PT103353A - Cerâmica para chama directa com revestimento interior e exterior antiaderente - Google Patents

Cerâmica para chama directa com revestimento interior e exterior antiaderente Download PDF

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Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO CONSISTE EM PERMITIR QUE UM OBJECTO DE CERÂMICA DE BAIXA POROSIDADE (<5%) (FLAMEWARE) SEJA UTILIZADO COMO OBJECTO DE COZINHAR ALIMENTOS, COM NÍVEIS DE DESEMPENHO SOBRE A CHAMA DIRECTA E RESISTÊNCIA AO CHOQUE TÉRMICO, SUPERIORES AQUELES QUE O CORPO CERÂMICO PERMITIRIA. OBJECTOS DE COZINHAR ALIMENTOS, DE ACORDO COM A PRESENTE INVENÇÃO, INCLUEM UM CORPO DE FLAMEWARE CERÂMICO CONVENCIONAL DE BAIXA POROSIDADE E UM REVESTIMENTO INTERIOR E EXTERIOR COM ELEVADA ELASTICIDADE. O CORPO CERÂMICO É PREFERENCIALMENTE CORDIERÍTICO E FEITO À BASE DE ÁXIDOS DE ALUMINA, SÍLICA, MAGNÉSIO, POTÁSSIO, MANGANÊS, LÍTIO, FERRO E TITÂNEO. O REVESTIMENTO INTERIOR E EXTERIOR PODE SER QUALQUER MATERIAL CONVENCIONAL DE ELEVADA ELASTICIDADE, COMO POR EXEMPLO POLÍMEROS DE FLUOROCARBONETO, TENDO BOAS PROPRIEDADES DE ADERÊNCIA À CERÂMICA, LISURA DE SUPERFÍCIE, RESISTÊNCIA À CHAMA DIRECTA E CHOQUE TÉRMICO SEVERO, PODER SER UTILIZADO NOS DIFERENTES EQUIPAMENTOS DE COZINHA (FORNO, CHAMA, MICRO-ONDAS, CONGELADOR, FRIGORÍFICO E MÁQUINA DE LAVAR LOUÇA) , BEM COMO OFERECER TODAS AS GARANTIAS DE SEGURANÇA NO COZINHAR DE ALIMENTOS NAS CONDIÇÕES NORMAIS DE USO A QUE SE DESTINA. O CORPO CERÂMICO É FORMADO ATRAVÉS DA SINTERIZAÇÃO DE OBJECTOS CONFORMADOS POR VIA LÍQUIDA, PLÁSTICA OU PÁ. O REVESTIMENTO É APLICADO SOBRE OS OBJECTOS, COM OU SEM AUXÍLIO DE PRIMÁRIO, E POSTERIORMENTE O CONJUNTO É SINTERIZADO.

Description

1
DESCRIÇÃO
&quot; CERÂMICA PARA CHAMA DIRECTA COM REVESTIMENTO INTERIOR E EXTERIOR ANTIADERENTE &quot; Âmbito A presente invenção está relacionada com a aplicação de revestimentos de elevada elasticidade, a objectos feitos de flameware cerâmico de baixa porosidade (&lt;5%), para uso no cozinhar alimentos; métodos para a sua produção, e artigos de cozinha feitos em flameware cerâmico de baixa porosidade com revestimentos de elevada elasticidade.
Enquadramento
Flameware cerâmico de baixa porosidade (&lt;5%) é louça cerâmica que pode resistir, sem se partir, a:
Severas mudanças de temperatura (&gt;250°C); Utilização directa sobre uma fonte calorífica (ex. chama, placas eléctricas dos fogões, carvão incandescente, etc.); choque mecânico elevado (&gt; 700 Kgs/cm2);
Nesta descrição o significado da expressão &quot;chama directa&quot; corresponde à utilização directa sobre uma fonte 2 calorífica. A cerâmica é um material muito mais susceptível de falhar aos choques térmicos que outros materiais, nomeadamente os metais, devido à sua natureza frágil, falta de elasticidade e tendência à propagação de fissuras. 0 Flameware cerâmico de elevada porosidade (&gt;5%) permite a utilização de vidrados de baixa expansão, mas somente com camadas muito mais finas que as utilizadas na cerâmica de forno. Apesar de apresentarem boas propriedades de resistência ao choque térmico, as propriedades de resistência mecânica e resistência à chama são muito inferiores âs da presente invenção. A cerâmica de ir ao forno não permite a utilização sobre a chama directa nem de severo choque térmico (&gt; 250 °C). O Flameware cerâmico de baixa porosidade, com a consequente impossibilidade de ser utilizado como louça de cozinha, tem vários tipos de problemas relacionados com a chama directa e com o choque severo: - Os vidrados ou revestimento vítreo, pois estes têm de apresentar uma superfície lisa e vítrea para permitir uma lavagem eficaz e assim assegurar a higiene da louça de cozinhar alimentos;
Haver um comportamento dilatométrico adequado 3 entre corpo cerâmico e vidrado, o que implica uma expansão muito baixa deste último, para evitar, ou o fendilhamento do vidrado, ou a quebra das peças de louça; A utilização de vidrados no revestimento do corpo cerâmico reduz substancialmente a capacidade de resistência ao choque térmico e à chama directa, face à mesma peça sem vidrado; - Uma peça de flameware cerâmico sem qualquer revestimento, em situações de choque térmico superiores a 260 °C, começa a apresentar pequenas fissuras, as quais aumentam com a frequência de utilização sob as mesmas condições, até ao limite da sua vida útil, isto é, quando a dimensão e profundidade das fissuras acabam por quebrar a peça. A presente invenção implica uma ruptura com as práticas da indústria de louça utilitária em cerâmica. Neste sentido é abandonada a premissa de utilização de vidrados assente no princípio da fusão de deferentes materiais por adequabilidade do vidrado ao corpo cerâmico por intervalos de dilatometria, adoptando-se a premissa da junção de materiais através do princípio da elasticidade de pelo menos um deles. A premissa de junção de materiais por fusão inviabilizava a utilização de flameware cerâmico de baixa porosidade em louça de cozinha, porque: (1) a introdução de 4 vidrados reduz significativamente as propriedades de resistência ao choque térmico e à chama directa do conjunto cerâmica e vidrado,- (2) não possibilidade de produção de vidrados de tão baixa dilatação que evitem, ou o fendilhamento do vidrado ou a quebra das peças. A presente invenção adopta uma numa nova premissa de junção de um corpo cerâmico de flameware de baixa porosidade com outros materiais, seguindo o princípio da elasticidade dos materiais a juntar à cerâmica, por forma a que a expansão e contracção da cerâmica, sob a acção da chama directa ou de severo choque térmico, seja imediatamente acompanhada pelos materiais que se lhe juntam, em qualquer parte da superfície do corpo cerâmico.
De acordo com a presente invenção, qualquer revestimento feito â base de materiais com boas propriedades de elasticidade, aderência à cerâmica, superfície lisa e susceptíveis de resistir à chama directa, ao choque térmico severo, à utilização no micro-ondas, no forno de cozinha e na máquina de lavar louça, assim como oferecerem as condições de segurança legalmente exigidas para cozinhar alimentos, podem ser aplicados ao corpo de flameware cerâmico de baixa porosidade, aumentando assim o desempenho do conjunto dos materiais para além daquele que a cerâmica poderia ter sem qualquer revestimento. 5
Sumário da invenção A presente invenção fornece novas utilizações para flameware cerâmico de baixa porosidade (&lt;5%), nomeadamente em objectos de louça de cozinha que se utilizem sobre a chama directa e sujeitos a choques térmicos severos, métodos para a sua produção, e artigos de cozinha feitos em flameware cerâmico de baixa porosidade revestidos com materiais de elevada elasticidade.
De acordo com a presente invenção, o corpo cerâmico é preferencialmente cordierítico e feito à base de óxidos de alumina, sílica, magnésio, potássio, manganês, lítio, ferro e titânio. As peças de cerâmica são feitas através de conformação por via líquida, plástica ou pó, e cozidas a temperaturas máximas compreendidas entre os 1150 °C e os 1280 °C, consoante o tipo de matérias primas que se utilizem na formulação da pasta cerâmica e o nível de porosidade que se pretenda obter no intervalo de 0% e 5%. O revestimento a aplicar, quer no interior quer no exterior das peças cerâmicas cozidas, pode ser qualquer material convencional de elevada elasticidade, como por exemplo materiais à base de polímeros de fluorocarboneto, tendo boas propriedades de aderência à cerâmica, lisura de superfície, resistência à chama directa e choque térmico severo, poder ser utilizado nos diferentes equipamentos de cozinha (forno, chama, micro-ondas, congelador, frigorífico e máquina de lavar louça), bem como oferecer todas as 6 garantias de segurança no cozinhar de alimentos nas condições normais de uso a que se destina. 0 tipo de revestimento a aplicar no interior das peças de cerâmica é independente do que se aplicar no exterior das mesmas, podendo ser o mesmo material ou outro, desde que as propriedades acima descritas sejam as mesmas. 0 revestimento do interior e do exterior das peças é aplicado com recurso a primário, ou não, dependendo do nível de aderência do revestimento propriamente dito à cerâmica. Caso haja recurso a primário, este deve ter propriedades igualmente de elevada elasticidade, sendo aplicado sob a forma de pulverização, ou pincel, e após uma secagem é aplicado o revestimento de interior e exterior, igualmente sob a forma de pulverização ou pincel, envolvendo completamente a cerâmica. Depois de nova secagem, o conjunto das peças de cerâmica com revestimento é sinterizado sob as condições mais adequadas ao tipo de revestimento, a temperaturas que poderão variar entre os 350 °C e os 500 °C, durante um período de tempo compreendido entre os 15 e os 45 minutos.
Breve descrição dos desenhos
Para facilitar a compreensão da descrição que se segue apresenta-se em anexo desenhos em que: - A figura representa uma vista de uma peça de cerâmica da técnica anterior; - A figura 2 representa uma vista ampliada de um pormenor 7 da figura 1; - A figura 3 representa uma vista de uma peça de cerâmica de acordo com a objecto da invenção; e - As figuras 4 e 5 representam vistas ampliadas de uma parte da peça da figura 3, respectivamente se se tratasse da técnica anterior e de acordo com a invenção.
Descrição detalhada A presente invenção fornece novas utilizações para flameware cerâmico de baixa porosidade (&lt;5%), nomeadamente em objectos de louça de cozinha que se utilizem sobre a chama directa e sujeitos a choques térmicos severos, métodos para a sua produção, e artigos de cozinha feitos em flameware cerâmico de baixa porosidade revestidos com materiais de elevada elasticidade.
As novas aplicações para o flameware cerâmico de baixa porosidade resultam da aplicação de revestimentos de elevada elasticidade, cobrindo a totalidade das peças de flameware cerâmico.
Com uma formulação preferencial, as peças de flameware cerâmico são feitas segundo um processo similar ao do grês cerâmico fino, seguindo os métodos convencionais, nomeadamente enchimento, enchimento sob pressão, prensagem unidireccional (RAM), contramoldagem (roller) ou prensagem isostática. Finda esta operação, seguem-se as operações de secagem e acabamento segundo as técnicas 8 vulgarmente utilizadas na cerâmica. A sinterização do corpo cerâmico é feita a uma temperatura que pode variar entre os 1150 °C e os 1300 °C, dependendo do nível de porosidade que se quer obter entre os 0,1% e os 5%. Após esta operação é aplicado então o revestimento de elevada elasticidade, segundo as regras mais adequadas ao tipo de revestimento propriamente dito. A pasta cerâmica pode ser preparada utilizando técnicas convencionais. Preferencialmente deve ser utilizada uma pasta cordierítica com base em óxidos de alumina, sílica, magnésio, manganês e lítio. A pasta cordierítica apresenta um baixo coeficiente de dilatação, o que permite a sua utilização na chama directa, uma forte resistência ao choque térmico e elevada resistência mecânica. Alternativamente poder-se-iam utilizar formulações de pasta de baixo coeficiente de dilatação como por exemplo carboneto de silício. A desvantagem desta última formulação reside nos custos muito mais elevados que os da situação preferencial, no que concerne às matérias-primas componentes e energia consumida. A formulação desta pasta não é por si só crítica, e qualquer formulação do conhecimento daqueles com competência no assunto pode ser utilizada.
As percentagens do peso dos elementos que compõem a pasta pode variar significativamente, dependendo da região de onde provêm as matérias-primas contendo os 9 minerais desejados, nível de pureza destas matérias-primas, assim como também no que concerne às técnicas específicas de conformação a utilizar, sejam estas por enchimento convencional, enchimento sob pressão, contramoldagem ou prensagem RAM ou isostática.
Por exemplo, pastas cerâmicas tendo os seguintes intervalos em percentagem do peso relativamente aos elementos que a compõem, podem ser utilizadas: Óxido de alumina 35% a 40% Óxido de silício 40% a 50% Óxido de lítio 1% a 5% Óxido de magnésio 2% a 10% Óxido de cálcio 0 % a 1% Óxido de potássio 0% a 2% Óxido de sódio 0% a 2 % Óxido de ferro 0% a 1% Óxido de titânío 0% a : 1% 0 processo produtivo das peças de cerâmica não é crítico, tal como é amplamente conhecido no ofício, e apresenta as fases de conformação, acabamento, secagem e sinterização, tal como para qualquer produto de grés porcelânico ou de porcelana. A conformação pode ser feita por:
Enchimento convencional ou enchimento sob pressão, sendo para qualquer dos casos necessária 10 uma formulação líquida de pasta cerâmica. No enchimento convencional, a densidade deve preferencialmente situar-se entre 1650 e 1780 gramas por litro (gr./l), a viscosidade e tixotropia situar-se respectivamente entre 250o-330° e 30o-120 ambas medidas num viscosímetro de Gallenkamp; - Conformação via plástica por contramoldagem (Roller) ou prensagem unidireccional (RAM), onde a pasta cerâmica deve preferencialmente ter as seguintes características: resistência mecânica em seco de 30 a 90 quilogramas de força por cm2 (Kgf/cm2); retracção linear verde-seco de 3-6%; e dureza de 0,5-1,5 Kgf/cm2; - A conformação via seca (prensa isostática) pode ser efectuada com base numa pasta perfeitamente idêntica à utilizada na via plástica, mas previamente atomizada, devendo apresentar uma distribuição granulométrica entre 10 e 500 μτα, seguindo uma curva de Gauss e um humidade máxima de 7%. A operação de secagem tem como objectivo reduzir a humidade até ao máximo de 1%, após o que deve ser iniciado o processo de cozedura em atmosfera oxidante ou redutora. 0 processo de cozedura não é por si crítico, podendo para o efeito ser realizado em fornos intermitentes 11 numa curva lenta, ou em fornos túnel numa curva rápida. As temperaturas máximas de cozedura deverão preferencialmente situar-se dentre os 1150 °C e os 1300 °C, dependendo do nível de resistência mecânica, porosidade e custo alvo, pois quanto mais elevada a temperatura, maior o custo energético, mas também maior a resistência mecânica.
Após a sinterização das peças de cerâmica, é então efectuada a operação de revestimento. 0 revestimento do interior e do exterior das peças é aplicado com recurso a um primário e ao revestimento propriamente dito, podendo existir entre estes dois uma camada intermédia no sentido de aumentar a aderência à cerâmica. Qualquer dos materiais a aplicar sobre a cerâmica deve ter elevada elasticidade e resistência a elevadas temperaturas. A composição dos revestimentos de polímeros compostos com resinas resistentes a elevadas temperaturas não é crítica no âmbito da presente invenção. O primário, intermédio e revestimento propriamente dito tem de ter propriedades muito elásticas e bom desempenho na chama directa, choque térmico, segurança no contacto com alimentos e utilização nos equipamentos de cozinha normais (máquina de lavar louça, fogão, micro-ondas, frigorífico, congelador e forno). Os materiais a aplicar, de acordo com a presente invenção, podem ser por exemplo, polímeros de elevada resistência à temperatura, como é o caso de polímeros à base de fluorocarbonetos, tais 12 como politetrafluoroetileno (PTFE), polímeros de clorotrifluoroetileno (CTFE), polímeros de etileno-propileno fluoroaditivados (FEP), polivinilideno fluoridifiçado (PVF), ou ainda combinações destes quatro tipos de polímeros. Os ditos polímeros têm de conter resinas de ligação que permitam a sua utilização em elevadas temperaturas, tais como resinas de polímidaimida (PAI), resinas de politerosulfeno (PES), resinas de sulfureto de polifenileno (PPS). A aplicação do primário é feita por pulverização ou pincel, de forma a cobrir uniforme e completamente a peça de cerâmica, com uma camada tendo uma espessura de filme em seco de 5 a 10 μτα. Após a aplicação do primário efectua-se uma secagem completa, a qual não poderá ultrapassar os 80 °C. No âmbito da presente invenção, é absolutamente crítica a cobertura total e homogénea da peça de cerâmica, quer no interior quer no exterior, caso contrário o desempenho das peças de flameware cerâmico revestido não serão superiores âs do corpo cerâmico per se.
Após a secagem do primário, aplica-se igualmente por pulverização ou pincel, o revestimento propriamente dito, o qual pode ser diferente entre o interior e o exterior da peça, nomeadamente no que concerne à composição de resinas de ligação susceptíveis de resistir a elevadas temperaturas. A aplicação do revestimento, tal como para o primário, tem de cobrir uniforme e completamente a peça de cerâmica, quer no seu interior quer no exterior, com uma 13 camada tendo uma espessura entre 12 e 25 μτη. Posteriormente as peças com revestimento sofrem uma operação de sinterização com duração de 4 a 18 minutos a temperaturas compreendidas entre os 350 °C e os 475 °C. A presente invenção apresenta níveis de desempenho muito superiores aos produtos de flameware cerâmico per se e às peças convencionais de cerâmica de elevada porosidade (+/- 10%).
Em testes comparativos, tendo utilizado 5 peças de acordo com a presente invenção, 5 peças feitas só do corpo de flameware sem qualquer revestimento e 5 peças de cerâmica convencional de elevada porosidade de chama directa parcialmente vidradas, obtiveram-se os seguintes resultados:
Na chama directa, teste convencional de colocar água no interior da peça ocupando um volume correspondente a % da peça, coloca-la sob a chama de gás (mais intensa que a placa eléctrica), deixar ferver a água durante % hora, e finalmente deixar arrefecer até que esta atinja a temperatura de 20 °C. Cada operação denomina-se um ciclo. Internacionalmente está convencionado que um produto se considera flameware cerâmico se resistir a mais de 6 destes ciclos. O desempenho do flameware mede-se pelo número de ciclos que pode fazer até partir completamente. Os resultados comparativos foram de um desempenho de 11 ciclos para as peças de elevada porosidade em cerâmica de elevada 14 porosidade para chama directa, 18 ciclos do corpo de flameware cerâmico de baixa porosidade sem revestimento, e um mínimo de 60 ciclos com as peças da presente invenção. Mínimo porque não se continuaram os testes.
No Choque térmico, segundo o método internacional ASTM (o mais exigente que é utilizado no ofício) , com 3 peças peças de acordo com a presente invenção, 3 peças feitas só do corpo de flameware sem qualquer revestimento e 5 peças de cerâmica convencional de elevada porosidade de chama directa parcialmente vidradas, obtiveram-se os seguintes resultados, para ensaios que se iniciaram aos 121 °C e terminaram nos 405°C:
As peças feitas com corpo de flameware cerâmico de baixa porosidade sem revestimento iniciaram a abertura de fissuras ao Io de três ciclos de 275 °C, nunca tendo rebentado completamente; As peças de cerâmica convencional de elevada porosidade para chama directa parcialmente vidradas, iniciaram a abertura de fissuras Io de três ciclos de 275 °c, nunca tendo rebentado completamente; as peças da presente invenção iniciaram a abertura de fissuras ao Io de três ciclos de 345 °C, nunca tendo rebentado completamente.
Relativamente ao estado da arte, a presente invenção apresenta uma melhoria de desempenho no choque de 70 °C (cerca de 3 0%) e na chama directa de pelo menos 42 ciclos (pelo menos 3,3 vezes). 15
Conforme se pode observar pelos desenhos anexos, a peça de cerâmica da técnica anterior quando sujeita à chama directa, fissura devido a não concordância dos coeficientes dilatométricos do corpo cerâmico e do vidrado exterior (figura 1 e 2) . Já nas figuras 3, 4 e 5 podemos observar o fissuramento devido a tensões criadas entre os materiais do corpo cerâmico e dos vidrados interior e exterior, consequência de diferente comportamento dilatométrico (figuras 3 e 4) e o comportamento dos materiais da peça cerâmica de acordo com a invenção (figuras 3 e 5) em que os revestimentos poliméricos com coeficientes dilatométricos semelhantes ao corpo cerâmico evita o aparecimento de tensões e portanto a aparecimento de fissuras.
Lisboa, 21 de Setembro de 2005

Claims (10)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Cerâmica para chama directa com revestimento interior e exterior antiaderente, cujo corpo cerâmico de baixa densidade é cordierítico e é conformado por enchimento convencional ou sob pressão, por via plástica por contramoldagem ou prensagem unidireccional, por via seca, caracterizada por, ao referido corpo cerâmico ser aplicado um revestimento interior e exterior com uma elasticidade elevada para que a expansão e contracção da cerâmica, sob a acção da chama directa ou de severo choque térmico, seja imediatamente acompanhada pelos materiais dos revestimentos que se lhe juntam, em qualquer parte da superfície do corpo cerâmico de modo a que possa resistir a mudanças de temperatura superiores a 250°C, possa ser utilizado sobre a chama directa de uma fonte calorífica e resista a choque mecânicos superiores a 700 Kgs/cm2.
2. Cerâmica para chama directa, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizada por o revestimento a aplicar, quer no interior quer no exterior das peças cerâmicas cozidas, poder ser qualquer material convencional de elevada elasticidade, como por exemplo materiais à base de polímeros de fluorocarboneto, tendo boas propriedades de aderência à cerâmica, lisura de superfície, resistência à chama directa e choque térmico severo.
3. Cerâmica para chama directa, de acordo com 2 as reivindicações anteriores, caracterizada por polímeros à base de fluorocarbonetos serem escolhidos do grupo formado por politetrafluoroetileno (PTFE), polímeros de clorotrifluoroetileno (CTFE), polímeros de etileno-propileno fluoroaditivados (FEP), polivinilideno fluoridifiçado (PVF), ou ainda combinações destes quatro ou polímeros de características semelhantes.
4. Cerâmica para chama directa, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por os referidos polímeros conterem resinas de ligação que permitam a sua utilização em elevadas temperaturas, tais como resinas de polimidaimida (PAI), resinas de politerosulfeno (PES), resinas de sulfureto de polifenileno (PPS).
5. Cerâmica para chama directa, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por o tipo de revestimento a aplicar no interior das peças de cerâmica ser independente do que se aplicar no exterior das mesmas, podendo ser o mesmo material ou outro, desde que se mantenham as propriedades descritas na reivindicação 1.
6. Cerâmica para chama directa, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por o revestimento do interior e do exterior das peças ser aplicado com recurso a um primário, ou não, dependendo do nível de aderência do revestimento propriamente dito â cerâmica. 3
7. Cerâmica para chama directa, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por, caso haja recurso a primário, este deve ter propriedades igualmente de elevada elasticidade e ser aplicado sob a forma de pulverização, ou pincel.
8. Cerâmica para chama directa, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por, os revestimentos interior e exterior serem, após uma secagem do primário se utilizado, aplicado sob a forma de pulverização ou pincel, envolvendo completamente a cerâmica, sendo o conjunto corpo cerâmico-revestimentos, depois de nova secagem, sinterizado sob as condições mais adequadas ao tipo de revestimento, a temperaturas que poderão variar entre os 350 °C e os 500 °C, durante um período de tempo compreendido entre os 15 e os 45 minutos.
9. Cerâmica para chama directa, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por, aplicação do revestimento, tal como para o primário, tem de cobrir uniforme e completamente a peça de cerâmica, quer no seu interior quer no exterior, tendo o revestimento uma camada tendo com uma espessura entre 12 e 25 μπι.
10. Cerâmica para chama directa, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizada por poder ser utilizada nos diferentes equipamentos de cozinha como forno, chama, micro-ondas, congelador, frigorífico e máquina de lavar louça, bem como oferecer todas as 4 4 nas garantias de segurança no cozinhar de alimentos condições normais de uso a que se destina. Lisboa, 21 de Setembro de 2005
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