EFEITOS DA DIMINUIÇÃO DO TAMANHO DE PARTÍCULA NAS

CARACTERÍSTICAS DE UM ESMALTE TRANSPARENTE VISANDO APLICAÇÃO

EM TECNOLOGIA DIGITAL

Jaramillo Nieves, L.J.(1); Lot, A.V.(1); Nastri, S.(1); Melchiades, F.G.(2); Boschi, A.O. (1).

(1) Universidade Federal de São Carlos – UFSCar. Departamento de Engenharia de Materiais. Laboratório de Revestimentos Cerâmicos – LaRC, 13565-905, São

Carlos, SP – Brasil. (2) Centro de Revestimentos Cerâmicos – CRC – Brasil.

ljjaramin@ppgcem.ufscar.br

RESUMO

A esmaltação digital é foco de interesse no setor de revestimentos cerâmicos, já que

a tecnologia digital oferece grandes vantagens como tem sido vistas na decoração a

jato de tinta. Para aplicação dos esmaltes cerâmicos por esse tipo de tecnologia, o

tamanho de partícula é uma das características que deve ser ajustada. O objetivo

desse trabalho é avaliar o efeito da redução de tamanho de partícula de um esmalte

transparente nas características reológicas e finais do produto. Utilizaram-se quatro

granulometrias diferentes de uma mesma frita. Esses materiais foram preparados

em uma proporção 90% frita e 10% caulim, e misturados com água para obter a

suspensão homogênea. Foram feitas as caracterizações reológicas. As suspensões

foram aplicadas por binil nos suportes. Sobre a camada de esmalte aplicou-se gotas

de uma tinta digital padrão e os índices de extensão foram analisados. Foi avaliada

a fusibilidade dos esmaltes, e as peças foram queimadas em três temperaturas

diferentes e finalmente determinou-se o brilho e a transparência do esmalte

queimado. Os resultados sugerem que as variações nas granulometrias do esmalte

influenciam cada uma das etapas de produção e que algumas destas podem levar a

diminuir a temperatura de trabalho e a geração de defeitos.

Palavras chave: Esmaltação digital, Redução de tamanho de partícula, Fusibilidade,

Transparência, Brilho

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INTRODUÇÃO

A indústria de revestimentos cerâmicos sofreu mudanças significativas nos últimos

anos para atender as novas exigências do mercado (1). Dentro dessas mudanças

cabe destacar o uso da tecnologia digital, especificamente a decoração digital (2).

No processo de produção dos revestimentos cerâmicos, a decoração e a esmaltação

ocupam um lugar importante, pois conferem propriedades técnicas e estéticas

únicas aos revestimentos. Dada a relevância dessas etapas no processo de

fabricação de revestimentos cerâmicos, é imprescindível conhecer com profundidade

as condições ótimas de preparação e aplicação dos esmaltes e tintas, aos novos

sistemas que tem chegado à indústria, como o sistema de jato para a decoração e

esmaltação digital, de forma a obter produtos de alta qualidade técnica e estética

com a maior produtividade possível (3, 4).

A esmaltação digital deixou de ser uma idéia e se tornou uma realidade faz alguns

anos (5), sendo assim, os esmaltes devem se adaptar a esta nova tecnologia. Isso

significa que as formulações e características físico-químicas utilizadas no sistema

de esmaltação tradicional devem mudar e se ajustar ao novo processo para que as

exigências do produto final continuem sendo atendidas.

Os sistemas de tecnologia digital trabalham com tamanhos médios de partícula muito

inferiores às que são utilizadas nos sistemas de esmaltação tradicional. Sendo assim,

além de outras adaptações no sistema, se faz necessária uma redução no tamanho

médio de partícula dos esmaltes, para que estes possam ser usados na aplicação

digital. Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito da redução de

tamanho de partícula de um esmalte transparente nas características reológicas e

finais do produto.

MATERIAIS E MÉTODOS

Foi escolhida uma frita transparente utilizada na indústria de revestimentos

cerâmicos. Foram preparadas quatro amostras com quatro tamanhos médios de

partícula diferentes. Tendo como referência os tamanhos médios de partícula que

são utilizados na tecnologia digital, que normalmente são 10 a 20 vezes menor que

o tamanho do bocal a ser usado no cabeçote (4). A moagem foi feita a seco num

moinho de laboratório com bolas de alumina até obter 10% e 3% de resíduo

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respectivamente. Para obter as granulometrias mais finas, a amostra de 3% de

resíduo foi moída a seco com microesferas de zircônia em tempos de 10 e 30

minutos. Após as moagens as amostras foram passadas por peneira ABNT #120

(abertura de 125 µm) e as medidas de tamanho de partícula foram feitas por difração

a laser.

Cada esmalte foi preparado com uma composição de 90% de frita e 10% de Caulim.

A suspensão foi preparada com 40 % de água e 0.2% carboximetilcelulose (CMC). A

dispersão foi realizada no moinho de laboratório por 10-15 segundos, para obter

uma suspensão homogênea. Depois de descarregar, cada suspensão foi

caracterizada quanto ao comportamento reológico. Inicialmente foram elaboradas as

curvas de defloculação e nos pontos de máxima dispersão de cada amostra foram

avaliadas as demais características reológicas de cada esmalte. O defloculante

utilizado foi tripolifosfato de sódio (TPF). As densidades das suspensões obtidas

foram determinadas em picnômetro e as viscosidades aparentes foram

determinadas em viscosímetro rotacional Brookfield modelo LVT a 30 RPM. Além

disso, os tempos de escoamento em copo Ford n° 4 foram avaliados, juntamente

com as curvas de fluxo em três tempos diferentes: 0, 2 e 4 horas respectivamente

Posteriormente à caracterização reológica, os esmaltes foram aplicados (através de

binil com abertura de 0,4 mm) em bases já queimadas de revestimentos porosos de

bi-queima. Foi aplicada uma tinta digital, cor marrom utilizada na indústria, sobre as

camadas de esmalte secos. A aplicação foi realizada com uma micropipeta de

volume fixo de 30 μL fixada a uma altura de 13 mm da superfície do suporte, a 25°C.

E foi medido o índice de extensão da tinta, o qual se relaciona com a permeabilidade

do esmalte.

As peças obtidas foram queimadas em três temperaturas diferentes 1070, 1100 e

1130 °C, em forno de ciclo rápido (ciclo de duração aproximada de 30 minutos) para

a avaliação de transparência e brilho dos esmaltes. As medidas de transparência

foram realizadas com um espectrofotômetro Minolta CM 2600d e levou em

consideração apenas a coordenada cromática L* (quanto menor transparência,

maior leitosidade do esmalte e maior o valor de L*). O brilho dos esmaltes foi

avaliado através de medidas com um glossmeter Zehntner, ZGM 1110.

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Para as curvas de fusibilidade foram prensados 10 corpos de prova cilíndricos com

1.0 g de cada um dos esmaltes. Para a confecção dos corpos de prova foi aplicado

uma pressão de compactação 450 kgf/cm2 em prensa hidráulica. Mediu-se o

diâmetro, a altura e a massa dos corpos de prova e calculou-se a densidade

aparente. As amostras foram queimadas em forno tipo mufla já na temperatura

desejada por 5 minutos. As queimas foram feitas a partir de 850 °C, aumentando-se

20 °C até atingir 1030 °C. Após a queima, foi avaliada a retração da altura (RA) e

absorção de água (AA).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Na Tabela 1, encontram-se os tamanhos de partícula das fritas que foram moídas

nas diferentes condições e que foram usadas para a elaboração dos esmaltes.

Observa-se que a diminuição do tamanho médio de partícula (D50) é acompanhada

pela diminuição dos valores de D10 e D90, indicando que a distribuição

granulométrica das fritas ficou mais estreita, com as reduções granulométricas

praticadas.

Tabela 1. Granulometrias das amostras utilizadas.

Amostras D50 (µm ) D10 (µm) D90 (µm)

A. Resíduo 45 µm ~10% 12,2 1,9 43,5

B. Resíduo 45 µm ~3% 9,6 1,7 36,4

C. Micronização de B por 10 min. 5,7 1,5 17,0

D. Micronização de B por 30 min. 4,4 1,4 13,3

Características das suspensões

Na figura 1 é apresentada a curva que relaciona a porcentagem de defloculante

necessária para que a suspensão atinja a máxima dispersão em relação ao tamanho

médio de partícula da frita. Como é observado, a medida em que se diminui o

tamanho médio das partículas há um aumento na porcentagem de defloculante para

manter as mesmas condições da suspensão.

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Figura 1. Relação entre o diâmetro médio de partícula (D50) e a porcentagem de

defloculante.

A Tabela 2 apresenta os resultados das determinações de densidade, viscosidade e

tempo de escoamento das suspensões resultantes após a preparação dos esmaltes

em suas condições de máxima dispersão. Conforme constatado, não houve

variações significativas da densidade das suspensões. Quanto à viscosidade

aparente, apesar de não ser constatada uma tendência, observa-se que as

oscilações se encontram dentro da mesma ordem de magnitude. Podemos observar

uma diminuição nos tempos de escoamento, no entanto essas diferenças não são

expressivas.

Tabela 2. Características das suspensões.

Esmalte Densidade (g/cm3) Viscosidade

30RPM (cP)

Tempo de

escoamento (s)

ET10 1,7895 120 58,8

ET3 1,7917 142 54,4

ETM10 1,7741 122 52,6

ETM30 1,7843 154 44,0

A Figura 2 apresenta as curvas de fluxo das quatro suspensões medidas em 0, 2 e 4

horas. As curvas de fluxo de 0 hora indicam um comportamento praticamente

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newtoniano, na medida em que passa o tempo há um aumento na área de histerese,

o que leva ao aumento da tixotropia, e esse aumento é mais pronunciado quando o

tamanho de partícula é menor. A suspensão ETM30 não apresenta diferença

significativa entre as curvas de duas e quatro horas.

Figura 2. Curvas de Fluxo Para os esmaltes ET10, ET3, ETM10 e ETM30.

Comportamento antes e após da queima.

A Figura 3 apresenta as curvas de índice de extensão da tinta aplicada em cada um

dos esmaltes. O índice de extensão é uma relação entre o diâmetro da gota que sai

da micropipeta e o diâmetro da gota espalhada na camada do esmalte seco. Foi

constatado que quando o tamanho médio de partícula é reduzido, a distribuição

granulométrica fica mais estreita e o empacotamento das partículas é menos

eficiente tornando o esmalte mais poroso e permitindo que a tinta penetre mais fácil,

deixando a gota com uma extensão menor na superfície. A amostra ET10 apresenta

a distribuição mais ampla e, consequentemente, o melhor empacotamento e menor

porosidade, o que dificulta a penetração da tinta e faz com que a gota se espalhe

mais na superfície. De acordo com os resultados, quanto menor o tamanho médio

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de partícula menor é o índice de extensão, para uma mesma tinta. Também se

observa que a temperatura de queima não teve influência significativa no que diz

respeito ao índice de extensão.

Figura 3. Índices de extensão da tinta sobre a camada de esmalte.

Na Tabela 3 é apresentada a coordenada cromática L* de cada peça depois do

respectivo tratamento térmico. Foi constatado que a transparência aumenta com o

aumento da temperatura de queima, sendo que esse efeito é mais significativo

quando a granulometria é menor.

Tabela 3. Transparência em função da coordenada cromática L*.

T(°C)

L*

ET10 ET3 ETM10 ETM30

1070 79,604 79,842 79,808 79,773

1100 78,925 79,054 79,061 78,872

1130 75,581 74,618 75,294 73,49

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Na tabela 4 são apresentados os valores de brilho obtidos dos esmaltes queimados

nas diferentes temperaturas. Para uma mesma amostra podemos observar um leve

aumento no brilho conforme aumentamos a temperatura. Ao analisarmos uma

mesma temperatura nota-se um leve aumento do brilho relacionado à diminuição do

tamanho de partícula. No entanto essas diferenças são pouco significativas, sendo

que essa característica é pouco afetada tanto pelo tamanho de partícula quanto pela

temperatura de queima.

Tabela 4. Brilho dos esmaltes a diferentes temperaturas de queima.

Esmalte

Temperaturas de queima

GU

1070 º C

GU

1100 º C

GU

1130 º C

ET10 88,67 88,82 90,02

ET3 90,94 90,5 91,8

ETM10 91,8 91,96 92,6

ETM30 91,48 91,95 92,93

A figura 4 apresenta as curvas de fusibilidade obtidas para cada esmalte trabalhado.

Os esmaltes que possuem granulometria mais fina (ETM10 e ETM30) apresentam

um pequeno aumento na fusibilidade quando comparados aos esmaltes de

granulometria mais grossa (ET10 e ET3). Quando diminuímos o tamanho de

partícula ocorre um aumento da área superficial e, consequentemente, sua

reatividade. Sendo assim, as transformações durante a queima ocorrerão em

temperaturas menores, o que pode ser notado através dos valores de absorção de

água e retração de altura apresentadas na Figura 4.

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Figura 4. Curvas de Fusibilidade dos esmaltes.

CONCLUSÕES

Com base nas caracterizações efetuadas, pode-se concluir que:

Quando as fritas foram moídas não só foi diminuído o tamanho médio de partícula,

mas também as distribuições granulométricas ficaram mais estreitas.

De modo geral, as suspensões de esmaltes com tamanho médio de partícula menor

requerem maiores quantidades de defloculante para atingir o máximo estado de

defloculação.

Em relação ao comportamento reológico, as curvas de fluxo indicam que na

descarga o comportamento é praticamente newtoniano para todas as

granulometrias, mas a medida em que passa o tempo aquelas que têm menor

tamanho de partícula apresentam uma maior histerese na curva.

Quanto menor a granulometria do esmalte menor o índice de extensão da tinta. A

diminuição no tamanho médio das partículas acarreta em pior empacotamento e

maior porosidade, fazendo com que a tinta penetre mais no esmalte e se espalhe

menos na superfície.

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A transparência e o brilho foram pouco influenciados pela diminuição do tamanho de

partícula, embora se encontre pequenas diferenças estas podem estar mais

associadas às mudanças de temperatura do que ao efeito do tamanho de partícula.

Os resultados indicam que à medida que é reduzido o tamanho médio de partícula a

fusibilidade dos esmaltes aumenta. O aumento da fusibilidade pode não ser muito

favorável, visto que o esmalte deve permitir a saída dos gases que vem do substrato

antes do selamento evitando assim o surgimento de defeitos que poderiam afetar a

qualidade superficial do revestimento.

AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelas bolsas concedidas.

REFERÊNCIAS

1. A. M. Berto, «Ceramic tiles: Above and beyond traditional applications», J. Eur.

Ceram. Soc., vol. 27, n.o 2-3, pp. 1607-1613, 2007.

2. Crasta GP, «Boom in digital technology», ceramic world review, p. 64, 2012.

3. A. Moreno Berto, «Adequação das Propriedades de Tintas e Esmaltes aos

Sistemas de Aplicação e Técnicas Decorativas Parte I: Esmaltação», Cerâmica

Ind., vol. 5, n.o 5, pp. 11-18, 2000.

4. Dr. Vicente Sanz Solana, «TECNOLOGÍA DE IMPRESIÓN POR CHORRO DE

TINTA PARA LA DECORACIÓN DE BALDOSAS CERÁMICAS», presentado en

Qualicer’14, 13th World Congress on Ceramic Tile Quality, Castellón, España,

2014.

5. Esmalglass-ITACA GRUPO, «Esmaltes Digitales para un proceso de esmaltación

y decoración totalmente digital», Boletin Soc. Esp. Cerámica Vidr., vol. 50, n.o 2,

pp. XXIII-XVI, abr. 2011.

EFFECTS OF PARTICLE SIZE REDUCTION IN THE CHARACTERISTICS OF A

TRANSPARENT GLAZE AIMING APPLICATION IN DIGITAL TECHNOLOGY

ABSTRACT

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Digital glazing is interesting for the ceramic tile industry, because digital technology

offers great advantages as has been seen in inkjet decoration. For application of

ceramics glazes by this kind of technology, the particle size is one of the features

should be adjusted. The aim of the present work is to evaluate the effect of particle

size reduction of a transparent glaze on the rheological properties and in the final

product. Four different particle size of the same frit were produced. These materials

were prepared in a proportion of 90 % frit and 10% of kaolin and mixed with water to

obtain homogeneous suspension. The rheological characterization was performed

and the slips were applied by binil over ceramic bodies. On the glaze layer was

applied drops of a standard digital ink and the extension rates were analyzed. The

ceramic bodies were fired in three different temperatures and finally their gloss and

transparency were determined. Their fusibilities were evaluated too. The results

suggest that variations on the particle size distribution of the glazes affects each

stage of production and some of these can lead to decreasing of the work

temperature and to the generation of defects in the final product.

Key Words: Digital glazing, Particle size reduction, Fusibility, Transparency, Gloss

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