Reed - Cap. 3 Classificação das Matérias-Primas Principais Tipos de Matérias-Primas Cerâmica...
Transcript of Reed - Cap. 3 Classificação das Matérias-Primas Principais Tipos de Matérias-Primas Cerâmica...
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 queimaSílica carga resistente à fusão (refratário)
Refratários:Sílica / aluminosilicatos / alumina / MgO / CaO
Cerâmicas Avançadas Estruturais:SiC / Si3N4 / ZrO2 / Al2O3
Abrasivos:Alumina / SiC / SiO2
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 Categoria
Pureza (%)
Materiais
Materiais não-processados
Variável Argilas, bauxita
Minerais industrializados
85-98 Caulim, talco, feldspato, quartzo
Produtos químicos industrializados
98-99,9 Al2O3, MgO, AlN, SiC, Si3N4, TiO2, ZrO2
Produtos especiais >99,9 BaTiO3, sílica-gel
Classificação das Matérias-Primas
Como esta matéria-prima é obtida
Variação: Composição química / composição mineralPurezaEstrutura e propriedades físico-químicasDistribuição 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 ProcessamentoPerformancePreço do produto final
Regula a importância da MP no custo da produçãoPode 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)tijolosrevestimento cerâmico
Ainda hoje em caráter regional: produção familiarAlgumas 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 obtidospor 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.quartzomatéria orgânicasais solúveisminerais amorfos
•Grande variedade de argilas, mas pequeno número de argilominerais. •Exemplos de argilominerais: caulinita, halloysita, pirofilita, montmorillonita, mica, ilita.
Argilominerais e outros silicatosMineral 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 bauxitaAlumina 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 montmorilonitaBentonta Wyoming
CaulimPara produtos cerâmicosPara indústria de papel
MagnesitaRefratários
CromitaArgilasFeldspatoSílica
Areia de fundiçãoIndústria 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) eHematita (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 emcamadas 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 térmicana 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
Filtração ou centrifugação
Eliminação de impurezas solúveis
Separação de minerais por tamanho
Classificação das Matérias-Primas
Produtos Químicos Inorgânicos
Alumina calcinadaAlumina 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 atômicaPartículas finas ( < 1um) e distribuição controladaGeometria 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[T
hü
mm
ler,
19
93
:60
]
ZrO2 (<0,5 µm) whiskers de SiC