FUSÃO E CARACTERIZAÇÃO DE FRITAS PARA VIDRO … · acima de 850ºC) e difração de raios-X. ......
9
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50 th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society 22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC FUSÃO E CARACTERIZAÇÃO DE FRITAS PARA VIDRO-CERÂMICA FELDSPÁTICA REFORÇADA COM LEUCITA C.N. Barbato 1,2 *, V. Bemfica 1 , M.C.S. Nóbrega 1 , A.B. Luz 2 , J.A.Sampaio 2 , T. Ogasawara 1 1 PEMM, COPPE/UFRJ, F210 CT, C.P. 68505, Ilha do Fundão, CEP 21941- 972, Rio de Janeiro – RJ 2 Centro de Tecnologia Mineral – CETEM, Cidade Universitária, Av. Ipê, 900. CEP 21941-590 – Rio de Janeiro – RJ *[email protected] RESUMO As fritas de vidro-cerâmica reforçada por leucita foram fundidas a 1200ºC por 3 horas com a seguinte composição (% em peso): 56,5 de SiO 2 , 20 de Al 2 O 3 , 11,2 de K 2 O, 0,1 de B 2 O 3 , 0,1 de CaO, 0,7 de CeO 2 . Foram usadas para cada 100 g de produto final: 85,6 g de feldspato armil (RN), 2,88 g de Al 2 O 3 , 9,5 g de K 2 CO 3 , 2,74 g de bórax, 0,7 g de CeO 2 e 8,54 g de Na 2 CO 3 . A fusão foi feita em cadinho de alumina e forno de mufla, seguida de choque térmico em água, moagem e caracterização por análise térmica (cristalização da leucita acima de 850ºC) e difração de raios-X. A amostra de pó de frita foi prensada, sinterizada e a pastilha testada quanto à conformabilidade a quente sob pressão a 1.000ºC. Os resultados corresponderam à expectativa indicada pela literatura sobre o tipo de material. Palavras-chaves: vidro-cerâmica dental, frita, cristalização de leucita. INTRODUÇÃO As cerâmicas odontológicas constituem-se principalmente em: vidrados, porcelanas, cerâmicas vítreas ou estruturas altamente cristalinas. São atraentes graças à sua biocompatibilidade, estabilidade de cor a longo prazo, resistência ao desgaste e à sua capacidade de serem conformadas com precisão. 1
Transcript of FUSÃO E CARACTERIZAÇÃO DE FRITAS PARA VIDRO … · acima de 850ºC) e difração de raios-X. ......
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC FUSÃO E CARACTERIZAÇÃO DE FRITAS PARA VIDRO-CERÂMICA
FELDSPÁTICA REFORÇADA COM LEUCITA
C.N. Barbato1,2 *, V. Bemfica1, M.C.S. Nóbrega1, A.B. Luz2, J.A.Sampaio2 , T.
Ogasawara1
1PEMM, COPPE/UFRJ, F210 CT, C.P. 68505, Ilha do Fundão, CEP 21941-972, Rio de Janeiro – RJ
2Centro de Tecnologia Mineral – CETEM, Cidade Universitária, Av. Ipê, 900. CEP 21941-590 – Rio de Janeiro – RJ
RESUMO
As fritas de vidro-cerâmica reforçada por leucita foram fundidas a 1200ºC
por 3 horas com a seguinte composição (% em peso): 56,5 de SiO2, 20 de
Al2O3, 11,2 de K2O, 0,1 de B2O3, 0,1 de CaO, 0,7 de CeO2. Foram usadas para
cada 100 g de produto final: 85,6 g de feldspato armil (RN), 2,88 g de Al2O3, 9,5
g de K2CO3, 2,74 g de bórax, 0,7 g de CeO2 e 8,54 g de Na2CO3. A fusão foi
feita em cadinho de alumina e forno de mufla, seguida de choque térmico em
água, moagem e caracterização por análise térmica (cristalização da leucita
acima de 850ºC) e difração de raios-X. A amostra de pó de frita foi prensada,
sinterizada e a pastilha testada quanto à conformabilidade a quente sob
pressão a 1.000ºC. Os resultados corresponderam à expectativa indicada pela
literatura sobre o tipo de material.
Palavras-chaves: vidro-cerâmica dental, frita, cristalização de leucita.
INTRODUÇÃO
As cerâmicas odontológicas constituem-se principalmente em: vidrados,
porcelanas, cerâmicas vítreas ou estruturas altamente cristalinas. São
atraentes graças à sua biocompatibilidade, estabilidade de cor a longo prazo,
resistência ao desgaste e à sua capacidade de serem conformadas com
precisão.
1
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC Vidro–cerâmica são cerâmicas constituídas por grãos finos e
policristalinos envolvidos por uma matriz vítrea(1) e é obtida mediante controle
da cristalização da frita durante o tratamento térmico. Nesta etapa ocorre a
nucleação e crescimento da fase cristalina na matriz vítrea, que depende da
composição química e de um tratamento térmico específico. A alta taxa de
nucleação e baixa taxa de crescimento dos cristais são necessárias para obter
pequenos grãos cristalinos, que é desejável por aumentar a resistência
mecânica da cerâmica (3).
As vidro-cerâmicas feldspáticas reforçadas com leucita são utilizadas em
restaurações dentárias com o objetivo de compatibilizar os coeficientes de
expansão térmica do sistema porcelana-substrato metálico em restaurações
metalo-cerâmicas (2).
Leucita (K2O.Al2O3.4SiO2) é um mineral alumino-silicato de potássio, com
elevado coeficiente de expansão térmica e a mudança de fase é acompanhada
por uma variação significativa no volume. O seu ponto de fusão está em torno
de 1.693ºC (4). A mudança de fase cúbica (alta leucita) para tetragonal (baixa
leucita) ocorre no intervalo de 605-625ºC (2). Na temperatura ambiente, a fase
predominante da leucita é tetragonal.
Para controlar o tamanho dos cristais de leucita, a distribuição e a fração
volumétrica na matriz vítrea, obtendo finos cristais na fase tetragonal
uniformemente distribuídos, é necessário controlar a cristalização da leucita
durante o tratamento térmico e o tamanho das partículas da frita (3).
A quantidade de leucita pode ser alterada na porcelana dentária durante a
queima múltipla, o tratamento isotérmico, o resfriamento e ao longo do tempo
de contato com a saliva.(5) Os minerais de leucita podem ser incorporados à
porcelana dentária pela fusão do feldspato ou pela presença de pós-sintéticos
de leucita. Em geral, a quantidade de leucita é governada pelo conteúdo de
K2O na frita, pela temperatura e pelo tempo do tratamento térmico. O volume
de leucita tetragonal numa porcelana dentária varia de 17 a 45% na matriz
vítrea (2).
A cristalização ou a introdução da expansão elevada da leucita na fase
tetragonal na base vítrea é benéfica, pois aumenta o coeficiente de expansão a
um ótimo nível, que permite uma boa interação com o substrato metálico, no
2
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC caso de restauração metalo-cerâmica. A neutralização da força motriz
responsável pela formação de trinca é realizada pela tensão compressiva
tangencial em volta dos cristais que é gerada pela variação de volume (devido
à mudança de fase da leucita cúbica para tetragonal) e a diferença de
expansão térmica entre os cristais de leucita tetragonal (22 a 25 x 10-6ºC-1) e a
matriz vítrea (8,6 x 10-6ºC-1) (2).
Neste contexto, o objetivo do presente trabalho foi obter uma vidro-
cerâmica reforçada por leucita utilizando matérias-primas nacionais.
MATERIAIS E MÉTODOS
Frita A preparação de 20 g de frita com a composição descrita na Tabela I,
requereu o uso de:
15,55 g de feldspato Armil 1,74 g de K2CO3
0,53 g de Al2O3 0,50 g de bórax
1,56 g de Na2CO3 0,13 g de CeO
Tabela I: Composição química (% peso) da frita.
Componentes % (em peso) Componentes % (em peso) SiO2 56,1 Rb2O 0,1 Al2O3 19,9 NiO 0,1 K2O 11,2 P2O5 0,3 CaO 0,2 NiO 0,1 CeO2 0,7 Na2O 10,5
A mistura de pó foi homogeneizada num gral de ágata, e em seguida,
colocada num cadinho e levada à mufla a uma temperatura em torno de
1.200ºC, por três horas, e resfriada bruscamente quando colocada em contato
com a água e gelo.
Vidro-Cerâmica Feldspática Reforçada com Leucita A frita foi cominuida no grau de ágata a uma granulometria abaixo de
325# (0,043 mm), para em seguida ser prensada sob pressão de 15,4 bar em
molde cilíndrico de aço inoxidável com um diâmetro de 0,9 mm. A pastilha
obtida foi submetida a um tratamento térmico para que houvesse a
3
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC cristalização de leucita nas temperaturas de 900, 1.000 e 1.100ºC (Figura 1)
por uma hora com uma taxa de aquecimento de 10 ºC/min.
Figura 1 – Tratamento térmico da frita.
Prensagem a Quente As fritas tratadas termicamente nas temperaturas de 900, 1.000 e 1.100ºC
foram submetidas ao processo de prensagem a quente no forno Ceram Press
da NEY na temperatura de 1.000ºC por 20 mim e 18 mim de prensagem com
uma taxa de aquecimento de 60ºC/mim .
Técnicas de Caracterização Medidas de análises térmicas (DTA/TGA): foram realizadas em um
equipamento de análise de TGA/DTA simultâneo modelo SDT 2960 TA
Instruments, nas seguintes condições de operação: taxa de aquecimento de
10ºC/mim, atmosfera de nitrogênio e vazão de gás de 100 ml/mim e o intervalo
de temperatura utilizado foi da temperatura ambiente até 1.000 ºC.
Medidas de difração de raios-X: A estrutura cristalográfica dos pós foi
determinada em um difratômetro da marca Bruker-AXS D5005, radiação Co Kα
(35kV/40mA); 2θ por passo com tempo de contagem de 1 s por passo e
coletado de 5 a 80º 2θ. A interpretação qualitativa de espectro foi efetuada por
comparação com padrões contidos no banco de dados PDF02 (ICDD, 1996)
em software Bruker DiffracPlus.
Microscopia eletrônica de varredura (MEV): a morfologia/microestrutura
das pastilhas sinterizadas e atacadas por HF na concentração de 0,1% (em
volume) por um minuto foram reveladas observando-se amostras cobertas com
4
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC prata ao microscópio eletrônico de varredura da marca Leica, modelo F440, em
modo de alto vácuo.
RESULTADOS E CONCLUSÕES
Difração de Raios-X A análise por difração de raios-X da frita, antes do tratamento térmico,
(Figura 2) permite concluir que a frita obtida é integralmente vítrea, com um
perfil difratométrico caracterizado por halo centrado em torno de 2θ = 33ºC
característico da formação de materiais vítreos.
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 00
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
Inte
nsid
ade
(u.a
)
2 θ
Figura 2- Difração de raios-X da frita.
Após o tratamento térmico da frita nas temperaturas de 900, 1.000 e
1.100 ºC verificou-se por meio da análise de difração de raios-X (Figura 3) a
formação da estrutura cristalina da leucita.
5
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0
9 0 0 º C
Inte
nsid
ade
(u.a
)
2 θ
1 1 0 0 º C
1 0 0 0 º C
Figura 3 - Difração de raios-X do tratamento térmico da frita a 900, 1.000 e 1.100 ºC.
Medidas de Análise Térmica
A Figura 4 ilustra a curva de DTA da frita, na qual pode ser observado um
pico endotérmico na temperatura de 260ºC e dois picos exotérmicos nas
temperaturas de 540ºC e 820ºC. O pico endotérmico a 260ºC e o exotérmico a
540ºC estão sendo investigados e o exotérmico a 820ºC foi relacionado à
formação dos cristais de leucita.
0 200 400 600 800 1000
-0,010
-0,008
-0,006
-0,004
-0,002
0,000
Dife
renç
a de
Tem
pera
tura
(ºC
/mg)
Temperatura (ºC)
Figura 4 – Curva de DTA da frita.
6
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
A Figura 5 corresponde ao MEV das pastilhas sinterizadas a 900, 1.000 e
1.100ºC, na qual foram observados “buracos” de geometria relativamente
esférica. Sugere-se que nestes locais estavam presentes os cristais de leucita,
que apresentam morfologia arredondada, e que podem ter sido atacados pelo
ácido fluorídrico durante o tratamento da amostra.
1 µm (a)
1 µm (b)
Figura 5 – Microscopia eletrônica de varredura das pastilhas sinterizadas a
900ºC (a), 1000ºC (b) e 1100ºC (c).
1 µm (c)
Na análise da microscopia eletrônica de varredura da pastilha sinterizada
a 1.100ºC verificou-se a presença de uma quantidade significativa de cristais
de leucita, o que sugere que nesta temperatura ocorreu uma maior formação
de cristais do que nas demais temperaturas de tratamento térmico.
Prensagem a Quente As fritas tratadas termicamente a 900, 1.000 e 1.100ºC apresentaram uma
boa escoabilidade durante a prensagem a quente o que permitiu a obtenção da
barra cerâmica que pode ser observada na Figura 6, porém serão realizados
outros estudos mais aprofundados para se determinar a menor temperatura na
7
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC qual as fritas tratadas termicamente apresentam uma boa viscosidade durante
o processo de prensagem a quente.
Figura 6 - Barra cerâmica obtida no processo de prensagem a quente da pastilha sinterizada.
AGRADECIMENTOS
Agradecimentos ao CNPq e FAPERJ (Pronex E-26/171.204/2003) pelo
suporte financeiro e ao CETEM pelo suporte laboratorial.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] C. M. Gorman and, R. G. Hill, Dental Material, 2003, Vol.19, pp. 320-
326.
[2] M. J. Cattell., T. C Chadwick., J. C Knowles., R. L Clarke., D .Y .D
Samarawikrama., Dental Materials,2005 (Article In Press).
[3] M. J. Cattell, T. C. Chadwick, J. C Knowles, R. L Clarke, Dental
Materials, 2005, pp.1-12.
[4] J.L Lond., D.W. Farley, B.K. Norling., Dental Materials(2000), Vol. 16,
pp. 20-25.
[5] S. Hashimoto, A Yamaguchi, K. Fukuda, S. Zhang, Materials Research
Bulletin, 2005, Vol. 40, pp. 1577-1583.
8
Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC MELTING AND CHARACTERIZATION OF FRITS TO LEUCITE
REINFORCED FELDSPAR GLASS- CERAMIC
C.N. Barbato1,2 *, V. Bemfica1, M.C.S. Nóbrega1, A.B. Luz2, J.A.Sampaio2 , T.
Ogasawara1
1Dept. of Metallurgical and Materials Engineering, COPPE/UFRJ, F210 CT, P.O. Box 68505, Cidade Universitária, CEP 21941-972, Rio de Janeiro – RJ 2Centro de Tecnologia Mineral – CETEM, Cidade Universitária, Av. Ipê, 900.
CEP 21941-590 – Rio de Janeiro – RJ
ABSTRACT
Samples of frits for one leucite reinforced feldspar glass-ceramic were melted at
1200ºC for 3h. Its wt% composition was: 56.5% SiO2, 20.0% Al2O3, 11.2% K2O,
0.1% B2O3, 0.1% CaO, 0.7% CeO2. The amounts of raw materials for each
100g of final product were: 85.6g of Armil feldspar (from Rio Grande do Norte
State, Brazil), 2.88g of Al2O3, 9.5g of K2CO3, 2.74g of borax, 0.7g of CeO2 and
8.54g of Na2CO3. The melting was carried out in alumina crucible inside a
muffle furnace. The molten glass was submitted to thermal shock in water,
followed by milling and characterization by thermal analysis (leucite
crystallization, above 850ºC) and X-ray diffraction technique. Samples of frits
powder were dry pressed and sintered to form discs, which were submitted to
hot-press forming at 1,000ºC under vacuum. Preliminary results fitted well the
published behavior of dental glass-ceramics of the same kind.
Keywords: dental glass-ceramic, frits, leucite crystallization.
9
