Têmpera química em revestimentos cerâmicos do tipo grês porcelanato

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2020.A têmpera química é um processo de intercâmbio catiônico que objetiva promover tensões residuais de compressão na superfície do material. Incrementando assim, algumas propriedades mecânicas, como a força de ruptura e a tensão à flexão. Os revestimentos cerâmicos do tipo porcelanato possuem elevados percentuais de feldspatóides em sua composição química. Estes promovem a formação da fase vítrea durante a sinterização do material, reduzindo a temperatura de sinterização e a porosidade destes materiais. Feldspatos são matérias-primas ricas em óxidos de elementos alcalinos e alcalinos terrosos, como o sódio, potássio e cálcio. Os cátions monovalentes apresentam elevado coeficiente de difusão quando comparado com cátions de outros elementos químicos. Essa condição facilita o processo de intercâmbio catiônico entre íons de menor raio por íons de maior raio. Essa substituição promove a geração de tensões residuais de compressão na superfície do material. Neste trabalho foram selecionados porcelanatos técnicos fabricados por empresas do sul de Santa Catarina. No capítulo 4, que estudou a aplicação do processo de têmpera química a 480°C durante 15 min em três diferentes porcelanatos, os resultados mostraram que houve um incremento de ~6% na tensão de ruptura dos materiais. No capítulo 5, o qual estudou a aplicação do processo de têmpera química a 480ºC durante 25 min em porcelanatos de formato 60 × 60 cm, os resultados mostraram que as propriedades mecânicas do material atenderam a norma vigente mesmo reduzindo a espessura do material para 77% da espessura padrão. O capítulo 6 estudou a aplicação do processo de têmpera química em uma massa cerâmica otimizada com albita e nefelina. Os resultados mostraram que a resistência mecânica à flexão sofreu incrementos entre 32 a 56%. Já o capítulo 7 estudou a modificação superficial dos materiais porcelânicos, incrementando o percentual de íons de baixo raio atômico na superfície dos porcelanatos. Os resultados evidenciaram um incremento de ~30% na resistência mecânica à flexão quando a superfície do material foi modificada com sais contendo lítio e magnésio. Por fim, é apresentado um estudo de viabilidade econômica do processo de têmpera química em revestimentos cerâmicos do tipo porcelanato, o qual evidenciou um gasto estimado de ~R$ 16.000,00/mês (~US$ 3.000,00/mês) para se manter em funcionamento a estação de tratamento químico para uma produção mensal de 100 mil m² de porcelanato.Abstract: Chemical tempering is a cation exchange process that aims to promote residual compressive stresses on the material surface. Thus, increasing some mechanical properties, such as the breaking force and the bending stress. Porcelain tiles have high percentages of feldspathoids in their chemical composition. These promote the formation of the vitreous phase during the sintering of the material, reducing the sintering temperature and the porosity of these materials. Feldspars are raw materials rich in oxides of alkaline and alkaline earth elements, such as sodium, potassium and calcium. Monovalent cations have a high diffusion coefficient when compared to cations of other chemical elements. This condition facilitates the process of cationic exchange between ions of smaller radius for ions of greater radius. This substitution promotes the generation of residual compression stresses on the material surface. In this work, technical porcelain tiles manufactured by companies in the south of Santa Catarina were selected. In chapter 4, which studied the application of the chemical tempering process at 480°C for 15 min in three different porcelain tiles, the results showed that there was an increase of ~ 6% in the rupture stress of the materials. In chapter 5, which studied the application of the chemical tempering process at 480ºC for 25 min in 60 × 60 cm porcelain tiles, the results showed that the mechanical properties of the material met the current standard even reducing the material thickness to 77% standard thickness. Chapter 6 studied the application of the chemical tempering process in a ceramic mass optimized with albite and nepheline. The results showed that the mechanical resistance to flexion increased between 32 and 56%. Chapter 7, on the other hand, studied the surface modification of porcelain materials, increasing the percentage of ions with a low ionic radius on the surface of porcelain tiles. The results showed an increase of ~30% in the mechanical resistance to flexion when the surface of the material was modified with salts containing lithium and magnesium. Finally, an economic feasibility study of the chemical tempering process in porcelain tiles is presented, which showed an estimated expenditure of ~R$ 16,000.00/month (~US$ 3.000,00/month) to keep the chemical treatment plant running for a production of 100 thousand m² of porcelain tiles