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Reed - Cap. 3 Classificação das Matérias-Primas Principais Tipos de Matérias-Primas Cerâmica Cerâmica Branca: Argilominerais plasticidade Feldspato carga.

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1 Reed - Cap. 3 Classificação das Matérias-Primas Principais Tipos de Matérias-Primas Cerâmica Cerâmica Branca: Argilominerais plasticidade Feldspato carga não plástica na mistura e agente fundente (fluxo) na queima Sílica carga resistente à fusão (refratário) Refratários: Sílica / aluminosilicatos / alumina / MgO / CaO Cerâmicas Avançadas Estruturais: SiC / Si 3 N 4 / ZrO 2 / Al 2 O 3 Abrasivos: Alumina / SiC / SiO 2 Cerâmicas Eletrônicas: Aluminas / Titanatos / Ferritas

2 Classificação Naturais: obtidos através de operações físicas –Argila, feldspato... Sintéticas: obtidos através de processos químicos, a partir de –Matérias-primas naturais (magnesita, calcita...) –Outras matérias-primas sintéticas (alumina, zircônia...)

3 Tipos de matérias-primas

4 Classificação das Matérias-Primas Como esta matéria-prima é obtida Variação: Composição química / composição mineral Pureza Estrutura e propriedades físico-químicas Distribuição de tamanhos de partículas Preço Categorias: (1) MP não tratada de depósitos naturais não-uniformidade e presença de impurezas (2) Minerais industriais refinados beneficiamento retira impurezas e melhora uniformidade do mineral (3) Produtos químicos inorgânicos produtos industriais de processamento químico e refinamento

5 Classificação das Matérias-Primas Escolha da matéria-prima Produto Processamento Performance Preço do produto final Regula a importância da MP no custo da produção Pode determinar custo final

6 Classificação das Matérias-Primas Matéria-prima de depósitos naturais Historicamente: primeiras cerâmicas próximas a depósitos naturais de argilas Exemplos:potes, vasilhas e vasos (cerâmica artesanal) tijolos revestimento cerâmico Ainda hoje em caráter regional: produção familiar Algumas matérias-primas mantém nomes regionais. Ex. Esmalte bristol Algumas MPs naturais possuem boa pureza para uso (ex.: refratários) bauxita (mineral não plástico contendo hidróxido de alumina, argilominerais, quartzo e óxido de ferro) MAS Maioria dos produtos cerâmicos de QUALIDADE produzidos A partir de minerais refinados ou produtos químicos

7 Classificação das Matérias-Primas Minerais industriais: Silicatos e argilominerais Algumas definições: O que é um mineral? Composto químico encontrado na natureza O que é um mineral industrial? Minerais não metálicos e não combustíveis obtidos por mineração e que possuem valor comercial como matéria-prima industrial. Quais minerais são excluídos pela segunda definição: metais, carvão e petróleo O que é um silicato, uma argila e um argilomineral? Precisamos de uma folha limpa...

8 Silicatos Silicatos: materiais compostos primariamente de silício e oxigênio –Silicatos simples, fórmula unitária SiO 4 -4, p. ex. forsterita (Mg 2 SiO 4 ) –Silicatos em camada, fórmula unitária (Si 2 O 5 ) 2-, p. ex. argilominerais

9 Classificação das Matérias-Primas Minerais industriais O que é uma argila? É um material natural, terroso, de granulação fina ( < 2 um) e que geralmente adquire plasticidade quando umedecido com água. Quimicamente, são formadas essencialmente por partículas cristalinas de um número restrito* de minerais conhecidos como argilominerais. O que são argilominerais? São os minerais constituintes de uma argila. Normalmente, silicatos hidratados de alumínio, ferro e/ou magnésio com certo teor de elementos alcalinos e alcalino-terrosos. As argilas são compostas por partículas de um ou mais argilominerais além de... minerais usuais residuais como sílica, óxidos de ferro e titânio, calcita, dolomita. quartzo matéria orgânica sais solúveis minerais amorfos Grande variedade de argilas, mas pequeno número de argilominerais. Exemplos de argilominerais: caulinita, halloysita, pirofilita, montmorillonita, mica, ilita.

10 Argilominerais e outros silicatos MineralFórmula química (estrutural ou em óxidos) CaulinitaAl 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 ou Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O HalloysitaAl 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 ·2H 2 O ou Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·4H 2 O PirofilitaAl 2 (Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2 ou Al 2 O 3 ·4SiO 2 ·H 2 O Montmorillonita(Al 1,67 Na 0,33 Mg 0,33 )(Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2 ou 5/6Al 2 O 3 ·1/6Na 2 O·1/3MgO·4SiO 2 ·H 2 O Mica moscovitaAl 2 K(Si 1.5 Al 0.5 ) 2 (OH) 2 ou 3/2Al 2 O 3 ·K 2 O·3SiO 2 ·H 2 O TalcoMg 3 (Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2 ou 3MgO·4SiO 2 ·H 2 O

11 Classificação das Matérias-Primas Minerais industriais Alumina e bauxita Alumina calcinada (98.5 – 99.5% pureza) Bauxita para abrasivos e refratários (> 86% alumina) Ball clay (argila plástica) Kentucky e Tennessee ball clay Bentonita (argila complexa com alto teor de montmorilonita Bentonta Wyoming Caulim Para produtos cerâmicos Para indústria de papel Magnesita Refratários Cromita Argilas Feldspato Sílica Areia de fundição Indústria de vidros Continua...

12 Classificação das Matérias-Primas Minerais industriais: Argilas e correlatos Caulim – mineral relativamente puro composto principalmente por caulinita: Al2Si2O5(OH)4 além de quartzo (SiO2), ilmenita (FeTiO2), rutilo (TiO2) e Hematita (Fe2O3). Ball clay – argila sedimentar fina (submicron) que também contém matéria orgânica. Bentonita – argila complexa que contém montmorilonita: (Al1.67Na0.33Mg0.33)(Si2O5)(OH)2 Talco (Mg3Si4O10(OH)2) e pirofilita (Al2Si4O10(OH)2 - hidróxisilicatos em camadas utilizados em revestimento cerâmico e porcelanas Feldspatos compostos de albita (NaAlSi3O8) – feldspato sódico e ortoclase (KAlSi3O8) – feldspato potássico. Usados como fluxo em cerâmica branca e esmates de silicatos. Wollastonita (CaSiO3) – usadas em esmaltes e revestimentos Petalita (LiAlSi4O10) e espodumeno (LiAlSi2O6) – controlam expansão térmica na queima. Continua...

13 Classificação das Matérias-Primas Minerais industriais: Beneficiamento Britagem Moagem Liberação de minerais indesejados em peneira Decantação ou Flotação Segregação de minerais por densidade Separação magnética Misturas Classificação de tamanhos de partículas Filtração ou centrifugação Eliminação de impurezas solúveis Separação de minerais por tamanho

14 Classificação das Matérias-Primas Produtos Químicos Inorgânicos Alumina calcinada Alumina tabular (agregado refratário sinterizado de partículas grosseiras ( µm) de alfa-alumina. Nome se origina da forma de tabletes hexagonais dos cristais Pó de alumina tabular Bolas de alumina tabular

15 Classificação das Matérias-Primas Produtos Químicos Inorgânicos Óxido de magnésio: calcinado a partir de Mg(OH)2 que é precipitado da mistura de dolomita e água do mar contendo MgCl2 e MgSO4 – lavagem – filtração – secagem e calcinação. Pureza: > 98% Carbeto de silício: processo Acheson: fusão a arco elétrico de areia + coque a 2200 – 2500 C. Nitreto de silício: silício metálico + N2 a altas temperaturas Titanatos de terras raras: BaTiO3 – a partir de BaCO3 e TiO2 Cerâmicas ferríticas: Mn0.5Zn0.5Fe2O4 / BaFe12O19 – a partir de MnCO3, ZnO, hematita (Fe2O3). (Foto do processo) Zircônia estabilizada: Fusão cáustica do ZrSiO4: ZrSiO4 + 4 NaOH = Na2ZrO hidrólise Na2ZrO3 ZrO2 hidratada Pigmentos inorgânicos

16 Produção de pó atomizado de Ferrita de Zn e Mn

17 Classificação das Matérias-Primas Produtos Químicos Inorgânicos Especiais Novas técnicas para preparação de pós cerâmicos com características especiais: Alta pureza (> 99.9%) Composição química ajustada e reprodutível Homogeneidade química em escala atômica Partículas finas ( < 1um) e distribuição controlada Geometria de partícula controlada Até hoje em dia: larga escala em laboratório mas pouco uso industrial. MAS: Aplicações comerciais de cerâmicas especiais para fibras óticas e filmes cerâmicos para a indústria eletrônica dependem desses métodos.

18 PRODUÇÃO DE MATÉRIAS-PRIMAS SINTÉTICAS

19 Produção de pós cerâmicos Reações no estado sólido: –hidróxidos, carbonatos, sulfatos óxidos –metais ou óxidos + C carbetos Reações sólido-gás: –Metais + O 2 óxidos –Metais + hidrocarbonetos carbetos –Metais + N 2 ou NH 3 nitretos Reações em fase gasosa: –Hidrólise de haletos SiO 2 ou TiO 2 Processos de fundição: –Al 2 O 3, ZrO 2 Haletos são originados dos hidrocarbonetos por substituição de um ou mais átomos de Hidrogênio por um Halogênio (Flúor, Cloro, Bromo ou Iodo).

20 Pós a partir de soluções Precipitação e filtração: –Pós cerâmicos e metálicos Reações hidrotérmicas: –Soluções de ZrOCl 2 ZrO 2 Vaporização do solvente/desidratação: –Secagem por spray ou congelamento Processos sol-gel: –Gotas de líquido estado gelatinoso pó

21 Pós cerâmicos industrializados Alumina (processo Bayer): –Bauxita + NaOH Al(OH) 3 Al 2 O 3 Zircônia: –ZrSiO 4 + NaOH Na 2 ZrO 3 ZrO 2 Carbeto de silício (processo Acheson): –SiO 2 + 3C SiC + 2CO Nitreto de silício: –3SiO 2 + 6C + 2N 2 Si 3 N 4 + 6CO

22 Pós ultrafinos (nanocristais) Reações em fase gasosa: –Si 3 N 4, SiC Redução em H 2 de cloretos metálicos: –Ag, Cu, Ni, W Evaporação/condensação: –Fe, FeNi Processamento de soluções

23 Whiskers e fibras curtas Redução em H 2 de cloretos metálicos: –2FeCl 3 + 3H 2 2Fe + 3HCl Processo vapor-líquido-sólido: –Al 2 O 3, SiC, Si 3 O 4 Pirólise de casca de arroz: –SiC

24 Pós nanométricos e whiskers [Thümmler, 1993:60] ZrO 2 (<0,5 µm)whiskers de SiC


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