Influence of diopside: feldspar ratio in ceramic reactions assessed by quantitative phase analysis (X-ray diffraction - Rietveld method)

Abstract

Diopside is widely recognized as a raw material for glass-ceramic, due to its relatively low melting point and the low viscosity of the melt. The use of diopside-rich rock, replacing up to 20 wt% of the potassic feldspar added to ceramic bodies improves their technical features, reducing water absorption while maintaining constant the drying linear retraction and increasing the flexural resistance, for porcelains produced at low temperature. The use of diopside, not only on ceramic, was investigated in the past by several authors [1][2][3][4][5][6]. In Brazil, however, studies of technological application of diopside-rich rock are still restricted [7][8][9].Diopside-rich rock used in the present study was collected in Castro Alves district (Bahia, northeastern Brazil). The geological setting of the area refers to the S. Francisco Craton, with metamorphic rocks of granulite to high amphibolite facies that belong to the Jequié and Caraíba Complexes. The Caraíba Complex has lense-shaped bodies of diopside-rich rock, which may reach up to 700 m in length and 200 m in width, usually aligned in the NW-SE direction. These diopside-rich rocks are deformed and cut by granites and pegmatites, with intrusive breccias and veins. Diopsiderich rock is mainly composed by diopside, with minor amounts of tremolite, feldspar, quartz, carbonates, titanite, garnet, epidote and tourmaline -nevertheless, the wholerock chemical composition is close to the stoichiometric composition of diopside (MgCaSi 2 O 6 ). dias@usp.br, gajszabo@usp.b, motta.jf@gmail.com, marsis@ipt.br Abstract White ceramics were produced with raw mixtures prepared with varying proportions of diopside-rich rock (0 to 20 wt.%) and potassic feldspar (40 to 20 wt.%), and fixed proportions of kaolinite (40 wt.%) and quartz (20 wt.%), fired in a temperature range from 1170 to 1210 o C. The phases identified in the experimental ceramics were quartz, anorthite, mullite and glass, and their relative mass proportions were determined by X-ray diffraction (Rietveld method). The addition of diopside as a partial substitute for potassic feldspar causes the formation of a calcium silicate, analogous of the natural anorthite (CaSi 2 Al 2 O 8 ) in the ceramics, with proportional reduction in its glass and mullite contents. Water absorption and porosity of the ceramic bodies clearly decrease with increasing firing temperature, while the effect of the raw mixture composition on the physical and mechanical properties of the ceramics is less evident. Diopside-rich rock has low iron content (1.5 wt.% Fe 2 O 3 ) and, therefore, promotes white burning.

Uso de diopsídio em massas cerâmicas para grés sanitários

“…Metodologia: foram formuladas composições com teores de diopsídio em substituição ao feldspato de 0% (M0), 2% (D2), 6% (D6), 10% (D10) e 20% (D20), em relação à massa total de feldspato. O teor máximo de 20% foi determinado em função de observações de dados da literatura [4]. As formulações utilizadas encontram-se expostas na Tabela I.…”

“…Estudos [10] observaram elevado desenvolvimento de fase líquida em amostras de porcelana contendo 10% de diopsídio, mesmo após queima em temperatura significativamente inferior (DT >50 °C) às temperaturas de queima da amostra de referência, apresentando por conseguinte, tal como neste trabalho, valores de absorção de água inferiores a 0,5% em temperaturas entre 1150 e 1170 °C. Outros estudos, que abordaram a substituição do feldspato por diopsídio [3,4], também constataram menores temperaturas para se atingir absorções de água inferiores a 0,5%, comparativamente às suas formulações de referência. Deste modo, verificou-se que o comportamento de redução da absorção de água e porosidade aparente em massas de grés sanitário contendo diopsídio, frente às amostras convencionais, sem diopsídio, constatado nesta pesquisa, é inerente a adição do diopsídio e associado ao seu elevado poder fundente.…”

“…Assim, evidencia-se o potencial do diopsídio como material fundente para uso em formulações de grés sanitário, seja por sua fundência, seja pelo custo relativamente baixo em comparação com outros materiais com características ou potencial fundente [3]. Nesse sentido, estudos analisaram sua possível aplicação como fundente alternativo para indústria de grés sanitário em substituição ao feldspato [4][5][6], observando que é possível a utilização de diopsídio em substituição parcial de até 20% em massa de feldspato potássico adicionado a corpos cerâmicos para formulações de porcelanato. Outros autores evidenciaram que seu uso em massas cerâmicas pode promover a formação de anortita [7,8], bem como seu baixo teor de ferro contribuiu para promover uma queima branca e obter corpos mais claros [9].…”

“…Outros autores evidenciaram que seu uso em massas cerâmicas pode promover a formação de anortita [7,8], bem como seu baixo teor de ferro contribuiu para promover uma queima branca e obter corpos mais claros [9]. Adicionalmente, a utilização do diopsídio em substituição parcial ao feldspato em cerâmicas triaxiais diminuiu a temperatura de sinterização [3,10], reduziu a porosidade em porcelanas e porcelanatos [3,11] e aumentou a resistência à flexão nas formulações analisadas [3,4,7].…”

“…Apesar das contribuições na literatura mundial quanto ao uso de diopsídio como matéria-prima fundente alternativa ao uso de feldspatos em formulações cerâmicas [4,8,11], ainda há uma enorme carência de estudos e pesquisas que possibilitem uma plena compreensão da ação do diopsídio nos sistemas cerâmicos, particularmente nas formulações contendo elevado teor de fundentes, tal como as massas para uso em grés sanitários, e da sua interação com os fundentes quando usado em sua substituição parcial; sua influência na quantidade e viscosidade da fase líquida gerada na queima é fundamental no processo de consolidação e densificação do corpo cerâmico. Deste modo, o uso do diopsídio em formulações de grés sanitário que desenvolvem elevada quantidade de fase líquida durante a queima, e cuja resistência do corpo final depende da cristalização de grande parte dessa fase, deve ser plenamente dominada, uma vez que a presença do Mg e do Ca em grande quantidade, quando do uso do diopsídio, pode alterar a cinética de formação de fase líquida, a densificação e o processo de cristalização.…”