CERÁMICAS CELULARES ELABORADAS A PARTIR DE RESIDUOS DEL PULIDO DE BALDOSAS PORCELÁNICAS: EFECTO DEL TIEMPO DE RESIDENCIA

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CERÁMICAS CELULARES ELABORADAS

A PARTIR DE RESIDUOS DEL PULIDO

DE BALDOSAS PORCELÁNICAS:

EFECTO DEL TIEMPO DE RESIDENCIA

Aline da Silva Pereira(1); Diana de Souza Felisberto(1); Maisa Topanotti Daros(1);

Glauco Luckmann(1); Adriano Michael Bernardin(1,2)

(1)Engenharia de Materiais, Universidade do Extremo Sul Catarinense,

Criciúma, Santa Catarina, Brasil

(2)Tecnologia em Cerâmica, Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial,

Tijucas, Santa Catarina, Brasil adriano@unesc.net

RESUMEN

Este trabajo está relacionado con la caracterización física, estructural y mecánica de cerámica celular obtenida a partir de residuos de pulido porcelánico y expandidos a través de la formación de burbujas durante la sinterización. El proceso de dilatación fue causado por la oxidación de la partícula SiC de forma simultánea al fundido del residuo del pulido, ambos a ~1200°C. Comenzando a 1000°C las partículas SiC que vienen del abrasivo usado para pulimentar las baldosas porcelánicas se oxidan formando SiO2 y CO2, el último de ellos usado como un agente de dilatación que promueve la dilatación de la masa fundida (resido porcelánico) formado a 1200°C. La microestructura, dilatación, densidad y propiedades mecánicas (ensayos de compresión) fueron determinados para caracterizar la espuma de vidrio. La cerámica celular puede sustituir a los polímeros, (poliestireno expandido) y a la madera en paredes de división internas u hormigón celular en la industria cerámica. En este estudio previo las propiedades térmicas no fueron determinadas. Este planteamiento es una forma no cara de obtener materiales de baja densidad con buena resistencia mecánica, evitando el descarte de residuos contaminantes del proceso cerámico.

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1. INTRODUCCIÓN

La espuma cerámica es un material poroso con porosidad dentro de un rango

que va del 70% al 90%, y una densidad de volumen de 0.3 a 0.6 g/cm3. Tiene una

estructura de armazón 3D, y poros interconectados o aislados[1]. Debido a sus

numerosas ventajas, como la baja densidad, alta porosidad, tasa de transferencia de calor baja, una alta resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión, y unas propiedades acústicas excelentes, los materiales celulares son aplicados en una variedad de industrias como material de filtración, aislante térmico, fonoaislante, catalizador, y las aplicaciones se extendieron a la óptica, electrónica, y bioquímica en la década pasada[1,2-5].

Las técnicas de fabricación de espuma cerámica de célula cerrada, pueden ser clasificadas en tres categorías principales: réplica de esponja, agente de espuma y relleno orgánico. La réplica de esponja fue desarrollada por vez primera a principios de los 60. Usa una esponja natural o espuma de poliuretano como matriz, que es infiltrada con una barbotina cerámica. La barbotina cerámica es cocida a continuación para formar espuma cerámica. Basados en las burbujas de gas en la masa fundida precerámica, los constituyentes que evolucionan a gas son añadidos a la fundición. Las burbujas generadas crean la espuma. La uniformidad de la espuma y la geometría de la célula pueden ser ajustadas a través de una cuidadosa selección

de agentes tensioactivos y agentes espumantes[1,6-10].

La técnica de relleno orgánico está basada en un concepto de contenedor espacial, de hecho, la espuma de poliuretano infiltrada con barbotina es secada y endurecida a temperatura ambiente. Las espumas cerámicas desarrolladas en este experimento fueron realizadas por medio de la técnica de agente espumante: el carburo de silicio presente en los residuos del pulido se oxida a partir de los 1000°C en presencia de oxígeno. Su oxidación da como resultado sílice y carbón de acuerdo con: SiC+2O2—> SiO2+CO2.De ahí que, la mezcla de un material vítreo que se funde a la misma temperatura de oxidación de SiC puede dar como resultado un material de

cerámica celular debido a la formación de gas, en este caso dióxido de carbono[11,12].

2. MATERIALES Y MÉTODOS

El residuo del pulido de porcelánico fue sometido a una caracterización físico-química para determinar sus análisis químicos, de fase y termales. Además, se llevó a cabo un análisis térmico. El análisis químico fue llevado a cabo por fluorescencia de rayos X (muestra fundida) y el análisis de fase fue llevado a cabo por difracción de rayos X (10 s. de tiempo de lectura). Finalmente, el análisis térmico fue determinado por un análisis térmico diferencial (20ºC a 1200ºC, 10ºC/min, atmósfera de aire).Tras la caracterización el residuo de pulido fue secado (110°C, 24h), granulado con un 6%

de agua y prensado (300kgf/cm2) en muestras cilíndricas (5 cm de diámetro, 1 cm de

altura). Los compactos fueron sinterizados durante tiempos de residencia de 5 min, 10 min, y 20 a 1200° con un índice de calentamiento de 30ºC/min y enfriados en horno (horno mufla de laboratorio). Tras el tratamiento térmico, las muestras expandidas en cada tiempo de residencia fueron analizadas de acuerdo a la dilatación lineal, absorción de agua, y resistencia mecánica. La densidad fue determinada por medio de la inmersión en mercurio y la resistencia mecánica por el ensayo compresivo (10mm/min, ASTM C496). La microestructura fue determinada por medio de la microscopía electrónica de barrido (5kV-10kV).

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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La tabla 1 muestra el análisis químico del residuo de pulido cerámico usado en este estudio. El resido de pulido está formado por cuarzo, albita y circón, las fases más importantes de la pasta porcelánica. La cantidad de óxidos alcalinotérreos presentes en el residuo porcelánico (11.7 % peso) muestran una buena tendencia de vitrificación de este sistema. No fue posible identificar el carburo de silicio (SiC) debido al procedimiento usado para analizar las muestras residuales: las muestras fueron calcinadas a 1000º C durante 3h, causando una conversión total del SiC presente en las muestras.

MUESTRA

(w/w%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Zr Na2O LOI

RESIDUO

PORCELÁNICO 63.1 16.7 0.6 0.3 1.3 6.1 2.3 1.7 2.0 5.7

Tabla 1. Análisis químico del residuo porcelánico

El análisis térmico del residuo porcelánico muestra un pico endotérmico a aproximadamente 400ºC, probablemente debido a las descomposiciones térmicas de las sustancias orgánicas presentes en el residuo obtenido a partir de la estación de tratamiento de residuos. A aproximadamente 1100°C hay otro pico endotérmico

relacionado con el inicio de la transición de vidrio (Tg) del residuo. El residuo del pulido

es del 100% bajo 75m con un tamaño medio de partícula de 10m.

Con respecto a la densidad aparente del material sinterizado, un incremento en el tiempo de residencia del material sinterizado causa una disminución de la cerámica celular, figura 1. Iniciando con un tiempo de residencia de 5min, la dilatación promovida por la oxidación del carburo de silicio forma poros grandes y redondeados

en el producto final. La baja densidad media observada (0.55g/cm3-0,75g/cm3) permite

el uso de material celular como aislante térmico o acústico.

Figura 1. Evolución de la densidad aparente de cerámica celular debido al tiempo de residencia

Un incremento en el tiempo de residencia causa, como se esperaba, una reducción en la resistencia mecánica de las cerámicas celulares obtenidas. Hay una gran reducción de la resistencia compresiva de las muestras iniciando con 5 minutos de tiempo de residencia debido a la cantidad y tamaño de los poros formados. Además de

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la reducción de resistencia mecánica con el tiempo de residencia, el producto presenta una resistencia mecánica aceptable y adecuada para varios usos, principalmente en la industria de la construcción, como un sustituto para el hormigón celular o poliestireno expandido. Tras la sinterización, todas las muestras han presentado una dilatación gradual y grande con el tiempo de residencia. Es obvia la relación entre tiempo de residencia y dilatación.

La dilatación se debe a la presencia de partículas SiC incorporadas al residuo durante el proceso de pulido y esta característica no permite el uso de esta clase de residuo en las formulaciones cerámicas para baldosas muy densas, como las porcelánicas. Muchos intentos de añadir residuos del pulido de estaciones de tratamiento del efluente han fracasado debido a la gran porosidad de los productos tras la cocción.

Finalmente, en la Figura 2, se observan las microestructuras de las muestras tratadas a 1200ºC durante tiempos de residencia de 5 min y 20 min. Los poros son grandes y redondeados, lo que puede explicar una buena resistencia mecánica además de una alta porosidad observada en estos productos. Parece que el producto puede presentar un aislamiento térmico y acústico bueno, pero estas propiedades no han sido analizadas en este estudio.

Figura 2. Microestructura tras la sinterización con tiempos de residencia de 5 min y 20 min

4. CONCLUSIÓN

Es posible usar residuos en el proceso cerámico. Los residuos del proceso de pulido y los restos de abrasivos de carburo de silicio pueden ser usados juntos para formar cerámica celular de densidad baja. Las cerámicas celulares pueden ser usadas en la industria de la construcción como sustitutos para hormigón celular debido a su baja densidad, dando como resultado estructuras de peso liviano con una resistencia mecánica aceptable. Parece que el producto tiene un buen aislamiento acústico y térmico y podría ser usado como sustituto para madera y polímeros en paredes internas y revestimientos, pero estas propiedades no han sido determinadas hasta el momento.

La reducción de la densidad aparente está relacionada con la presencia de partículas SiC. La dilatación del producto (y la consecuente reducción de densidad) se da por la presencia de poros cerrados en la microestructura de las muestras. La resistencia mecánica del producto se reduce con el tiempo de residencia debido a la porosidad incrementada. Además de la cantidad de poros presentes en las muestras se observó una buena resistencia a la compresión (0.7 MPa) demostrando que el producto

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podría ser usado como material para la construcción. La resistencia mecánica es debida a forma redondeada de los poros presente en las muestras.; estos poros redistribuyen las tensiones aplicadas sobre el producto, evitando su concentración.

Finalmente, el proceso de dilatación se da debido a la oxidación del carburo de silicio de forma simultánea a la formación de vidrio durante la sinterización. La fundición del vidrio al mismo tiempo que la oxidación SiC da como resultado un producto que retiene el gas de forma constante, produciendo burbujas, que durante el enfriamiento forman los poros observados en la microestructura del material: La cantidad, dispersión y tamaño de las partículas de residuo abrasivas presentes en el residuo porcelánico den como resultado la forma, tamaño y distribución de los poros del producto final.

BIBLIOGRAFÍA

[1] Zhang, J.-Y.; Fu, Y.-M.; Zeng, X.-M. Trans. Nonferrous Met. SOC. China 16 (2006) 453-457.

[2] Gómez de Salazar, J.M.; Barrena, M.I.; Morales, G.; Matesanz, L.; Merino, N. Materials Letters 60 (2006) 1687-1692.

[3] Richardson, J.T.; Remue, D.; Hung, J.-K. Applied Catalysis A: General 250 (2003) 319-329. [4] Atwood, R.C.; Jones, J.R.; Lee, P.D.; Hench, L.L. Scripta Materialia 51 (2004) 1029-1033.

[5] Kishimoto, A.; Obata, M.; Asaoka, H.; Hayashi, H. Journal of the European Ceramic Society 27 (2007) 41-45. [6] Rul, S.; Laurent, Ch.; Peigney, A.; Rousset, A. Journal of the European Ceramic Society 23 (2003) 1233-1241. [7] Costa Oliveira, F.A.; Dias, S.; Fátima Vaz, M.; Cruz Fernandes, J. Journal of the European Ceramic Society 26

(2006) 179-186.

[8] Maire, E.; Colombo, P.; Adrien, J.; Babout, L.; Biasetto, L. Journal of the European Ceramic Society 27 (2007) 1973-1981.

[9] Zhang, Y. Materials Research Bulletin 39 (2004) 755-761.

[10] Sharafat, S.; Ghoniem, N.; Sawan, M.; Ying, A.; Williams, B. Fusion Engineering and Design 81 (2006) 455-460.

[11] Bernardin, A.M.; Felisberto, D.S.; Daros, M.T.; Riella, H.G. Cerâmica Industrial 11 (2006) 31-34. [12] Bernardin, A.M.; Silva, M.J.; Riella, H.G. Materials Science & Engineering A 437 (2006) 222-225.

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