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Cerâmica

Print version ISSN 0366-6913

Cerâmica vol.60 no.354 São Paulo Apr./June 2014

http://dx.doi.org/10.1590/S0366-69132014000200004 

Caracterização do pigmento de ZnCr2O4 sintetizado pelo método dos precursores poliméricos

 

Characterization of ZnCr2O4 pigment synthesized by the polymeric precursor method

 

 

E. V. SenatoreI; S. F. SantosII; T. OgasawaraI

IDepartamento de Eng. Metalúrgica e Materiais, COPPE-UFRJ, Bl. F, sala F210, Cidade Universitária, Rio de Janeiro, RJ, 21941-972
IICentro Universitário Estadual da Zona Oeste -UEZO, Av. Manuel Caldeira de Alvarenga 1203, Campo Grande, RJ 23070-200, shirleny@uezo.rj.gov.br

 

 


RESUMO

O pigmento de cromita de zinco foi sintetizado pelo método Pechini. Inicialmente, realizou-se um estudo de análise termodinâmica, visando prever os detalhes operacionais para síntese do pigmento pelo método de co-precipitação química. Entretanto, os resultados deste estudo mostraram que embora possível, o mesmo é de difícil execução prática, já que seria necessário uso de atmosfera inerte, preferencialmente atmosfera de hidrogênio e uma faixa de pH (5,5-6,5) muito estreita. Diante disto, escolheu-se como rota de síntese o método Pechini ou método do precursor polimérico. Após calcinação em diferentes temperaturas, os pigmentos foram caracterizados por análises difração de raios X, análises térmicas, microscopia eletrônica de varredura e analises colorimétricas usando o método CIElAB. Os pigmentos foram incorporados a fritas cerâmicas e seu comportamento neste sistema foi caracterizado. Os resultados de cor confirmaram a cor verde do pigmento que corresponde a valores negativos da coordenada a*. Além disso, estudou-se estabilidade da cor obtida por meio da avaliação colorimétrica do pigmento em diferentes condições de luminosidade.

Palavras chave: método Pechini, pigmento, cromita de zinco.


ABSTRACT

Zinc chromite pigment was synthesized via Pechini method. Firstly, a thermodynamic study was done in order to predict the operational details for the synthesis of this pigment by the co-precipitation method. However, the results showed that although possible, it is difficult since it would be necessary use of inert atmosphere (hydrogen atmosphere) and a range of pH (5.5-6.5) very narrow. So the polymeric precursor method was chosen to prepare the pigment. After calcination at different temperatures, characterizations were done by X-ray diffraction, thermal analysis, scanning electron microscopy and colorimetric analysis, using the CIELab system. The powders were applied on ceramic pieces in order to evaluate the behavior of the system when added to a glaze. The colorimetric data point out the formation of green pigment, corresponding to negative values of a*. Color stability obtained from a colorimetric evaluation of the pigment under different illuminants was also studied.

Keywords: Pechini method, pigments, zinc chromite.


 

 

INTRODUÇÃO

Os pigmentos cerâmicos são substâncias inorgânicas coloridas que ao serem dispersas em substratos cerâmicos não reagem quimicamente com estes e se mantêm estáveis frente às elevadas temperaturas de calcinação utilizadas. Constituem uma parcela expressiva no custo final de louças sanitárias, porcelanas de mesa e dos revestimentos cerâmicos [1]. Em particular, os pigmentos cerâmicos com estrutura de espinélios têm sido freqüentemente estudados, já que grande parcela dos pigmentos cerâmicos conhecidos apresenta esta estrutura [2]. Estes pigmentos têm sido sintetizados por diversos métodos, como o método cerâmico tradicional, síntese por combustão em solução, coprecipitacao, sol-gel, métodos hidrotémicos e outros [2, 3]. Na maiora deste estudos observa-se uma tendência na busca de rotas de síntese de espinélios em mais baixas temperaturas e que possibilitem a formação de tamanhos de partículas menores [4]. Nos casos em que a síntese do pigmento envolve íons de comportamento complexo quando tratados ao ar, como é o caso das cromitas, é interessante realizar previamente uma análise termodinâmica. Este tipo de análise é esclarecedora quanto aos pormenores do processo além de ajudarem a economizar tempo no laboratório, prever alguns resultados possíveis, indicar faixas de pH e concentrações, entre outros [5].

Neste trabalho foi realizada uma análise termodinâmica prévia das condições de síntese da cromita de zinco por co-precipitação. Verificou-se, no entanto, que o método da co-precipitação embora possível de ser realizado, exige grande demanda laboratorial.

Dentre os métodos comumente citados para síntese da cromita de zinco, o método Pechini ou método do precursor polimérico ainda tem sido pouco explorado. Deste modo, esta rota foi escolhida para este estudo. Esse método utiliza a capacidade de certos ácidos carboxílicos para formar quelatos com vários cátions. Esses quelatos são poliesterificados quando aquecidos em álcool polihidroxi, formando uma resina de poliéster (precursor polimérico) onde os íons são imobilizados, seguido de tratamento térmico para obtenção dos óxidos desejados [6]. Os pigmentos obtidos pelo método Pechini, geralmente, apresentam pós com boa homogeneidade, baixo tamanho de partícula (chegando a dimensões nanométricas), alta pureza, baixo custo e relativamente baixa temperatura de processamento [6].

 

MATERIAIS E MÉTODOS

Metodologia de análise termodinâmica: diagramas Eh-pH do sistema Cr-Zn-H2O a 25 ºC (para várias atividades de cromo e zinco em solução aquosa, na condição de aZn = 0,5 aCr) foram calculados usando a seção potential-pH do programa aplicativo HSC Chemistry for Windows 4.1. A partir desses diagramas Eh-pH foram extraídos os dados necessários para a construção do diagrama pCr-pH do mesmo sistema a 25 ºC (no qual pCr = -log10 aCr).

Método Pechini: uma solução de ácido cítrico (1 mol/L) foi aquecida até 60 ºC. Sobre esta solução adicionou-se lentamente a solução de nitrato de cromo (0,3 mol/L) e em seguida a solução de nitrato de zinco (0,3 mol/L). Por fim, adicionou-se etilenoglicol (99%) e a mistura foi deixada sob aquecimento até ocorrer formação de uma estrutura gelatinosa (resina polimérica). Este material foi calcinado entre 700 e 900 ºC para obtenção dos pós de pigmentos.

Teste de aplicação do pigmento em frita cerâmica: para aplicação do pigmento foram preparadas misturas de pigmento com uma frita comercial. Testaram-se concentrações de 0, 0,5, 1,5 e 2,5% de pigmento em relação à massa de frita utilizada (2 g). Estas misturas foram pinceladas sobre substratos de alumina densa (3,5 cm x 3,5 cm, Saint Gobain). As placas recobertas foram secas a 110 ºC durante 15 min e em seguida foram queimadas a 900 ºC por 1 h.

Técnicas de caracterização: as análises térmicas (TGA/DTA) foram realizadas em equipamento Shimadzu TA-50WSI com taxa de aquecimento 10 ºC/min da temperatura ambiente até 1200 ºC; a estrutura cristalográfica dos pós foi determinada em um difratômetro Bruker-AXS D5005 (radiação Cokα 35 kV/40 mA, 2θ na faixa de 5º a 80º); a morfologia/microestrutura dos pós foi investigada por meio da observação de amostras recobertas com prata em microscópio eletrônico de varredura Leica F440, em modo de alto vácuo; as medidas de cores foram obtidas usando colorímetro Color Touch, sob ação de fonte D65e iluminante D65 num ângulo de 2º e sob ação dos iluminantes A, F7 e D65.

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Diagramas Eh-pH e pCr-pH

Os estudos termodinâmicos iniciais demonstraram que a cromita de zinco somente seria estável em solução aquosa na região acida (2,5 < pH < 6) pO2 neutro ou redutor e em elevadas concentrações de cromo. Entretanto para chegar as estas condições existem dois problemas a serem enfrentados: a) operar a síntese sob pressão de hidrogênio gasoso, necessário para rebaixar o potencial de oxigênio até o nível necessário; b) a cristalização de cromita de zinco pode ser um processo muito lento, que poderia ser acelerado em maiores temperaturas (no interior de uma autoclave) porém ocorreria a fragilização pelo hidrogênio dos metais de construção da autoclave pondo em risco a integridade da autoclave e, portanto, a confiabilidade das condições operacionais de síntese. O contorno dos problemas operacionais acima referidos poderia ser feito co-precipitando os hidróxidos de cromo e de zinco, em atmosfera redutora (pO2 = 0,271 x 10-62 atm), a sua secagem e calcinação em temperaturas tão baixas quanto possíveis para prevenir exagerado agregamento do produto da calcinação (e assim minimizar os custos e impurificações da moagem final). Para visualizar melhor estas condições de síntese a Fig. 1 mostra o diagrama de estado transitório do sistema Cr-Zn-H2O a 25 ºC, para aCr = 1M e aZn = 0,5 M, desconsiderando as espécies ZnO*Cr2O3, Cr2O3 e ZnO. Pode-se observar que não é trivial encontrar condições para a co-precipitação dos hidróxidos de cromo e de zinco.

 

 

Entretanto, na Fig. 2 que apresenta o diagrama pCr-pH de estado transitório do sistema Cr-Zn-H2O para aZn = 0,5 aCr e pO2 = 0,271 x 10-62 atm, pode-se notar a existência de uma pequena "janela operacional" para a co-precipitação dos hidróxidos de cromo e de zinco, situado em 5,5 < pH < 6,5 e aCr > 10M e aZn = 0,5 aCr. Notoriamente, a janela operacional da co-precipitação desejada é minúscula, o que representa muito baixa confiabilidade técnica deste tipo de síntese.

 

 

Deste modo, optou-se por realizar a síntese do pigmento de cromita de zinco pelo método Pechini, já que uma das razões que dificulta a síntese de pigmentos baseados em cromitas é a facilidade com que este metal se oxida ao ar. O uso deste método, além de proporcionar a obtenção de pigmentos de elevada qualidade, também favorece o abaixamento do potencial de oxigênio, devido à formação do quelato entre orgânico e metal do meio, de modo que o cromo não atinge sua região de oxidação [7].

Caracterização do pigmento de cromita de zinco

Na síntese pelo método Pechini usualmente se obtém um gel precursor que precisará ser calcinado para obtenção do pó de pigmento. Na Fig. 3 pode ser observado o perfil de análise térmica para o gel precursor do pigmento de cromita de zinco. A partir da interpretação dos eventos observados neste perfil, foi possível a determinação das temperaturas de queima para os pigmentos de cromita de zinco.

 

 

Na curva de TGA foram observados três estágios de decomposição, o primeiro entre 100 e 200 ºC, relacionado à saída de água ligada e adsorvida. O segundo e o terceiro dizem respeito à eliminação de matéria orgânica (200-650 ºC) [8]. Nas curvas DTA pode-se verificar a 130 ºC um pico endotérmico decorrente da saída de água e a 300 ºC um pico endotérmico, que provavelmente está relacionado à fusão do gel polimérico precursor. Em ~ 410 ºC observou-se um pico exotérmico, relacionado à cristalização do material [8]. A partir destas observações, verificou-se que para garantirmos total cristalização e eliminação dos orgânicos, temperatura de calcinação deveria ser de no mínino 700 ºC. Após a realização da queima a 700 ºC, o pigmento obtido foi caracterizado por difração de raios X para determinação da fase cristalina. Como pode ser observado na Fig. 4, a fase obtida corresponde à cromita de zinco (ZnCr2O4), como era esperado; no entanto observou-se que a amostra queimada a 700 ºC não apresentava-se ainda completamente cristalina. O pigmento foi então submetido a nova calcinação a 800 e 900 ºC. Com estes tratamentos o pigmento apresentou um perfil correspondente ao de um material mais cristalino. No entanto, entre 800 e 900 ºC não foi possível observar diferença significativa, de modo que 800 ºC é suficiente para obtenção de pigmento com boa cristalinidade. Essa comparação entre a cristalinidade para diferentes temperaturas de queima pode ser observada na Fig. 4.

 

 

A morfologia dos pós do pigmento foi observada por microscopia eletrônica de varredura. Duas amostras foram observadas, ambas foram obtidas pelo mesmo método, porém a primeira (Figs. 5a e 5b) foi calcinada logo após a obtenção do gel precursor enquanto a segunda (Figs. 6a e 6b) foi deixada envelhecer por 2 semanas para verificar se o tempo de permanência no gel provocaria alguma alteração na morfologia. A amostra sem envelhecimento apresentou partículas com morfologia arredondada (Fig. 5a). O tamanho das partículas variou entre 1 e 10 µm. Sendo que, as partículas menores, ou seja, de tamanho 1 µm, apresentaram-se aglomeradas (Fig. 5b).

 


 

 


 

Entretanto, a amostra que foi mantida por longo tempo envelhecendo apresentou uma morfologia distinta (Figs. 6a e 6b). Observou-se a obtenção de estrutura semelhante à de filmes finos, com material na forma de placas uniforme e muitas com formatos pontiagudos. Este tipo de resultado tem sido sugerido em trabalhos de outros pesquisadores que obtiveram filmes finos pelo método Pechini com resultado da alteração de alguns parâmetros, como tempo de envelhecimento, concentração dos reagentes, pH, etc. [9].

As amostras foram ainda caracterizadas quanto a cor utilizando o método CIElab (Commission Internationale de L'Eclairage). Este método permite medir a intensidade de absorção na região visível para obtenção dos parâmetros L*, referente à luminosidade que varia do negro (0) ao branco (100), a* que é intensidade de cor vermelho(+)/verde(-) e b* a intensidade de cor amarelo(+)/azul(-).

Na Tabela I pode-se notar, em relação ao observador padrão D65, o valor negativo da coordenada a* característico da cor verde. Valor correspondente ao tom verde também foi observado em relação ao iluminante F7. Sob ação do iluminante A, todavia o valor de a* foi deslocado para tom de vermelho, entretanto distorções deste tipo são frequentemente observada para este tipo de iluminante por ser ele uma condição de iluminação relativamente precária [10].

 

 

Aplicações dos pigmentos em fritas cerâmicas

O pigmento de cromita de zinco obtido foi testado quanto à aplicação em cerâmica por meio da preparação de misturas entre frita de revestimento e 3 diferentes proporções do pigmento, conforme método descrito na metodologia. Estes revestimentos coloridos também foram caracterizados quanto a cor utilizando o método CIElab, como mostrado na Tabela I, em que vidrado 1: frita 97,5% + pigmento 2,5%, vidrado 2: frita 98,5% + pigmento 1,5% e vidrado 3: frita 99,5% + pigmento 0,5%. O tom verde do pigmento manteve-se dentro da matriz vítrea e a tendência de cor nos diferentes iluminantes foi similar àquela observada para pigmentos puros, porém verificou-se luminosidade (L*) mais elevada e tom mais puros de verde (maior valor de a*) devido à diluição do pigmento na matriz vítrea [11, 12].

 

CONCLUSÕES

O estudo na forma de análise termodinâmica de algumas das variáveis envolvidas na obtenção de pigmentos de cromita de zinco revelou ser possível a sua obtenção por método de co-precipitação, entretanto o processo é difícil execução laboratorial. Assim optou-se pelo método Pechini ou método do precursor polimérico. Com uso deste método obteve pigmento de cromita de zinco com boa homogeneidade, alta pureza e baixa temperatura de processamento. Os pigmentos obtidos exibiram capacidade de conferir cor quando aplicados a revestimentos vítreos.

 

AGRADECIMENTOS

Ao CNPq, CAPES e FAPERJ pelo suporte financeiro e ao CETEM/MCT e a UFRJ/COPPE pelas facilidades laboratoriais.

 

REFERËNCIAS

[1] R. G. Casqueira, S. F. Santos, "Pigmentos Inorgânicos: Propriedades, Métodos de Síntese e Aplicações, Série Rochas e Minerais Industriais", 1ª Ed., Ed. CETEM/MCT, Rio de Janeiro, RJ (2008).         [ Links ]

[2] S. Mestre, M. D. Palacios, P. Agut, J. Eur. Ceram. Soc. 32 (2012) 1995.         [ Links ]

[3] D. Gingasu, I. Mindru D. C. Culita, L. Patron, J. M. Calderon-Moreno, S. Preda, O. Oprea, P. Osiceanu, E. M. Pineda, Mater. Res. Bull. 49 (2014) 151.         [ Links ]

[4] M. Stefanescu, M. Barbu, T. Vlaseb, P. Barvinschi, L. Barbu-Tudoran, M. Stoia, Thermochim. Acta 526 (2011) 130.         [ Links ]

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[6] S. F. Santos, M. C. Andrade, J. A. Sampaio, A. B. da Luz, T. Ogasawara, Dyes Pigments 75, 3 (2007) .         [ Links ]

[7] S. S. Manoharan, K. C. Patil, J. Am. Ceram. Soc. 75, 4 (1992) 1012.         [ Links ]

[8] D. A. Skoog, J. F. Holler, T. A. Nieman, "Princípios de Análise Instrumental", Bookman, Porto Alegre, Brasil (2002).         [ Links ]

[9] A. V. Rosário, E. C. Pereira, Cerâmica 45, 291 (1999).         [ Links ]

[10] S. F. Santos, Síntese de Pigmentos Cerâmicos e Desenvolvimento de Cor em Porcelanas Feldspáticas, Diss. Mestrado, COPPE, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil (2006).         [ Links ]

[11] F. Bondioli, T. Manfredini, A. P. N. Oliveira, Ceram. Ind. 3, 4-6 (1998) 4.         [ Links ]

[12] D. A. Earl, D. E. Clark, Ceram. Ind. 6, 1 (2001) 43.         [ Links ]

 

 

Rec. 26/07/2013
Rev. 07/10/2013
Ac. 15/11/2013

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