Medidas de difusividade térmica

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Anais do 45º Congresso Brasileiro de Cerâmica
0500201
30 de maio a 2 de junho de 2001 - Florianópolis – SC.
MEDIDAS DE DIFUSIVIDADE TÉRMICA E SUA RELAÇÃO COM GRADIENTES DE
TEMPERATURA EM MONOPOROSAS
A. P. F. Albers*, T. A. G. Restivo**, L. Pagano**, J. B. Baldo*
* Universidade Federal de São Carlos - DEMA
Rodovia Washington Luiz Km 235, São Carlos, CEP: 13565-905, Brasil
e-mail: [email protected]
**Laboratório de Materiais, Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo
Rodovia Sorocaba-Iperó Km 12.5, Iperó, CEP: 18560000, Brasil
RESUMO
A queima rápida está sendo amplamente utilizada nos últimos anos em quase
todos os tipos de revestimentos cerâmicos. Em decorrência disso, observa-se
grande desenvolvimento de equipamentos periféricos (fornos, queimadores,
combustíveis, etc.); contudo a capacidade de transferência de calor no interior das
massas tem sido pouco investigada. Com o objetivo de estudar a velocidade de
transferência de calor em massas típicas de monoporosas e sua relação com os
gradientes térmicos estabelecidos durante a queima, neste trabalho apresentamos
medidas de difusividade térmica dinâmica (obtidas pelo método do “laser flash”)
relacionando-as aos gradientes de temperatura entre o interior e a superfície de
corpos de prova de composições típicas de monoporosa. Tais gradientes de
temperatura foram medidos através de um sistema com termopares localizados no
interior e na superfície do corpo de prova.
Palavras-chaves: difusividade térmica, monoporosa, gradiente de temperatura.
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INTRODUÇÃO
Atualmente o Brasil é o quarto produtor mundial de revestimento cerâmico
(pisos e azulejos), competindo mundialmente com a China, Itália e Espanha (1,2). O
crescimento desse setor e aumento da competitividade, obrigou os produtores
nacionais a buscarem novas tecnologias, aprimorando a qualidade e reduzindo o
custo dos seus produtos. Novas matérias-primas, processos de produção otimizados
e técnicas mais abrangentes de caracterização têm sido empregados na busca da
qualidade total. Além disso, novos formatos e acabamentos, peças especiais,
esmaltes, cores e desenhos são utilizados na disputa de mercado (3).
Neste contexto, o processo de monoqueima rápida tem alcançado papel de
destaque, devido a elevada produtividade e redução dos custos energéticos
associados ao produto(4). Esse tipo de queima é possível pois a condução de calor
para o interior da peça ocorre rapidamente, em virtude da queima em monocamada,
com elevada área superficial exposta ao calor, comparada ao volume da peça (5).
Durante a queima rápida, a transferência de calor do interior do forno para a
superfície da peça cerâmica depende basicamente do calor das chamas e dos
gases, do posicionamento dos queimadores e da geometria do forno, com o objetivo
de gerar turbulência e consequentemente elevada uniformidade na queima (5), sendo
basicamente uma questão de projeto e operação. Ao atingir a superfície da peça
cerâmica, a transferência de calor depende das propriedades térmicas inerentes da
massa, o que raramente é considerado tecnologicamente.
Considerando-se que a qualidade do revestimento cerâmico depende entre
outros, da eficiência do processo de queima, torna-se evidente que a velocidade
com que o calor se transfere através da peça conformada é de suma importância.
O processo de transferência de calor pode ser avaliado através de
propriedades termofísicas, tais como o calor específico, a condutividade (K) e a
difusividade (a) térmicas, estando estas propriedades inter-relacionadas, como pode
ser visto na Equação (A)(6). Assim percebe-se que ao se aumentar
aumenta.
K, a também
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=
K
.Ce
(A)
 = difusividade térmica
onde:
K = condutividade térmica
Ce = Calor específico / átomo grama
 = densidade do corpo
Neste
trabalho,
elegeu-se
a
difusividade
térmica
como
propriedade
termofísica à ser estudada, tendo em vista que o processo de queima rápida envolve
regime transiente de condução de calor. Para avaliar experimentalmente a
propriedade, utilizou-se a técnica de “laser flash”, onde um pulso de “laser” é incidido
na superfície frontal de uma amostra e o gradiente de temperatura resultante na face
posterior da mesma é registrado, calculando-se assim a difusividade térmica.
Em adição às medidas de difusividade térmica foram medidos os gradientes
de temperatura entre a superfície e o interior do corpo cerâmico. Para tanto, montouse um sistema onde foi possível através de orifícios na porta do forno, conectar os
termopares localizados no interior da amostra e na superfície da mesma à um
sistema de aquisição de dados.
Para melhor interpretação dos dados de difusividade térmica e gradiente de
temperatura entre a superfície e interior do corpo cerâmico, ensaios de porosimetria
de mercúrio foram realizados em todas as composições.
Desse modo, foi possível relacionar parâmetros mineralógicos e de
processamento com a evolução da velocidade de transferência de calor,
estabelecendo uma relação fundamental com a microestrutura
MATERIAIS E MÉTODOS
As matérias-primas utilizadas neste trabalho foram: Argila Caulinítica, Argila
Ilítica, Filito, Calcita e Caulim. Baseando-se em dados da literatura, formulou-se uma
composição típica de um revestimento cerâmico monoporoso (composição padrão –
P); à partir desta composição fez-se algumas variações no teor de calcita utilizado:

Composição Padrão (P): utilização de 12% de calcita.
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
Composição com menor teor de calcita (-CaCO3): utilização de 7% de calcita.

Composição com maior teor de calcita (+CaCO3): utilização de 15% de calcita.

Composição sem calcita (s/CaCO3): sem utilização de calcita.
Estas composições foram moídas em moínho de bolas (por 40 minutos), com
proporção de bolas em relação ao material de 4:1, porcentagem em água de 50%
em peso e 0,6% de defloculante (silicato de sódio com densidade de 1,5g/cm 3).
Posteriormente as massas foram secas em estufa a 100C/24h e então
desagregadas e passadas em peneira malha ABNT 45.
As composições foram umidificadas com a adição de 6% de água e
armazenadas por 24 horas em recipiente fechado para completa homogeneização
da umidade.
Para a confecção de corpos de prova para medidas de difusividade térmica,
utilizou-se uma prensa uniaxial e prensou-se pastilhas com 1,2cm de diâmetro e
aproximadamente 1mm de espessura, a uma pressão de 88 MPa.
Os corpos de prova para as medidas do gradiente de temperatura entre a
superfície e o interior do corpo de prova foram conformados em um molde 7x2x2 cm
contendo um termopar cromel-alumel em seu interior. A pressão de prensagem
variou de acordo com a composição do material, de forma a obter-se uma densidade
à verde de 1,9 g/cm3. Posteriormente, os corpos de prova foram secos à 110C/24h.
Para os ensaios de porosimetria de mercúrio, os corpos de prova foram
confeccionados como aqueles de difusividade térmica e posteriormente queimados
nas temperaturas de 800 e 1200C/1min, visto que é neste intervalo de temperatura
que ocorrem as variações significativas da condução do calor.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Medidas de difusividade térmica
A Figura 1 apresenta a difusividade térmica em função da temperatura para
as composições P (padrão), -CaCO3 (com menor teor de calcita), +CaCO3 (com
maior teor de calcita), s/CaCO3 (sem utilizar calcita).
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0,010
P
- CaCO3
+ CaCO3
s/CaCO3
0,008
2
Difusividade Térmica (cm /s)
0,009
0,007
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
0,000
0
200
400
600
800
1000
1200
o
Temperatura C
Figura 1: Difusividade térmica em função da temperatura para as composições P
(padrão), -CaCO3 (com menor teor de calcita), +CaCO3 (com maior teor de calcita),
s/CaCO3 (sem utilizar calcita).
Na Figura 1 tem-se que a utilização de menor (-CaCO3) e maior (+CaCO3)
quantidade de calcita, resultaram em composições com menor difusividade térmica
que a composição P (padrão) em praticamente em todo o intervalo de temperatura.
Na faixa de 25-800C, não se observou diferença significativa na difusividade entre
as composições com menor (-CaCO3) e maior (+CaCO3) teor de calcita, indicando
que o fator microestrutural é dominante no comportamento da difusividade térmica
destas composições.
Neste mesmo intervalo de temperatura (25-800C), tem-se na Figura 1 que a
composição sem utilizar calcita (s/CaCO3) apresenta os maiores valores de
difusividade térmica, quando comparada às composições -CaCO3, +CaCO3 e P.
Novamente, este fato pode ter sido em virtude do melhor empacotamento das
partículas sem a adição de calcita, pois como será visto posteriormente, a
porosimetria de mercúrio realizada em corpo de prova queimado a 800C indica um
menor volume total de poros para a composição sem utilizar calcita (s/CaCO3),
justificando a maior difusividade térmica desta composição.
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Entre 800 e 1050C a taxa de transferência de calor (da/dT) para as
composições P (padrão), -CaCO3 (com menor teor de calcita), +CaCO3 (com maior
teor de calcita) são semelhantes, não sendo possível relacionar os teores de calcita
aos valores de difusividade térmica obtidos para estas composições. Porém no
intervalo subsequente (1050 a 1100C) observa-se que a inclinação da/dT é menor
com aumento do teor de calcita. Este fato pode estar relacionado à quantidade de
fase líquida desenvolvida, já que ao se aumentar o teor de calcita forma-se maior
quantidade de neofases cristalinas.
Ainda entre 800 e 1050C, comparando-se a composição s/CaCO3 (sem
utilizar calcita) e as demais, tem-se para a primeira a menor inclinação (da/dT), ou
seja, a menor aceleração na transferência de calor. Isto pode ser decorrente da
ausência dos gases resultantes da decomposição da calcita, que auxiliam no
transporte de calor.
No último intervalo de temperatura, observa-se recuperação da taxa de
condução do calor (da/dT) para as composições P (padrão), -CaCO3 (com menor
teor de calcita) e s/CaCO3 (sem utilizar calcita), possivelmente devido a formação de
fases líquidas e rearranjo microestrutural, embora para esta última composição não
tenha havido formação de neofases à base de Ca. Para a composição +CaCO3 (com
maior teor de calcita), não se observou a mesma recuperação da taxa de condução
de calor, o que pode estar associado ao maior teor de fases cristalinas formadas.
Vale salientar novamente que o maior valor de difusividade obtido pela
composição P, deu-se a 1200C, onde supõe-se que a quantidade de fase líquida
formada seja suficiente para rearranjar a microestrutura desta composição. Como
relatado anteriormente, a temperatura de 1200C teve que ser excluída do
procedimento, devido a possíveis danos ao equipamento, sendo impossível praticála para as demais composições.
Gradientes de temperatura
A Figura 2 apresenta o gradiente de temperatura entre a superfície e o interior
dos corpos de prova para as composições P (padrão), -CaCO3 (com menor teor de
calcita), +CaCO3 (com maior teor de calcita), s/CaCO3 (sem utilizar calcita).
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P
- CaCO3
+ CaCO3
s/CaCO3
160
o
Gradiente de temperatura ( C)
180
140
120
100
80
60
40
20
0
200
400
600
800
1000
o
Temperatura ( C)
Figura 2: Gradiente de temperatura entre a superfície e o interior do corpo de prova
em função da temperatura, para as composições P (padrão), -CaCO3 (com menor
teor de calcita), +CaCO3 (com maior teor de calcita), s/CaCO3 (sem utilizar calcita).
Os gradientes de temperatura no intervalo de 200C à 800C, para todas as
composições apresentadas na Figura 2 são próximos. Vale destacar a faixa de
temperatura entre 300C e 400C, em que a composição +CaCO3 (com maior teor
de calcita) apresenta maior gradiente, podendo este fato estar relacionado ao difícil
empacotamento desta composição (neste caso, foi necessário maior pressão de
prensagem para produzir corpos de prova de mesma densidade à verde).
Entre 800C e 1000C o gradiente de temperatura decresce com o
decréscimo do teor de calcita, pois há também um decréscimo na quantidade de
calor absorvido para que ocorra esta reação de decomposição. A influência do
processo de decomposição da calcita na transferência de calor ficou bastante clara
neste ensaio, porém não foi explicitado com a mesma clareza no ensaio de
difusividade térmica (Figura 1). Talvez as diferentes taxas de aquecimento tenham
influenciado, visto que o ensaio de difusividade térmica é feito a 15C/min e o ensaio
do gradiente de temperatura a 25C/min; assim, no primeiro experimento há mais
tempo para ocorrer a reação. Além disso, tem-se que na medida de difusividade
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térmica a espessura do corpo de prova é pequena (aproximadamente 1mm),
facilitando a homogeneização da temperatura.
Acima de 1000C, quando encerrou-se o processo de decomposição da
calcita, os gradientes de temperatura para todas as composições apresentadas na
Figura 2 praticamente se igualam.
Ensaios de porosimetria de mercúrio
As Figuras 3 e 4 apresentam a porosimetria de mercúrio das composições P
(padrão), -CaCO3 (com menor teor de calcita), +CaCO3 (com maior teor de calcita),
s/CaCO3 (sem utilizar calcita) queimadas a 800C e 1180C respectivamente.
Volume Acumulado Intrudido (mL/g)
0,22
P
- CaCO3
+ CaCO3
s/CaCO3
0,20
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
800
100
10
1
0,1
0,01
Diâmetro (m)
Figura 3: Volume cumulativo de mercúrio intrudido para as composições P (padrão),
-CaCO3 (com menor teor de calcita), +CaCO3 (com maior teor de calcita), s/CaCO3
(sem utilizar calcita), queimadas à 800C.
Anteriormente foi citado que fatores microestruturais podem ter sido
responsáveis pelos valores de difusividade térmica apresentados na Figura 1.
Baseando-se na Figura 3 tem-se que a composição s/CaCO3 (sem utilizar calcita),
apresenta o menor volume de poros à 800C, justificando sua maior difusividade
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térmica. Seguida pela composição P (padrão), tanto no volume total de poros quanto
na difusividade térmica.
Para as composições -CaCO3 (com menor teor de calcita), +CaCO3 (com
maior teor de calcita) tem-se que a combinação de fatores microestruturais
provavelmente resultou na proximidade dos valores de difusividade térmica
apresentados por estas composições (Figura 1). Na Figura 3, a composição com
menor teor de calcita (-CaCO3) apresenta menor volume de poros a 800C, quando
comparada a composição com maior teor de calcita (+CaCO3); porém uma maior
família de poros entre 30 e 100m. Portanto, a combinação de um menor volume
total de poros e a presença de uma grande família de poros grandes (-CaCO3 composição com menor teor de calcita) resultam em uma difusividade térmica similar
à um volume de poros maior, porém com menor quantidade de poros grandes
(+CaCO3 - composição com maior teor de calcita).
Volume Acumulado Intrudido (mL/g)
0,14
0,12
0,10
P
- CaCO3
+ CaCO3
s/CaCO3
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
800
100
10
1
0,1
0,01
Diâmetro (m)
Figura 4: Volume cumulativo de mercúrio intrudido para as composições P (padrão),
-CaCO3 (com menor teor de calcita), +CaCO3 (com maior teor de calcita), s/CaCO3
(sem utilizar calcita), queimadas à 1180C.
Com o aumento da temperatura, a composição s/CaCO3 (sem utilizar calcita)
apresenta elevada redução na porosidade total (Figura 4) quando comparada às
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demais, provavelmente devido a ausência de calcita e consequentemente ausência
de poros em decorrência de sua decomposição. Este baixo volume total de poros é
resultante de maior densificação, resultando em uma difusividade térmica (Figura
4.40) próxima a composição P (padrão).
Ainda na Figura 4, é evidente que a presença de poros grandes (maiores que
50m) atua mais intensamente na determinação da difusividade térmica a
temperaturas superiores a 1000C (condução por radiação).
CONCLUSÕES
 A difusividade térmica dinâmica de massas para monoporosa é fortemente
influenciada pela evolução microestrutural.
 A composição mineralógica contribui em menor escala na difusividade térmica de
massas para monoporosa, porém torna-se determinante quando influencia na
evolução microestrutural.
 Um maior teor de calcita resulta em menores valores de difusividade térmica
dinâmica, visto que há maior consumo de energia para a decomposição do
carbonato de cálcio. Além disso, a variação no teor de calcita também influencia
a microestrutura do material.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CERÂMICA. Cerâmica Brasil. Panoramas
Setoriais. Materiais de Revestimento. Disponível em:
<http://www.abceram.org.br/cerambrasil/panoramas.htm>. Acesso em: 25 jan.
2001.
2. ASSOCIAÇÃO NACIONAL DOS FABRICANTES DE CERÂMICA PARA
REVESTIMENTO. Notícias. Disponível em: <http://www.anfacer.org.br>. Acesso
em: 25 jan. 2001.
Anais do 45º Congresso Brasileiro de Cerâmica
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3. VIVONA, D. Visão, desafios e novos rumos da cerâmica de revestimento.
Cerâmica Industrial, v. 5, n. 2, p. 17-22, 2000.
4. SEGURA, A. Monococcion porosa. Castellon: Ferro España, 1995. Private
Report.
5. CARNEVALI, G. F. et al. Fast firing and wall tiles: a review. Journal of the
British Ceramic Society, v. 81, n. 1, p. 1-3, 1982.
6. CARSLAW, H. S.; JAEGER, J. C. Conduction of heat in solids. 2nd ed. Oxford:
Clarendon Press, 1959.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPESP - Processo no 96/09830-9, pela concessão
da bolsa de doutoramento e suporte financeiro. À Cerâmica Gerbi, pelo fornecimento
das matérias-primas.
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THERMAL DIFFUSIVITY MEASUREMENTS AND ITS RELATION TO THE
THERMAL GRADIENTS IN MONOPOROUS TILE
Fast firing of floor and wall tiles has expanded to almost all floor and wall tile
production lines. As a consequence a great development of peripherical equipments
(furnaces, burners, fuel type) have been observed. However very little investigation
has been devoted to the heat transfer aspects inside the body. In order to investigate
how fast heat is transferred inside the monoporous tiles and its relation to the thermal
gradients during the firing, in this work it is presented the dynamic thermal diffusivity
behavior and its relation to the thermal gradients observed during the firing of typical
fast fired monoporous tile means.
Key-words: Thermal diffusivity, monoporous tiles, thermal gradients.
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