Cerâmica Industrial
https://ceramicaindustrial.org.br/article/doi/10.4322/cerind.2019.007
Cerâmica Industrial
Artigo Original

Sinterização de porcelanatos com fluxo viscoso: Uma revisão

Chiara Zanelli, Matteo Ardit, Sonia Conte, Roberto Soldati, Giuseppe Cruciani, Michele Dondi

Downloads: 0
Views: 54

Resumo

Os porcelanatos, como todos materiais porcelânicos, são sinterizados por vitrificação sob fluxo viscoso de uma fase líquida abundante formada em altas temperaturas. Este processo deve ser mantido sob controle rigoroso para se obter as propriedades desejadas dos produtos finais e para prevenir os defeitos induzidos pela piroplasticidade. Principalmente para placas de grandes formatos, onde a produção prima por uma densidade uniforme das placas e por mínima deformação à alta temperatura. Este trabalho faz uma revisão crítica do estado da arte da sinterização de porcelanatos e dos desafios para o desenvolvimento de placas de grande formato. Será discutido o nível de conhecimento nos distintos fenômenos envolvidos na sinterização com fluxo viscoso, diferenciando-se entre o que já é conhecido, o que é reconhecido, mas ainda necessita completo entendimento, e o que pode aparecer de uma compreensão mais profunda. Fatos conhecidos: a evolução da microestrutura e da composição de fases durante a queima é bem conhecida, e os modelos fenomenológicos têm sido desenvolvidos para a densificação por fluxo viscoso de porcelanatos. Os efeitos combinados da viscosidade da fase líquida e do teor de sólidos sobre a piroplasticidade foram revelados. É conhecida a forma como a razão Na/K e outras relações químicas da composição dos porcelanatos afeta a cinética de sinterização. Também foi reconhecido o papel da cristalização/dissolução da mulita e da transição do quartzo alfa para beta sobre as propriedades tecnológicas. Os fatos não tão conhecidos: alterações dinâmicas na composição e nas propriedades físicas da fase líquida durante a queima são previstas, mas a vitrificação e a sinterização reativa ainda não foram modeladas. Há incertezas em relação ao efeito real dos cristais suspensos no meio líquido sobre a cinética de sinterização e sobre a piroplasticidade em função de sua forma e distribuição de tamanho variáveis. São obscuros o efeito da porosidade inicial sobre o grau e cinética de densificação, a homogeneidade e a miscibilidade das fases líquidas, a solubilidade de gás na fase líquida na maior temperatura de queima (e seu papel na porosidade fechada e no inchamento), a dependência da razão Fe2+/Fe3+ sobre a temperatura e sua consequência sobre a viscosidade da fase líquida. O que é desconhecido: a modelagem das curvas de densificação e a predição das propriedades físicas dos porcelanatos, por cálculos computacionais, pode prefigurar o papel de outras variáveis ainda não consideradas. A extensão de tais esforços de modelagem da escala laboratorial para a industrial pode revelar a ocorrência de efeitos de escala, principalmente para o caso de placas grandes e para distintas técnicas de formação. Uma melhor compreensão de aspectos cinéticos resultantes da convolução de vários fatores pode revelar resultados inesperados, tais como efeitos de memória das matérias-primas ou características microestruturais.

Palavras-chave

Sinterização; Fase líquida viscosa; Microestrutura; Porcelanato.

Referências

[1] Carty, W.M., 2002. Observations on the glass phase composition in porcelains. Ceramic Engineering and Science Proceedings, 23, 79-94.

[2] Zanelli, C., Raimondo, M., Guarini, G., Dondi, M., 2011. The vitreous phase of porcelain stoneware: composition, evolution during sintering and physical properties. Journal of Non-Crystalline Solids, 357, 3251-3260.

[3] Sánchez, E., García-Ten, J., Sanz, V., Moreno, A., 2010. Porcelain tile: Almost 30 years of steady scientific-technological evolution. Ceramics International, 36, 831-845.

[4] Romero, M., Pérez, J.M., 2015. Relation between the microstructure and technological properties of porcelain stoneware – A review. Materiales de Construcción, 65, e065.

[5] Buchtel, A.M., Carty, W.M., Noirot, M.D., 2009. Pyroplastic deformation revisited. Whitewares and Materials: Ceramic Engineering and Science Proceedings, 25, 25-42.

[6] Bresciani, A., Spinelli, B., 2012. Porcelain tile pyroplastic deformation during firing and post-firing variations of planarity. CFI Ceramic Forum International, 89, E41-E45.

[7] Porte, F., Brydson, R., Rand, B., Riley, F. L., 2004. Creep viscosity of vitreous china. Journal of the American Ceramic Society, 87, 923-928.

[8] Zanelli, C., Raimondo, M., Guarini, G., Marani, F., Fossa, L., Dondi, M., 2010. Porcelain stoneware large slabs processing and technological properties. Proc. XI Congreso Mundial de la Calidad del Azulejo y del Pavimento, QUALICER, Castellon.

[9] Bresciani, A., Ricci, C., 2014. Continuous compaction of ceramic slabs with integrated fastening system. Proc. XIII Congreso Mundial de la Calidad del Azulejo y del Pavimento, QUALICER, Castellon.

[10]F. Cambier, A. Leriche, 1996. Vitrification. In: R.W. Cahn, P. Hanson, E.J. Kramer (Eds.), Processing of Ceramics Part II, vol 17B, VCH Basel, pp. 124–144.

[11]Zanelli, C., Raimondo, M., Dondi, M., Guarini, G., Tenorio, P., 2004. Sintering mechanisms of porcelain stoneware tiles. Proceedings Qualicer 2004, 247-259.

[12]Salem, S., Salem, A., 2013. Mechanisms of momentum transport in viscous flow sintering. INTECH Open Access Publisher.

[13]Orts, M. J., Amorós, J. L., Escardino, A., Gozalbo, A., Feliu, C., 1993. Kinetic model for the isothermal sintering of low porosity floor tiles. Applied Clay Science, 8, 231-245.

[14]Salem, A., Jazayeri, S. H., Rastelli, E., Timellini, G., 2010. Kinetic model for isothermal sintering of porcelain stoneware body in presence of nepheline syenite. Thermochimica Acta, 503, 1-7.

[15]Salem, S., Salem, A., 2014. Shrinkage prediction during non-isothermal sintering in the presence liquid phase: New kinetic model, Part I. Thermochimica Acta, 575, 322-330.

[16]Salem, S., Salem, A., (2014).Effects of technical factors on dimensional stability of porcelain stoneware body during sintering process: Isothermal kinetic study, Part II.Thermochimica Acta, 598, 82-90.

[17]Pavlovic, A., Fragassa, C. 2016. Modelling the viscoelasticity of ceramic tiles by finite element. AIP Conference Proc., 1736, art. no. 4949749.

[18]Bene, P., Bardaro, D., 2014. Numerical–experimental method to study the viscous behaviour of ceramic materials. Journal of the European Ceramic Society, 34, 2617-2622.

[19]De Miranda, S., Patruno, L., Ricci, M., Saponelli, R., Ubertini, F., 2015. Ceramic sanitary wares: Prediction of the deformed shape after the production process. Journal of Materials Processing Technology, 215, 309-319.

[20]Sanchez, E., Orts, M. J., Garcia-Ten, J., Cantavella, V., 2001. Porcelain tile composition effect on phase formation and end products. American Ceramic Society Bulletin, 80, 43-49.

[21]Leonelli, C., Bondioli, F., Veronesi, P., Romagnoli, M., Manfredini, T., Pellacani, G. C., Cannillo, V., 2001. Enhancing the mechanical properties of porcelain stoneware tiles: a microstructural approach. Journal of the European Ceramic Society, 21, 785-793.

[22]Souza, G. P., Rambaldi, E., Tucci, A., Esposito, L., Lee, W. E., 2004. Microstructural variation in porcelain stoneware as a function of flux system. Journal of the American Ceramic Society, 87, 1959-1966.

[23]Sanchez, E., Ibanez, M. J., García-Ten, J., Quereda, M. F., Hutchings, I. M., Xu, Y. M., 2006. Porcelain tile microstructure: implications for polished tile properties. Journal of the European Ceramic Society, 26, 2533-2540.

[24]Carbajal, L., Rubio-Marcos, F., Bengochea, M. A., Fernandez, J. F., 2007. Properties related phase evolution in porcelain ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 27, 4065-4069.

[25]Gualtieri, A. F., 2007. Thermal Behavior of the Raw Materials Forming Porcelain Stoneware Mixtures by Combined Optical and In Situ X-Ray Dilatometry. Journal of the American Ceramic Society, 90, 1222-1231.

[26]Martín-Márquez, J., Rincón, J. M., Romero, M., 2008. Effect of firing temperature on sintering of porcelain stoneware tiles. Ceramics International, 34, 1867-1873.

[27]Martín-Márquez, J., De la Torre, A. G., Aranda, M. A., Rincón, J. M., Romero, M., 2009. Evolution with temperature of crystalline and amorphous phases in porcelain stoneware. Journal of the American Ceramic Society, 92, 229-234.

[28]De Noni, A., Hotza, D., Soler, V. C., Vilches, E. S., 2010. Influence of composition on mechanical behaviour of porcelain tile. Part I: Microstructural characterization and developed phases after firing. Materials Science and Engineering, A527, 1730-1735.

[29]Pérez, J. M., Romero, M., 2014. Microstructure and technological properties of porcelain stoneware tiles moulded at different pressures and thicknesses. Ceramics International, 40, 1365-1377.

[30]Pagani, A., Francescon, F., Pavese, A., Diella, V., 2010. Sanitary-ware vitreous body characterization method by optical microscopy, elemental maps, image processing and X-ray powder diffraction. Journal of the European Ceramic Society, 30, 1267-1275.

[31]Bernasconi, A., Diella, V., Pagani, A., Pavese, A., Francescon, F., Young, K., J. Stuart Tunnicliffe, L., 2011. The role of firing temperature, firing time and quartz grain size on phase-formation, thermal dilatation and water absorption in sanitary-ware vitreous bodies. Journal of the European Ceramic Society, 31, 1353-1360.

[32]Iqbal, Y., Lee, W. E., 1999. Fired porcelain microstructures revisited. Journal of the American Ceramic Society, 82, 3584-3590.

[33]Iqbal, Y., Lee, W. E., 2000. Microstructural evolution in triaxial porcelain. Journal of the American Ceramic Society, 83, 3121-3127.

[34]Rambaldi, E., Carty, W. M., Tucci, A., Esposito, L., 2007. Using waste glass as a partial flux substitution and pyroplastic deformation of a porcelain stoneware tile body. Ceramics International, 33, 727-733.

[35]Raimondo, M., Zanelli, C., Guarini, G., Dondi, M., Fabbroni, R., Cortesi, T., 2009. Process of pyroplastic shaping for specialpurpose porcelain stoneware tiles.Ceramics International, 35, 1975-1984.

[36]Suvaci, E., Tamsu, N., 2010. The role of viscosity on microstructure development and stain resistance in porcelain stoneware tiles. Journal of the European Ceramic Society, 30, 3071-3077.

[37]Tunçel, D. Y., Kara, M. K., Özel, E., 2011. Effect of the chemical composition on the pyroplastic deformation of sanitaryware porcelain body. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 18, 22, 222025.

[38]Aydin, T., Kara, A., 2014. Effect of spodumene addition on pyroplastic deformation of porcelain stoneware. Journal of Ceramic Processing Research, 15, 486-491.

[39]dos Santos Conserva, L. R., Melchiades, F. G., Nastri, S., Boschi, A. O., Dondi, M., Guarini, G., Raimondo M., Zanelli, C., 2017. Pyroplastic deformation of porcelain stoneware tiles: Wet vs. dry processing. Journal of the European Ceramic Society, 37, 333-342.

[40]Paganelli, M., Sighinolfi, D., 2009. Effect of quartz particle size on porcelain stoneware sintering by means of optical dilatometry. CFI Ceramic Forum International, 86, E41-E45.

[41]Tucci, A., Esposito, L., Malmusi, L., Rambaldi, E., 2007. New body mixes for porcelain stoneware tiles with improved mechanical characteristics. Journal of the European Ceramic Society, 27(2), 1875-1881.

[42]Gualtieri, A. F., 2009. Development of Low-Firing B-Fluxed Stoneware Tiles. Journal of the American Ceramic Society, 92, 2571-2577.

[43]Çigdemir, G., Kara, A., Kara, F., 2010. Effect of alkaline earth oxides on firing behaviour of porcelain stoneware. Industrial Ceramics, 30, 177-186.

[44]Melchiades, F. G., Santos, L. R., Boschi, A. O. Nastri S., 2012. Gres porcelánico esmaltado producido por vía seca: materias primas fundentes. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vídrio, 51, 133-138.

[45]Tamsu, N., Bayrak, A. V., Ozdemir, H., 2013. Effects of Na2 O/K2 O Ratio on the Deformation Behaviour of the Floor Tile Bodies. Acta Physica Polonica, A123, 283-284.

[46]Magagnin, D., dos Santos, C. M. F., Wanderlind, A., Jiusti, J., De Noni, A., 2014. Effect of kaolinite, illite and talc on the processing properties and mullite content of porcelain stoneware tiles. Materials Science and Engineering, A618, 533-539.

[47]Adamo, I., Diella, V., Pavese, A., Vignola, P., Francescon, F., 2013. Na-feldspar (F) and kaolinite (K) system at high temperature: Resulting phase composition, micro-structural features and mullite-glass Gibbs energy of formation, as a function of F/K ratio and kaolinite crystallinity. Journal of the European Ceramic Society, 33, 3387-3395.

[48]Becker, C. R., Carty, M., 1999. The role of flux choice in triaxial whiteware bodies. Ceramic Engineering Science Proceedings, 20(2), 43-50.

[49]Bernasconi, A., Marinoni, N., Pavese, A., Francescon, F., Young, K., 2014. Feldspar and firing cycle effects on the evolution of sanitary-ware vitreous body. Ceramics International, 40, 6389-6398.

[50]Dana, K., Das, S.K.R., 2004. Effect of Na-feldspar and K-feldspar on the whiteness and other properties of porcelain bodies. Industrial Ceramics, 24, 91-95.

[51]Das, S. K., Dana, K., 2003. Differences in densification behaviour of K-and Na-feldspar-containing porcelain bodies. Thermochimica Acta, 406, 199-206.

[52]Zanelli, C., Baldi, G., Dondi, M., Ercolani, G., Guarini, G., Raimondo, M., 2008. Glass–ceramic frits for porcelain stoneware bodies: Effects on sintering phase composition and technological properties. Ceramics International, 34, 455-465.

[53]Romero, M., Martín-Márquez, J., Rincón, J. M., 2006. Kinetic of mullite formation from a porcelain stoneware body for tiles production. Journal of the European Ceramic Society, 26, 1647-1652.

[54]Lee, W. E., Souza, G. P., McConville, C. J., Tarvornpanich, T., Iqbal, Y., 2008. Mullite formation in clays and clay derived vitreous ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 28, 465-471.

[55]Martín-Márquez, J., Rincón, J. M., Romero, M., 2010. Mullite development on firing in porcelain stoneware bodies. Journal of the European Ceramic Society, 30, 1599-1607.

[56]Pérez, J. M., Rincón, J. M., Romero, M., 2010. Study of mullite formation in porcelain stoneware applying isoconversional and IKP methods. Ceramics International, 36, 2329-2335.

[57]Marinoni, N., Pagani, A., Adamo, I., Diella, V., Pavese, A., Francescon, F., 2011. Kinetic study of mullite growth in sanitary-ware production by in situ HT-XRPD. The influence of the filler/flux ratio. Journal of the European Ceramic Society, 31, 273-280.

[58]Marinoni, N., D’Alessio, D., Diella, V., Pavese, A., Francescon, F., 2013. Effects of soda–lime–silica waste glass on mullite formation kinetics and microstructures development in vitreous ceramics. Journal of Environmental Management, 124, 100-107.

[59]Pérez, J. M., Rincón, J. M., Romero, M., 2012. Effect of moulding pressure on microstructure and technological properties of porcelain stoneware. Ceramics International, 38(1), 317-325.

[60]Kirchhoff, G., Pompe, W., Bahr, H. A., 1982. Structure dependence of thermally induced microcracking in porcelain studied by acoustic emission. Journal of Materials Science, 17(10), 2809-2816.

[61]De Noni, A., Hotza, D., Soler, V. C., Vilches, E. S., 2008. Analysis of the development of microscopic residual stresses on quartz particles in porcelain tile. Journal of the European Ceramic Society, 28(14), 2629-2637.

[62]De Noni, A., Hotza, D., Soler, V. C., Vilches, E. S., 2009. Effect of quartz particle size on the mechanical behavior of porcelain tile subjected to different cooling rates. Journal of the European Ceramic Society, 29(6), 1039-1046.

[63]Gilabert, F. A., Dal Bo, M., Cantavella, V., Sánchez, E., 2012. Fracture patterns of quartz particles in glass feldspar matrix. Materials Letters, 72, 148-152.

[64]Reinosa, J. J., del Campo, A., Fernández, J. F., 2015. Indirect measurement of stress distribution in quartz particles embedded in a glass matrix by using confocal Raman microscopy. Ceramics International, 41(10), 13598-13606.

[65]Dal Bó, M., Cantavella, V., Sánchez, E., Hotza, D., Boschi, A., 2012. Mechanical modelling of rapid cooling in porcelain tile-type systems. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vídrio, 51(2), 95-102.

[66]Dal Bó, M., Cantavella, V., Sanchéz, E., Gilabert, F. A., Boschi, A. O., Hotza, D., 2017. An estimate of quartz content and particle size in porcelain tiles from Young’s modulus measurements. Ceramics International, 43, 2233-2238.

[67]Martín-Márquez, J., Rincón, J. M., & Romero, M., 2008. Effect of firing temperature on sintering of porcelain stoneware tiles. Ceramics International, 34(8), 1867-1873.

[68]De Noni, A., Hotza, D., Soler, V. C., & Vilches, E. S., 2011. Influence of composition on mechanical behaviour of porcelain tile. Part III: Effect of the cooling rate of the firing cycle. Materials Science and Engineering A 528, 3330-3336.

[69]Lassinantti Gualtieri, M., Romagnoli, M., & Gualtieri, A. F., 2011. Influence of body composition on the technological properties and mineralogy of stoneware: A DOE and mineralogical–microstructural study. Journal of the European Ceramic Society, 31, 673-685.

[70]Carty, W.M., Senapati, U., 1998. Porcelain - Raw materials, processing, phase evolution, and mechanical behavior. Journal of the American Ceramic Society, 81, 3-20.

[71]Zanelli, C., Dondi, M., Guarini, G., Raimondo, M., Roncarati, I., 2004. Influence of strengthening components on industrial mixture of porcelain stoneware tiles. Key Engineering Materials, 264-268, 1491-1494.

[72]De Noni, A., Hotza, D., Soler, V. C., Vilches, E. S., 2010. Influence of composition on mechanical behaviour of porcelain tile. Part II: Mechanical properties and microscopic residual stress. Materials Science and Engineering A, 527, 1736-1743.

[73]Lee, W. E., Iqbal, Y., 2001. Influence of mixing on mullite formation in porcelain. Journal of the European Ceramic Society, 21(14), 2583-2586.

[74]Prado, M. O., Zanotto, E. D., & Müller, R., 2001. Model for sintering polydispersed glass particles. Journal of NonCrystalline Solids, 279, 169-178.

[75]Perugini, D., De Campos, C. P., Petrelli, M., Dingwell, D. B., 2015. Concentration variance decay during magma mixing: a volcanic chronometer. Scientific Reports, 5, 14225.

[76]Dannert, C., Durschang, B., Raether, F., Becker, F., 2003. Optimization of sintering processes for porcelain using insitu measuring methods. Glass Science and Technology, 76, 71.

[77]Reijnen, P., 1996. Pore growth and elimination during sintering of silicate ceramics. CFI Ceramic forum international, 73(10), 594-598.

[78]Takahashi, H., Takeuchi, N., Ishida, S., & Wakamatsu, M., 2000. Oxygen evolution and chemical state changes of iron during firing of red clay bodies at low oxygen pressure. Journal of the ceramic Society of Japan, 108(1260), 705-709.

[79]Dingwell, D. B., & Virgo, D., 1987. The effect of oxidation state on the viscosity of melts in the system Na2 O-FeO-Fe2 O3 - SiO2 . Geochimica et Cosmochimica Acta, 51(2), 195-205.

5d1268320e88255c5c5a3d52 ci Articles
Links & Downloads

Cerâm. ind.

Share this page
Page Sections