aula 2 en2813_2a_matérias-primas 2q15

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1 Prof. Dr. Humberto N. Yoshimura [email protected] Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas Mai - Ago 2015 2A Matérias-primas cerâmicas EN2813 Materiais Cerâmicos

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Materia prima cerâmica

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  • 1Prof. Dr. Humberto N. Yoshimura

    [email protected]

    Centro de Engenharia, Modelagem e Cincias Sociais Aplicadas

    Mai - Ago 2015

    2A Matrias-primas cermicas

    EN2813

    Materiais Cermicos

  • 2EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Matrias-primas cermicas - Sumrio

    Caractersticas gerais

    Matrias-primas naturais

    Matrias-primas sintticas

    Aplicaes

  • 3EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Caractersticas gerais

    A lista de matrias-primas para a indstria cermica extensa e varia deprodutos minerais e minrios a compostos qumicos industriais refinados

    As matrias-primas so selecionadas para aplicaes que variam decermicas tradicionais (produtos de construo, cermicas brancas,

    refratrios) a cermicas avanadas (ex., componentes de indstrias

    eletrnicas), principalmente com base no preo e disponibilidade, enquanto

    mantm consistncia com os critrios propostos

    Estes critrios esto relacionados com o alcance das propriedades dosprodutos finais aceitveis pelo mercado, pelo uso de processos de produo

    de alta eficincia e mnimo custo

    H uma tendncia de globalizao/internacionalizao de muitas matrias-primas, mas h tambm considerveis quantidades de matrias-primas locais

    (como produtos de construo civil) e processamento de matrias-primas

    preliminares pelos produtores (como em aplicaes de alta tecnologia com

    produo a partir de precursores qumicos)

  • 4EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Ps, partculas, aglomerados e agregados

    > 44 m (325#) granular

    ~ 44 a 1 m p

    < 1 m coloide

    Partcula uma unidade slidadiscreta do material e pode ter

    composio simples ou multifsica (p constitudo de partculas)

    Classificao de uma partculadepende da magnitude da sua fora

    inercial (gravitacional) em relao s

    foras superficiais:

    Granular fora gravitacionalpredomina (escoamento livre do

    material)

    P fora superficial foragravitacional (aglomerados naturais)

    Coloide foras superficiais dominam(apresenta movimento Browniano)

    Foras superficiais dependem doambiente e comportamento dos ps e

    coloides, e podem ser fortemente

    alteradas por surfactantes adsorvidos

    que alteram as foras superficiais

    Unidades de frmula por partcula em funo do tamanho

    da partcula e faixas de tamanho dos materiais granulares,

    ps, materiais coloidais e de algumas substncias.

  • 5EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Ps, partculas, aglomerados e agregados

    Partculas agrupadas, dependendo da fora de ligao entre

    as partculas:

    Aglomerados ligaes fracas (eletrosttica, magntica, van

    der Waals, capilar)

    Agregados ligaes fortes (ligaes qumicas formadas por

    reaes qumicas ou sinterizao)

  • 6EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Caractersticas dos ps

    Caractersticas fsicas

    Partculas (primrias)

    Tamanho e forma

    Aglomerados/agregados

    Tamanho e forma Porosidade Quantidade, tamanho e forma Nmero de coordenao Resistncia mecnica Densidade rea de superfcie especfica Permeabilidade Compressibilidade Escoabilidade

    Caractersticas qumicas

    Composio qumica do p

    Elementos qumicos (majoritrios, minoritrios e traos)

    Espcies inorgnicas (ex., sulfatos e nitratos) e orgnicas

    gua e outros volteis

    Fases

    Cristalinas Amorfas

    Composio superficial

    Elementos Espcies inorgnicas e orgnicas gua Fases

  • 7EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Caractersticas dos ps

    Caractersticas fsicas e qumicas afetam o processamento cermico e a

    reatividade e sinterabilidade dos ps

    Ex.: Partculas finas necessitam de menor tempo/temperatura para

    sinterizar; segundo Lei de escala de Herring:

    n

    2

    1

    2

    1

    r

    r

    t

    t

    onde, t tempo, r tamanho da partcula e n uma constante que

    depende do mecanismo de sinterizao

  • 8EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Tamanho e distribuio de partculas

    Abertura da

    malha (m)

    N da malha

    Tyler (mesh, #)

    177 80

    149 100

    125 120

    105 140

    88 170

    74 200

    63 250

    53 270

    44 325

    37 400

    Peneiramento

  • 9EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Exemplos de ps cermicos

    MicaQuartzo

    Alumina calcinada Titanato de brio

    Caractersticas:

    Forma das partculas :

    Regular X irregular

    (no-esfricas)

    Arredondada X facetada

    (moagem)

    Superfcie:

    Lisa X rugosa

    Distribuio de tamanhos

    Aglomerados X agregados:

    Conhecimentos sobre

    mtodo de produo do

    p (moagem, sntese)

    auxilia a interpretar

    como as partculas esto

    unidas

  • 10

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Classificao das matrias-primas cermicas

    Categoria Pureza

    (%)

    Exemplos de Materiais

    Materiais brutos (pouco beneficiados)

    Varivel Folhelhos argilosos, argila plstica (contendo

    fundentes), argila para telha, bauxita bruta, cianita

    bruta, argila plstica natural (ball clay, para cermica

    branca), bentonita

    Minerais industriais 85-98

    (quartzo

    99)

    Argila plstica (ball clay), caulim, bentonita refinada,

    pirofilita, talco, feldspato, nefelina sienita, wollastonita,

    espodumeno, slica (arenito, quartzito), cianita, bauxita,

    zirco, rutilo, minrio de cromo, caulim calcinado,

    dolomita

    Produtos qumicos

    inorgnicos

    industriais

    98-99,9 Alumina calcinada (processo Bayer), MgO calcinado

    (de salmouras, gua do mar), Al2O3 eletrofundido, MgO

    eletrofundido, AlN, SiC, Si3N4, BaCO3, TiO2, titanatos

    calcinados, xido de ferro, ferritas calcinadas, ZrO2,

    zircnia estabilizada, zirconatos calcinados

    Produtos qumicos

    inorgnicos especiais

    >99,9 Diversos materiais

    Traduzido de: J.S. Reed. Principles of Ceramics Processing, 1995.

  • 11

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Matrias-primas naturais

    Disponibilidade das matrias-primas naturais depende da

    quantidade na crosta terrestre, do grau de sua concentrao na

    natureza e do grau de acessibilidade aos depsitos

    A abundncia do elemento na crosta nem sempre determinante

  • 12

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

  • 13

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Localizao dos principais depsitos

    de caulins no Brasil

  • 14

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Argila e argilo-minerais

    Argila: material natural, de textura terrosa ou argilcea, de granulao fina,

    com partculas de forma lamelar ou fibrosa, constituda essencialmente de

    argilo-minerais, podendo conter outros minerais no-argilosos (quartzo,

    hidrxidos de Fe e Al, mica, feldspatos, calcita, etc.), matria orgnica (hmus

    e microrganismos) e outras impurezas

  • 15

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Argila e argilo-minerais

    Argilo-minerais: silicatos hidratados com estrutura cristalina em camadas

    (lamelar), ou fibrosa, constitudos por camadas de tetraedros de SiO4, ordenadas

    em forma hexagonal, condensados com camadas octadricas de alumnio, e com

    menor frequncia de magnsio, ferro e potssio

    Formados basicamente de camadas intercaladas de slica (SiO2) e hidrxido de

    Al [Al(OH)3], que se unem pela camada de oxignio e hidroxila

    So constitudos essencialmente por partculas de pequenas dimenses (

  • 16

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Argilo-minerais

    Caulinticas: constitudas essencialmente por minerais do grupo da caulinita;

    pertencem a este grupo todos os silicatos de alumnio hidratado; apresentam

    cores claras de queima, por serem pobres em xidos e hidrxidos de ferro e de

    outros elementos cromforos; possuem menor plasticidade e menor reteno de

    gua; partculas: placas hexagonais de 0,1 a 3 m; caulim calcinado para

    refratrios

    Principais tipos de argilas utilizados em materiais cermicos:

  • 17

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Esmectticas ou Montmorilonticas: constitudas por argilo-minerais do grupo

    da montmorilonita (compostos por alumnio, magnsio e ferro, e algumas vezes

    clcio e sdio); muito plstica, e possui grande capacidade de reteno de

    gua; presena de xidos e hidrxidos de ferro acima de certos limites propicia

    uma colorao vermelha ou avermelhada; tambm conhecidas como argilas

    expansivas devido a relativa facilidade com que variam de volume; partculas:

    placas irregulares com tamanhos

  • 18

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Distribuio granulomtrica de algumas argilas naturais

  • 19

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Imagens de caulins

    Imagens de MEV de caulim 1: (a) aglomerado; (b) disperso em plaquetas

    Imagens de MET de caulim 2 com tamanho de ~0,7 m (a sombra 3x espessura da placa)

    Barras = 1 m

  • 20

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Classificao das argilas segundo o uso

    Fonte: F.H. Norton, 1973

  • 21

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Caractersticas fsico-qumicas e cermicas de duas argilas plsticas

  • 22

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Outras matrias-primas naturais

    Quartzo (SiO2) mineral

    Uso amplo da slica na cermica devido dureza, relativa infusibilidade, baixo

    custo e capacidade de formar vidros

    Quartzo modo de depsitos relativamente puros: uso em produtos vtreos,

    refratrios e cermicas brancas

    Fonte: F.H. Norton, 1973

  • 23

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Quartzo (SiO2) mineral

    Fonte: F.H. Norton, 1973

  • 24

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Feldspatos

    Minerais abundantes de custo relativamente baixo usados como fundentes na

    produo de cermicas brancas, como fonte de alumnio na produo de vidros

    e como fonte de lcalis na produo de vidrados e esmaltes

    Tipos principais:

    Albita: NaAlSi3O8

    Microclnio ou ortoclsio: KAlSi3O8

    Anortita: CaAl2Si2O8

    Nefelina sienita: contendo albita, microclnio e nefelita [K0,5Na1,5(Al,Si)2O8]

  • 25

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Feldspatos

  • 26

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Magnesita, calcita, dolomita e cromita

    Materiais para refratrios bsicos devido ao alto ponto de amolecimento e

    estabilidade em contato com muitas escrias

    Magnesita (MgCO3), calcita (CaCO3) e dolomita (Mg,Ca)CO3

    Magnesita, calcinada para eliminao do CO2:

    Magnsia custica: 700 a 1200C (sobra 1 a 2% CO2), usada em cimento

    Magnsia calcinada a morte (inerte ou estabilizada): 1450 a 1500C (gros

    sinterizados), usado principalmente em refratrios

  • 27

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Magnesita, calcita, dolomita e cromita

    Calcrio

    Natural usado em cermica branca, vidros, vidrados e esmaltes

    Calcinao produz cal virgem; cal hidratada (hidrxido de clcio) para

    argamassas e estuques (construo civil)

    Dolomita

    Natural usado em cermicas e vidros (fontes de CaO e MgO)

    Calcinao a morte para refratrios

  • 28

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Magnesita, calcita, dolomita e cromita

    Cromita

    Minrios de cromita: compostos principalmente de soluo slida de espinlios

    [(Mg,Fe)(Al,Cr,Fe)2O4]; largamente usados em refratrios; fonte de xido de

    cromo e outros compostos empregados em cermica como corantes e

    pigmentos

  • 29

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Outros minerais fundentes

    Minerais de ltio: espodumnio (Li2Al2Si4O12), lepidolita (LiKAl2F2Si3O9),ambligonita (Li2F2Al2P2O8) e petalita (LiAlSi4O10)

    Uso em vidros, vitrocermicas, vidrados, esmaltes para metais resistentes acidos e para reduzir coeficiente de expanso trmica dos materiais

    Minerais de brio: barita (BaSO4) e viterita (BaCO3) Em vidros, vidrados e esmaltes Formam sulfato de brio insolvel para evitar manchas e eflorescncia nasuperfcie de cermicas vermelhas

    Minerais de flor: fluorita (CaF2) Vidros pticos de baixo ndice de refrao e em esmaltes

    Minerais fosfticos: apatita [(Ca5(Cl,F)(PO4)3], pouco usada em vidros eesmaltes

  • 30

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Silicatos de magnsio

    Talco [Mg3Si4O10(OH)2]: estruturas em camadas (anlogo s da montmorilonita)

    Amplo uso em isoladores eltricos de esteatita, cordierita e em alguns produtos

    de cermica branca, como azulejos e loua domstica refratria (de forno)

    Asbesto ou amianto: tremolita [H2Ca2Mg5(SiO3)8], antofilita [H2Mg7(SiO3)8] e

    crisotila (H4Mg3Si2O9); estrutura em cadeia dupla com clivagem em fibras

    Outros minerais usados no processamento de cermicas

  • 31

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Minerais aluminosos

    Bauxita: principal minrio de Al; consiste de mistura de minerais gibbsita

    [Al(OH)3], boehmita [-AlO(OH)] e disporo [-AlO(OH)]; principais impurezas:

    xidos de ferro (goethita e hematita), caulim e anatsio (TiO2)

    Silimanita (Al2SiO5): fonte de alumina em refratrios

    Pirofilita [Al2Si4O10(OH)2]: estrutura em camadas similar da montmorilonita

    Outros minerais

    Zirco (SiZrO4): uso em refratrios

    Wollastonita (CaSiO3): uso em composies de revestimentos e vidrados

  • 32

    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Matrias-primas naturais

    Feldspato (nefelina sienito) - BA

    Feldpspato (microclina) - RJ

    Caulim - PA

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    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

    Aps a minerao, os minrios so tratados por operaes de cominuio(britadores, moinhos, galgas) ou desintegrao (argilas), classificao

    granulomtrica (peneiras, classificador de ar) e secagem (fornos rotativos), se o

    processo envolver meio lquido (gua).

    Podem tambm ser submetidos a beneficiamentos de concentrao/purificao(separao magntica, flotao, filtrao, tratamentos qumicos) e calcinao

    (fornos rotativos)

    Tratamento das matrias-primas naturais

    Moinho de

    bolas

    Britador de

    mandbula

    Britador

    giratrioGalga

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    EN2813 - Materiais CermicosUFABC

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    EN2813 - Materiais CermicosUFABC