Revista Citino Volume 2 - Número 4

Volume 2׀ Número 4 ׀ Outubro-Dezembro de 2012 REVISTA CITINO

P e r i ó d i c o d a A s s o c i a ç ã o N a c i o n a l H e s t i a d e C i ê n c i a , T e c n o l o g i a , I n o v a ç ã o e O p o r t u n i d a d e

O u t u b r o - D e z e m b r o d e 2 0 1 2

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Volumes publicados

Edição: Volume 2׀ Número 4 ׀ Outubro-Dezembro de 2012

Neste lançamento, artigos de revisão e textos originais em

materiais. A foto da capa foi extraída da Tese do Prof. Dr.

Etney Neves, revelando a região principal da fratura de um

corpo de prova do vitrocerâmico. A imagem mostra de

forma real, as características típicas da superfície de fratura

de materiais frágeis, nos arredores da origem da fratura

iniciada na superfície.

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Outubro-Dezembro de 2012

Revista aberta,

organizada pela

Associação Nacional

Instituto Hestia de Ciência e Tecnologia

Revista Citino

Associação Nacional Hestia

Travessa Campo Grande, 138- Bucarein

CEP 89202-202 – Joinville – SC – BRASIL

Fax: 47 4009-9002

e-mail: [email protected]

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CONSELHO EDITORIAL

CORPO EDITORIAL

Prof. Dr. Etney Neves – HESTIA e UNEMAT

Editor

e-mail [email protected]

Profa. Luciana Reginado Dias – UFSC

Revisora da redação em Língua Portuguesa

Profa. Judith Abi Rached Cruz – UNEMAT

Revisora da redação em Língua Inglesa

Prof. Marcelo Franco Leão – IFMT e UNEMAT

Assessor de Arte Final em Textos e Ilustrações

Ana Paula Lívero Sampaio – HESTIA

Assessora de Arte Final em Gráficos e Figuras

CONSULTORES EDITORIAIS

Profa. Dr. Claudia Roberta Gonçalves – UNEMAT

Prof. MSc. Cristiano José de Andrade – UNICAMP

Eng. Eduardo Soares Gonçalves – UNEMAT

Prof. Dr. Fabrício Schwanz da Silva – UNEMAT

Prof. MSc. Luciano Matheus Tamiozzo – UNEMAT

Prof. Dr. Luiz Carlos Ferracin – HESTIA

Profa. Dra. Mariana Beraldo Masutti – CPEA

Eng. Osny do Amaral Filho – HESTIA

Prof. Dr. Rodrigo Tognotti Zauberas – UNIMONTE

Esp. Soraia Cristine Lenzi – HESTIA

Profa MSc. Thereza Cristina Utsunomiya Alves – HESTIA

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GLOSSÁRIO

SEÇÃO EMBALAGENS – design e marketing associados à ciência e tecnologia de

materiais para embalagens inovadoras de alimentos, estudo de efeitos protetores da

embalagem ao alimento ou reações químicas do material ou alimento correlacionado

com sua embalagem.

SEÇÃO BIOENGENHARIA – subdividida em biomateriais, análises de respostas a

tratamentos inovadores e novos fármacos ou aplicações.

SEÇÃO MATERIAIS CERÂMICOS – subdividida em materiais poliméricos,

metálicos e cerâmicos, tratando em cada subitem das estruturas e processos de obtenção,

caracterização ou aplicação.

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SUMÁRIO

Pág.

1 - 5

EDITORIAL

ARTIGOS

06 SEÇÃO EMBALAGENS

07 Design e Simulação de Embalagem Polimérica com descaroçador para

Azeitonas

16 SEÇÃO BIOENGENHARIA

17 Caracterização Mecânica do Vitrocerâmico Inteligente de Anortita com

abordagem dos resultados para aplicação em Bioengenharia

23 SEÇÃO MATERIAIS CERÂMICOS

24 Desenvolvimento de Cristais de Anortita em vidros de cinza pesada de

carvão mineral

Volume 2 ׀ Número 4 ׀ Outubro-Dezembro de 2012 REVISTA CITNO

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SEÇÃO EMBALAGENS

PACKAGING SECTION

Pág.

07 DESIGN E SIMULAÇÃO DE EMBALAGEM POLIMÉRICA COM

DESCAROÇADOR PARA AZEITONAS

Vol. 2, No. 4, Outubro - Dezembro 2012, Página 7

Vol. 2, No. 4,


ORIGINAL ARTICLE

DESIGN E SIMULAÇÃO DE EMBALAGEM POLIMÉRICA

PARA AZEITONAS COM ELEVADOR E DESCAROÇADOR

* Gabriela Souza Alves1, Karen Miranda Almeida1 e EtneyNeves2, 3

1Acadêmicas do Curso de Engenharia de Alimentos, UNEMAT - Universidade do Estado de Mato

Grosso, Campus Barra do Bugres – MT, Brasil. Rua Florianópolis, JD Elite IICEP 78390000. 2Professor Visitante do Departamento de Engenharia de Alimentos, UNEMAT.- Universidade do Estado

de Mato Grosso, Campus Barra do Bugre – MT. 3Pesquisador Associado a Associação Nacional Instituto Hestia de Ciência e Tecnologia, HESTIA.-

Brasil.

Abstract

The packages are designed to conserve and pack consumer products, maintaining their

quality in a safe and sanitary manner. While ensuring an increase in the shelf life of the

product and retaining its specific characteristics and nutritional value . The wrapping

material is manufactured from polypropylene , a polymer or thermoplastic derived

from propylene. The polymers have versatility, lower weight, easy handling, low cost

production. This work deals with the simulation and design of a polymeric packaging

for olive, with two differential project. One of them is a ginner annex to packaging.

Commonly the glass and sachets are used for olives filling. To develop the study, it was

necessary to collect some data to know the food characteristics and properties and

define the best material . The packaging is simulated using the software tool SketchUp

for 3D modeling .

Keywords: packaging, polymer, polypropylene, olives.

* [email protected]


Vol. 2, No. 4,


ARTIGO ORIGINAL

DESIGN E SIMULAÇÃO DE EMBALAGEM POLIMÉRICA

PARA AZEITONAS COM ELEVADOR E DESCAROÇADOR

* Gabriela Souza Alves1, Karen Miranda Almeida1 e EtneyNeves2, 3

1Acadêmicas do Curso de Engenharia de Alimentos, UNEMAT - Universidade do Estado de Mato

Grosso, Campus Barra do Bugres – MT, Brasil. Rua Florianópolis, JD Elite IICEP 78390000. 2Professor Visitante do Departamento de Engenharia de Alimentos, UNEMAT.- Universidade do Estado

de Mato Grosso, Campus Barra do Bugre – MT. 3Pesquisador Associado a Associação Nacional Instituto Hestia de Ciência e Tecnologia, HESTIA.-

Brasil.

Resumo

As embalagens são projetadas para conservar e acondicionar produtos de consumo,

mantendo sua qualidade de forma segura e higiênica. Simultaneamente, garantindo o

aumento na vida de prateleira do produto e conservando suas características específicas

e o valor nutritivo. A embalagem em estudo é manufaturada em polipropileno, um

polímero ou termoplástico derivado do propeno ou propileno. Os polímeros tem

versatilidade, menor peso, facilidade de manuseio, baixo custo de produção. Este

trabalho trata da simulação e design de uma embalagem polimérica para azeitona, com

dois diferenciais de projeto. Um deles é um descaroçador anexo a embalagem.

Comumente o vidro e saches são usados para o envase das azeitonas. Para o

desenvolvimento do estudo, foi necessária uma coleta de dados, para conhecer as

características e propriedades do alimento e definir o melhor material. A embalagem é

simulada, utilizando a ferramenta Software SketchUp, para modelação em 3D.

Palavras-chave: embalagem, polimérica, polipropileno, azeitonas.

1. Introdução

A azeitona, também chamada de oliva, é o fruto da oliveira (Olea europea L.).

Atualmente são cultivadas em várias regiões do mundo, com produção concentrada em

países da União Européia. Na América do Sul, se destacam a Argentina e o Chile como

principais produtores e exportadores de azeite e azeitonas. O Brasil é o sétimo maior

importador mundial desse produto. 1

O fruto oliva pode ser processado em estado verde ou maduro, sendo o primeiro

mais comum. Diversos cultivares de oliveiras são empregados para o preparo de

* [email protected]


azeitonas em conserva, classificadas em diferentes tipos e estilos: azeitona verde estilo

espanhol, azeitona verde estilo siciliano, azeitona madura estilo californiano, azeitona

verde-madura e estilo grego. Para cada tipo, difere o estágio de maturação e a operação

de preparo.

Atualmente as azeitonas são envasadas em embalagens de saches. São frascos

hermeticamente fechados em forma de bolsa, que trazem aos consumidores e as redes

de supermercado um certo desconforto em seu manuseio. Também são usadas

embalagens de vidro, ótimas para conservação do produto, mas frágeis mecanicamente

e com um custo de manufatura maior, quando comparado aos materiais concorrentes.

O presente trabalho tem como objetivo a simulação e design de uma embalagem

polimérica para as azeitonas, contendo um descaroçador acoplado a tampa, que oferece

uma opção de remoção do caroço. O material proposto para embalagem é o

polipropileno (PP), um polímero que apresenta propriedades mecânicas, rigidez e

comportamento a temperaturas relativamente elevadas adequadas ao projeto.

2. Azeitonas em conserva

Através do processo de fermentação láctica é formado o ácido láctico, que gera

transformação nos alimentos de forma benéfica, e outras indesejáveis. 2 A produção de

ácido láctico acontece através da oxidação anaeróbica parcial de carboidratos, além de

várias outras substâncias orgânicas. Este processo microbiano é muito utilizado pelo

homem na produção de derivados do leite (queijos, manteiga e leites fermentados), na

fermentação de vegetais (picles, azeitona e chucrute) e na conservação de forragens

(silagem). 3 O objetivo é obter uma concentração ideal de sal, para que o produto tenha

um sabor agradável e uma redução de contaminação microbiana. A meta é aumentar a

vida de prateleira do alimento. 4 Para evitar alterações, o fruto submerso em água é

submetido ao processo de pasteurização. Este procedimento é efetuado a 60 ºC, durante

45 minutos. O seu tratamento com concentração de salmoura, varia em relação ao tipo

de azeitona. Estas são acondicionadas esterilizadas a 115ºC por 60 minutos. Este

tratamento térmico, também pode ser realizado a 121ºC por 50 minutos. 4

A finalidade de preservação e de conservação consiste na expansão do prazo da

vida de prateleira dos produtos, que deverão manter grande parte de suas características

específicas e o valor nutritivo.

3. Polipropileno

3.1. Características físicas e químicas

O polipropileno é obtido da polimerização do propileno, sob a ação de

catalizadores. O número de meros de uma cadeia polimérica é chamado de grau de

polimerização. Quando temos diferentes meros na composição, este é chamado de

copolímero. Porém, se houver três, temos um termopolímero. 5

Em relação à estrutura estereoquímica, o PP apresenta três diferentes tipos de

estereoisômeros. Das quais, o posicionamento dos monômeros nas cadeias são

denominadas como: isotática, sindiotática e atáticas. A Figura 1 mostra diferentes

estruturas de cadeias de polipropileno. 6


Figura 1. Cadeias Poliméricas (a) Isotática, (b) Sindiotática e (c) Atática. Fonte:

SARON, USP, 2007.

Os polímeros isotáticos possuem ramificações voltadas para um mesmo lado do

plano, os polímeros sindiotáticos apresentam uma alternância de orientação em relação

ao plano da cadeia e os polímeros atático não possuem nenhuma regularidade de

orientação. 5

Quando temos o agrupamento do polipropileno isotático e sindiotático, ocorre a

formação cristalina, dando origem a um polímero com maior rigidez.

O polipropileno isotático é uma forma comercial muito utilizada, por ter seu

ponto de fusão a 165ºC. O polipropileno atático, por ter irregularidade em sua estrutura,

gera um material flexível pouco cristalino. 6

O polipropileno possui uma boa resistência a rupturas por flexão e fadiga, baixa

densidade (0,9 g/m³), transparência, estabilidade térmica, resistência química, baixa

absorção de umidade, impermeabilidade a gorduras, fácil moldagem e pigmentação,

resistência ao impacto, soldável e moldável, boa inércia. As propriedades do PP tornam

este material competitivo em relação a outros polímeros, com destaque seu custo

comercial aceitável e sua característica reciclável.

3.2. Processos de obtenção das embalagens de polipropileno

As embalagens são produzidas através dos processos de extrusão para produção

de filmes e chapas, termoformação para a produção de copos, potes e bandejas, injeção

para produção de tampas, copos e bandejas e sopro para produção de garrafas. 7

O material é encaminhado para o funil da máquina, passando por um cilindro,

envolvido por resistências que aquecem o material. O parison (cilindro ou tubo

termoplástico amolecido = pré-formado), é expandido por meio de ar comprimido

dentro do molde fechado. Este é apertado em volta do parison, até obter a forma da

(a)

(b)

(c)


cavidade do molde. Logo após, o molde é resfriado e removido. A preparação do

parison pode ser por extrusão ou injeção. 8

3.4. O uso do polipropileno em embalagem de alimentos

Os polímeros, devido a sua versatilidade, ganharam espaço na indústria por

terem menor peso por unidade de embalagem, quando comparados a outros materiais.

Estes materiais também são tenazes, o que diminui os riscos de perdas no manuseio. Os

custos de manufatura também são favoráveis.

Existe mais de mil tipos de plásticos utilizados comercialmente, em diferentes

áreas, tais como: embalagens para produtos medicinas, produtos de construção,

produtos automotivos, utensílios domésticos e para alimentos.

As embalagens mais conhecidas de polipropileno para alimentos são: tampas,

garrafas plásticas, recipientes para margarina e temperos prontos, embalagens para

massas, biscoitos, requeijão, iogurtes e molhos prontos.

3.5. Envase das azeitonas em embalagem de polipropileno

As azeitonas são acondicionadas em recipientes de material inócuo,

impermeável e inerte em relação ao produto, podendo ser usadas embalagens de vidro

ou plástico. O fechamento das conservas deve ser hermético, para que não haja

alterações do produto.

O vidro, por ser frágil, corre o risco de fraturar durante o processo de produção,

transporte e distribuição. Além disso, tem elevado custo comparativo. As embalagens

de sache são desfavoráveis, em relação a sua estética, manuseio e empilhamento na

prateleira. Por esses conjuntos de fatores, foi realizada a simulação de uma nova

embalagem de PP, com o diferencial de um elevador de azeitonas na forma de peneira,

para facilitar a retirada do fruto. Também, o projeto apresenta inovadoramente um

pequeno descaroçador para retirada do caroço.

O polipropileno recebeu destaque no setor de embalagens para alimentos e

bebidas, e neste estudo, em função das características: transparência, resistência, leveza

e atoxidade.

3.6. Marketings da Embalagem

A embalagem, além da contenção, proteção, comunicação e conveniência,

representa a atenção da empresa com o seu consumidor, garantido qualidade e

segurança, e atendendo tanto as suas necessidades práticas, quanto as expectativas em

relação ao produto ofertado.

Para chamar a atenção do consumidor para a nova embalagem, uma peneira

interna foi idealizada e simulada, para servir como um elevador de azeitonas, facilitando

a retirada dos frutos do pote, e evitando contaminações. Outro diferencial, é a oferta na

embalagem de um descaroçador manufaturado em polipropileno.Buscando harmonia e

praticidade, foi desenvolvida uma subdivisão na tampa para o armazenamento do

componente descaroçador.

Este projeto de embalagem de azeitonas, se destaca das embalagens que existem

atualmente no mercado. A nova embalagem foi idealizada para ser inovadora em vários

aspectos, promovendo soluções no campo da segurança alimentar, da praticidade e

interatividade com o consumidor, e estabelecendo diferenciais competitivos frente à

concorrência.


4. Simulações da nova embalagem de polipropileno com descaroçador

Utilizando a ferramenta Software SketchUp, foi projetada a embalagem

atendendo as especificações descritas para envase das azeitonas.

A embalagem consiste em duas partes, uma interna e outra externa de rosquear,

conforme descrito na figura 2. Ambas possuem o mesmo formato e material, e possuem

a função de armazenar e conservar as azeitonas.

Figura 2. Separação das embalagens: (a) Parte externa do pote de polipropileno, (b) Parte interna

com perfurações formando um filtro, suporte que serve como elevador de azeitonas.

Na parte interna, com 9,6 cm de altura e 7,15 cm de espessura, é ilustrada uma

peneira com uma haste no centro, que servirá para extrair as azeitonas para fora da

solução. A haste central se aproxima da tampa, mas não impede um fechamento seguro.

Ao retirar a parte interna com o fruto, a salmoura fica retida no pote.

A parte externa, contando com o rosqueamento da tampa, tem uma altura total

de 11,7 cm e 7,48 cm de espessura, não contém furos conforme mostra a figura 3.

(a) (b)

(b) (a)


Figura 3. Embalagem de polipropileno para azeitonas: (a) Medidas da parte externa do pote; (b) Medidas

da parte interna, suporte de elevador de azeitonas; (c) Vista frontal da embalagem de polipropileno com

tampa e suas respectivas medidas; e, (d) Vista frontal com sessão de corte.

A tampa é subdividida, uma de rosquear para fechamento do pote e a outra de

pressão, fácil e prática para armazenar o descaroçador, como podemos observar na

figura 4.

Figura 4. Tampa com sua subdivisão: (a) Medidas da tampa com abertura, mostrando sua subdivisão; e,

(b) Tampa com o descaroçado armazenado.

O descaroçador é proposto em polipropileno reforçado. Os copolímeros com alto

teor de eteno tem alta rigidez, são obtidos através do processo de fase gasosa, e

apresentam desempenho semelhante a alguns plásticos de engenharia, com um custo

competitivo. 9

O descaroçador possui um comprimento de 4,9 cm e uma espessura de 0,4 cm,

para ser armazenado na subdivisão da tampa de pressão. Seu suporte circular da parte

inferior possuirá um diâmetro de 0,07 cm. Sendo fácil de manusear, apenas colocando a

azeitona na parte circular e apertando com o polegar e o indicar. A pressão expulsa o

(b) (a)

(a)

(c) (d)


caroço do fruto para baixo. É utensílio ergonômico, eficiente e descartável conforme

mostra a figura 5.

Figura 5. O descaroçador e suas medidas: (a) Descaroçador com medidas; e, (b) Vista lateral do

descaroçador.

5. Conclusão

A azeitona, fruto da oliveira, é importada pelo Brasil, principalmente dos países

do Mediterrâneo, EUA e Argentina.

A etapa de fermentação lática é o processo microbiano utilizado para

fermentação de azeitonas. Este tratamento evita alterações, e o fruto submerso em água

deve ser submetido também ao processo de pasteurização.

A conserva de azeitonas em salmoura deve ser esterilizada comercialmente, para

evitar contaminações.

O fechamento está relacionado diretamente ao travamento por atrito, exercido

nos contatos das roscas embalagem-tampa. Como consequência é estabelecida uma

pressão no lacre interno da tampa em relação a boca da embalagem. Esta ação isola o

alimento, auxiliando na manutenção de suas características e garantindo a qualidade do

produto até o consumo.

As azeitonas são acondicionadas em embalagens de vidro ou plástico. O vidro,

por ser frágil, corre o risco de fraturar durante o processo de produção, transporte e

distribuição. As embalagens de sache são desfavoráveis, quanto sua estética, manuseio e

empilhamento na prateleira.

O polipropileno, PP, possui boa resistência química e resiste bem a temperaturas

mais elevadas. É um material reciclável, se destacando neste projeto de embalgem

também por este aspecto.

Através da ferramenta de Software SketchUp, foi idealizada e simulada uma

embalagem polimérica para azeitonas. Evitando possíveis contaminações e se

destacando das embalagens que existe atualmente, a embalagem inovadora possui um

componente interno na forma de peneira, com a funcionalidade de facilitar a remoção

das azeitonas. Possui também o diferencial de uma subdivisão na tampa para o

armazenamento de um descaroçador. Este componente é manufaturado por PP,

ergonômico e descartável com possibilidade de reciclagem.

6. Referências bibliográficas

[1] SEGET. Estudo de Viabilidade Econômica Para Produção de Azeitonas e Azeite

de Oliva no Brasil. Disponível em:

(a) (b)


.<http://www.aedb.br/seget/artigos09/209_Seget_azeitona.pdf>. 2005. Acesso em:

28/04/2013.

[2] EVANGELISTA, J. Tecnologia de alimentos. Atheneu: São Paulo, 2005, p. 486-

490, 540-546.

[3] GAVA, A. J.; SILVA, C. A. B.; FRIAS, G. R. Tecnologia de alimentos- Princípios

e aplicações. Nobel: São Paulo- 2008.

[4] AQUARRONE, E.,BORZANI, W., SHIMIDELL, W., LIMA, U. A.Biotecnologia

industrial; Edgard blücher: São Paulo. V.4, 2001.

[5] SILVA, B. B. A. L.; SILVA, O. E. Conhecendo materiais poliméricos,

Universidade federal de Mato Grosso, 2003.

[6] SANTOS L.P. Otimizaçãoda preparação de polipropileno maleatado via

extrusão reativa reforço mecânico em compósitos. Universidade Federal do Paraná,

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, 2011.

[7] KAULING, A.P. Modificação da Superfície do Polipropileno por Imersão em

Plasma de Baixa Energia. Universidade de Caxias do Sul. Dissertação de Pós-

Graduação de Materiais, 2009.

[8] PELEGRINI, F. A. Moldagem por sopro dependência e sincronia com outros

processos. Trabalho de conclusão do curso tecnologia dos polímeros. Faculdade de

Tecnologia de Sorocaba, Brasil, 2012.

[9] MONTENEGRO, R. P.; ZAPORSKI, J; RIBEIRO, M. C. M.; MELO, A. C. K.

Polipropileno. Disponível em

<http://www.bndes.gov.br/SiteBNDES/export/sites/default/bndes_pt/Galerias/Arquivos/

conhecimento/bnset/polipr2a.pdf> Acesso em: 30/05/2013.


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12

SEÇÃO BIOENGENHARIA

BIOENGINEERING SECTION

Pág.

17 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DO VITROCERÂMICO

INTELIGENTE DE ANORTITA COM ABORDAGEM DOS

RESULTADOS PARA APLICAÇÃO EM BIOENGENHARIA

Vol. 2, No. 4, Outubro - Dezembro 2012, Página17

Vol. 2, No. 4,


ARTIGO ORIGINAL

CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DO VITROCERÂMICO

INTELIGENTE DE ANORTITA COM ABORDAGEM DOS

RESULTADOS PARA APLICAÇÃO EM BIOENGENHARIA

Etney Neves1,2, C. A. Fortulan 3, B. de M. Purquerio3

1 Professor Visitante do Departamento de Engenharia de Alimentos, UNEMAT.- Universidade do Estado

de Mato Grosso, Campus Barra do Bugres - MT. 2Pesquisador Associado a Associação Nacional Instituto Hestia de Ciência e Tecnologia, HESTIA.-

Brasil. 3LTC - Laboratório de Tribologia e Compósitos/Depto de Eng. Mecânica – EESC-USP

[email protected]

Resumo

As propriedades gerais de um vitrocerâmico de Anortita estão sendo estudadas.

Inicialmente a Anortita esta sendo sugerida para aplicação como biomaterial. As peças

para os testes são conformadas a partir do processamento de um vidro. Os cristais de

anortita são obtidos posteriormente através da cristalização controlada do vidro.

Resultados iniciais descrevem a Anortita como um material inteligente. Esse

vitrocerâmico foi testado em vitro e em vivo (implantado em coelhos). Os resultados

destas pesquisas descrevem um material biocompatível. Testes mecânicos foram

sugeridos e estão sendo realizados na tentativa de ampliar o campo de conhecimento e

conseqüentemente as propostas para aplicação do vitrocerâmico. Resultados

preliminares mostraram que a média aritmética resultante dos ensaios de resistência

mecânica a flexão (3 pontos) foi de 124 N/mm2. A discussão dos resultados será

direcionada para a área da bioengenharia, considerando os dados experimentais de

resistência à compressão, dureza e desgaste.

Palavras-chaves: vitrocerâmico inteligente, anortita, bioengenharia.

[email protected]


Vol. 2, No. 4,


ORIGINAL ARTICLE

MECHANICS CHARACTERIZATION OF INTELLIGENT GLASS

CERAMIC OF ANORTITA WITH APPROACH OF THE RESULTS

FOR BIOENGINEERING APPLICATION

Etney Neves1,2, C. A. Fortulan 3, B. de M. Purquerio3



Brasil. 3LTC - Laboratório de Tribologia e Compósitos/Depto de Eng. Mecânica – EESC-USP

[email protected]

Abstract

The general properties of an anorthite glass ceramic are being studied. Initially the

anorthite is being suggested for application as biomaterial. The samples for tests are

conformed from glass processing. The anorthite crystals are subsequently obtained of a

controlled crystallization of the glass. Initial results describe the anorthite as an

intelligent material. This glass ceramic was tested in vitro and in vivo (implanted in

rabbits). The results of these researches describe a biocompatible material. Mechanical

tests were suggested and are being conducted in an attempt to enlarge the field of

knowledge and consequently, the application of glass ceramic. Preliminary results were

positive. The arithmetic average of mechanical bending resistance testing (three points)

was of 124 N/mm2. The discussion of the results will be drive to the field of

bioengineering, considering the experimental data of resistance to compression,

hardness and wear.

Keywords: Intelligent glass ceramic; anorthite; bioengineering.

1. Introduction

Biomateriais are used in medicine in order to interact with biological systems.

Recently, research showed that anorthite is a good example of these materials. 1,2,3,4

Samples of anorthite obtained by controlled crystallization of glass were studied

(sample "A"). Initial results showed biocompatibility. 2,5 Biocompatibility represents the

absence of rejection with interaction between the implant and the adjacent tissue. 6

The study aims to evaluate the mechanical performance of glass ceramics. The

composition is a non-stoichiometric point of anortita region. The first mechanical tests

[email protected]


were performed in a study with main focus on developing the anorthite structure from

glass.7 In this new work unprecedented mechanical tests were conducted. A discussion

on the results of mechanical compression, abrasive wear and microhardness were

carried out with focus to applications in bioengineering.

2. Materials and Methods

Bodies test of anorthite were obtained following the same footsteps of previous

studies.4,7 Three types of samples of the material were prepared: A1, A2 and A3, Figure

1. The material characterized in previous studies received the designation of A0 sample.

The sample A1 was developed with raw materials of high purity. The A2 sample was

obtained from commercial raw materials. In the sample A3 an alternative raw material

(coal ash) was used. The lot of ash has been well characterized. The quantity bulk of the

oxides in the mixture were strictly controlled.

Figure 1. Part of the ternary diagram SiO2-Al2O3-CaO, anorthite region

detach the theoretical point of the chemical composition of samples "A".

The mechanical strength was evaluated by bending tests on 3 points, using a

machine testing Emic DL 10000. By definition, the break module is the maximum force

that can be applied in a body to the fracture. For a rectangular body, can be calculated

using equation I:

( I )

Where F is the force applied (kp); b is the width of the test body; h is the height of the

test body (cm) and l the distance between the two points of support (cm).

Tests of wear used the method of pin-on-disk .9 The disc was produced in Al2O3

(96%). The roughness of the disc was measured (Ra = 0.3 m). The heads of the pins

were produced in the format of half sphere with a diameter of 5 mm. Flat samples were

prepared for the microhardness test. The finishing of the areas followed a pattern

mirrored.

Module of Rupture = MOR = 3Fl_ 2bh2


3. Results and Discussions

The brittle fracture has some characteristics formations near the origin of

fracture .8 The main are: the mirror of the fracture, the region mist and hackle. These

formations can, sometimes, not being visible or not even exist. In the specific case of

bodies test "A3", the fracture showed exactly the described in literature, Figure 2. When

a crack starts in an internal defect, is spread radially on the same plane, while

accelerates. The surface is flat and smooth, being called the region speculate or mirror

of fracture. This crack, reaching the critical speed to their spread, up to the interception

of one inclusion, or finding a change in direction of the main area of the tension, begins

to gently deviate the original plan, forming small ridges on the surface of the radial

fracture. The first ridges are very weak, almost indistinguishable, being called mist

region. The mist region is commonly seen in areas of fractures of glass, however, may

not be visible in crystalline ceramics and polycrystalline metals. The transition to

crystals is called hackle. The regions of transition between hackle and ramifications of

macroscopic cracks, as the remainder of the surface of the fracture, are usually in a plan

perceptibly different of the fracture mirror and hackle. The speculate region is

approximately circular and the origin of fracture is at its center. Note also that lines

drawn alongside the hackle, would be cut at the origin of the fracture or very close to

this.

Table 1 - Average bending in three points of test bodies of intelligent glass ceramic (anorthite).

A0 (Literature) Teste A2 Teste A3

124 N/mm2 202 N/mm2 180 N/mm2

The results of bending resistance with the test bodies A2 and A3 were compared

with the previous study A0, Table 1. Increased resistance to fracture of A2 and A3,

regarding A0, is attributed to the progress in control of processing the material.

Biocompatible materials with the resistance observed in this study could be used, for

example, to detention of fractures of the upper limbs.

Figure 2. Main fracture region of a body test of glass ceramic

A3 showing the characteristics of the fracture surface of

fragile materials in the environs of the origin of the fracture

started on the surface.


The abrasive wear of the samples followed the order A1> A2> A3. The best

performance of the samples A3 and A2 can be the basis of the presence of other

elements in the composition. This can be seen by comparing the performance of the

samples in a distance of 500 m, Figure 3. The sample A3 has more than 10% of other

elements in the structure. The other extreme is the sample A1 with the amount of other

elements <1%. One possible consequence of this difference was the bodies test A1 have

been severely worn in the first 500 m, ending the test. Glass ceramic intelligent, with

crystalline structure formed mainly by anorthite, is suggested for special cases involving

the mechanical strength with the controlled dissolution of the material implanted.2 The

first results of this study encourage a search for medical conditions that require

components for temporary implants, requiring the characteristic of resistance to abrasive

wear.

Figure 3. Abrasive wear of glass ceramic samples "A" indicating

a reduction in the height of the body test depending on the

distance traveled.

Tests of microhardness, Figure 4, indirectly indicate that the KIC (toughness

fracture) of the sample A1 is smaller than that of samples A2 and A3. This is based on

linking the applied load test with the observation of the spread of crack from the area of

printing in the sample. Compared the loads of 4.9 N, the materials "A" show HV

hardness of 3 times lower that alumina and 1.9 times lower than hardness HV of a

zirconium.10, 11

Figure 4. Measures of Vickers microhardness of glass ceramic samples

"A" indicating the hardness depending on the loads applied.


4. Conclusions

The controlled crystallization of glasses represents in this work an important

way of process to obtain the samples of ceramic glass anorthite. According indicated in

the literature, it can also represent the way for construction of a new biocomponent.

The results suggest that changes in raw material can significantly increase the

fracture toughness, resistance to wear and mechanical strength of the material. In the

ash formulating there was an increase of up to 50% in mechanical resistance to bending,

wear soft scheme without the verification of fracture of the body and more forcefully

over the pure raw material that the test of attrition was broken leading to the spread of

severe wear and spread of crack in the trial of micro-hardness. The feeling of the

authors indicates that it is possible to raise the performance of ceramic glass through

new studies of the structure of the material and advances in control of processes.

5. Bibliographic References

[1] NEVES, E., et all. Anorthite Glass Ceramic to Biomaterial, 3rd International

Symposium on non-crystalline solids and the 7th Brazilian Symposium on glass

and related materials, Maringá, PR (Brazil) 2005.

[2] CAVALHEIRO, L. Estudo da Biocompatibilidade e Tempo de Degradação do

Vitrocerâmico Anortita, Mestrado, PUCPR, (Brazil) 2005.

[3] FERNANDES, B. L and NEVES, E. In Vitro Degradation Analysis of Intelligent

Glass Ceramic, III Congresso Latino-Americano de Engenharia Biomédica, João

Pessoa, PB (Brazil) 2004.

[4] NEVES, E. and SPILLER, A. L. Intelligent Glass Ceramic Materials, Glass

Odissey – 6th European Congress on Glass, Montpellier, France, June 2002

[5] REAÇÃO CITOTÓXICA NÃO DETECTADA. Laudo Tecnológico 05008607,

Laboratório de Microbiologia e Toxicologia, Instituto de Tecnologia do Paraná

(Brazil) 2005.

[6] HENCH, L. L; ETHRIDGE, E. C. Biomaterials: an interfacial approach. United

States, Academic Press, 1982.

[7] NEVES, E. Obtenção de Vitrocerâmicos a partir de Cinza Pesada de Carvão

Mineral, UFSC, Tese (Brazil) 2002.

[8] RICHERSON, D. W. Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing,

and Use in Design. Marcel Dekker, Second Edition, Revised and Expanded. New

York, 1992.

[9] FORTULAN, C. A. Desempenho das Cerâmicas Estruturais Associado aos

Métodos de Conformação por Injeção, Prensagem Isostática e Projetos de

Equipamentos e Moldes, USP, Tese (Brazil) 1997.

[10] GARCIA, A. et all. Ensaios dos Materiais, Editora LTC, Rio de Janeiro (Brazil)

2000.

[11] AVILLA FILHO, S. G. A. Caracterização Mecânica de Vitrocerâmico

Inteligente para Aplicações Médicas, Monografia, Engenharia Mecânica,

PUCPR (Brazil) 2004.


Ou

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ro –

Dez

emb

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e 20

12

SEÇÃO MATERIAIS CERÂMICOS

MATERIALS CERAMICS SECTION

Pág.

24 DESENVOLVIMENTO DE CRISTAIS DE ANORTITA EM VIDROS DE

CINZA PESADA DE CARVÃO MINERAL


Vol. 2, No. 4,


ARTIGO ORIGINAL

DESENVOLVIMENTO DE CRISTAIS DE ANORTITA EM VIDRO

OBTIDO DE CINZA PESADA DE CARVÃO MINERAL

Etney Neves1,2, André Luis Spiller 3,Daniel Tridapalli 3, Humberto Gracher Riella4



Brasil. 3Materials Science and Engineering Graduate Curse – UFSC 4Department of Chemistry Engineering – EQN/UFSC

Resumo

Durante o processo de cristalização, vidros podem apresentar predominantemente

mecanismos de cristalização volumetria ou superficial. Em muitos casos, ambas as vias

estarão presentes. Quando a cristalização superficial é predominante, as taxas de

conversão do vidro para um vitrocerâmico passam a depender da camada anterior de

cristais formados a partir da superfície. O fenômeno de crescimento de cristais camada a

camada, pode ser traduzido como um vidro de composição química resistente à

cristalização volumétrica. Este fenômeno pode ser percebido, durante o processo de

cristalização controlada de vidros com composições com base no diagrama ternário

CaO-SiO2-Al2O3. Neste estudo, um vidro foi formulado com uma composição

correspondente a região da fase Anortita (CaAl2Si2O8). Rutilo (TiO2), foi utilizado para

tentar induzir o máximo de crescimento volumétrico do cristal. Os resultados

comprovaram a formação de cristais de anortita, a partir de uma matriz vidro. Ortoclásio

e rutilo também foram cristalizados.

Palavras-chave: anortita, vidros, cristalização.

[email protected]


Vol. 2, No. 4,


ORIGINAL ARTICLE

DEVELOPMENT OF ANORTHITE CRYSTALS

IN BOTTOM ASH GLASS

Etney Neves1,2, André Luis Spiller 3,Daniel Tridapalli 3, Humberto Gracher Riella4



Brasil. 3Materials Science and Engineering Graduate Curse – UFSC 4Department of Chemistry Engineering – EQN/UFSC

Abstract

During the crystallization process, glass may exhibit predominantly volumetric or

superficial crystallization mechanisms. In many cases, both pathways are present. When

the superficial crystallization is predominant, conversion rates of the glass to a glass

ceramic are dependent on the previous crystal layer formed from the surface. The

phenomenon of crystal growth layer by layer, can be translated as a chemical

composition glass, resistant to volumetric crystallization. This phenomenon can be seen

during the controlled crystallization of glasses with compositions based on the ternary

diagram CaO -SiO2- Al2O3. In this study, a glass was formulated with a composition

corresponding to the phase region Anorthite ( CaAl2Si2O8 ). Rutile (TiO2 ), was

used to attempt to induce maximum volumetric crystal growth. The results confirmed

the formation of anorthite crystals, from a glass matrix. Orthoclase and rutile have also

been crystallized.

Keywords: anorthite, glasses, crystallization.

1. Introduction

Some applications of the main crystalline phases obtained from the glass

cristallization (Li2O.SiO2, 2MgO.2Al2O3.5SiO2 + SiO2 + TiO2, -spodumene s.s., -

spodumene + mullite, Na2O.Al2O3.2SiO2 + BaO.Al2O3.2SiO2), evidence the tendency of

the use of vitro-ceramics pieces as resulted of the innumerable advantages decurrent of

the excellent relation between properties and costs. 1 This aspect motivates the study of

the crystallization of some glasses that “difficultly” crystallize. This “definition” could

be reviewed by a simple substitution of the element or inductive substance of the

nucleation. Having clearly this, generally the glasses of the system CaO - Al2O3 - SiO2

can be fin in this group. The anorthite (CaAl2Si2O8) is an excellent example. Its

[email protected]


crystallization, induced by rutile (TiO2) only occurs with high additions. On the other

hand, if the inductor is Cr2O3 the glass crystallization happens with a low percentage

added (~1%).2,3

X-rays fluorescence was used for to determine the chemical composition of the

glass. X-ray diffraction (XRD) revealed the presence of anorthite amongst other phases.

The resources of scanning electron microscopy (SEM) were used to evaluate the

microstructure morphology.

The occurrence of anorthite is common in the nature. However, it is found

easily in Italy, Indian, Japan and United States of America. 4 The crystalline system

CaAl2Si2O8 is discussed. The physics and chemical properties are described.1,5

2. Literature Review

The introduction of modifiers in the silica based glasses (specifically in the

lattice of silicon dioxide itself), determine the lattice rupture. This phenomenon exists

because the modifiers oxides have them ionic radius bigger than the lattice. Thus, the

alkaline oxides in a silica structure tend to lodge themselves into the empty spaces of

the lattice, bonding themselves with an oxygen that don’t form a cross-link and

attracting the surrounding ions. In addition, the alkaline earth oxides, with them bivalent

ions, determine a minor fragmentation of the glassy structure, because them cations act

as cross-link formers between two oxygen that don’t form cross-link. This fact can be

seen at Figure 1.

Figure 1. Schematical representation of the silica

lattice with the introduction of cations Ca2+.

The crystal formation and growth from glasses first obey the chemical

composition of the glass. In this way, a ternary diagram can have many regions with

distinct compositions being able to characterize particular crystalline phases. 7

Considering the system CaO - Al2O3 - SiO2; the region of the Anortita is taken as

example. Its crystalline nature has triclinic symmetry (abc; 90), Figure 2a. 8

The crystal is constituted of ten plans, Figure 2b.


Figure 2. Anorthite (CaAl2Si2O8) features: (a) triclinic system unit cell (b)

crystal shape.

The dimensions and angles between the unit cell edges of Anorthite describe the

geometric shape of the triclinic system, Table 1.

Table 1. Unit cell dimensions and angles of

Anorthite.

Unit Cell

a (Å) 8.17

b (Å) 12.87

c (Å) 14.17

α 93.1º

β 115.9º

γ 91.3º

Basically the Anortite physical and chemical properties are that of the plagioclase (4).

This materials category describe a solid solution between Albite (NaAlSi3O8) and

Anorthite (CaAl2Si2O8) that have the theoretical properties: a) hardness between 6 to 6.5

Mohs; b) line color: white, gray, bluish, colored or greenish; c) glassy brightness; d)

very good cleavage at {001} and {010}; e) density 2.6 to 2.76; f) crystals with prisms or

boards.

3. Experimental Procedure

The raw materials were mixed and melted in Al2O3 crucibles at 1550C for 2

hours. Inox plates were used to press the resultant glass.

Samples have been cut for the crystallization heat-treatment. The glass samples

were then heat-treated with a two-step heating schedule; at 950ºC for 15 minutes, for

nucleation, and then at 1130ºC for 20 minutes, for crystallization.

Glass-ceramic powder was prepared with granulometry inferior to 45 m for the

XRD patterns.

Small samples of the vitro-ceramic were inlaid in resin. This piece was

sandpapered, polishing and attacked with solution 1% HF per 3 minutes.

4. Results

The chemical analysis of the produced glass is shown, Table 2.

(a) (b)


Table 2. Glass nominal composition (wt%), oxides basis.

Oxides [%]*

SiO2 51.90

Al2O3 23.10

CaO 13.33

K2O 1.66

TiO2 10.01 *percentage in mass.

The glass ceramics X-rays diffraction disclosed the presence of Anorthite

crystals, Ortoclase (KAlSi3O8) e Rutile (TiO2), Figure 3.

20 30 40 50 60

0

200

400

600

800

1000

n

l

n

sn

s

l

n

s

s

l

l

s

l

s

l

n

s

s

s

s

ls

s

s

l

CaAl2Si

2O

8

KAlSi3O

8

TiO2

s

l

n

counts

[2q]

Figure 3. Glass-ceramic x-rays iffraction, identifying

Anorthite, Orthoclase and Rutile phases.

The microstructure morphology revealed the presence of boards and "sticks", Figure 4.

Figure 4. Scanning Electron Microscopy, SEM,

revealing the morphology of the glass-ceramic BR2G,

with crystals on the plates pyramidal shape.

5. Discussion

Glasses with chemical composition based on the system SiO2-Al2O3-Alkaline

Earth Oxides, typically present links of alkaline earth atoms between two oxygen not

linked (for example, -Si-O-Ca-O-Si- in substitution to -Si-O- -O-Si-). 6 These reactions


follow the bivalent nature of the alkaline earth oxides. The presence of alkaline earth

ions, like Ca2+, reduces the viscosity of aluminosilicate glasses. It is basically a function

of the availability of only 2ē of the Ca in substitution to the 4ē offered by the Si (more

the distortions caused for the different atomic volumes). This lack causes the

discontinuities in the glass structure and consequently is expressed by the reduction of

the effective mass of SiO4 for a constant volume of material. This phenomenon also

constitutes in the establishment of a propitious glass stoichiometric composition for the

formation of one or more crystalline phases. This fact would have to favor the trend of

transformation of the glass for a crystalline structure as reply also its intrinsic necessity

to reach a state of less energy. However, glasses of the system SiO2-Al2O3-CaO present

an energetic barrier that opposes itself strongly to the crystallization. At least partially,

is possible attributing this difficulty to the low mobility of the calcium atoms as result of

the necessity of its two bonds. The addition of a nucleating agent to the glass reduces

the nucleation energetic barrier aiding the crystallization. Particularly, the volume of the

nucleating agent in the glass exerts an upper effect to its proper nature. Therefore, since

that the nucleating agents are coherent substrata that favor the ordinance phenomenon of

the super cooled liquid in its surface; the tenanted volume for these agents will

command the efficiency of the volumetric crystallization. In this case the use of high

amounts of TiO2 as nucleating agent is justifiable in opposition to the low amount of

Cr2O3 that is necessary.

The chemical composition and heat-treatment of nucleation and crystallization

had been efficient and Anorthite crystals were formed from the glass (JCPDS 41-1486).

Micrographs of previous papers presented the same shape of obtained crystals. 2

Ortoclase crystals (KAlSi3O8) also are present (JCPDS 09-0462). The “boards”

identified by SEM can be constituted of a solid solution between KNaAlSi3O8 and

CaAl2Si2O8. Rutile (TiO2), was also identified by XRD (JCPDS 21-1276).

6. Conclusions

The glass with composition in the region of Anorthite develop by heat treatment

to a glass-ceramic material. CaAl2Si2O8 was obtained. Ortoclase and rutile crystals were

also formed during the process.

Visually, the glass-ceramic presented bluish tone with glassy brightness after

polishing.

7. Bibliographic References

[1] Neves, E., Obtenção de Materiais Vitro-cerâmicos a partir de Cinzas Volantes

de Carvão Mineral, Brasil, UFSC, Dissertação, 1997.

[2] Toropov, N. A., Tigonen, G. V., Neorganicheskie Materialy, v. 1, n. 5, p. 775-779,

1965.

[3] Toropov, N. A., Tigonen, G. V., Neorganicheskie Materialy, v. 1, n. 11, p. 2014-

2019, 1965.

[4] Dud’a, R., Rejl, L., A Grande Enciclopédia dos Minerais, Editorial Inquérito Lda.,

Portugal, p. 390-392, 1994.

[5] LEVIN, Ernest M.; ROBBINS, Carl R. and Mc MURDIE, Howard F. Phase

diagrams for ceramists. The American Ceramic Society, 3ªed., 1974.

[6] Fernández Navarro, J. M., El Vidrio, Ed. Consejo Superior de Investigaciones

Científicas, 2° ed., Madrid, (1991).


[7] Levin, E. M., Robbins, C. R., Mc Murdie, Howard F., Phase diagrams for

ceramists. The American Ceramic Society. 3 ed., 1974.

[8] Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley

& Sons, Inc., Estados Unidos, 1994.

[9] Gutzow, I., Schmelzer, J., The Vitreous State, Termodynamics, Structure,

Rheology and Crystallization, (1995).

[10] Duan, R., Liang, K. Gu, S., Journal of the European Ceramic Society, 18, p.

1729-1735, 1998.

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Edição: Volume 2׀ Número 4׀Outubro-Dezembro de 2012

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