordado a incorporação de rejeitos industriais na formulação básica dos porcelanatos para avaliar a sua viabilidade técnica, o que poderia resultar em uma solução ecologicamente benéfica para o planeta, mas também financeiramente vantajosa para a indústria (LUZ; RIBEIRO, 2007) (XIAN et al., 2015) (KE et al., 2016).
Em termos de acabamento superficial, este trabalho tem dois temas básicos: o estudo do ganho de brilho em porcelanatos com incorporação de rejeitos de cerâmica vermelha (Chamote) e a influência do avanço da granulometria abrasiva de maneira precoce, ou seja, sem que a ação dos abrasivos tenha atingido seu completo estado de saturação. O trabalho dará prosseguimento ao que foi abordado em Soares Filho (2018), utilizando composições já validadas como porcelanato que foram desenvolvidas pelo autor.
1.2 JUSTIFICATIVA
Apesar de alguns autores terem abordado o assunto em certas perspectivas, ainda há claras oportunidades de aperfeiçoamento do processo de polimento, reduzindo o custo e o consumo de insumos, aumentando a qualidade do produto final e o entendimento do processo como um todo.
Em especial, no caso de porcelanatos com adição de resíduos, como o chamote, a análise da curva de ganho de brilho característica e a influência da omissão de granulometrias abrasivas no processo de polimento se faz necessária tanto para avaliar o aproveitamento da inclusão de tal material na formulação da massa, como para servir de guia no aperfeiçoamento da posterior operação de polimento.
1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo Geral
O objetivo da presente dissertação é avaliar a influência do avanço precoce de granulometrias abrasivas no processo de polimento de porcelanatos, considerando formulações com e sem a adição de resíduos industriais.
1.3.2 Objetivos Específicos
Estudar os efeitos da omissão parcial e total da granulometria abrasiva #600 no brilho, quando contrapostos os resultados de um polimento com rota convencional;
Avaliar a influência da inclusão de chamote no brilho característico do porcelanato por meio da comparação com os resultados do porcelanato convencional.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 PORCELANATO
Do modo como existe hoje, o porcelanato surgiu no final dos anos 70 na Itália, caracterizado, entre todos os materiais cerâmicos, por uma aparência muito similar às pedras naturais (SÁNCHEZ et al., 2010). A massa inicial é feita a partir de uma mistura de argila ou caulim, quartzo e feldspato, tendo algumas vezes a incorporação de aditivos. Cada um desses compostos contribui para as características únicas desse tipo de revestimento (ZANELLI et al., 2019).
A fração de argila ajuda na concepção da forma, proporcionando plasticidade e resistência mecânica durante o processamento, além do desenvolvimento de mulita e da fase vítrea durante a queima. Os feldspatos são responsáveis pela fase vítrea em baixas temperaturas, auxiliando no processo de sinterização e permitindo alcançar níveis reduzidos de porosidade. Por fim, a estabilidade térmica e dimensional é propiciada graças ao alto ponto de fusão do quartzo (SÁNCHEZ et al., 2001) (LERDPROM et al., 2016).
O porcelanato é utilizado para pavimentos internos em edifícios residenciais, comerciais e até industriais, para pavimentos e fachadas exteriores, e como revestimento de paredes internas. A face pode ter um acabamento em relevo semelhante a pedra natural, para fins decorativos, ou apresentar pontas em diversas formas para dar resistência ao deslizamento em pisos externos ou em aplicações de pisos industriais (QUEREDA, 2008) (SÁNCHEZ et al., 2019).
A demanda por novas aparências deu origem a um amplo espectro de acabamentos superficiais, como o polimento. Dois tipos comuns de revestimentos de porcelanato são os chamados porcelanatos técnicos e polidos. O porcelanato técnico não passa por acabamento após o tratamento térmico; sua aparência assemelha-se muito à de rochas ou pedras encontradas na natureza, como ardósia, mármore ou granito. O acabamento polido é obtido por retificação e polimento após o tratamento térmico, o qual fornece ao produto uma finalização de alto brilho como o de mármore ou granito polido. As peças são ainda usinadas a fim de se esquadrar e/ou chanfrar os cantos, permitindo a instalação da peça com uma junta de argamassa mínima, que produz um acabamento altamente harmonioso (SÁNCHEZ et al., 2010).
Outro tipo de porcelanato desenvolvido é o esmaltado. Utilizado especialmente devido à sua resistência ao congelamento e baixa porosidade, o produto tornou-se uma alternativa a outros produtos cerâmicos esmaltados. Entretanto, seu uso, especialmente para aplicações ao ar livre, é limitado devido à presença da camada dupla (ou seja, camada de esmalte sobre o corpo) do produto, pois a camada de esmalte se desgasta com o tempo (SUVACI; TAMSU, 2010).
As normas ISO 13006/NBR 13817 determinam uma sucessão de requisitos para as cerâmicas, classificando o Porcelanato como um BIa, ou seja, material prensado com absorção de água menor ou igual a 0,5%. Junto com a absorção de água, outro fator importante para a classificação é a resistência mecânica, representada pela resistência à flexão. A tabela 1 mostra a classificação segundo as normas estabelecidas.
Tabela 1 – Classificação das placas cerâmicas para revestimento.
N ORMA NBR 13817 ISO 13006 CRITÉRIOS Absorção de Água - AA (%) Resistência à Flexão - RF (MPa) CLA SSIFICA ÇÃ O Porcelanato BIa AA ≤ 0,5 RF ≥ 35 Grês BIb 0,5 < AA ≤ 3,0 30 ≤ RF < 35 Semi-grês BIIa 3,0 < AA ≤ 6,0 22 ≤ RF < 30 Semi-poroso BIIb 6,0 < AA ≤ 10,0 15 ≤ RF < 18 Poroso BIII AA > 10,0 RF ≤ 15
Fonte: Adaptado de Soares Filho, 2018.
O porcelanato é um produto muito compacto e vitrificado, com baixíssimos níveis de porosidade. A baixa porosidade é uma característica importante, que confere ao material excelentes propriedades químicas e mecânicas, inclusive a resistência ao congelamento, permitindo a aplicação em pisos internos e externos e o revestimento de paredes em climas frios (SÁNCHEZ et al., 2010). Possui alta resistência a substâncias químicas e à abrasão. Sua boa resistência mecânica torna o porcelanato ideal para áreas industriais e de alto fluxo de pessoas; além de ser fácil de limpar, sendo, portanto, útil para áreas de pavimentação onde a higiene é importante (SEABRA et al., 2014).
Todas as características alistadas anteriormente são resultado, não somente dos materiais aplicados na composição da massa do porcelanato, mas também do processo de manufatura empregado (HUTCHINGS et al., 2004).
2.2 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO PORCELANATO
O processo de fabricação do porcelanato é em grande parte bastante similar a outros produtos cerâmicos de revestimento, mas a fabricação de um produto de alta performance, através de rigoroso controle microestrutural, requer matérias-primas de alta qualidade e um processo de produção altamente tecnológico. Estas características estão mais próximas dos processos de produção de cerâmicas avançadas ou de alta tecnologia do que daquelas usadas na fabricação de produtos cerâmicos tradicionais (VILCHES, 2002).
A obtenção das características desejadas no porcelanato está basicamente relacionada à produção da microestrutura apropriada após o tratamento térmico. A microestrutura deve ser caracterizada por ser livre ou praticamente livre de porosidade aparente, com uma porosidade fechada mínima, por sua vez composta de poros pequenos e perfeitamente isolados (BÉLTRAN et al., 1996).
De início, na etapa de seleção de matérias-primas, mantem-se a homogeneidade do lote para evitar diferenças na tonalidade e na fundência da composição (HECK, 1996). Começando pela fase da cominuição, que consiste da britagem e moagem por via úmida, a massa segue para atomização, que tem a finalidade de secá-la e formar aglomerados esféricos. A próxima etapa é a de conformação por prensagem que se dá de forma bastante controlada, a fim de que não haja gradiente de densidade no material, o que causaria deformações e desvios de ortogonalidade (ROSSO; CUNHA; ROJAS-RAMIREZ, 2005). A etapa da secagem deixa a umidade na faixa de 0,4 a 0,6%. Segue-se então o tratamento térmico, ocorrendo a sinterização e densificação via fase líquida, reduzindo ao máximo a porosidade das peças. Por fim, o porcelanato pode ou não passar pela etapa de polimento. A figura 5 ilustra a sequência descrita anteriormente.
Como última etapa, o processo de polimento tem ganhado grande importância por melhorar os aspectos estéticos do porcelanato e aumentar a competitividade com as pedras naturais no revestimento de superfícies (ESPOSITO; TUCCI; NALDI, 2005).
Figura 5 – Processo de fabricação do porcelanato.
Fonte: Adaptado de Heck, 1996. 2.2.1 Polimento
Normalmente, o termo polimento é uma designação comum à operação de conferir brilho a uma superfície. Por este motivo, o termo ficou coloquialmente associado ao processo industrial de ganho de brilho de placas cerâmicas. Tal associação, porém, não é correta do ponto de vista técnico. Nas linhas industriais de polimento de placas cerâmicas de revestimento, os abrasivos se encontram fixos, imersos em blocos abrasivos cimentícios bastante rígidos, realizando uma cinemática típica de brunimento.
Tecnicamente, o polimento é um processo de usinagem de acabamento que envolve pouquíssima remoção de material, promovida por grãos abrasivos livres e de formato geométrico indefinido, integrando assim a classe de processos de usinagem de geometria não-definida. A pasta de abrasivos aplicada em um feltro ou outra superfície deformável garante uma baixa pressão de contato entre o abrasivo e a peça, removendo material no regime dúctil. Os pequenos riscos formados, por estarem muito próximos, melhoram a textura e o brilho da superfície (MARINESCU et al., 2004).
Para Sousa (2014), o polimento é definido processo de acabamento no qual os grãos finos soltos, imersos em um fluido ou pasta, são esfregados contra a peça de trabalho sem alterar sua massa, dimensão ou forma nominal.
O processo aplicado aos porcelanatos tampouco pode ser considerado uma lapidação, que, assim como o polimento, conta com abrasivos livres, mas que são aplicados nas peças por uma ferramenta de superfície rígida (MARINESCU et al., 2004). Outro processo de acabamento por abrasivos livres é o jateamento, que se baseia no princípio energético, onde os abrasivos são lançados com alta energia contra a superfície da peça para lhe conferir as características desejadas. Ainda inserido nessa classificação de processos de usinagem, há também a retificação, na qual os abrasivos são presos ao rebolo, que arranca material em alta rotação, seguindo uma trajetória bem definida.
A partir das definições técnicas, então, o procedimento de conferir brilho ao porcelanato é definido, a rigor, como um brunimento, caracterizado por um movimento rotativo à baixas velocidades, podendo combinar movimentos de rotação e oscilação da ferramenta, mas mantidos com uma força de aplicação relativamente constante (MARINESCU et al., 2004; SOUSA, 2007). Na figura 6 e tabela 2, alistam-se brevemente os princípios seguidos para definição dos processos de usinagem de geometria não-definida.
Figura 6 – Processos de usinagem de geometria não-definida.
Fonte: Adaptado de Sousa, 2007.
Tabela 2 – Caracterização dos processos de usinagem por abrasivos.
PROCESSO ABRASIVOS PRINCÍPIO
Jateamento Livres Energético
Lapidação Livres* Posição
Polimento Livres** Posição
Brunimento Fixos Força
Retificação Fixos Trajetória
*O espaçamento entre a ferramenta e a peça é constante. **O espaçamento entre a ferramenta e a peça é variável.
2.2.2 Abrasão
A definição de desgaste pode ser encontrado na norma DIN 50320 (1997), determinado como uma perda gradativa de material da superfície de um corpo sólido causado por uma ação mecânica, ou seja, o contato e o movimento relativo contra um corpo sólido, líquido ou gasoso. De acordo com a norma, quatro mecanismos básicos de desgaste (ou uma combinação deles) estão envolvidos no processo de desgaste: aderência, abrasão, fadiga superficial e reação triboquímica. No processo de polimento de cerâmicas, o mecanismo predominante é a abrasão.
O deslocamento de material que ocorre em função da presença de partículas duras, quer estejam embutidas nas superfícies ou livres entre as superfícies em movimento relativo, ou pela presença de protuberâncias duras em uma ou ambas as superfícies, define o termo abrasão. Vários termos podem ser usados na descrição, mas os frequentemente empregados são o desgaste abrasivo de dois corpos e o desgaste abrasivo de três corpos (figura 7). O desgaste por abrasão de dois corpos é causado por protuberâncias duras na contra-face, enquanto que no desgaste de três corpos, as partículas duras ficam livres para rolar e deslizar entre duas.
Figura 7 – Desgaste abrasivo de dois e três corpos.
Fonte: Adaptado de Quereda, 2008.
De acordo com as condições de atrito, a perda de matéria pode ocorrer de uma das três formas (esboçadas na figura 8):
a. Micro-sulcamento: as partículas abrasivas causam apenas deformações plásticas e nenhuma remoção de matéria. O material deformado escoa lateralmente ou acumula-se na frente da partícula;
b. Micro-corte: a tensão cisalhante provocada por partículas abrasivas proporciona a remoção de fragmentos (micro-cavacos) em regime dúctil;
c. Micro-lascamento: grandes parcelas do material são arrancadas abruptamente da superfície devido à nucleação e propagação de trincas, deixando riscos com largura e profundidades maiores que a partícula. Este mecanismo é característico dos materiais frágeis e ocorre quando as tensões produzidas pelas partículas abrasivas excedem certos valores críticos.
Figura 8 – Mecanismos de desgaste por abrasão.
Fonte: Adaptado de Mezari, 2013.
Por ser um produto frágil, a remoção de material no porcelanato se dá basicamente por micro-lascamento. Apesar dessa tendência, tem-se percebido que as cerâmicas podem apresentar comportamentos diferentes sob usinagem, como vazão plástica ou viscosa e propagação de trincas (EVANS et al., 2003). Esse modo duplo de resposta, possibilita a remoção de material por meio do micro-lascamento e do micro-corte, mas também pequenas movimentações do material que caracterizam o micro-sulcamento (MEZARI et al., 2016).
O tipo de desgaste proeminente nas etapas de polimento do porcelanato tem papel fundamental nos resultados de rugosidade e brilho adquiridos pela superfície da placa. Na primeira etapa, a de nivelamento, a superfície da ferramenta contém grãos de diamante grosseiros (250–300 µm) que entram em contato com o piso sob alta pressão. Estas condições produzem desgaste severo na superfície devido a mecanismos de fratura frágeis baseados na formação de fissuras (SÁNCHEZ et al., 2002).
Na segunda etapa, a deterioração produzida pelo passo de nivelamento precedente é corrigida, implicando em uma remoção significativa de material. Em grãos mais finos, a massa da amostra sofre pouca variação e é praticamente insignificante após a granulação 400 (17,3 µm). O aumento rápido no brilho praticamente coincide com o final do período de remoção do material, tendendo para
um valor estável a partir do grão 1500 (d50 <6 µm) e superior. A maioria das descontinuidades observadas na superfície do piso resulta da abertura da porosidade fechada com a remoção da camada superior. Isto indica, portanto, que nesta última etapa, o polimento ocorre praticamente por deformação plástica, sem remoção de material (WANG et al., 2003) (MEZARI et al., 2016).
Apesar do exposto anteriormente, designa-se convencionalmente por “polimento” o conjunto total de processos aplicados no porcelanato em uma linha industrial designada para receber as placas cerâmicas logo após o processamento térmico. A linha industrial é composta por vários tipos de máquinas, munidas de materiais abrasivos. À medida que as peças avançam pela linha de polimento, o contato dos abrasivos em alta rotação e velocidade controlada, na presença de água como fluido de lubrificação, promove os resultados desejados (BITTENCOURT; BENINCÁ, 2002). A figura 9 mostra um trem de polimento usado na indústria.
Figura 9 – Trem de polimento industrial.
Fonte: Soares Filho, 2018.
O processo pode ser desmembrado em duas etapas principais: o nivelamento ou calibração e o polimento em si. Na primeira etapa, são usados grãos abrasivos grosseiros ou rolos diamantados para nivelar a superfície do piso, removendo uma grande quantidade de material. Na segunda etapa, a granulometria dos abrasivos gradativamente diminui para produzir a textura final e o alto brilho (SÁNCHEZ et al., 2002).
O polimento de porcelanatos é um procedimento caro que envolve um considerável uso de insumos. A dificuldade do processo tem uma origem dupla:
primeiro, o porcelanato é um material duro, que requer, portanto, o uso de abrasivos convencionais muito duros, como carbeto de silício, ou ainda superabrasivos, como o diamante sintético (VILCHES, 2002). A figura 10 mostra a posição do porcelanato em um diagrama que ilustra a dificuldade de polimento. A dificuldade de polimento aumenta no sentido da diagonal dos eixos cartesianos, ou seja, com o aumento da dureza e com o aumento da resistência (RATTERMAN; CASSIDY, 1991).
Figura 10 – Diagrama de dificuldade de polimento.
Fonte: Adaptado de Ratterman e Cassidy, 1991.
Uma segunda razão para dificuldade da operação é que, após o tratamento térmico da massa, as peças desenvolvem algum nível de curvatura, o que dificulta a ação das politrizes, sendo essencial uma primeira operação de nivelamento, mostrado pela figura 11.
Figura 11 – Aparência da superfície do porcelanato após o nivelamento.
Fonte: Adaptado de Vilches, 2002.
A calibração ocorre mediante a ação tangencial e descontínua gerada pelos rolos diamantados, que são dispostos transversalmente à direção de avanço do material. A eliminação das deformações das placas cerâmicas, que possui superfície vitrificada dura, ocorre progressivamente, a fim de não afetar a sua integridade física. Os rolos devem ter uma boa capacidade de corte com a intenção de trabalhar com uma pressão mínima sobre a placa, evitando a quebra do material (WIGGERS; SANTOS; HOTZA, 2007). A ação dos rolos abrasivos é definida pela trajetória, o que caracteriza tecnicamente, um processo de retificação.
A etapa de calibração promove excessiva deterioração da superfície do piso, a qual condiciona toda a sequência de operação. As avarias sofridas pela superfície precisarão ser reparadas na etapa posterior por ferramentas sucessivas contendo abrasivos de tamanho progressivamente menor. Por exemplo, em Wiggers, Santos e Hotza (2007), os autores estudaram a evolução da superfície do porcelanato no processo de polimento, monitorando a rugosidade superficial, a massa perdida pela placa e o brilho desenvolvido. A figura 12 mostra o desenvolvimento das características estudadas pelos autores. O ponto (1) é o porcelanato natural, o ponto (2) é a condição pós-calibração, o ponto (3) é a condição depois do polimento com abrasivos de grana 36 a 100 e o ponto (4) mostra o final do polimento após passagem dos abrasivos 120 a 1500, onde é a rugosidade superficial das amostras.
Figura 12 – Perda de massa e rugosidade superficial no polimento.
Fonte: Adaptado de Wiggers, Santos e Hotza, 2007.
Na segunda etapa do processo, o qual visa conferir brilho à superfície, as partículas abrasivas percorrem continuamente o material a ser usinado, ou seja, há um contato ininterrupto entre abrasivo e superfície, que só cessará pela evolução do desgaste dos dois, caracterizando-se então, como um processo de brunimento. Essa fase é executada por meio de uma série de politrizes tangenciais rotativas, as quais compõem a maior parte da linha de polimento (SOUSA, 2007). Uma sequência de abrasivos usualmente aplicada na indústria pode ser vista na figura 13 a seguir, onde as numerações indicam a grana dos abrasivos.
Figura 13 – Grana de abrasivos usados nas cabeças de polimento industriais.
Fonte: Adaptado de Hutchings et al., 2006a.
Segundo Bittencourt e Benincá (2002), pode-se ainda separar essa segunda etapa de acordo com os abrasivos usados: da grana 36 até 180 ocorre novamente um desgaste acentuado da peça, a fim de conferir mais planicidade e retirar as ranhuras profundas deixadas pela retificação. Da grana 240 a 600, acontece a preparação da placa, em que a maior parte dos riscos deixados pelas politrizes anteriores são atenuadas. A partir dos abrasivos de grana 800 é que a peça começa efetivamente a ganhar brilho, deixando praticamente nenhum risco visível.
Para Wang et al. (2003), essa segunda etapa poderia ser subdividida em 3 fases, dependendo também do tamanho dos abrasivos utilizados, conforme pode ser
visto na tabela 3. Na tabela também é possível notar a relação entre a grana (ou mesh) com o tamanho médio das partículas dos abrasivos.
Tabela 3 – Relação entre a grana do abrasivo e o tamanho médio das partículas.
Fase Grana Tamanho Médio (μm) Fase Grana Tamanho Médio (μm) Fase Grana Tamanho Médio (μm)
R
etifica
çã
o
#36 530,0Se
m
i-p
o
lim
ent
o
#320 29,2Po
lim
ent
o
#800 6,5 #46 390,0 #60 270,0 #360 22,8 #1000 4,5 #80 190,0 #100 130,0 #400 17,3 #1220 3,0 #120 110,0 #180 75,0 #600 9,3 *Lux <3,0 #220 63,0#280 36,5 *usualmente granas entre #1500 e #2500.
Fonte: Adaptado de Soares Filho, 2018.
De modo resumido, portanto, o acabamento superficial chamado de polimento consiste na diminuição de dois parâmetros distintos: a ondulação e a rugosidade. A diferença entre esses dois termos é ilustrada pela figura 14.
Figura 14 – Defeitos identificados nas placas de porcelanato.
Fonte: Adaptado de Soares Filho, 2018.
Os abrasivos de grana #36 à #280 usualmente são diamantados e possuem matriz metálica, o que garante uma grande vida útil (de 90 a 96 horas), enquanto os abrasivos de grana mais fina são normalmente compostos por partículas de carbeto de silício (SiC) com 10% em massa, embebidas em uma matriz de cimento de magnésio óxi-clorídrico, tendo uma vida útil que varia de aproximadamente 15 minutos
até 20 horas para os grãos mais finos (HUTCHINGS et al., 2005b) (SOARES FILHO, 2018). Cada politriz tangencial rotativa, por sua vez, possui uma plataforma giratória, onde são acoplados seis abrasivos, como ilustrado na figura 15.
Figura 15 – Representação dos abrasivos montados na cabeça de polimento.
Fonte: Autor.
Cada bloco abrasivo (conhecido como fickert), tem um movimento de oscilação curta chamado de swing, promovido por um mecanismo dentro da cabeça de polimento. Esse movimento distribui o desgaste do abrasivo sobre uma superfície cilíndrica (com raio R indicado na figura 16), e assegura que o contato local entre o bloco e a placa ocorra sobre uma faixa estreita ao longo da superfície do bloco (HUTCHINGS et al., 2005a).
Figura 16 – Diagrama esquemático do processo de polimento industrial.
Durante o processo, a largura de contato (na direção do movimento relativo) entre o bloco abrasivo e a placa cerâmica muda com o tempo de polimento e, tanto a pressão de contato como o desgaste, fazem com que o raio da superfície do bloco seja diminuído. Se, como aproximação, o contato entre o bloco e o piso é considerado elástico, tanto a largura quanto a pressão de contato podem ser estimadas a partir das equações padrões de Hertz, conforme escritas abaixo (HUTCHINGS et al., 2005a). ² = 4 (1) Onde 1 = 1 − +1 − (2) e = (3)
2b é a largura efetiva de contato, W é a carga aplicada e L é o comprimento do bloco abrasivo; R é o raio de curvatura do bloco abrasivo, e são, respectivamente, o coeficiente de Poisson e o módulo de Young do abrasivo, enquanto e são os parâmetros do porcelanato. Assim, a máxima pressão de contato p é dado por:
= 2 (4)
De acordo com as equações 1 e 4, Hutchings et al. (2005a) demonstraram a variação da largura e da pressão de contato como função do raio R do bloco abrasivo, usando parâmetros comumente aplicados no processo industrial. Com tais parâmetros de entrada, os resultados do estudo podem ser vistos na figura 15. O desgaste causa a diminuição do raio do bloco abrasivo de 130 para 72mm, a pressão de contato aumenta de 10 para 15MPa, e a largura de contato diminui de 0,2 para 0,15 mm. Estes valores, baseados em um modelo de deformação elástica, devem ser tratados como valores mínimos de largura de contato e, portanto, valores máximos de pressão no processo industrial convencional, pois o desgaste do abrasivo durante o
processo de polimento tenderá a aumentar a largura de contato e diminuir a pressão. Dessa forma, as linhas verticais tracejadas na figura 17 mostram os limites superior e inferior do raio correspondentes aos valores para um bloco abrasivo novo e um bloco totalmente gasto.
Figura 17 – Variação da pressão de contato durante o processo de polimento.
Fonte: Adaptado de Hutchings et al., 2005a.
Dois tipos básicos de politrizes, dispostas em série, são usadas na composição das linhas de polimento, diferindo entre elas a cinemática que cada disco abrasivo oferece ao equipamento. No primeiro tipo, as placas cerâmicas, dispostas sobre uma esteira móvel, avançam na linha de produção enquanto as cabeças de polimento permanecem apenas rotando (figura 18). No segundo tipo, a movimentação da esteira continua a mesma, enquanto que as politrizes possuem uma oscilação lateral, chamada de “bandejamento” (figura 19) (SOUSA, 2007).
Figura 18 – Cinemática da politriz de primeiro tipo.
Fonte: Adaptado de Sousa, 2007.
Figura 19 – Cinemática da politriz do segundo tipo.
Fonte: Adaptado de Sousa, 2007.
A preocupação com a cinemática do processo se dá por causa dos efeitos diretos no resultado do polimento. Hutchings et al. (2005a) e Cantavella et al. (2004) concluíram que existem regiões favoráveis à remoção de material quando utilizada a cinemática de primeiro tipo, resultando em gradientes de brilho ao longo da peça. A figura 20 demonstra o favorecimento geométrico encontrado na literatura. Nestas máquinas de polimento simples, esse fenômeno é atribuído à falta de abrasivos no centro das politrizes, ou seja, a parte central do porcelanato recebe menor contato dos blocos já que eles estão diametralmente opostos (SOUSA et al., 2007a).
Figura 20 – Favorecimento geométrico no polimento na politriz do primeiro tipo.
Fonte: Adaptado de Sousa, 2007.
As máquinas de segundo tipo, cuja cinemática é dependente de duas variáveis adicionais, além da velocidade de avanço da esteira e a rotação da politriz, a amplitude lateral do movimento e a frequência de oscilação lateral, despontaram nos anos 2000, e com o seu uso espera-se uma nova região de favorecimento de remoção de material, nesse caso, em regiões alternadas da placa cerâmica. A figura 21 mostra essa tendência, destacando as regiões em que há um maior valor do Tempo Efetivo de Polimento e, consequentemente, um maior número de contatos dos abrasivos nessas regiões. (SOUSA et al., 2007b) Além de minimizar os defeitos do padrão de brilho, a oscilação da cabeça de polimento traz como vantagem a capacidade de polir peças maiores (SOARES FILHO, 2018).
Figura 21 – Tempo Efetivo de Polimento na Politriz com Oscilação Lateral.
Fonte: Adaptado de Sousa et al., 2007b.
Independentemente do tipo de politriz, espera-se que durante o procedimento de polir pode haver a remoção de uma considerável camada superficial, que varia normalmente de 0,5-1,5mm de espessura, dependendo das características do piso
(ALVES et al., 2009). A figura 22 demonstra a espessura de remoção de material durante as etapas do processo de polimento de porcelanatos comerciais obtidas por Wiggers, Santos e Hotza (2007).
Figura 22 – Remoção de espessura durante o polimento.
a) Média de camada removida na etapa de calibração (mm). b) Médias de camada removida na etapa de polimento (mm). c) Médias de camada removida total do processo (mm).
Fonte: Wiggers, Santos e Hotza, 2007.
A remoção da camada superficial revela as camadas adjacentes e expõe poros que estavam anteriormente fechados no interior do material. Quando ainda estão fechados, os poros presentes no porcelanato não apresentam influência na resistência à flexão do material, enquanto que abertos e interconectados, os poros são os principais responsáveis pela diminuição da resistência mecânica e ao manchamento do porcelanato (MARTÍN-MÁRQUEZ; RINCÓN; ROMERO, 2010) (ALVES et al., 2011). A espessura da camada retirada pode afetar também a intensidade das manchas observadas na superfície do porcelanato, porque a distribuição de tamanho e a morfologia dos poros são alteradas ao se avançar para o interior da peça, o que comprova a necessidade de controle da porosidade nas etapas de fabricação das peças (ALVES et al., 2010). A figura 23 mostra as micrografias da superfície das placas antes e depois do polimento, evidenciando a exposição dos poros na face.
Figura 23 – Micrografias obtidas por MEV da superfície do porcelanato.
Fonte: Alves et al., 2010.
Outra variável principal para o processo de polimento da superfície é a injeção de água para lubrificação. A maior atuação da água nas polidoras é reduzir o atrito entre os abrasivos e os pisos, diminuindo o calor gerado e retirando os resíduos gerados pelo processo que poderiam, ao continuar sobre as peças, causar arranhões ou danos na superfície (IBÁÑEZ et al., 2002). Cerca de 4 milhões de litros de água chegam a ser usadas em uma unidade de polimento, demandando a recirculação de água para reaproveitamento em outras áreas da fábrica e um tratamento para posterior remoção dos resíduos do polimento (BITTENCOURT; BENINCÁ; 2002). 2.3 BRILHO
Os consumidores se concentram cada vez mais na aparência visual dos produtos e frequentemente avaliam a qualidade e o desempenho do produto com base nisso. Uma grande parte da política de marketing depende de superfícies brilhantes, independentemente de sua funcionalidade superficial. Por exemplo, peças são rejeitadas por causa de marcas superficiais, embora essas marcas não tenham impacto direto nas propriedades da superfície (LINKE; DAS, 2016). Nos porcelanatos não é diferente: o resultado final do polimento e o principal parâmetro de controle de qualidade na sua produção é o brilho (WANG et al., 2003).
No trabalho de Hunter (1937) foram descritos seis tipos de brilho, como identificá-los e, principalmente, como medi-los. Esse trabalho foi extremamente importante para a indústria, uma vez que norteou diretrizes para o desenvolvimento de aparelhos que pudessem medir o brilho das superfícies, independentemente da subjetividade humana (LINKE; DAS, 2016).
Em 1987, a Comissão Internacional de Iluminação (CIE, do francês – Commission Internationale de l'Éclairage) descreveu o Brilho (do inglês glossiness) como “o modo da aparência pelo qual os reflexos dos objetos são percebidos como superpostos à superfície devido às propriedades seletivas da superfície” (CIE, 1987). Essa definição fez com que o brilho não fosse mais considerado como uma propriedade puramente física do material e sim, definido como uma percepção visual, uma quantidade visual associada a superfícies consequentes às suas propriedades geométricas (OBEIN; KNOBLAUCH; VIÉNOT, 2004).
Entre os tipos de Brilho, para o caso do porcelanato, o mais importante deles é o brilho especular. A indicação da ocorrência desse tipo de brilho está relacionada com a refletância aparente (a proporção entre o fluxo de radiação eletromagnética incidente numa superfície e o fluxo que é refletido) (HUNTER, 1937). Assim como a cor, o brilho é uma sensação visual percebida ao se avaliar uma superfície, constatando-se então, a capacidade de ela refletir a luz incidente em uma direção específica. A refletância especular não consiste apenas em realces especulares; mas toda a luz refletida de uma superfície onde o ângulo de incidência da luz e o ângulo de reflexão são iguais (CHADWICK; KENTRIDGE, 2015).
A reflexão da superfície depende de alguns fatores como: material, topografia da superfície, o grau de transparência e o substrato, além da natureza da fonte de luz, já que uma iluminação difusa resulta em uma impressão menor de brilho. A avaliação visual depende também da acuidade visual, que seria um fator fisiológico, e do humor do observador (fator psicológico). A percepção de brilho de um observador também pode ser influenciada por outras superfícies brilhantes que estejam próximas, induzindo-o a uma comparação mental entre as superfícies (KIGLE-BOECKLER, 1995) (TOSCANI; VALSECCHI; GEGENFURTNER, 2017). Na figura 24 estão alistados os componentes envolvidos na percepção de brilho de uma superfície.
Figura 24 – Componentes da percepção de Brilho.
Fonte: Adaptado de Kigle-Boeckler, 1995.
Superfícies que são consideradas com alto nível de brilho são caracterizadas por terem uma grande capacidade de refletir um feixe de luz predominantemente em
uma direção simétrica ao ângulo de incidência devido à morfologia da superfície, o que caracteriza uma reflexão especular. Dependendo do ângulo de iluminação e do índice de refração do material - no caso dos não-metais, parte da luz iluminada penetra no material e é seletivamente absorvida ou espalhada difusamente em todas as direções espaciais (KIGLE-BOECKLER, 1995). As diferenças entre os dois tipos de reflexão podem ser vistas na figura 25.
Figura 25 – Diferenças entre os tipos de reflexão da luz em superfícies planas.
Fonte: Adaptado de Sousa, 2007.
Muitos materiais diferentes podem ser distinguidos por causa de seu brilho característico. Ao contrário das reflexões difusas, como a cor ou a luminosidade de um material, as reflexões especulares são experimentadas como uma dimensão distinta da cor da superfície e contêm informações sobre a estrutura, intensidade e conteúdo espectral do campo de iluminação.
A maioria dos materiais naturais possui funções de refletância que diferem em sua proporção de refletância especular e difusa. Variações na geometria microscópica e macroscópica da superfície fazem com que reflexos especulares sejam espalhados, obscurecendo a imagem em uma quantidade proporcional à aspereza da superfície (ANDERSON, 2011). Ou seja, não se pode esperar que o brilho ocorra em uma superfície onde a luz se espalha em diversas direções por causa de irregularidades da superfície, predominando uma reflexão difusa (OBEIN; KNOBLAUCH; VIÉNOT, 2004) (SOUSA et al., 2010b).
A figura 26 demonstra os efeitos das irregularidades da superfície no tipo de reflexão predominante. A presença das asperidades na superfície ocasiona diferentes caminhos para os feixes de luz adjacentes e coerentes, resultando em uma diferença
de fase entre as ondas. Essa diferença de fase, de acordo com o critério de Rayleigh, interfere na possibilidade de se perceber o brilho da superfície (SYLVAIN, 2005).
Figura 26 – Efeito das irregularidades no caminho da luz.
Fonte: Adaptado de Sousa et al., 2010b.
A fim de dar confiança e garantia no controle de qualidade, é necessário descrever o brilho das superfícies com critérios objetivos e mensuráveis, por isso o brilho na indústria é comumente medido utilizando-se os brilhômetros (glossmeters), cujo princípio de funcionamento se baseia na medição do componente especular da luz refletida (KIGLE-BOECKLER, 1995). Os resultados dados pelos brilhômetros são expressos em unidades de brilho (GU – gloss units), onde o valor de 100 GU se refere à superfície padrão que é um vidro preto extremamente polido, com índice de refração n = 1,567. Normas internacionais como a ASTM D4449 (ASTM, 2015) especificam os ângulos de incidência nos quais os brilhômetros devem ser usados, sendo 20º para superfícies com alto brilho, 60º para médio brilho e 85º para superfícies com pouco brilho ou riscadas (LINKE; DAS, 2016). Para porcelanatos polidos, as especificações aceitas comercialmente indicam valores de brilho entre 65 e 70 GU (medidos com ângulo de 60º) (HUTCHINGS et al., 2005a).
Matematicamente, para a reflexão especular predominar, a rugosidade superficial, que é normalmente expressa pelo parâmetro , deve atender a equação 5. Aplicando-se os parâmetros aplicados nos brilhômetros usados na indústria, para o comprimento de onda de = 0,88 e ângulo de incidência de = 60º, a rugosidade
deve ser então menor que 0,22 (SOUSA et al., 2007c) (MEZARI, 2013).
≤
Assim, o objetivo principal do processo de polimento é fornecer uma superfície extremamente plana, de modo que a fração da reflexão especular possa predominar sobre a fração da reflexão difusa.
2.3.1 Ganho de Brilho no Polimento de Porcelanatos
Além dos parâmetros do processo de polimento, as variações da microestrutura causadas pelas combinações na seleção dos materiais usados ou nas etapas de produção do porcelanato, causam efeitos significativos na resposta de brilho obtida. Seguem alguns estudos realizados para entender tal influência.
Um trabalho pioneiro sobre o ganho de brilho no polimento foi feito por Hutchings et al. (2005b) em que o autor estudou o desenvolvimento do acabamento superficial das peças, acompanhando os valores de rugosidade e brilho G após a passagem dos abrasivos de cada grana. Percebeu-se que a rugosidade e brilho seguem uma tendência exponencial com o aumento do tempo de polimento para qualquer tamanho individual de abrasivo. Quando um porcelanato com rugosidade inicial e brilho inicial é polido, a rugosidade superficial diminuirá com o aumento do tempo de polimento para um valor assintótico . O comportamento matemático da curva assintótica é parametrizado por meio de um tempo característico , que fisicamente representa o tempo necessário para ocorrer a razão de 1/e da variação de rugosidade ( − ) prevista para o processo.
De maneira análoga, o brilho aumentará com o tempo de polimento, tendendo assintoticamente a um valor , com um tempo característico . As equações 6 e 7, conhecidas como as equações de Hutchings para o polimento, mostram a relação entre o brilho desenvolvido e a rugosidade com o tempo. As equações 6 e 7 deram origem ao gráfico da figura 27.
( ) = + ( − ) (6)
Onde R é a rugosidade em um tempo t durante o polimento, é a rugosidade inicial da superfície, é o valor assintótico da rugosidade e é o tempo característico da evolução da rugosidade.
Onde G é o brilho em um tempo t durante o polimento, é o brilho inicial da superfície, é o valor assintótico de brilho e é o tempo característico da evolução do brilho.
Figura 27 – Curvas assintóticas típicas para a rugosidade e o brilho.
Fonte: Adaptado de Quereda, 2008.
Na figura 28 é possível ver as curvas em linha tracejada estimadas a partir das equações 6 e 7, bem como os dados empíricos do polimento de um porcelanato comercial obtidos por Hutchings et al. (2005b). Os abrasivos de grana mais grosseira que #400 causaram a maior mudança na rugosidade da superfície, enquanto os abrasivos mais finos (grana acima de #400) produziram a maior mudança no brilho.
Figura 28 – Evolução da rugosidade e do brilho no polimento.
Ainda em Hutchings et al. (2005b), os autores avaliaram a resposta de brilho de acordo com a variação da carga normal aplicada sobre o porcelanato. A figura 29 mostra o brilho G da superfície da placa polida com o abrasivo #1000. Para essa grana de abrasivo, o brilho aumentou substancialmente ao longo do tempo de polimento, alcançando valores maiores na condição de maior carga.
Figura 29 – Brilho em peças polidas com abrasivo #1000 sob 3 cargas diferentes.
Fonte: Adaptado de Hutchings et al., 2005b.
No entanto, Olenburg et al. (2013a), ao estudarem a variação da pressão de contato dos abrasivos no polimento, também concluíram que à medida que a granulometria dos abrasivos diminuiu, o brilho da superfície aumentou, mas que, diferente do trabalho de Hutchings et al. (2005b), quão menor a carga aplicada, para uma mesma granulometria, maior o brilho resultante, como visto na figura 30, exceto para a granulometria mais fina. Segundo o autor, uma explicação para isso provém da teoria das profundidades reduzidas de corte, pois, a qualidade da superfície depende do modo de usinagem e, mesmo para materiais frágeis, pode-se usinar em regime dúctil, desde que a penetração da ponta do grão permaneça abaixo de um valor crítico de profundidade de corte. Maiores valores de carga resultam na mudança do modo de usinagem de dúctil para frágil, causando maiores danos superficiais e uma redução na resposta de brilho. Para a granulometria mais fina (como no caso do
#Lux), a ponta do grão provavelmente é menor do que ℎ , , sendo possível então,
mesmo que em cargas mais altas, manter-se no regime de usinagem dúctil.
Figura 30 – Ganho de brilho no polimento sob 3 cargas diferentes.
Fonte: Adaptado de Olenburg et al., 2013a.
Em Bittencourt e Benincá (2002), os autores estudaram a influência sobre o brilho da quantidade de água aplicada no processo de polimento. A tabela 4 mostra os resultados encontrados pelos autores no polimento de porcelanatos comerciais. De maneira geral, uma maior vazão de água aplicada sobre a placa resultou em uma resposta de brilho maior, assim como em um número de riscos aparentes na superfície menor. No entanto, a água, que torna mais favorável o polimento, diminui o número de resíduos sobre a peça e aumenta a superfície de contato dos abrasivos, permitindo um polimento mais profundo e aumentando a porosidade aparente das placas.
Tabela 4 – Influência da quantidade de água no polimento.
Quantidade de Água (l/min) Brilho (GU) Riscos (nº)
10,1 91,9 8
15 92,7 5
17,3 93,7 5
18,8 94,3 4
20,2 94,8 1
2.3.2 Padrões de Distribuição Espacial de Brilho
O padrão de distribuição do brilho ao longo da superfície de uma peça deixado pelo polimento não é homogêneo. Mesmo sob as mesmas condições de operação, diferenças significativas no brilho da superfície dos pisos são registradas e explicadas principalmente pela cinemática adotada no polimento, que causa uma variação no número e nos modos de contatos dos abrasivos em diferentes regiões da superfície do piso (SOUSA et al., 2007c).
A determinação e a investigação desses padrões espaciais de brilho são relevantes, em especial, devido aos efeitos visuais causados pela cinemática do processo, principalmente porque, algumas imperfeições não são percebidas no controle de qualidade e nos testes normativos pós-produção do porcelanato (CASS, 2010). Um defeito típico causado pela heterogeneidade no padrão espacial de brilho é a “sombra de polimento”, como mostrado na figura 31. Ela se caracteriza por marcas de processamento de fábrica regulares que ficam visíveis apenas sob luz natural refletida em determinados ângulos.
Figura 31 - Marcas de fábrica conhecidas como “sombras de polimento”.
Fonte: Adaptado de Cass, 2010.
Em Sousa et al. (2009), os autores mostraram a aplicabilidade da simulação computacional para otimizar a cinemática usada no processo de polimento de cerâmicas, apontando-a como uma ferramenta útil para as indústrias. Foi abordado,
