aula 2 en2813_2a_matérias-primas 2q15
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Materia prima cerâmicaTRANSCRIPT
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1Prof. Dr. Humberto N. Yoshimura
Centro de Engenharia, Modelagem e Cincias Sociais Aplicadas
Mai - Ago 2015
2A Matrias-primas cermicas
EN2813
Materiais Cermicos
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2EN2813 - Materiais CermicosUFABC
Matrias-primas cermicas - Sumrio
Caractersticas gerais
Matrias-primas naturais
Matrias-primas sintticas
Aplicaes
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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)
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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.
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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)
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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EN2813 - Materiais CermicosUFABC
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EN2813 - Materiais CermicosUFABC
Localizao dos principais depsitos
de caulins no Brasil
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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
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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 (
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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:
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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
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EN2813 - Materiais CermicosUFABC
Distribuio granulomtrica de algumas argilas naturais
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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
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Classificao das argilas segundo o uso
Fonte: F.H. Norton, 1973
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Caractersticas fsico-qumicas e cermicas de duas argilas plsticas
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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
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EN2813 - Materiais CermicosUFABC
Quartzo (SiO2) mineral
Fonte: F.H. Norton, 1973
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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]
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Feldspatos
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Matrias-primas naturais
Feldspato (nefelina sienito) - BA
Feldpspato (microclina) - RJ
Caulim - PA
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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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