Utilização de polissacarídeos gelificantes no controlo reológico de suspensões cerâmicas e na conformação de corpos por gelcasting

Abstract

O presente trabalho procura tirar partido das propriedades gelificantes de polissacarídeos para melhorar o controlo reológico de suspensões de materiais cerâmicos e de vidrados, e para conformar corpos por gelcasting.

Para o efeito, lançou-se mão de polissacarídeos com poderes gelificantes diferentes, nomeadamente, capazes de formar geles fracos, quando o objectivo era melhorar o controlo reológico de suspensões, ou de originarem a formação de geles fortes, quer individualmente quer procurando efeitos sinérgicos de suas misturas, quando o fim pretendido era a gelificação de suspensões.

A goma xantana foi adoptada para a preparação de geles fracos, estudando-se o efeito de diferentes adições no controlo reológico de suspensões de vidrados e de uma alumina com uma distribuição bimodal de tamanhos de partícula. Os vidrados são normalmente constituídos por partículas grossas que tendem a sedimentar na ausência de agentes suspensores. A alumina seleccionada, CT 530 SG (Alcoa) tem uma capacidade de empacotamento elevada permitindo a preparação de suspensões com elevadas concentrações de sólidos, as quais tendem a apresentar um carácter acentuadamente reo-espessante.

A estabilidade das suspensões de vidrado ao longo do tempo de repouso foi avaliada através de testes de sedimentação, na presença de diferentes concentrações de goma xantana. Verificouse que adições crescentes de goma xantana tornavam gradualmente menos acentuado o comportamento reofluidificante da suspenção inicial, conferindo-lhe um carácter mais Newtoniano e, ao mesmo tempo, níveis de viscosidade crescentes. Por outro lado, os testes de sedimentação revelaram que era possível obter suspensões estáveis durante mais tempo e com viscosidades semelhantes, utilizando menores quantidades de polissacarídeo (0.1-wt%), quando comparadas com as quantidades requeridas (0.2-wt%) de uma mistura de duas carboximetilceluloses (CMC) usadas na indústria como agentes suspensores. Contrariamente ao observado nas suspensões de vidrado, a adição de goma xantana às suspensões concentradas de alumina (60-vol.%), acentuou o seu carácter reo-espessante, além do aumento esperado da viscosidade.

O agar foi o polissacarídeo primeiramente seleccionado devido à sua reconhecida capacidade para formar geles fortes. O efeito sinérgico do agar e das galactomananas na incrementação da força do gel, frequentemente explorado na indústria alimentar, foi também estudado na gelificação de suspensões de alumina. Concluiu-se que uma mistura dos dois polissacarídeos na razão 80/20 agar/galactomananas era a que permitia um melhor compromisso entre a viscosidade baixa a temperatura inicial (60ºC), e a força do gel elevada à temperatura ambiente. Verificou-se ainda que 1-wt% desta mistura de polissacarídeos, relativamente à fracção de líquido, era suficiente para promover a consolidação das suspensões.

A aplicação das condições experimentais de gelcasting com a alumina a pastas de porcelana deparava-se com a dificuldade inerente de preparar suspensões suficientemente concentradas para o efeito com formulações à base de argilominerais. Para ultrapassar esta dificuldade, foram propostas novas formulações em que o componente argiloso foi total ou parcialmente substituído por uma composição química semelhante mas na forma de meta-caulino, rejeitos de porcelana cozidos (caco), e uma mistura de silica e de alumina (pseudo-caulino). Esta aproximação permitiu a preparação de suspensões de porcelana com 60-vol.%, as quais puderam ser consolidadas por gel casting nas mesmas condições experimentais que a alumina. As características em cozido das diferentes formulações estudadas, foram avaliadas através de análises dilatométricas, microscopia electrónica de varrimento e difracção de Raios X. Verificou-se que as formulações preparadas com caco maturam a temperaturas inferiores às de uma pasta de porcelana com a mesma composição química mas preparadas a partir de matérias primas cruas. O efeito pode ser atribuído a uma diminuição da razão de aspecto das fibras de mulite devido à sua quebra durante a moagem do caco, e a uma continuada dissolução do quartzo na fase vítrea durante o recozimento. Ambos estes factores contribuem para o aumento do índice de deformação piroplástica.

The present work takes advantage of the gelling properties of polysaccharides to improve the control of the rheological behaviour of aqueous suspensions of ceramic and glaze powders, and to consolidate ceramic bodies by gelcasting.

To accomplish these aims, polysaccharides with different gelling powers were selected, namely, weak gels to improve the control of the rheological behaviour of aqueous suspensions, or strong gels used individually, or exploring the synergistic effects of their mixtures, when the objective pursued was the consolidation of the suspensions by gelcasting.

The xanthan gum was adopted for the preparation of weak gels, the effects of different added amounts on the rheological behaviour of suspensions of a glaze or an alumina powder with a bimodal particle size distribution was studied. Glaze powders are usually constituted by coarse particles that tend to readily sediment in absence of suspending agents. The selected alumina, CT 530 SG (Alcoa), has a high packing ability enabling the preparation of high solids loading suspensions, which tend to exhibit accentuated shear-thickening behaviours.

The stability of the glaze suspensions against settling was evaluated through sedimentation testes in the presence of different amounts of xanthan gum. It was observed that increasing amounts of xanthan gum gradually changed the accentuated shear-thinning behaviour of the starting suspension towards a Newtonian behaviour, while the viscosity was enhanced with increasing amounts of polysaccharide. On the other hand, the sedimentation testes revealed that a lower amount of polysaccharide (0.1-wt%) was required to obtain glaze suspensions of similar viscosities, which were stable for a longer time, when compared with other industrial glaze suspensions containing 0.2-wt% of a mixture of two carboxymethylcelluloses (CMC) as suspending agents.

Contrarily to the observed with the glaze suspensions, the addition of different amounts of xanthan gum to a high concentrated (60-vol.%) alumina suspension accentuated the shear-thickening character of the starting suspension, accompanied by expected increases in viscosity with increasing amounts of polysaccharide. For gelcasting, agar was firstly selected due to its well-known capability to originate strong gels. The synergistic effect between agar and locust bean gum, i.e. galactomannan, to increment the gelling power, often explored in food industry, was also studied to consolidate alumina suspensions. It was concluded that a mixture of the two polysaccharides with a ratio of 80/20 agar/galactomanan enabled a better compromise to be established between the fluidity at the starting temperature (60ºC) and the gel strength at room temperature. It was further observed that only 1-wt% of the above mixture was required to promote the consolidation of the suspensions.

For the transferring of gelcasting experiments from alumina to porcelain, the inherent difficulties of preparing clay-based suspensions containing solids volume fractions high enough for direct consolidation need to be overcome. Therefore, new formulations were proposed in which the clay component was totally or partially replaced by an equivalent chemical composition, but introduced as meta-kaolin, rejected milled pieces of porcelain (crook), or a mixture of silica and alumina (pseudo-kaolin). These approaches enabled the preparation of porcelain suspensions containing 60-vol.% solids, which could be consolidated by gelcasting like alumina suspensions do.

The fired characteristics of different formulations were evaluated through dilatometric analysis scanning electron microscopy and X-ray diffraction. It was observed that the formulations containing crook matured at lower temperatures compared with the same raw composition. The effect could be attributed to a lower aspect ratio of the mullite fibres, which have been broken during the milling step, and to a continued dissolution of the free quartz into the glassy phase during the re-firing step. Both factors contribute to the increment of the pyroplastic deformation index.