Classificação das Matérias-Primas Reed - Cap. 3 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 Abrasivos: Alumina / SiC / SiO2 Cerâmicas Avançadas Estruturais: SiC / Si3N4 / ZrO2 / Al2O3 Cerâmicas Eletrônicas: Aluminas / Titanatos / Ferritas

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...)

Tipos de matérias-primas

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

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

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

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...

Silicatos Silicatos: materiais compostos primariamente de silício e oxigênio Silicatos simples, fórmula unitária SiO4-4, p. ex. forsterita (Mg2SiO4) Silicatos em camada, fórmula unitária (Si2O5)2-, p. ex. argilominerais

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.

Argilominerais e outros silicatos Mineral Fórmula química (estrutural ou em óxidos) Caulinita Al2(Si2O5)(OH)4 ou Al2O3·2SiO2·2H2O Halloysita Al2(Si2O5)(OH)4·2H2O ou Al2O3·2SiO2·4H2O Pirofilita Al2(Si2O5)2(OH)2 ou Al2O3·4SiO2·H2O Montmorillonita (Al1,67Na0,33Mg0,33)(Si2O5)2(OH)2 ou 5/6Al2O3·1/6Na2O·1/3MgO·4SiO2·H2O Mica moscovita Al2K(Si1.5Al0.5)2(OH)2 ou 3/2Al2O3·K2O·3SiO2·H2O Talco Mg3(Si2O5)2(OH)2 ou 3MgO·4SiO2·H2O

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...

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...

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 Separação de minerais por tamanho Filtração ou centrifugação Eliminação de impurezas solúveis

Classificação das Matérias-Primas Produtos Químicos Inorgânicos Alumina calcinada Alumina tabular (agregado refratário sinterizado de partículas grosseiras (50 - 400µm) de alfa-alumina. Nome se origina da forma de tabletes hexagonais dos cristais Pó de alumina tabular Bolas de alumina tabular

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 = Na2ZrO3 + ...  hidrólise Na2ZrO3  ZrO2 hidratada Pigmentos inorgânicos

Produção de pó atomizado de Ferrita de Zn e Mn

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.

PRODUÇÃO DE MATÉRIAS-PRIMAS SINTÉTICAS

Produção de pós cerâmicos Reações no estado sólido: hidróxidos, carbonatos, sulfatos  óxidos metais ou óxidos + C  carbetos Reações sólido-gás: Metais + O2  óxidos Metais + hidrocarbonetos  carbetos Metais + N2 ou NH3  nitretos Reações em fase gasosa: Hidrólise de haletos  SiO2 ou TiO2 Processos de fundição: Al2O3, ZrO2 Haletos são originados dos hidrocarbonetos por substituição de um ou mais átomos de Hidrogênio por um Halogênio (Flúor, Cloro, Bromo ou Iodo).

Pós a partir de soluções Precipitação e filtração: Pós cerâmicos e metálicos Reações hidrotérmicas: Soluções de ZrOCl2  ZrO2 Vaporização do solvente/desidratação: Secagem por spray ou congelamento Processos sol-gel: Gotas de líquido  estado gelatinoso  pó

Pós cerâmicos industrializados Alumina (processo Bayer): Bauxita + NaOH  Al(OH)3  Al2O3 Zircônia: ZrSiO4 + NaOH  Na2ZrO3  ZrO2 Carbeto de silício (processo Acheson): SiO2 + 3C  SiC + 2CO Nitreto de silício: 3SiO2 + 6C + 2N2  Si3N4 + 6CO

Pós ultrafinos (nanocristais) Reações em fase gasosa: Si3N4, SiC Redução em H2 de cloretos metálicos: Ag, Cu, Ni, W Evaporação/condensação: Fe, FeNi Processamento de soluções

Whiskers e fibras curtas Redução em H2 de cloretos metálicos: 2FeCl3 + 3H2  2Fe + 3HCl Processo vapor-líquido-sólido: Al2O3, SiC, Si3O4 Pirólise de casca de arroz: SiC

Pós nanométricos e whiskers [Thümmler, 1993:60] ZrO2 (<0,5 µm) whiskers de SiC