UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE … · placas conformadas por prensagem. Os resultados...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

ESTUDO DE FORMULAÇÃO DE MASSA PARA APLICAÇÃO EM PLACAS

CERÂMICAS

ROGÉRIO CÉSAR DE ALMEIDA PINTO

Orientador: Dr. Eng. Rubens Maribondo do Nascimento

Natal/RN, Dezembro/2010




CERÂMICAS

Dissertação submetida à


como parte dos requisitos para obtenção do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA


Dr. Eng. RUBENS MARIBONDO DO NASCIMENTO

Natal/RN, Dezembro/2010




CERÂMICAS


Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

sendo aprovada em sua forma final.

___________________________________________________________

Dr. Eng. Rubens Maribondo do Nascimento (UFRN) – Presidente

BANCA EXAMINADORA

___________________________________________________________

Dr. Eng. Carlos Alberto Paskocimas (UFRN) – Examinador Interno

___________________________________________________________

Dr. Eng. Leonardo Flamarion Marques Chaves (UFRN) – Examinador Interno

___________________________________________________________

Dr. Eng. José Nildo Galdino (UFRN) – Examinador Externo ao Programa

___________________________________________________________

Dr. Eng. Ricardo Peixoto Suassuna Dutra (UFPB) – Examinador Externo à Instituição

Aos meus queridos pais Sérgio e Judite,

À minha irmã Nancy e

À minha namorada Kaline.

AGRADECIMENTOS

A Deus, pela orientação em todos os momentos e por todas as bênçãos recebidas.

Aos meus pais, Sérgio e Judy, por todo o amor, carinho, dedicação, força e união na alegria e

na tristeza e, por me mostrarem que a ―vida é bela...‖

A minha irmã, Nancy, por toda atenção e apoio nos momentos difíceis.

Ao meu amor Kaline, por todo o incentivo e paciência transmitidos.

Aos amigos Prof. Átila, Dra. Débora e Dr. Francisco Márcio, pelos incentivos e apoio.

Aos meus amigos Andréa, Cláwsio, Daniel, Ferreira Júnior, Graziele, Jaciane, Jean, João

Moreno, José Carlos, Jota, Laurênia, Márcio Varela, Maxymme, Pedro, Reginaldo, Tancredo,

Wendel e Yuri, pelo companheirismo e apoio nas tarefas realizadas.

Ao Prof. Dr. Rubens Maribondo do Nascimento, pelas orientações e incentivos.

Ao Prof. Dr. Carlos Alberto Paskocimas, pela orientação disponibilizada.

Ao Prof. Dr. Ricardo Peixoto Suassuna Dutra, pela atenção e orientação.

Ao Prof. Dr. Nildo Galdino, pelas orientações e apoio disponibilizados.

A todos, que direta ou indiretamente, possibilitaram a realização deste trabalho.

A todos, pelo prazer de conviver dias bastante proveitosos e agradáveis, além dos inúmeros

conhecimentos adquiridos.

A ciência é uma mescla de dúvida e certeza. O bom

cientista é arrogantemente humilde, o que não se

reduz a um mero jogo de palavras: arrogante em

relação ao método e humilde quanto à fé no seu

conhecimento.

Bachrach

RESUMO

O setor de construção civil está fortemente relacionado à indústria de cerâmica. Esse setor

utiliza a argila como matéria-prima para fabricação de diversos produtos como, por exemplo,

placas cerâmicas. Neste estudo, dois tipos de argila, que receberam a denominação de argila 1

e 2, foram coletados em jazida localizada no município de Ielmo Marinho (RN) e

caracterizados por análise termogravimétrica (TG/DrTG), análise térmica diferencial (DTA),

difratometria de raios X (DRX), fluorescência de raios X (FRX), análise racional e análises de

distribuição de tamanho de partícula (DTP) e dilatométrica (AD). Placas cerâmicas foram

fabricadas por prensagem uniaxial e extrusão. As placas conformadas por prensagem foram

produzidas a partir de quatro formulações denominadas 1, 2, 3 e 4, as quais apresentavam,

respectivamente, as seguintes proporções em massa: 66,5 % de argila 1 e 33,5% de argila 2,

50% de argila 1 e 50% de argila 2, 33,5% de argila 1 e 66,5% de argila 2 e 25% de argila 1 e

75% de argila 2. Após queima a 850, 950 e 1050 ºC, com taxa de aquecimento de 10 ºC/min e

isoterma de 30 minutos, foram determinadas as seguintes propriedades tecnológicas: retração

linear de queima, absorção de água, porosidade aparente, massa específica aparente e tensão

de ruptura à flexão. A formulação com 25% de argila 1 produziu placas com resultados mais

satisfatórios de absorção de água e resistência mecânica e desta forma foi a selecionada para

conformação das placas por extrusão. Um único ciclo de queima foi estabelecido para essas

placas, o qual ocorreu da seguinte forma: taxa de aquecimento de 2 ºC/min até 600 ºC, com

isoterma de 60 minutos, seguido de aquecimento a mesma taxa até 1050 ºC, com isoterma de

30 minutos. Após esse ciclo, foram determinadas as mesmas propriedades tecnológicas das

placas conformadas por prensagem. Os resultados indicam, conforme a NBR 13818/1997, que

as placas conformadas por prensagem a partir da formulação contendo 25% em massa da

argila 1, após queima a 1050 ºC, atingem as especificações para revestimento semi-poroso

(BIIb); e aquelas conformadas por extrusão atendem às exigências para serem classificadas

como revestimento semi-grês (grupo AIIa).

PALAVRAS-CHAVE: formulação de massa cerâmica; caracterização; placas cerâmicas.

ABSTRACT

The sector of civil construction is strongly related to the red ceramic industry. This sector uses

clay as raw material for manufacturing of various products such as ceramic plates. In this

study, two types of clay called clay 1 and clay 2 were collected on deposit in Ielmo Marinho

city (RN) and then characterized by thermogravimetric analysis (TG/DTG), differential

thermal analysis (DTA), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), rational

analysis and particle size distribution and dilatometric analyses. Ceramic plates were

manufactured by uniaxial pressing and by extrusion. The plates obtained by pressing were

produced from the four formulations called 1, 2, 3 and 4, which presented, respectively, the

following proportions by mass: 66.5% clay 1 and 33.5% clay 2, 50% clay 1 and 50% clay 2,

33.5% clay 1 and 66.5% clay 2, 25% clay 1 and 75% clay 2. After firing at 850, 950 and 1050

°C with heating rate of 10 °C/min and soaking time of 30 minutes, the following

technological properties were determined: linear firing shrinkage, water absorption, apparent

porosity, apparent specific mass and tensile strength (3 points). The formulation containing

25% clay 1 produced plates with most satisfactory results of water absorption and mechanical

resistance, because of that it was chosen for manufacturing plates by extrusion. A single firing

cycle was established for these plates, which took place as follow: heating rate of 2 °C/min up

to 600 ºC with soaking time of 60 minutes, followed by heating using the same rate up to

1050 ºC with soaking time of 30 minutes. After this cycle, the same technological properties

investigated in the plates obtained by pressing were determined. The results indicate

(according to NRB 13818/1997) that the plates obtained by pressing from the mixture

containing 25 wt% clay 1, after firing at 1050 °C, reach the specifications for semi-porous

coating (BIIb). On the other hand, the plates obtained by extrusion were classified as semi-

stoneware (group AIIa).

Keywords: ceramic mass formulation, characterization, ceramic plates.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Divisão de períodos pré-históricos ............................................................................ 20

Figura 2: Cerâmica pintada 5000 a.C. ...................................................................................... 21

Figura 3: Tubos de manilhas cerâmicas ................................................................................... 22

Figura 4: Jogo de louça sanitária .............................................................................................. 23

Figura 5: Revestimento cerâmico ............................................................................................. 24

Figura 6: Componentes refratários sílico-aluminosos .............................................................. 25

Figura 7: Discos abrasivos e pontas montadas ......................................................................... 26

Figura 8: Tampa de fogão doméstico com placa vidrocerâmica .............................................. 27

Figura 9: Forro de gesso utilizado em teto de residência ......................................................... 28

Figura 10: Faca cerâmica fabricada com Zircônia ................................................................... 29

Figura 11: Constituintes de argilas ........................................................................................... 30

Figura 12: (a) Tetraedros de Sílica (SiO4) e (b) folha em arranjo hexagonal de tetraedros ..... 31

Figura 13: (a) Octaedros de Gibsita Al2(OH)6 e (b) folha em arranjo hexagonal de octaedros32

Figura 14: (a) Unidade estrutural da caulinita e (b) estrutura em camadas .............................. 33

Figura 15: (a) Unidade estrutural da esmectita e (b) estrutura em camadas............................. 35

Figura 16: (a) Unidade estrutural da ilita e (b) estrutura em camadas ..................................... 36

Figura 17: Transformações do quartzo em função da temperatura .......................................... 37

Figura 18: Escavadeira utilizada na dosagem de matérias-primas ........................................... 42

Figura 19: Moinho industrial .................................................................................................... 43

Figura 20: (a) Atomizador (b) esquema de funcionamento ...................................................... 44

Figura 21: Prensa controlada por computador .......................................................................... 46

Figura 22: Processo de extrusão ............................................................................................... 47

Figura 23: Estados de consistência e limites Atterberg para argilas em função da umidade ... 48

Figura 24: Esquema de sinterização via fase líquida ................................................................ 50

Figura 25: Localização de Ielmo Marinho, situado na região Agreste ..................................... 57

Figura 26: Matriz utilizada para conformação por prensagem ................................................. 63

Figura 27: Boquilha utilizada para conformação por extrusão................................................. 64

Figura 28: Conformação dos corpos-de-prova por extrusão .................................................... 65

Figura 29: Ciclo de queima utilizado nos corpos-de-prova conformados por prensagem ....... 66

Figura 30: Corpo-de-prova apresentando: (a) inchamento e (b) coração negro ....................... 66

Figura 31: Ciclo de queima utilizado nos corpos-de-prova conformados por extrusão ........... 67

Figura 32: Corpos-de-prova conformados por extrusão e sinterizados a 1050ºC (régua em cm)

.................................................................................................................................................. 67

Figura 33: Ensaio flexão em três pontos .................................................................................. 71

Figura 34: Esquema apresentando etapas para escolha de formulação a ser conformada por

extrusão ..................................................................................................................................... 72

Figura 35: Corpos-de-prova das formulações 1, 2, 3 e 4 conformados por prensagem após

sinterização a 850, 950 e 1050ºC .............................................................................................. 75

Figura 36: Difratograma de raios X: (a) argila 1 e (b) argila 2 ................................................ 78

Figura 37: TG das argilas: (a) argila 1 e (b) argila 2 ................................................................ 81

Figura 38: DTA das argilas: (a) argila 1 e (b) argila 2 ............................................................. 82

Figura 39: Curva granulométrica da argila 1 ............................................................................ 84

Figura 40: Curva granulométrica da argila 2 ............................................................................ 84

Figura 41: Curva granulométrica da formulação 1 ................................................................... 85




Figura 45: Curvas Dilatométricas das formulações 1, 2, 3 e 4 ................................................. 87

Figura 46: Curva de gresificação da formulação 1 ................................................................... 90



Figura 49: Curvas de gresificação da formulação 4 ................................................................. 91

Figura 50: Porosidade aparente das formulações 1, 2 ,3 e 4 nas temperaturas de 850ºC, 950º e

1050ºC ...................................................................................................................................... 92

Figura 51: Massa específica aparente das formulações 1, 2, 3 e 4 nas temperaturas de 850ºC,

950ºC e 1050ºC ......................................................................................................................... 93

Figura 52: Tensão de ruptura à flexão das formulações 2, 3 e 4 nas temperaturas de 850ºC,

950ºC e 1050ºC ......................................................................................................................... 94

Figura 53: Difratograma de raios X da formulação 4 conformada por prensagem .................. 95

Figura 54: Difratograma de raios X da formulação 4 conformada por extrusão ...................... 96

Figura 55: Tensão de ruptura à flexão para formulação 4 queimada a 1050ºC. ....................... 97

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Classificação das argilas segundo o valor do IP ....................................................... 48

Tabela 2: Fenômenos físicos e químicos nos materiais argilosos em função da temperatura.. 50

Tabela 3: Grupos de absorção de água ..................................................................................... 53

Tabela 4: Principais Produtores Mundiais de Revestimentos Cerâmicos (Unid: 106m

2) ......... 54

Tabela 5: Principais Destinos das Exportações Brasileiras de Revestimentos Cerâmicos em

2008 .......................................................................................................................................... 55

Tabela 6: Resumo das análises realizadas nas matérias-primas e formulações ....................... 61

Tabela 7: Métodos de conformação e formulações utilizadas .................................................. 62

Tabela 8: Análise química das argilas ...................................................................................... 74

Tabela 9: Valores de perda ao fogo das formulações 1, 2, 3 e 4 .............................................. 76

Tabela 10: Porcentagem das fases presentes nas argilas 1 e 2 ................................................. 79

Tabela 11: Tamanho inferior a 2 µm e tamanho médio das partículas presentes nas argilas e

formulações .............................................................................................................................. 83

Tabela 12: Índice de plasticidade das argilas 1 e 2 e das formulações 1, 2, 3 e 4 .................... 88

Tabela 13: Propriedades dos corpos-de-prova conformados por extrusão ............................... 94

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

AA – Absorção de água

ABCERAM – Associação Brasileira de Cerâmica

AG – Análise granulométrica

ANFACER – Associação Nacional dos Fabricantes para Revestimento

ATG – Análise termogravimétrica

BNDES – Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social

CTGAS-ER – Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis

DNIT – Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes

DRX – Difração de raios X

DTA – Análise térmica diferencial

DTP – Distribuição de Tamanho de Partículas

FRX – Fluorescência de raios X

IP – Índice de plasticidade

ISO – International Organization for Standardization

LABEMAT – Laboratório de Ensaios de Materiais

LABMAT – Laboratório de Materiais

LC – Limite de contração

LL – Limite de liquidez

LMCME – Laboratório de Materiais Cerâmicos e Metais Especiais

LP – Limite de plasticidade

MEA – Massa específica aparente

NBR – Norma Brasileira de Referência

PA – Porosidade aparente

PF – Perda ao fogo

RL – Retração linear de queima

TRF – Tensão de Ruptura a flexão

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 17

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................... 20

2.1 Cerâmica .................................................................................................................... 20

2.2 Classificação dos Produtos Cerâmicos ...................................................................... 21

2.2.1 Cerâmica Estrutural ou Vermelha ...................................................................... 21

2.2.2 Cerâmica Branca................................................................................................. 22

2.2.3 Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico .................................... 23

2.2.4 Cerâmica Refratária ou Refratário Cerâmico ..................................................... 25

2.2.5 Abrasivos ............................................................................................................ 25

2.2.6 Vidro ................................................................................................................... 26

2.2.7 Cimentos ............................................................................................................. 27

2.2.8 Cerâmicas técnicas ou avançadas ....................................................................... 28

2.3 Matérias-Primas Cerâmicas ....................................................................................... 29

2.3.1 Fração Argilosa .................................................................................................. 31

2.3.2 Fração Não-Argilosa........................................................................................... 37

2.4 Processamento Cerâmico ........................................................................................... 41

2.4.1 Formulação da massa.......................................................................................... 42

2.4.2 Preparação da Massa .......................................................................................... 43

2.4.3 Conformação ...................................................................................................... 45

2.4.4 Secagem .............................................................................................................. 48

2.4.5 Sinterização ........................................................................................................ 49

2.5 Revestimento Cerâmico ............................................................................................. 52

2.6 Panorama Atual .......................................................................................................... 54

3 Materiais e métodos .......................................................................................................... 57

3.1 Procedimento Experimental ....................................................................................... 57

3.1.1 Matérias-Primas .................................................................................................. 57

3.2 Caracterização das Matérias-Primas .......................................................................... 58

3.2.1 Análise Química ................................................................................................. 58

3.2.2 Análise Mineralógica .......................................................................................... 58

3.2.3 Análise Racional ................................................................................................. 59

3.2.4 Análise Térmica (AT) ......................................................................................... 59

3.2.5 Análise Granulométrica (AG) ............................................................................ 60

3.2.6 Análise Dilatométrica (AD) ............................................................................... 60

3.2.7 Índice de Plasticidade (IP) .................................................................................. 61

3.3 Conformação dos Corpos-de-prova ........................................................................... 61

3.3.1 Prensagem ........................................................................................................... 63

3.3.2 Extrusão .............................................................................................................. 64

3.4 Ciclo de Queima ........................................................................................................ 65

3.5 Caracterização do produto final ................................................................................. 68

3.5.1 Retração Linear de Queima (RLQ) .................................................................... 68

3.5.2 Absorção de água (AA) ...................................................................................... 69

3.5.3 Porosidade Aparente (PA) .................................................................................. 69

3.5.4 Massa Específica Aparente (MEA) .................................................................... 70

3.5.5 Perda ao Fogo (PF) ............................................................................................. 70

3.5.6 Tensão de Ruptura à Flexão (TRF) .................................................................... 71

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................................... 74

4.1 Caracterização das matérias-primas ........................................................................... 74

4.1.1 Análise Química ................................................................................................. 74

4.1.2 Análise Mineralógica .......................................................................................... 77

4.1.3 Análise Racional ................................................................................................. 79

4.1.4 Análise Térmica (AT) ......................................................................................... 80

4.1.5 Análise Granulométrica (AG) ............................................................................ 83

4.1.6 Análise Dilatométrica ......................................................................................... 87

4.1.7 Índice de Plasticidade ......................................................................................... 88

4.2 Caracterização do produto final ................................................................................. 88

5 CONCLUSÕES ................................................................................................................ 99

CAPÍTULO

1 Introdução

Introdução 17

Rogério César de Almeida Pinto – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

1 INTRODUÇÃO

O Brasil é um dos principais protagonistas do mercado mundial no setor de

revestimentos cerâmicos (Araújo, 2009). Conta com um parque fabril altamente capacitado

tecnologicamente e, principalmente, realiza um trabalho de inovação e marketing que fará um

grande diferencial competitivo no mercado externo e trará diversos benefícios aos

consumidores brasileiros (Pinheiro, 2006). De acordo com os dados de 2008 do Ministério

das Minas e Energia, o Brasil é o segundo maior mercado consumidor (634 milhões de m2), é

o quarto maior exportador (86 milhões de m2) e ocupa a segunda posição no ranking mundial

de produtores (747 milhões de m2) (Anuário Estatístico, 2009).

No Brasil, como nos grandes produtores de revestimento cerâmico, a produção é

concentrada em regiões.

Apesar de a produção nacional ocorrer nas regiões Sudeste, Sul, Nordeste e

Centro-Oeste, é nas duas primeiras onde são encontrados os quatro pólos que reúnem as

empresas responsáveis pela maior parcela da produção:

Região de Criciúma, no estado de Santa Catarina, abrangendo também as

localidades de Tubarão, Urussanga, Imbituba e Tijucas;

Região da Grande São Paulo, abrangendo Diadema, São Caetano do Sul e Suzano,

com extensão até Jundiaí;

Região de Mogi-Guaçu e Estiva Gerbi, no estado de São Paulo; e

Região de Cordeirópolis e Santa Gertrudes, também no estado de São Paulo

O nordeste brasileiro também pode tomar uma posição de destaque em um futuro

próximo, devido às condições favoráveis de existência de matéria prima, energia viável e um

mercado consumidor em desenvolvimento, além de boa localização geográfica para

exportação (ANFACER).

No Rio Grande do Norte, a cidade de Mossoró começa a se viabilizar como pólo

produtor, devido à instalação de um dos maiores fabricantes de revestimentos do Brasil vindo

da região Sul, e à intenção de outras fábricas se estabelecerem em seu distrito industrial.

Fatores como matéria-prima abundante, disponibilidade de gás natural e a localização

geográfica do estado, próximo a grandes centros importadores como Estados Unidos, Canadá

e América Central, foram determinantes para a escolha do local de produção.

A cada dia a qualidade e variedade dos revestimentos cerâmicos aumentam; são

usados na construção civil para revestimento de paredes, pisos, bancadas e piscinas de

Introdução 18


ambientes internos e externos e recebem designações tais como: azulejo, pastilha,

porcelanato, grês, lajota, piso, etc. A tecnologia do porcelanato (revestimento cerâmico com

absorção de água inferior a 0,5%) trouxe produtos de qualidade técnica e estética refinada,

que em muitos casos se assemelham às pedras naturais (ANFACER).

Os revestimentos cerâmicos, além das vantagens e da durabilidade provadas

através dos séculos, possuem as qualidades que uma avançada tecnologia lhes confere. Eles se

mostram apropriados para pequenos detalhes, ambientes interiores ou para grandes escalas ao

ar livre. São oferecidos de maneira a satisfazer os mais variados gostos, como padrões e

texturas diversas.

Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo geral o

desenvolvimento de formulação cerâmica para placas utilizando matéria-prima do Rio Grande

do Norte. Os objetivos específicos estão descritos abaixo:

Realizar a caracterização das matérias-primas por meio de técnicas como

fluorescência de raios X; difração de raios X; análises térmica, granulométrica e análise

dilatométrica e de índice de plasticidade.

Propor formulações de massas cerâmicas para fabricação de placas e desenvolver

os processos de conformação: prensagem e extrusão.

Determinar o ciclo de queima adequado a cada um desses processos

Avaliar as propriedades tecnológicas dos produtos conformados, como: retração

linear, absorção de água, porosidade aparente, massa específica aparente, tensão de ruptura à

flexão (3 pontos).

CAPÍTULO

2 Revisão Bibliográfica

Revisão Bibliográfica 20


2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Cerâmica

As cerâmicas são compostos inorgânicos formados entre elementos metálicos e

não-metálicos; na maioria das vezes, consistem em óxidos, nitretos e carbetos. As ligações

interatômicas ou são totalmente iônicas ou predominantemente iônicas tendo, porém, alguma

natureza covalente. O termo ―cerâmico‖ vem da palavra keramikos, que significa ―matéria-

prima queimada‖, indicando que as propriedades desejáveis desses materiais são normalmente

atingidas por meio de tratamento térmico (Callister, 2008).

Os primeiros vestígios da utilização da cerâmica datam do período Mesolítico

(entre 10000 a 8000 a.C.), na forma de potes para o armazenamento de grãos.

No Neolítico (8000 a 4000 a.C.) a arte torna-se mais complexa e assim, pinturas

figurativas e geométricas são realizadas em cerâmica. A divisão desses períodos históricos e

pintura em cerâmicas antigas podem ser vistos, respectivamente, na Figura 1 e Figura 2

(Almanaque Abril 2005).

No que diz respeito ao uso na construção, os materiais cerâmicos também estão

entre os mais antigos, tanto na forma de blocos e telhas, quanto na de placas cerâmicas.

Atualmente, as possibilidades de emprego de materiais cerâmicos ampliaram-se

de forma espetacular, indo de utensílios domésticos a isolantes elétricos.

A fabricação de revestimentos para a construção civil, tais como azulejos,

ladrilhos, pastilhas e placas, é apenas uma das diversas atividades que têm como finalidade a

produção de materiais cerâmicos (BNDES, 2009).

Início da

Pré-História

4,5 milhões de anos a.C. 10000 a.C. 8000 a.C. 4000 a.C.

Início da

Antiguidade

(Invenção da escrita)

Período MesolíticoPeríodo Neolítico ou

Idade da Pedra

Polida

Período Paleolítico

ou Idade da Pedra

Lascada

5000 a.C.

(Início da Idade dos Metais)

Figura 1: Divisão de períodos pré-históricos



Figura 2: Cerâmica pintada 5000 a.C.

Fonte: http://www.liec.ufscar.br/ceramica/ensino/curso_abc/

2.2 Classificação dos Produtos Cerâmicos

Os materiais cerâmicos podem ser divididos em nove grupos que levam em conta,

sobretudo, o tipo de utilização final e são fabricados a partir de matérias-primas que incluem

argilas, quartzo, caulim, feldspatos, magnesita, cromita, além de matérias-primas sintéticas

como carbeto de silício (SiC), coríndon (Al2O3), titanato de bário (BaTiO3), etc (Pinheiro,

2006).

2.2.1 Cerâmica Estrutural ou Vermelha

De acordo com a definição da Associação Brasileira de Cerâmica (ABCERAM),

este grupo compreende os materiais com coloração avermelhada empregados na construção

civil como tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos (manilhas) e

argilas expandidas, também estão incluídos os utensílios de uso doméstico e de adorno. A

matéria-prima empregada é a argila a qual possui alto teor de impurezas, entre as quais se

destacam: compostos de baixo ponto de fusão e outros com alto teor de ferro, que é o

responsável pela cor vermelha característica dos produtos (Galdino, 2003). Na Figura 3 a

seguir, podem ser observadas manilhas1 para drenagem de águas pluviais. Durabilidade,



resistência mecânica e baixo custo são as características dos produtos que pertencem a este

grupo.

Figura 3: Tubos de manilhas cerâmicas1

Fonte: http://www.fec.unicamp.br/~ec517/anhumas-esgoto.htm

2.2.2 Cerâmica Branca

Os produtos pertencentes a esse grupo se tornam brancos após o tratamento

térmico a que são submetidos, daí a origem de seu nome. Em geral, são recobertos por uma

camada vítrea transparente, necessária por razões estéticas e/ou técnicas. Com o advento dos

vidrados opacificados, muitos dos produtos enquadrados neste grupo passaram a ser

fabricados com matérias-primas com certo grau de impurezas (responsáveis pela coloração),

1 Manilhas cerâmicas são tubos cerâmicos de seção circular destinados à condução de águas residuais (esgotos

sanitários, despejos industriais e canalizações de águas pluviais.



sem prejuízo das características para uma dada aplicação (ABCERAM). Em geral, esses

produtos são fabricados a partir de misturas de matérias-primas: argila, materiais fundentes

(como o feldspato) e quartzo. Geralmente, as temperaturas de queima são elevadas para que

possam ser obtidos produtos densos e de alta dureza (Galdino, 2003).

Devido a sua diversificação, este grupo é subdividido em:

louça sanitária

louça de mesa

isoladores elétricos para alta e baixa tensão

cerâmica artística (decorativa e utilitária).

cerâmica técnica para fins diversos, tais como: químico, elétrico, térmico e mecânico.

Um jogo de louça sanitária é mostrado a seguir na Figura 4.

Figura 4: Jogo de louça sanitária

Fonte: http://www.lojasherval.com.br/product.aspx?idproduct=3941&idDept=114680399

2.2.3 Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico



Este grupo recebe designações tais como: azulejo, pastilha, porcelanato, grês,

lajota, piso, ladrilho, etc (ABCERAM). É formado por materiais na forma de placas que são

usadas na construção civil, para revestimento de paredes, pisos, bancadas e piscinas de

ambientes internos e externos (Oliveira, 2006). Na Figura 5 a seguir, tem-se um revestimento

cerâmico para ambiente externo.

Os revestimentos cerâmicos são constituídos, em geral, de três camadas: suporte

ou biscoito; engobe, que tem como função ser uma camada de compatibilização e garantir a

aderência da terceira camada; e esmalte, camada vítrea que também impermeabiliza, além de

decorar uma das faces da placa. O corpo cerâmico compõe-se de matérias-primas naturais,

argilosas e não argilosas. Os materiais argilosos são formados de uma mistura de diversos

tipos e características de argilas para fornecer a composição desejada e são a base do biscoito.

Os materiais não argilosos, quartzo e feldspato, servem, respectivamente, para originar a

estrutura (esqueleto) do corpo cerâmico e promover a fusão da massa e os materiais sintéticos

são utilizados para a produção de engobes e esmaltes e, servem para fazer a decoração dos

revestimentos (ANFACER).

Figura 5: Revestimento cerâmico

Fonte: http://www.camacarinoticias.com.br/leitura.php?id=53939



2.2.4 Cerâmica Refratária ou Refratário Cerâmico

Os produtos deste grupo são fabricados para suportar temperaturas elevadas sob

condições específicas de fornos industriais, como por exemplo: revestimento de fornos para o

refino de metais, fabricação de vidros e tratamentos térmicos metalúrgicos. Dependendo da

composição do produto, os refratários são subdivididos em: refratários de argila, à base de

sílica, básicos (ricos em MgO) e especiais (óxidos de elevada pureza: alumina, magnésia,

sílica; e compostos à base de carbeto, além de carbono e grafita) (Callister, 2008). Na Figura

6 a seguir, observam-se diversos tipos de componentes.

Figura 6: Componentes refratários sílico-aluminosos

Fonte: http://www.ibar.com.br/

2.2.5 Abrasivos

Os cerâmicos abrasivos incluem: diamante (natural e sintético), carbeto de silício,

carbeto de tungstênio, óxido de alumínio e areia de sílica. São usados para desgastar, polir ou

cortar outros materiais. Assim, a principal exigência para esse grupo é a dureza ou a

resistência ao desgaste (Callister, 2008). Um conjunto de discos abrasivos e pontas montadas

são mostrados na Figura 7 a seguir.



Figura 7: Discos abrasivos e pontas montadas

Fonte: http://www.rocril.com.br

2.2.6 Vidro

Os vidros são, principalmente, à base de silicatos não-cristalinos que também

possuem outros óxidos especialmente CaO, Na2O, K2O e Al2O3, os quais influenciam as suas

propriedades. As principais características dos vidros são a sua transparência ótica e a relativa

facilidade pela qual são fabricados. Exemplos deste grupo incluem: os recipientes, as lentes e

a fibra de vidro.

2.2.6.1 Vidrocerâmicas

Por meio de tratamento térmico a altas temperaturas, a maioria dos vidros pode

ser transformada de um estado não-cristalino em um estado cristalino. Esse processo é

denominado cristalização e o material obtido é chamado de vidrocerâmica. Esses materiais

são projetados para possuir as seguintes características: resistência mecânica elevada, baixo

coeficiente de expansão térmica, capacidade de utilização em temperaturas elevadas, boas

propriedades dielétricas e boa compatibilidade biológica.

http://www.rocril.com.br/produtos/ver/4



Aplicações mais comuns são peças para irem ao forno, tampas de fogões de

cozinha (mostrado na Figura 8 a seguir), isolantes elétricos e substratos para placas de

circuitos impressos (Callister, 2008).

Figura 8: Tampa de fogão doméstico com placa vidrocerâmica

Fontes:

http://www.telsao.pt/index.php?cPath=22_45&sort=2a&page=4

http://www.pixmania.com/pt/pt/1512149/art/bosch/pkr675t01e-placa-de-fogao.html

2.2.7 Cimentos

A característica especial dos materiais desse grupo é que quando são misturados

com água eles formam uma pasta que, subseqüentemente, pega e endurece. Vários materiais

cerâmicos como cimento, gesso e cal são classificados neste grupo (Callister, 2008). Na

Figura 9 a seguir pode se observado forro de gesso.



Figura 9: Forro de gesso utilizado em teto de residência

Fonte: http://cidadesaopaulo.olx.com.br/paris-decoracoes-gesso-iid-22643183

2.2.8 Cerâmicas técnicas ou avançadas

Este grupo pode ser subdividido em cerâmicas óxidas (como alumina, zircônia,

magnésia) e não-óxidas (exemplos: carbetos, nitretos e boretos).

Estes materiais encontram aplicações nas mais diferentes áreas, como

aeroespacial, eletrônica, nuclear e muitas outras que passaram a exigir materiais com

qualidade excepcionalmente elevada. Tais materiais passaram a ser desenvolvidos a partir de

matérias-primas sintéticas de altíssima pureza e por meio de processos rigorosamente

controlados.

Os materiais pertencentes a este grupo são classificados, de acordo com suas

funções em: eletroeletrônicos, magnéticos, ópticos, químicos, térmicos, mecânicos, biológicos

e nucleares.

Os produtos deste segmento são de uso intenso e a cada dia tende a se ampliar.

Como alguns exemplos, podemos citar: naves espaciais, satélites, usinas nucleares, materiais

para implantes em seres humanos, aparelhos de som e de vídeo, suporte de catalisadores para

automóveis, sensores (umidade, gases e outros), ferramentas de corte - como a faca cerâmica

mostrada na Figura 10 -, brinquedos, acendedor de fogão, etc.



Figura 10: Faca cerâmica fabricada com Zircônia

Fonte: http://portuguese.alibaba.com/product-gs/5-inch-zirconia-ceramic-utility-knife-251285986.html

2.3 Matérias-Primas Cerâmicas

As matérias-primas cerâmicas podem ser classificadas como plásticas e não-

plásticas. Embora ambas exerçam funções ao longo de todo o processo cerâmico, as matérias-

primas plásticas são essenciais na fase de conformação, enquanto que as não-plásticas atuam

mais nas fases de secagem e queima.

As matérias-primas plásticas têm a função de proporcionar moldabilidade à

massa, aumentar a plasticidade, atuar como agente de suspensão em meio aquoso e conferir

coesão e solidez à massa verde, sendo responsável pela retração na secagem e elevada

resistência mecânica depois da queima (Andrade, 2009).

As matérias-primas não-plásticas atuam, como dito acima, nas fases de secagem e

queima. Na primeira, favorecem o processo de secagem e diminuem a retração. Na segunda,

controlam as transformações, deformações e a sinterização (Andrade, 2009).

As principais matérias-primas plásticas utilizadas no preparo das massas de

revestimentos são argilas plásticas (queima branca ou clara), caulim e argilas fundentes

(queima vermelha).

Dentre as matérias primas não-plásticas destacam-se os filitos, fundentes

feldspáticos (feldspato, granito, sienito etc.), talco e carbonatos (calcário e dolomita), sendo

que o filito e o talco apresentam também características plásticas. O quartzo (material não-



plástico) geralmente já está incorporado a outras substâncias minerais (argilas, filitos e

fundentes feldspáticos) (Motta, 1998).

Do ponto de vista mineralógico, as argilas se caracterizam por se constituírem em

grande parte de minerais específicos, denominados minerais de argila ou argilominerais, que

constituem a fração argilosa e que proporcionam característica plástica. Minerais associados,

tais como quartzo, feldspatos, micas, óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio, carbonatos,

matéria orgânica, constituem a fração não-argilosa proporcionado à argila característica não-

plástica (Andrade, 2009). Na Figura 11 a seguir, é apresentado um esquema desta

classificação.

Argila

Minerais Acessórios

Argilominerais:

Grupos Principais:

•Caulinita

•Esmectita

•Ilita

•Sílica

•Carbonatos

•Feldspato

•Compostos de ferro e titânio

•Sais Solúveis

•Matéria Orgânica

Figura 11: Constituintes de argilas

A combinação destas duas frações influencia fortemente tanto o comportamento

reológico das argilas, como as alterações físicas e químicas durante a etapa de queima; desta

forma, as frações presentes têm função destacada no desenvolvimento das propriedades

tecnológicas do produto final.

Por exemplo, uma argila com uma fração majoritária de minerais argilosos,

comparativamente a fração de minerais acessórios, tende a apresentar elevada plasticidade,

bem como granulometria muito fina e elevada reatividade química e sinterabilidade.

Inversamente, uma argila com predominância da fração de minerais acessórios, apresenta

menor plasticidade, grãos mais grossos com formas arredondadas, menor superfície específica

e elevada estabilidade térmica (Pracidelli, 1997).



2.3.1 Fração Argilosa

Os argilominerais são, fundamentalmente, filossilicatos hidratados de alumínio,

que apresentam plasticidade, permuta catiônica e dimensões inferiores a 2 µm, além de

formas lamelar ou fibrosa.

Compreendem uma grande família de minerais, que podem ser classificados em

diversos grupos, conforme a estrutura cristalina e as propriedades semelhantes.

Os principais grupos de argilominerais são os da caulinita, ilita e esmectita.

A estrutura dos argilominerais é constituída de camadas de sílica e camadas de

gibsita (hidróxido de alumínio). A unidade cristalina da sílica é um tetraedro, cujos vértices

são ocupados por oxigênio e em cujo centro está o silício.

A unidade cristalina da gibsita é um octaedro. Os vértices são ocupados por

hidroxilas e o centro pelo alumínio. Como o número de coordenação do alumínio é 6, pode

ligar-se a 6 hidroxilas. Na Figura 12 (a) e (b) e na Figura 13 (a) e (b) a seguir, são mostradas,

respectivamente, as camadas tetraédrica e octaédrica, bem como o arranjo em folha de cada

uma delas.

(a)

Oxigênio Silício

(b)

Figura 12: (a) Tetraedros de Sílica (SiO4) e (b) folha em arranjo hexagonal de tetraedros



(a)

Hidroxila Alumínio

(b)

Figura 13: (a) Octaedros de Gibsita Al2(OH)6 e (b) folha em arranjo hexagonal de octaedros

A unidade estrutural básica das caulinitas é constituída de uma camada de

tetraedros de sílica e de uma camada de octaedros de gibsita. As hidroxilas desta camada são

parcialmente substituídas pelos oxigênios dos tetraedros das camadas de sílica. Assim, o

plano comum das duas camadas é constituído tanto por átomos de oxigênio como por

hidroxilas, sendo iônica a ligação existente entre eles (Soares, 2006).

No que se refere ao balanço elétrico, a unidade estrutural das caulinitas é neutra e

é formada pelo empilhamento de uma camada de octaedros e de tetraedros, sendo a união

entre o plano de hidroxilas com o plano de oxigênio feita por pontes de hidrogênio. Na Figura

14 (a) e (b) a seguir, está representada a unidade estrutural e o empilhamento destas unidades



Oxigênio Silício

Hidroxila Alumínio

(a)

SiO2

Al(OH)3

7,2 Å

(b)

Figura 14: (a) Unidade estrutural da caulinita e (b) estrutura em camadas

As ligações de hidrogênio são fracas, mas suficientemente fortes para evitarem a

penetração da água entre as unidades estruturais. Por esta razão, as caulinitas apresentam

pequena expansão, e baixa plasticidade. Como as valências livres estão apenas nas

extremidades, as capacidades de adsorção de água e de permuta catiônica são pequenas

(Soares, 2006).

A unidade estrutural das esmectitas é formada de uma camada de octaedros de

gibsita entre duas camadas de tetraedros de sílica.



As esmectitas caracterizam-se por apresentarem o alumínio das camadas de

octaedros substituído parcialmente ou totalmente por magnésio e ferro, principalmente. Esta

substituição origina um excesso de valências negativas na camada interna, que não podem ser

neutralizadas por cátions, devido à presença de tetraedros limítrofes que impedem a entrada

desses cátions.

A estrutura das esmectitas caracteriza-se por apresentar moléculas de água entre

as unidades estruturais. Na Figura 15 (a) e (b) a seguir estão mostradas a unidade estrutural e

estrutura em camadas desse argilomineral. Como a água penetra com grande facilidade entre

as camadas, as esmectitas são de fácil dispersão na água, grande expansão e alta plasticidade.

As esmectitas possuem grande capacidade de adsorção de água e de permuta

catiônica, porque, além de apresentarem ligações não-satisfeitas nas extremidades, possuem

cargas negativas nas superfícies das unidades estruturais.



Oxigênio Silício

Hidroxila Alumínio

(a)

Al+3 por

Mg2+ ou Fe2+

SiO2

n H2O

9,6 a 21,4 Å

(b)

n H2O

Figura 15: (a) Unidade estrutural da esmectita e (b) estrutura em camadas

A unidade estrutural das ilitas é a mesma das esmectitas. Apenas, nas ilitas, os

átomos de silício das camadas de sílica são substituídos parcialmente por alumínio. Há,

portanto, valências livres nas camadas limítrofes das unidades estruturais, que são

neutralizadas por cátions de potássio (K+), dispostos entre as camadas superpostas. O cátion

de potássio é o que melhor se adapta às malhas hexagonais dos planos de oxigênio das

camadas de tetraedros de sílica e não é deslocado por outros cátions.

A capacidade de adsorção de água e de permuta catiônica é devida, apenas, às

ligações não-satisfeitas das extremidades das camadas e, portanto, é pequena.



Quando, nas ilitas, a substituição do silício das camadas de tetraedros por

alumínio for pequena, as ligações entre as unidades estruturais proporcionadas pelos cátions

de potássio podem ser deficientes e desta forma pode ocorrer a entrada de água entre as

unidades estruturais. Quando isso ocorre, as propriedades das ilitas se aproximam das

propriedades das esmectitas. Na Figura 16 (a) e (b) a seguir, estão mostradas a unidade

estrutural e estrutura em camadas das ilitas.

Oxigênio Silício

Hidroxila Alumínio

(a)

Si+4 por

Al+3

K+

10 Å

(b)

K+ K+

K+K+ K+

Figura 16: (a) Unidade estrutural da ilita e (b) estrutura em camadas



2.3.2 Fração Não-Argilosa

A fração não-argilosa é composta por sílica, carbonatos, feldspato, compostos de

ferro e titânio, sais solúveis e matéria orgânica. É representada pelos minerais acessórios

(Barba, 1997).

2.3.2.1 Sílica

A sílica se apresenta, na maior parte das argilas, na forma de quartzo (SiO2), o

qual é encontrado na natureza em três formas polimórficas: quartzo (α e β), tridimita e

cristobalita. O quartzo alfa é estável à temperatura ambiente, transformando-se na fase beta a

573 ºC e em tridimita a 870 ºC. À temperatura de 1410 ºC, ocorre a transformação para

cristobalita até atingir o ponto de fusão a 1713 ºC (Deer, 1975).

A transformação de quartzo alfa em beta é acompanhada de um brusco aumento

de volume superior a 3%. Durante essa transformação, a taxa de aquecimento deve ser

reduzida para evitar o surgimento das trincas provocadas pela brusca variação de volume

(Luz, 2008). A seqüência dessas transformações é mostrada na Figura 17 a seguir.

Temperatura

Ambiente

573ºC 870 ºC 1410 ºC 1713 ºC

CristobalitaTridimitaQuartzo α Quartzo β

Δ Volume > 3%

(Temperatura

de Fusão)

Figura 17: Transformações do quartzo em função da temperatura

Argilas com elevado percentual de quartzo originam peças com alto coeficiente de

dilatação. Assim, a presença de quartzo nas massas de cerâmica branca e de materiais de



revestimento é de fundamental importância para o controle da dilatação além de contribuir

para o ajuste de viscosidade da fase líquida formada durante a sinterização (Reed, 1995).

Na etapa de preparação da massa, elevada quantidade de quartzo tende a diminuir

a plasticidade da massa; na de conformação, a aumentar a permeabilidade da peça, facilitando

a posterior etapa de secagem (Dutra, 2007). A presença de quartzo também facilita a

liberação de gases produzidos durante a queima, além de ser um importante regulador da

correta relação entre SiO2 e Al2O3 para a formação de mulita. (3Al2O3.2SiO2).

O tamanho das partículas de quartzo tem influência na reatividade durante a etapa

de queima: partículas grandes atuam como material inerte, diminuindo a reatividade

(refratariedade); partículas pequenas tendem a fundir e reagir com outros constituintes da

massa. Normalmente, elevadas quantidades de quartzo diminuem a resistência mecânica do

material (Barba, 1997).

2.3.2.2 Carbonatos

Os carbonatos de cálcio (CaCO3, calcita), de magnésio (MgCO3, magnesita), e de

cálcio-magnésio (MgCa(CO3)2, dolomita) são os mais comumente encontrados nas argilas

(Barba, 1997). Durante a queima, a decomposição de carbonatos origina gás carbônico e

assim possuem influência sobre a porosidade da peça e intervalo de queima. No intervalo de

temperaturas em que a decomposição ocorre, a taxa de aquecimento não deve ser muito alta,

para que a saída do gás carbônico formado seja facilitada e o produto não apresente defeitos.

A temperatura em que se inicia a decomposição dos carbonatos pode ser reduzida

aumentando-se a reatividade da massa por meio da redução do tamanho de partículas (Dutra,

2007).

Apesar de contribuírem para o aumento da porosidade, diminuem a retração de

queima. Em pequenas quantidades, por serem fontes de CaO e MgO, atuam como fundentes

secundários. Os carbonatos também atuam reduzindo a expansão por umidade de peças

cerâmicas, pois não contém água em suas moléculas (Grun, 2007).



2.3.2.3 Feldspatos

Os feldspatos se constituem de silicatos de alumínio e bases alcalinas ou alcalino-

terrosas, anidros e cristalizados nos sistemas monoclínicos e triclínicos, formando elementos

essenciais e abundantes nas rochas magmáticas (Abreu, 1973). Os de maior importância para

a indústria cerâmica são: albita (NaAlSi3O8), ortoclásio (KAlSi3O8) e anortita (CaAl2Si2O8).

Nas indústrias de cerâmica que trabalham com temperatura superior a 1100 ºC,

como a indústria de revestimento cerâmico, os feldspatos têm a função de diminuir a

porosidade do produto, pois atuam como formadores de fase líquida (fundentes) por

apresentarem temperatura de fusão relativamente baixa, entre 1.100 e 1.550 ºC. Quando a

temperatura de queima for inferior a 1100ºC, comporta-se como substância inerte (Facincani,

1993). Embora a formação de fase líquida seja desejável, seu excesso leva à deformação

piroplástica do produto. Desta forma, é conveniente que haja um equilíbrio entre o ―poder de

fusão‖ do fundente e a deformação que ele pode causar (Perez, 2008).

2.3.2.4 Compostos de ferro e titânio

Os compostos de ferro podem estar presentes na forma de óxidos como a hematita

(α - Fe2O3), goetita (α - FeOOH), e lepidocrita (γ - FeOOH) ou formas combinadas: magnetita

(FeO.Fe2O3) e ilmenita (FeO.TiO2) (Leite, 2000). São impurezas que podem ser desejáveis,

pois, por exemplo, a oxidação da hematita dá origem à cor vermelha e a da magnetita, à cor

preta. A presença de óxido de ferro também contribui para ocorrência do coração negro, uma

região escura no interior da peça cerâmica.

Os compostos de titânio também são responsáveis pela coloração das argilas, os

minerais mais comuns são os dióxidos de titânio rutilo e o anatásio (ambos TiO2). Sua

presença é observada pela coloração esbranquiçada ou amarelada da peças, mas geralmente a

presença destes óxidos tende a intensificar a cor proveniente da presença de outros elementos

como o ferro (Grun, 2007).



2.3.2.5 Sais Solúveis

Algumas argilas apresentam, em pequena quantidade, alguns compostos solúveis

em água como os sulfatos de cálcio (CaSO4), de magnésio (MgSO4), de sódio (NaSO4) e de

potássio (K2SO4), dentre outros sulfatos (Grun, 2007).

A presença destes sulfatos pode provocar o aparecimento de eflorescências, as

quais trazem um problema mais de ordem estética do que estrutural. Eflorescências são

depósitos de sais que apresentam cores e manchas indesejáveis. Estes sais podem ter várias

origens, dentre elas as matérias-primas, os materiais de construção, a água existente no

subsolo, etc. A evaporação da água na qual estes sais estão dissolvidos origina este fenômeno

(Menezes, 2006).

2.3.2.6 Matéria orgânica

A presença de matéria orgânica (matéria carbonosa) influi em diferentes

características e propriedades das argilas. Em função de seu conteúdo, a cor do produto pode

variar da cinza à preta (Dutra, 2007). Também pode dar origem, juntamente com óxidos de

ferro presentes, a uma região escura no interior da peça, conhecida como coração negro, e que

traz conseqüências danosas como: inchamento das peças, deformações piroplásticas e

deterioração das características técnicas e estéticas.

O desenvolvimento do coração negro é causado por duas reações: a carbonização

da matéria orgânica, que se transforma em coque, e a redução dos óxidos de ferro pelo

monóxido de carbono e gás carbônico produzidos por esta carbonização. O ferro uma vez

reduzido (Fe3O4 e FeO) apresenta coloração mais escura e é mais fundente do que no seu

estado oxidado (Damiani, 2001).

Assim, a fusibilidade da massa na região em que o ferro está reduzido (coração

negro) é maior do que no restante da peça e isso dificulta a saída dos gases liberados pelas

reações apresentadas acima, o que causa o inchamento da peça (Damiani, 2001).



A escolha de matérias-primas com baixo teor de ferro e matéria orgânica, a

pressão de compactação, ciclo de queima e espessura da peça são variáveis que influenciam o

desenvolvimento do coração negro.

A substituição de argilas com alto teor ferro por aquelas com baixo teor eleva o

custo de produção.

Para que não ocorra o coração negro, o teor de matéria orgânica e espessura da

peça dependerão da densidade da peça a verde e do ciclo de queima. Assim, as variáveis

pressão de compactação e ciclo de queima fornecem um maior controle do processo.

A pressão de compactação determina a permeabilidade da estrutura porosa do

compacto. Para o desenvolvimento do coração negro, é necessária a presença de C e CO em

elevadas concentrações para reduzir o óxido de ferro. Assim, para que esse desenvolvimento

seja evitado, o oxigênio presente na atmosfera do forno deve conseguir permear a estrutura

porosa da peça e reagir com a matéria orgânica transformado-a em dióxido de carbono (CO2).

Desta forma, deve-se procurar trabalhar com densidades as mais baixas possíveis desde que a

resistência mecânica a verde, a retração linear de queima e absorção de água fiquem dentro de

valores aceitáveis (Damiani, 2001).

As massas processadas por via seca geralmente compactam menos do que as

processadas por via úmida, assim a incidência do coração negro em produtos produzidos por

via seca é consideravelmente menor do que na via úmida.

O ciclo de queima também deve ser adequado para que a oxidação da matéria

orgânica ocorra completamente, antes que a absorção do vapor de água diminua, o que

dificulta tanto a entrada de oxigênio quanto a saída de CO e CO2 na peça. Portanto, deve-se

projetar o ciclo de queima de modo a assegurar a completa oxidação da matéria orgânica

prolongando-se o estágio de pré-aquecimento (Damiani, 2001).

2.4 Processamento Cerâmico

Na fabricação de produtos de cerâmicos, destacam-se as seguintes etapas:

formulação e preparação da massa, conformação do produto, secagem e queima.



2.4.1 Formulação da massa

No ciclo produtivo, a formulação da massa é de fundamental importância, pois é a

partir dessa etapa que as características químicas, físicas e mecânicas do produto final

começam a ser definidas. Geralmente, a formulação da massa cerâmica envolve a utilização

de duas argilas de características diferentes, pois dificilmente uma única argila apresenta todas

as características desejáveis (Junior, 2008). Nas empresas, a dosagem de cada argila para

formulação é realizada por meio da utilização de retro-escavadeiras, como pode ser observado

na Figura 18 a seguir.

Figura 18: Escavadeira utilizada na dosagem de matérias-primas

Fonte: www.sindicer-rn.com.br



2.4.2 Preparação da Massa

2.4.2.1 Preparação da Massa para Conformação por Prensagem

Antes de chegar à prensa, a massa cerâmica passará por uma etapa de moagem,

que pode ser por via seca ou úmida. Na moagem, a massa cerâmica, será homogeneizada,

além de ter seu tamanho de partícula reduzido. Essa redução, ao aumentar a superfície

específica das partículas, condicionará a reatividade dos componentes durante a queima

contribuindo para melhorar as características mecânicas do material queimado. Na Figura 19 a

seguir é mostrado um moinho industrial utilizado para essa finalidade.

Figura 19: Moinho industrial

Fonte: http://www.engenhariatermica.eng.br/

Caso a moagem ocorra por via seca, é seguida de uma etapa de granulação. Nessa

etapa é utilizado um misturador no qual será adicionada água às partículas para transformá-las

em grânulos, que formarão uma massa adequada à prensagem.



No caso específico da cerâmica de revestimento por via úmida, antes da

prensagem, a massa cerâmica, na forma de barbotina, passa pelo processo de atomização.

Nesta etapa de processo, a barbotina é encaminhada por tubulações até o

atomizador (torre de secagem, mostrado na Figura 20 (a) e (b)), o qual consiste de um

cilindro, dotado de bicos pulverizadores em sua periferia interna, por onde são borrifadas as

gotas da barbotina. O spray da solução se mistura a um jato de ar quente (em torno de 700°C),

obtido geralmente através da queima de gás natural, resultando numa massa granulada semi-

seca que será encaminhada para prensagem (Oliveira, 2006).

Figura 20: (a) Atomizador (b) esquema de funcionamento

Fontes:

www.gardelin.com.br

en.wikipedia.org/wiki/Spray_drying

2.4.2.2 Preparação da Massa para Conformação por Extrusão

A massa cerâmica, antes de chegar à extrusora, passa por equipamentos cuja

função pode ser de transporte ou adequação ao processo. Esses equipamentos têm as seguintes

funções:

(a) (b)



Caixão Alimentador: transporte da massa, por meio de esteira, do local onde foi

realizada a dosagem até o desintegrador;

Desintegrador: desmanchar os grandes torrões de argila;

Misturador: homogeneizar a massa cerâmica e umidificá-la com teor de água

adequado à conformação;

Laminador: desagregar os torrões ainda existentes, completar a homogeneização e

cortar a massa em lâminas (Junior, 2008).

2.4.3 Conformação

2.4.3.1 Conformação por Prensagem

Este processo consiste na conformação de massas granuladas com baixo teor de

umidade por meio de uma prensa, sendo usada primordialmente na produção de pisos e

revestimentos, embora não se restrinja a esta aplicação. Existem vários tipos de prensa, como

por exemplo: mecânica, hidráulica e isostática. A característica dessa última é a de impor uma

pressão uniforme em toda a superfície o material. Uma aplicação desse tipo de prensagem que

vem crescendo é a fabricação de determinadas peças do segmento de louça de mesa. Esse

processo de fabricação permite elevado grau de automação industrial, desde a manipulação de

matérias-primas até a embalagem. Na Figura 21 a seguir pode ser observada uma prensa

industrial utilizada em processo automatizado (Oliveira, 2006).



Figura 21: Prensa controlada por computador

Fonte: http://www.worldcyberu.com/samplelessoncp4.htm

2.4.3.2 Conformação por Extrusão

O processo de extrusão, mostrado na Figura 22 a seguir, consiste basicamente na

pressurização de uma massa plástica por meio de dispositivos propulsores (pistão, hélice ou

cilindros) contra um molde de formato desejado (boquilha) colocado na extremidade de saída

da extrusora. As boquilhas possuem orifícios que permitem a passagem da massa cerâmica de

forma a imprimir uma seção transversal desejável à massa passante (Junior, 2008).

O tipo de extrusora mais empregado na indústria de cerâmica vermelha é aquele

cujo dispositivo propulsor é a hélice. Isto se deve à fatores, nem sempre presentes nos demais

tipos, como funcionamento simples, boa homogeneização da massa, utilização de sistema de

vácuo (que provoca a expulsão do vapor de água existente no interior da extrusora), fluxo

contínuo e distribuição de pressão na saída do material (Andrade, 2009).



Figura 22: Processo de extrusão

Fonte: www.incargel.com.br

Neste processo, o controle do estado de consistência da massa é importante, visto

que é necessário que a massa esteja em seu estado plástico para ser extrudada. Esse estado,

assim como os estados sólido, semi-sólido e líquido, são definidos por meio de três limites:

contração, plasticidade e liquidez.

O limite de contração (LC) é definido como o teor de umidade abaixo do qual o

solo não mais se contrai, ou seja, não reduz de volume, embora ainda possa continuar

perdendo umidade em processo de secagem.

O limite de plasticidade é definido como a quantidade mínima de água necessária

para que a argila adquira plasticidade para ser moldada.

O limite de liquidez indica o maior teor de umidade com que a amostra de um

solo pode ser capaz de manter uma determinada forma.

Na Figura 23 a seguir é apresentada a seqüência de estados de consistência e seus

respectivos limites em função do aumento da umidade nos materiais argilosos.



Figura 23: Estados de consistência e limites Atterberg para argilas em função da umidade

As argilas podem ser classificadas de acordo com o valor do índice de

plasticidade obtido a partir do Ensaio de Atterberg. Segundo a classificação de Jenkins, que

pode ser observada abaixo na Tabela 1, as argilas podem ser: não-plásticas, fracamente

plásticas, medianamente plásticas e altamente plásticas.

Tabela 1: Classificação das argilas segundo o valor do IP

IP CLASSIFICAÇÃO

IP > 15 Altamente plástica

7 < IP ≤ 15 Medianamente plástica

1 < IP ≤ 7 Fracamente plástica

2.4.4 Secagem

A etapa de secagem ocorre após a conformação das peças. Consiste na

eliminação, por evaporação, da água adicionada na etapa de preparação da massa. Pode ser

natural ou artificial. A escolha do tipo de secagem depende de fatores como clima, capital

disponível a ser investido e produto a ser secado. A secagem natural é utilizada em regiões

onde o clima é seco, é relativamente menos dispendiosa que a artificial e, por ser mais lenta, é

mais indicada para peças que possuem espessuras menores, como telhas. A secagem artificial

Estado

Sólido

Estado

Semi-Sólido

Estado

Plástico

Estado

Líquido

Limite de

Contração

(LC )

Limite de

Liquidez

(LL)

Limite de

Plasticidade

(LP)

Teor de

Umidade

Índice de Plasticidade

IP = LL - LP



é realizada por meio de secadores controlados que podem ser: intermitentes ou contínuos

(Junior, 2008).

2.4.5 Sinterização

A etapa final do processo de fabricação é a queima. É um processo irreversível

que revela erros cometidos em etapas anteriores. (Junior, 2008). É também durante a queima

que se manifestam várias propriedades das argilas por meio de transformações físicas,

químicas e mecânicas (Soares, 2008). Esse tratamento térmico, aliado às características

intrínsecas da massa cerâmica, dará origem às propriedades desejadas. O processo de queima

ocorre em três estágios: pré-sinterização, sinterização e resfriamento (Reed, 1995).

Na pré-sinterização ocorre a perda de matéria orgânica, eliminação dos gases de

decomposição e oxidação do material.

A sinterização pode ser definida como um processo no qual, pós cristalinos ou

não, compactados ou não, são tratados termicamente em uma temperatura abaixo de sua

temperatura de fusão (sinterização por fase sólida), envolvendo uma mudança na

microestrutura do material, por meio de um ou mais mecanismos de transporte, que podem ser

concorrentes ou consecutivos, para se obter um único sólido (Florio, 1998). A sinterização

por fase líquida, mostrada na Figura 24 a seguir, ocorre quando um vidro líquido é formado e

preenche parte do volume dos poros. Essa reação é denominada vitrificação e seu grau

depende da temperatura e tempo de sinterização e da composição da massa cerâmica. Agentes

fundentes, como o feldspato, são os responsáveis pela formação desta fase líquida. Com o

resfriamento, essa fase fundida forma uma matriz vítrea que resulta em um corpo denso e

resistente (Callister, 2008).



Sólido Sólido

Sólido

Sólido Sólido

Sólido

Sólido Sólido

Sólido

Sinterização Inicial

Líquido

Fase Vítrea

Resfriamento

Temperatura Ambiente

Figura 24: Esquema de sinterização via fase líquida

As reações que ocorrem nos produtos cerâmicos durante o processo de queima são

diferentes em função do tipo de argila utilizada no processo de fabricação. Os principais

fenômenos físicos e químicos que ocorrem nos materiais argilosos quando submetidos a

elevadas temperaturas estão indicados abaixo na Tabela 2. (Dutra, 2007).

Tabela 2: Fenômenos físicos e químicos nos materiais argilosos em função da temperatura

TEMPERATURA (ºC) TRANSFORMAÇÃO

Até 150 Eliminação de água livre

150 – 250 Eliminação de água adsorvida

350 – 650 Eliminação de água estrutural

400 – 600 Decomposição de compostos orgânicos

573 Transformação de quartzo α em β

700 – 900 Início da fusão de álcalis e óxidos de ferro

1000 Início da fusão dos CaO e FeO, com formação de silicatos

Até 1200 Formação de fase líquida com redução do volume de poros



A queima do material pode ser realizada em três tipos básicos de fornos: os

intermitentes, semicontínuos e os contínuos. A diferença básica entre eles é a possibilidade de

o material ou o fogo serem móveis.

Nos fornos intermitentes, ambos são estáticos, uma fornada é realizada de cada

vez, retirando-se o produto já esfriado e carregando-se o forno novamente.

Os fornos semicontínuos são formados por dois ou mais fornos intermitentes

justapostos, o que permite aproveitar o calor irradiante de cada um deles para aquecer o

material existente nos demais. Terminada a queima num dos fornos, passa-se ao seguinte e

assim sucessivamente. Nesse tipo de forno, o material a ser queimado já apresenta um pré-

aquecimento devido ao calor proveniente do forno adjacente.

Nos fornos contínuos, o material ou é colocado sobre vagonetas que percorrem

lentamente a extensão do forno (forno túnel de chama livre) ou é colocado diretamente dentro

do forno que possui um sistema móvel de queimadores (forno Hoffmann).

No forno Hoffmann, posição dos queimadores varia com o tempo e assim a

posição das zonas de pré-aquecimento, queima e resfriamento variam ao longo do

comprimento do forno, embora mantendo as suas posições relativas (Freitas, 2007).

O forno mais comumente utilizado para queima de placas cerâmicas é o forno a

rolo.

O resfriamento é o último estágio do processo de queima, porém não menos

importante que os anteriores. Durante a queima, é importante controlar a taxa de aquecimento

e resfriamento, pois defeitos originados de taxas inadequadas podem surgir.

O principal combustível utilizado em quase todas as indústrias de cerâmica

vermelha é a lenha. Porém, atualmente a utilização do gás natural, como substituto da lenha,

vem sendo discutida no setor cerâmico. Isto se deve ao fato de os produtos sinterizados com

gás natural apresentam propriedades superiores àqueles sinterizados com lenha: menor

porosidade, absorção de água e maior resistência mecânica. Apesar disso, sua viabilidade

técnica e econômica exigem maiores investigações (Junior, 2008).



2.5 Revestimento Cerâmico

A NBR- 13816/1997 define placas cerâmicas para revestimento como: material

composto de argila e outras matérias-primas inorgânicas, geralmente utilizadas para revestir

pisos e paredes, sendo conformadas por extrusão (representada pela letra A) ou por

prensagem (representada pela letra B), podendo também ser conformadas por outros

processos (representados pela letra C). As placas são então secadas e queimadas à temperatura

de sinterização. Podem ser esmaltadas ou não esmaltadas, em correspondência aos símbolos

GL (glazed) ou UGL, (unglazed), conforme ISO 13006. As placas são incombustíveis e não

são afetadas pela luz.

Essa mesma norma define também revestimento cerâmico: conjunto formado

pelas placas cerâmicas, pela argamassa de assentamento e pelo rejunte.

A NBR-13817/1997 classifica as placas cerâmicas de acordo com os seguintes

critérios:

Esmaltadas e não esmaltadas;

Métodos de fabricação (extrusão, prensagem, outros);

Grupos de absorção de água, em número de 5;

Classes de resistência à abrasão superficial, em número de 5;

Classes de resistência ao manchamento, em número de 5;

Classes de resistência ao ataque de agentes químicos, segundo diferentes

níveis de concentração;

Aspecto superficial ou análise visual.

A denominação usual dessas placas está relacionada com as características de

absorção de água conforme a Tabela 3 a seguir.



Tabela 3: Grupos de absorção de água

GRUPOS ABSORÇÃO DE ÁGUA (%) CLASSIFICAÇÃO

Ia < 0,5 Porcelanato

Ib 0,5 – 3,0 Grês

IIa 3,0 – 6,0 Semi-Grês

IIb 6,0 – 10,0 Semi-Poroso

III >10,0 Poroso

Algumas características tecnológicas do produto estão associadas ao corpo da

peça (absorção de água, resistência mecânica e expansão por umidade), ao esmalte

(resistência à abrasão, ao manchamento e limpabilidade), e a ambos (resistência química e à

gretagem) (Luz, 2008).

Os revestimentos cerâmicos podem ter formatos e dimensões variáveis. Possuem

opções que combinam com grande variedade de acabamentos, móveis e acessórios; são de

fácil limpeza e assentamento, antialérgicos, não combustíveis (não propagam chamas),

higiênicos e antiderrapantes. Também apresentam características como dureza, resistência à

compressão e a flexão, além de serem isolantes elétricos.

Assim, podem estar presentes em vários locais. Por exemplo: para revestir uma

fachada é preciso que a cerâmica suporte variações climáticas. Um laboratório químico requer

um revestimento que tenha alto nível de resistência à corrosão química, já um ambiente como

uma cozinha industrial exige um revestimento com alto nível de resistência a manchas.

Ambientes de alto tráfego, como áreas de circulação de shoppings ou supermercados, devem

ser revestidos com cerâmica preferencialmente antiderrapante e com alto nível de resistência

mecânica e à abrasão. Em piscinas, é imprescindível que o revestimento tenha pouca ou

nenhuma porosidade.

Enfim, a cerâmica é extremamente versátil e pode também ser uma opção

decorativa para todos os tipos de ambientes, como áreas comerciais, industriais ou

residenciais, áreas secas ou molhadas, internas ou externas, ambientes simples ou sofisticados.

(Luz, 2008).



2.6 Panorama Atual

Em 2008, de acordo com o Anuário Estatístico do Setor de Transformação de

Não-Metálicos do Ministério de Minas e Energia, estima-se que a produção mundial de

cerâmica de revestimento seja de 8,5 bilhões de m2. Dos seis maiores produtores mundiais,

China, Índia e Brasil apresentaram crescimento, enquanto Itália, Espanha e Turquia reduziram

sua produção. Na Tabela 4 a seguir, é mostrada a variação da produção dos cinco maiores

produtores de revestimento cerâmico (Anuário Estatístico 2009).

Também nesse mesmo ano o comércio internacional de cerâmica de revestimento

movimentou 24% da produção mundial, algo em torno de 1,3 bilhão de m2.

Os países líderes em exportação são China (38%), Itália (27%), Espanha (23%),

Brasil (6%) e Turquia (6%).

Tabela 4: Principais Produtores Mundiais de Revestimentos Cerâmicos (Unid: 106m

2)

ANO

PAÍS 2004 2005 2006 2007 2008

CHINA 2300 2500 3000 3200 3360

ESPANHA 640 609 608 584 495

BRASIL 566 568 594 637 747

ITÁLIA 589 570 569 563 527

ÍNDIA 270 298 340 385 404

No ranking internacional a China continua como maior produtor e consumidor,

seguindo-se o Brasil como segundo maior produtor, que ultrapassou a Espanha e Itália desde

2006, sendo o quarto maior exportador mundial, vendendo seus produtos para mais de 130

países. Na Tabela 5 a seguir são apresentados os quatro principais destinos dos revestimentos

brasileiros exportados em 2008 (Anuário Estatístico 2009).



Tabela 5: Principais Destinos das Exportações Brasileiras de Revestimentos Cerâmicos em 2008

PAÍS 103 M

2 %

Estados Unidos 15,3 18,8

Argentina 10,9 13,4

Paraguai 7,8 9,6

Chile 6,5 8,0

O Brasil é o segundo mercado consumidor mundial de revestimentos cerâmicos,

sendo a demanda interna diretamente afetada pelas flutuações da indústria da construção civil.

A cerâmica lidera de longe o mercado de material de revestimento no país (Anuário

Estatístico 2009).

CAPÍTULO

3 Materiais e Métodos

Materiais e Métodos 57


3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Procedimento Experimental

Neste capítulo serão apresentados os materiais e a metodologia utilizados, além

dos equipamentos e técnicas de caracterização.

3.1.1 Matérias-Primas

Dois tipos de matérias-primas foram extraídas de jazida localizada no município

de Ielmo Marinho-RN, cuja localização está mostrada a seguir na Figura 25. As matérias-

primas coletadas receberam a denominação de argila 1 e argila 2.

Figura 25: Localização de Ielmo Marinho, situado na região Agreste

(Fonte: Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes - DNIT)



3.2 Caracterização das Matérias-Primas

Análises química, mineralógica e térmica foram utilizadas para caracterização das

matérias-primas. Análise de distribuição de tamanho de partícula e ensaio para determinação

do índice de plasticidade também foram realizados, tanto nas matérias-primas isoladas como

nas formulações estabelecidas. Análise dilatométrica foi realizada apenas nas formulações.

3.2.1 Análise Química

A técnica de fluorescência de raios X por energia dispersiva (FRX) determinou a

composição química das matérias-primas. As amostras a serem analisadas encontravam-se

com granulometria inferior a 200 mesh (75 µm). Após o peneiramento, foram submetidas

novamente à etapa de secagem em estufa a 110ºC por 24 horas.

Para esse ensaio, utilizou-se Espectrômetro por fluorescência de raios X, modelo

EDX 700 da Shimadzu, pertencente ao Laboratório de Ensaios de Materiais (LABEMAT) do

Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis (CTGÁS-ER). O método utilizado foi o

semiquantitativo, em atmosfera de vácuo. O resultado do ensaio é mostrado na forma dos

óxidos mais estáveis dos elementos químicos presentes. Devido à limitação do método, são

detectados apenas os elementos químicos entre o sódio (Na) e o urânio (U), cujos números

atômicos são, respectivamente, 12 e 92.

3.2.2 Análise Mineralógica

As fases presentes nas matérias-primas foram determinadas pela técnica de

difração de raios X (DRX). Difratômetro com tubo de Cobre (λ = 1,54056 Å), modelo XRD

6000 da Shimadzu, que pertence ao LABEMAT do CTGÁS-ER, foi o equipamento utilizado.

Para a realização dessa análise, utilizaram-se amostras com granulometria inferior

a 200 mesh (75 µm). Depois de peneiradas, as amostras foram novamente levadas à estufa



para secagem a 110ºC por 24 horas. Tensão de 40 KV, Corrente de 30 mA, varredura de 2º a

80º, velocidade de 2º/min e passo de 0,02º foram as condições em que a análise foi realizada.

Também foram determinadas as fases presentes, após queima a 1050 ºC, nas

amostras conformadas por prensagem e extrusão a partir da formulação 4. Por comparação

entre os difratogramas obtidos com o ensaio e os difratogramas de cartas padrões, as fases

presentes foram identificadas. As cartas padrões cadastradas no ICDD - International Centre

for Diffraction Data - estão presentes no software JCPDF.

3.2.3 Análise Racional

A porcentagem das fases presentes em cada matéria-prima foi determinada por

meio da utilização do software MIDS, desenvolvido por pesquisadores da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte (UFRN). Esse software utiliza, como dados de entrada, as

fases e óxidos presentes obtidos pela utilização das técnicas de difração de raios-X e

fluorescência de raios-X, respectivamente.

3.2.4 Análise Térmica (AT)

A análise térmica foi dividia em duas: Análise Termogravimétrica (TG) e Análise

Térmica Diferencial (DTA). Na primeira, é apresentado como resultado a variação da massa

da amostra em função do aumento de temperatura; na segunda, a ocorrência de eventos em

que ocorram absorção ou perda de calor, ou seja, eventos endotérmicos ou exotérmicos.

Ainda no resultado da análise termogravimétrica, é interessante observar a

chamada curva de termogravimetria derivada (DrTG) a qual, em comparação com a própria

curva termogravimétrica, melhor representa as temperaturas de início e fim da perda de

massa.

Essas análises foram realizadas em equipamento da bp Engenharia modelo 3000-

20, pertencente ao Laboratório de Engenharia de Materiais (LABMAT) da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte (UFRN).



Utilizaram-se amostras com granulometria inferior a 200 mesh (75 µm); o

tratamento térmico foi até a temperatura de 1000 °C, com taxa de aquecimento de 10 ºC/min.

Nesta análise, utilizou-se atmosfera a ar.

3.2.5 Análise Granulométrica (AG)

A técnica utilizada foi a classificação de partículas por difração a laser. Para esse

ensaio, as amostras utilizadas, as duas matérias-primas isoladas e as quatro formulações,

apresentavam granulometria inferior a 35 mesh (425 µm). Após o peneiramento, as amostras

foram novamente secas em estufa à temperatura de 110ºC por 24 horas. Granulômetro a laser,

modelo 920 L da Cilas, pertencente ao Laboratório de Materiais Cerâmicos e Metais

Especiais (LMCME) da UFRN, foi o equipamento utilizado. Nesse ensaio, foram dispersos

2g de amostra em solução formada por 2 mL de detergente neutro e 10 mL de água destilada.

A dispersão ocorreu no tempo de 60 segundos em ultrassom. O software The Particle Expert

forneceu o resultado, que é apresentado como histograma e curva cumulativa.

3.2.6 Análise Dilatométrica (AD)

O ensaio de dilatometria fornece a variação dimensional da amostra em função do

aumento ou redução de temperatura, desta forma, pode-se avaliar as temperaturas em que

eventos como retração ou expansão estejam ocorrendo. A análise dilatométrica das quatro

formulações foi realizada em dilatômetro RB-115 da bp Engenharia com o programa RB

3000-20, pertencente ao LABMAT da UFRN. Os corpos de prova foram confeccionados por

prensagem uniaxial. A pressão utilizada foi de 25 MPa.

Os corpos-de-prova apresentavam comprimento de 30 mm e seção retangular,

com largura igual a 8 mm e altura de 5 mm. As amostras foram aquecidas à taxa de 5ºC/min.

Cada um dos quatro ensaios realizados foi encerrado quando a amostra apresentou indícios de

estar fundindo. Optou-se por esta decisão como maneira de não danificar o equipamento

utilizado.



3.2.7 Índice de Plasticidade (IP)

O índice de plasticidade é determinado pela subtração entre o limite de liquidez -

LL - (ABNT, NBR 6459) e o limite de plasticidade - LP - (ABNT, NBR 7180).

O método utilizado neste ensaio foi o de Atterberg por apresentar simplicidade,

sensibilidade, além de ser um método muito utilizado para o material em estudo. Por meio do

índice de plasticidade, é possível saber se determinada matéria-prima possui maior ou menor

quantidade de materiais argilosos. Para a realização desse ensaio, as matérias-primas e as

formulações foram secas à temperatura ambiente.

Na Tabela 6 abaixo é apresentado um resumo das análises a que cada matéria-

prima e formulações foram submetidas. Nessa tabela, também é mostrado o modo de secagem

e a peneira utilizada para a realização de cada ensaio.

Tabela 6: Resumo das análises realizadas nas matérias-primas e formulações

FRX DRX AG AT AD IP

ARGILA 1 110ºC;

200 mesh

110ºC;

200 mesh

110ºC;

35 mesh

Natural;

200 mesh X

Natural;

35 mesh

ARGILA 2 110ºC;

200 mesh

110ºC;

200 mesh

110ºC;

35 mesh

Natural;

200 mesh X

Natural;

35 mesh

FORMULAÇÕES X *Form. 4 110ºC;

35 mesh X

Após conformação;

35 mesh

Natural;

35 mesh

* Formulação 4

3.3 Conformação dos Corpos-de-prova

Dois métodos de conformação foram utilizados: prensagem e extrusão. Quatro

formulações, com diferentes proporções em massa de argila 1 e 2, foram estabelecidas.

Na Tabela 7 a seguir são apresentados os métodos de conformação e as

formulações utilizadas, designadas como formulação 1, 2, 3 e 4. Após a determinação das

propriedades tecnológicas dos corpos-de-prova conformados por prensagem, escolheu-se a



formulação que apresentou os resultados mais satisfatórios de retração linear e absorção de

água. Assim, apenas os corpos-de-prova da formulação 4 foram conformados por extrusão.

Tabela 7: Métodos de conformação e formulações utilizadas

MÉTODO DE

CONFORMAÇÃO FORMULAÇÃO

ARGILA (% EM MASSA)

1 2

Prensagem

1 66,5 33,5

2 50 50

3 33,5 66,5

4 25 75

Extrusão 4 25 75



3.3.1 Prensagem

Para a conformação dos corpos de prova, as matérias-primas foram inicialmente

destorroadas. Em seguida, foram colocadas em estufa elétrica a (110 ºC 5 °C) e

posteriormente peneiradas em peneira 35 mesh (425 µm).

Cada formulação foi umidificada com adição de água (10% em massa) e

acondicionada em sacos plásticos por 24 horas para melhor homogeneização da umidade.

Os corpos de prova, cujas massas eram de aproximadamente 13 gramas, foram

confeccionados por prensagem uniaxial em prensa hidráulica modelo PHS 15 t Schulz. A

pressão de compactação foi de 25 MPa. Na Figura 26 a seguir é mostrada a matriz utilizada

para conformação. As dimensões comprimento, largura e altura dos corpos de prova foram,

respectivamente de 60 x 20 x 5 mm.

Figura 26: Matriz utilizada para conformação por prensagem

Posteriormente à compactação, os corpos de prova foram medidos, pesados e

colocados em estufa a 110ºC por 24 horas. Após a secagem, foram medidos e pesados

novamente. A medição foi realizada com paquímetro digital, da marca Starret, com resolução

de 0,05 mm e a pesagem, em balança analítica com resolução de 0,0002 g, da Shimadzu.

60 mm

20 mm



3.3.2 Extrusão

Para a conformação de corpos-de-prova por extrusão, as matérias-primas foram

destorroadas e peneiradas em peneira 14 mesh (1,18 µm). Em seguida realizou-se a mistura

das matérias-primas na proporção, em massa, de 25% de argila não-plástica e 75% de argila

plástica. Adicionou-se água (18% em massa) para obtenção de uma massa adequada à

conformação por extrusão. A massa, uma vez umidificada, foi acondicionada em recipiente

plástico por 24 horas para melhor homogeneização da umidade.

Posteriormente, corpo-de-prova com dimensões de 70 X 40 X 7,5 mm foram

conformados; pela boquilha da extrusora era emitida uma massa cerâmica contínua que em

seguida era cortada na medida dos corpos-de-prova. Na Figura 27 e na Figura 28 a seguir são

mostrados, respectivamente, a boquilha utilizada e o processo de extrusão.

Após a conformação, os corpos de prova foram medidos, pesados e submetidos à

secagem natural por 24 horas. Após esse tempo, foram colocados em estufa a 110ºC pelo

mesmo período. Após a secagem, foram medidos e pesados novamente. A medição foi

realizada com paquímetro digital, da marca Starret, com resolução de 0,05 mm e a pesagem,

em balança analítica com resolução de 0,0002 g, da Shimadzu.

Figura 27: Boquilha utilizada para conformação por extrusão

38 mm

7 mm



Figura 28: Conformação dos corpos-de-prova por extrusão

3.4 Ciclo de Queima

O ciclo de queima foi realizado em forno elétrico da marca Jung pertencente ao

LABMAT da UFRN. Para as amostras prensadas, foram estabelecidos três ciclos de queima.

Cada ciclo teve uma temperatura de patamar - 850ºC, 950ºC e 1050ºC. Cada uma das

formulações foi submetida a esses três ciclos cujas condições foram: atmosfera natural; taxa

de aquecimento de 10ºC/min e patamar de 30 minutos. O resfriamento ocorreu de maneira

natural dentro do forno. Para as amostras conformadas por extrusão, foi escolhido um único

ciclo de queima, que apresentou temperatura de patamar igual a 1050ºC. A representação

esquemática desse ciclo pode ser observada na Figura 29 a seguir.

No entanto, o ciclo utilizado nas amostras prensadas não se mostrou adequado às

amostras extrudadas, pois as amostras incharam e apresentaram a formação de coração negro,

como pode ser observado na Figura 30 (a) e (b) a seguir.



850

950

1050 30 min

30 min

30 min

Resfriamento

natural

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Tempo (min)

Temperatura

ambiente

Figura 29: Ciclo de queima utilizado nos corpos-de-prova conformados por prensagem

Figura 30: Corpo-de-prova apresentando: (a) inchamento e (b) coração negro

(a)

(b)



Desta forma, foi estabelecido um novo ciclo de queima que apresentava dois

patamares: um de 60 e outro de 30 minutos, cujas temperaturas foram, respectivamente, de

600ºC e 1050ºC. A taxa de aquecimento em todo o ciclo foi de 2ºC/min.

A reduzida taxa de aquecimento e o primeiro patamar (600ºC) forneceram

condições para que a oxidação da matéria orgânica presente ocorresse completamente,

evitando-se o desenvolvimento do coração negro.

A temperatura de 1050ºC foi estabelecida para o segundo patamar, pois foi a que

forneceu propriedades tecnológicas mais satisfatórias para as amostras prensadas.

Nesse ciclo a atmosfera foi a natural e o resfriamento, como para as amostras

prensadas, ocorreu de maneira natural no interior do forno. Na Figura 31 a seguir pode-se

observar a representação esquemática desse ciclo. Os corpos-de-prova já sinterizados estão

mostrados na Figura 32 a seguir.

600

105030 min

60 min

Resfriamento

naturalTem

per

atu

ra (

ºC)

Tempo (min)

Temperatura

ambiente

Figura 31: Ciclo de queima utilizado nos corpos-de-prova conformados por extrusão

Figura 32: Corpos-de-prova conformados por extrusão e sinterizados a 1050ºC (régua em cm)



3.5 Caracterização do produto final

Ensaios de Retração Linear de Queima (RLQ), Absorção de Água (AA),

Porosidade Aparente (PA), Massa Específica Aparente (MEA), Perda ao Fogo (PF) e Tensão

de Ruptura à Flexão (TRF) foram realizados para que fossem avaliadas as potencialidades

tecnológicas dos produtos obtidos por prensagem e extrusão. Além desses ensaios, foi

realizada análise de difração de raios X para determinação das fases presentes após a queima

da formulação 4 a 1050 ºC.

3.5.1 Retração Linear de Queima (RLQ)

A medida da variação dimensional linear dos corpos de prova após o ciclo de

queima é denominada Retração Linear de Queima. Na medição, foi utilizado paquímetro

digital Starret, com resolução 0,05mm. A retração linear é obtida, em porcentagem, por meio

da seguinte equação 3.1:

onde:

= comprimento do corpo-de-prova seco (antes da queima)

= comprimento do corpo-de-prova queimado



3.5.2 Absorção de água (AA)

Absorção de água é a porcentagem, em massa, do valor de água absorvido pelo

corpo de prova após a sinterização. Logo depois da queima, os corpos de prova foram pesados

em balança analítica com resolução de 0,0002g. Em seguida, foram submersos em água por

24 horas. Passado esse tempo, foram removidos do estado de submersão, o excesso de água

superficial foi retirado com pano umedecido, e novamente pesados para que fosse realizado o

cálculo de quanto de água cada corpo de prova absorveu. Esse cálculo foi realizado de acordo

com a equação 3.2 abaixo:

onde:

= peso do corpo-de-prova saturado (depois de submerso por 24 h)

= peso do corpo-de-prova queimado

3.5.3 Porosidade Aparente (PA)

Porosidade Aparente é a medida percentual do volume de poros que possuem

conexão com a superfície dos corpos de prova, ou seja, é a medida percentual do volume de

poros abertos. A equação 3.3 é a expressão matemática que define a Porosidade Aparente.

Para obtenção do peso do corpo de prova imerso, o Método de Arquimedes foi usado.

Utilizou-se água na temperatura ambiente como fluido de imersão.

onde:





= peso hidrostático do corpo-de-prova imerso em água

3.5.4 Massa Específica Aparente (MEA)

A relação entre a massa e o volume total do corpo de prova é denominada massa

específica aparente. A equação 3.4 foi utilizada para o cálculo da MEA.

Na qual:



= peso hidrostático do corpo-de-prova imerso em água

3.5.5 Perda ao Fogo (PF)

A perda ao fogo foi obtida por meio da variação de massa ocorrida entre as

temperaturas de 110 ºC e as temperaturas de sinterização das amostras: 850ºC, 950ºC e

1050ºC. A seguinte expressão 3.5 foi utilizada:

Na qual:

= peso do corpo-de-prova seco (antes da queima)




3.5.6 Tensão de Ruptura à Flexão (TRF)

O comportamento mecânico dos corpos-de-prova foi analisado por meio do ensaio

flexão em três pontos, mostrado na Figura 33 a seguir.

Figura 33: Ensaio flexão em três pontos

O equipamento utilizado foi a Máquina de Ensaios Universal da Shimadzu,

modelo Ag-I com 250 KN de capacidade, do Laboratório de Ensaios de Materiais do CTGÁS-

ER.

Para este ensaio, os corpos de prova foram medidos nas três dimensões. Utilizou-

se a célula de carga de menor capacidade - 50 KN - com sensor de carga máxima de 0,5 KN

para que fosse obtida maior precisão nos resultados. A equação 3.6 foi utilizada:



Na qual:

= Carga de ruptura (em Newtons)

= Distância entre os apoios do suporte (em mm)

= Largura do corpo-de-prova (em mm)

= Altura do corpo-de-prova (em mm)

Na Figura 34 a seguir são apresentadas, de maneira resumida, as etapas que foram cumpridas

após a conformação das formulações por prensagem. Também são mostrados os ensaios

tecnológicos realizados.

Formulações (Conformação por prensagem)

1

Queima ( 850 - 950 – 1050 °C )

RL, AA, PA, MEA, TRF e DRX - Formulação 4 – 1050 °C

Formulação 4 (Conformação por extrusão)

Queima (1050 °C )

RL, AA, PA, MEA, TRF, DRX

2 3 4

Secagem (24 H)

Secagem (24 H)

Figura 34: Esquema apresentando etapas para escolha de formulação a ser conformada por extrusão

CAPÍTULO

4 Resultados e Discussão

Resultados e Discussão 74


4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Caracterização das matérias-primas

4.1.1 Análise Química

Na Tabela 8 abaixo são apresentados os resultados da análise química das argilas,

em percentagem mássica dos respectivos óxidos, obtidas por fluorescência de raios X. O alto

teor de SiO2 nas duas amostras é atribuído à presença de silicatos, principalmente os

argilominerais, e ao quartzo livre.

Tabela 8: Análise química das argilas

ÓXIDOS PRESENTES

CONCENTRAÇÃO EM

MASSA (%)

ARGILA

1 2

SiO2 47,82 45,98

Al2O3 23,86 24,85

Fe2O3 13,70 15,36

K2O 5,85 5,84

MgO 2,68 2,46

CaO 2,44 1,99

TiO2 1,76 1,79

Na2O 1,07 0,94

Outros 0,82 0,79

Outra importante informação observada é o teor de Fe2O3, que será determinante

na coloração avermelhada das cerâmicas após a etapa de queima, como mostrado na Figura

35.

O SiO2 contribui para o aumento da resistência mecânica e diminuição da retração

do material sinterizado, já que se comporta como um ―esqueleto‖ durante a formação da fase

líquida.



Os óxidos de metais alcalinos (Na2O e K2O) e alcalino-terrosos (MgO e CaO)

atuam como fundentes, uma vez que diminuem a temperatura em que a formação de fase

líquida ocorre. Os cátions metálicos substituem o oxigênio compartilhado por dois átomos de

silício, desta forma a ligação covalente é substituída por ligação iônica e assim a energia de

ativação para formação de fase líquida é menor.

Figura 35: Corpos-de-prova das formulações 1, 2, 3 e 4 conformados por prensagem após sinterização a

850, 950 e 1050ºC

Os resultados com os valores de perda de massa ao fogo para as formulações 1, 2,

3, e 4 estão mostrados na Tabela 9 a seguir.

850ºC

950ºC

1050ºC

C

Formulação

1 2 3 4



Tabela 9: Valores de perda ao fogo das formulações 1, 2, 3 e 4

MÉTODO DE

CONFORMAÇÃO FORMULAÇÃO

PERDA DE MASSA % (DESVIO-PADRÃO %)

850ºC 950ºC 1050ºC

Prensagem

1 4,45 (±0,08) 4,61 (±0,07) 4,75 (±0,02)

2 5,38 (±0,08) 5,59 (±0,06) 5,82 (±0,07)

3 6,19 (±0,1) 6,39 (±0,09) 6,65 (±0,05)

4 6,44 (±0,05) 6,61 (±0,05) 6,77 (±0,06)

Extrusão 4 — — 9,40 (±0,03)

Dentro do método de conformação por prensagem, é possível observar duas

tendências: uma referente ao aumento de temperatura e outra à composição da formulação. O

aumento de temperatura provoca maior perda de massa, uma vez que as quantidades liberadas

de carbono oxidado e oxigênio são maiores à medida que a temperatura aumenta. Por sua vez,

a redução do percentual de argila 1 - aumento de argila 2, rica em matéria orgânica, conforme

o resultado da análise termogravimétrica – também origina maior perda de massa, pois a

quantidade matéria orgânica liberada é maior.

Pode-se ainda comparar os dois métodos de conformação, prensagem e extrusão,

analisando-se a formulação contendo 25% de argila 1. A maior perda de massa observada na

extrusão (9,40%), quando comparada à prensagem (6,77%), é decorrente do fato de o ciclo de

queima utilizado ter apresentado um patamar de 60 min a 600 ºC e taxa de aquecimento de 2

ºC/min, inferior à utilizada nas amostras conformadas por prensagem. Assim, o patamar

utilizado e a taxa de aquecimento relativamente baixa forneceram condições para que fosse

liberada maior quantidade de carbono e oxigênio. Além disso, como a extrusão é um processo

que requer maior quantidade de água, se comparado à prensagem, é possível que essa água de

conformação ainda estivesse presente, em maior quantidade, no momento em que os corpos

de prova foram levados ao forno, embora tenham passado por uma etapa de secagem.

O ciclo de queima diferenciado para os processos de conformação – prensagem e

extrusão – foi necessário, uma vez que o ciclo de queima empregado para os componentes

prensados não se mostrou adequado para aqueles conformados por extrusão – ocorrência do

fenômeno coração negro e inchamento das peças. O inchamento ocorre, pois como a peça é

aquecida de fora para dentro deve haver tempo suficiente para que os gases provenientes da



decomposição da matéria orgânica atinjam a superfície antes que essa se torne um bloqueio

para sua saída. Como as peças conformadas por extrusão apresentavam maiores dimensões, a

taxa de aquecimento teve de ser inferior à utilizada para os componentes prensados, pois os

gases produzidos teriam de percorrer um maior caminho até a superfície.

4.1.2 Análise Mineralógica

Os resultados das análises de difração de raios X das argilas em estudo são

apresentados na Figura 36 (a) e (b) a seguir.

As argilas 1 e 2 apresentaram como minerais argilosos montmorilonita, caulinita e

ilita. Os minerais acessórios quartzo, anortita (um tipo de feldspato) e dolomita (carbonato de

cálcio-magnésio) estavam presentes nas duas matérias-prima analisadas. Também uma fase de

óxido de ferro, denominada hematita, estava presente nas duas argilas.

Apesar de as duas argilas apresentarem fases idênticas, a porcentagem de cada

uma delas não é a mesma, o que será observado com o resultado da análise racional.



10 20 30 40 50 60 70 80

0

100

200

300

400

500

I

I

Q

D

IDC

Q

C

M

M

AA A

hQh

Q

Q

QQ h

A

C

A

Q

Inte

nsid

ad

e (

cp

s)

(a)

10 20 30 40 50 60 70 80

0

100

200

300

400

500

hQ

DD

CC

M

C

M

(b)

hQ h

A

hhQ

AQ

Q

A

Q

Inte

nsid

ad

e (

cp

s)

Figura 36: Difratograma de raios X: (a) argila 1 e (b) argila 2

I: ilita – K0,65Al2 . [Al0,65Si3,35O10](OH)2

C: caulinita – Al2(Si2O5)(OH)4

M: montmorilonita –

(Na,Ca)0,33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2.nH2O

Q: quartzo – SiO2

A: anortita – Ca(Al2Si2)O8

D: dolomita – MgCa(CO3)2

h: hematita – Fe2O3

I: ilita – K0,65Al2 . [Al0,65Si3,35O10](OH)2

C: caulinita – Al2(Si2O5)(OH)4

M: montmorilonita –

(Na,Ca)0,33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2.nH2O

Q: quartzo – SiO2


D: dolomita – MgCa(CO3)2




4.1.3 Análise Racional

Na Tabela 10 abaixo é possível observar a porcentagem das fases presentes em

cada matéria-prima analisada. As argilas 1 e 2 possuem em sua composição mais de 60% do

argilomineral ilita. O argilomineral montmorilonita está presente em maior quantidade na

argila 2, o que está de acordo, como será visto adiante, com a elevada perda de massa

observada na curva do DTA no intervalo entre 100 e 200 ºC. O teor de quartzo presente na

argila 2 (10,58 %) é inferior ao da argila 1 (14,54 %). Desta forma, o aumento do teor da

argila 2 nas formulações acarreta redução na quantidade de quartzo. Esse fato, aliado a maior

quantidade de argilominerais presentes, explica o aumento do índice de plasticidade quando

se aumenta o teor de argila 2. Embora os resultados de difração de raios X tenham indicado a

presença do argilomineral caulinita, a análise racional não confirmou esse fato. É bem

provável, portanto, que, devido à reduzida quantidade existente deste argilomineral, o

software não o tenha detectado.

Tabela 10: Porcentagem das fases presentes nas argilas 1 e 2

FASES (%) ARGILA

1 2

Ilita 63,26 63,75

Montmorilonita 0,96 3,98

Quartzo 14,54 10,58

Hematita 13,47 15,13

Dolomita 6,88 5,16

Anortita 0,98 1,50



4.1.4 Análise Térmica (AT)

Na Figura 37 (a) e (b) a seguir são ilustrados, respectivamente, os resultados das

análises termogravimétrica (TG/DrTG) das argilas 1 e 2. A argila 1 apresentou menor perda

de massa em relação à plástica.

Observou-se que, nas duas argilas, na faixa de temperatura entre 100 e 200 ºC,

ocorreu perda de massa relacionada à perda de água livre e adsorvida.

Entre 400 e 600 ºC pode ser observada uma segunda perda de massa

provavelmente atribuída à decomposição de compostos orgânicos e à liberação de água

estrutural.

A perda de massa observada nestas duas faixas pode ser corroborada pela DTA.

Acima de 600 ºC, ainda ocorre perda de massa devido à decomposição da

dolomita.



200 400 600 800 1000

-4

-2

0

(a)

TG

DrTG

Temperatura (ºC)

TG

(%

)

argila 1

-150

-100

-50

0

50

100

150

DrT

G

200 400 600 800 1000

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

TG

DrTG

Temperatura (ºC)

TG

(%

)

-400

-200

0

200

400

600

(b)

DT

G

argila 2

Figura 37: TG das argilas: (a) argila 1 e (b) argila 2



Na Figura 38 a seguir são mostrados os resultados da análise térmica das argilas 1

e 2. A alta intensidade do primeiro pico endotérmico, referente à eliminação de água livre e

fisicamente adsorvida, a aproximadamente 135 ºC é característica de argilas que têm grande

quantidade de ilita ou montmorilonita, confirmando os resultados de difração de raios X e

análise racional. O segundo pico endotérmico está relacionado à saída de água da estrutura

dos argilominerais. Esse evento endotérmico com máximo em torno de 566 °C, em ambas as

argilas, indica também a transformação do quartzo alfa em beta, acompanhado de expansão

volumétrica. Esta transição também pode ser observada analisando-se a mudança da

inclinação da curva dilatométrica nesta temperatura.

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-22

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

(b)

(a)DT

A (

V)

Temperatura (ºC)

argila 1

argila 2

Figura 38: DTA das argilas: (a) argila 1 e (b) argila 2



4.1.5 Análise Granulométrica (AG)

Na Tabela 11 abaixo estão apresentados o percentual de partículas com tamanho

inferior a 2 µm (argilominerais) e tamanho médio de partícula presentes nas matérias-primas e

formulações. É possível observar que o aumento do teor de argila 2 acarreta o aumento do

teor de argilominerais, bem como diminuição do tamanho médio das partículas.

A primeira conseqüência está de acordo com os resultados obtidos com a análise

racional e, como será visto, com o índice de plasticidade, uma vez que a presença dessas

partículas contribui para o aumento da plasticidade. A segunda está relacionada à faixa de

distribuição das argilas 1 e 2. A argila 1, além de apresentar distribuição mais larga, também

possui maior quantidade de partículas na faixa de 60 a 100 µm; por outro lado, a argila 2

apresenta maior quantidade em uma faixa mais estreita de tamanho de partícula (8 a 20 µm).

Além disso, a redução do tamanho de partículas exercerá influência na

temperatura em que se inicia a sinterização, como será visto ao se analisar as curvas

dilatométricas.

Tabela 11: Tamanho inferior a 2 µm e tamanho médio das partículas presentes nas argilas e formulações

ARGILAS E

FORMULAÇÕES

TAMANHO DE

PARTÍCULAS

INFERIOR A 2 µm

(%)

TAMANHO

MÉDIO DE

PARTÍCULA

(µm)

Argila 1 3,6 45,99

Formulação 1 6,03 34,94




Argila 2 12,91 9,52

Os perfis granulométricos cumulativos das argilas e das formulações são

apresentados a seguir - Figura 39 até a Figura 44. Nota-se que as argilas 1 e 2 possuem

distribuição monomodal de tamanho de partícula.



A partir da análise das distribuições de tamanho de partícula das formulações, é

possível observar que a redução do percentual de argila 1 tende a diminuir a distribuição de

tamanho de partícula, proporcionando também uma mudança na distribuição, de bimodal para

monomodal.

Diâmetro Equivalente (µm)

Fra

ção C

um

ula

tiva

(%)

His

togra

ma

(%)

Figura 39: Curva granulométrica da argila 1


Fra

ção C

um

ula

tiva

(%)

His

togra

ma

(%)

Figura 40: Curva granulométrica da argila 2




Fra

ção C

um

ula

tiva

(%)

His

togra

ma

(%)

Figura 41: Curva granulométrica da formulação 1


Fra

ção C

um

ula

tiva

(%)

His

togra

ma

(%)





Fra

ção C

um

ula

tiva

(%)

His

togra

ma

(%)



Fra

ção C

um

ula

tiva

(%)

His

togra

ma

(%)




4.1.6 Análise Dilatométrica

Na Figura 45 a seguir são mostradas as curvas dilatométricas de todas as

formulações. A 550 ºC é possível observar a mudança na inclinação das curvas, referente à

transformação do quartzo α em β. A mudança na inclinação ocorre, pois essa transformação é

acompanhada de expansão volumétrica (acima de 3%).

Também é possível observar que quanto maior a quantidade de argila 1 existente,

o que ocasiona maior quantidade de quartzo presente, maior será a expansão da formulação

com o aumento da temperatura.

Para todas as formulações, a partir de 900ºC inicia-se a retração das amostras, o

que caracteriza o início do processo de sinterização.

A temperatura em que se inicia a sinterização também varia com as formulações.

À medida que se aumenta o teor de argila 2, essa temperatura tende a diminuir. Esse fato está

relacionado ao tamanho das partículas, pois quanto menor o seu tamanho, maior sua

reatividade.

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

L/L

0

Temperatura (ºC)

Formulação:

1

2

3

4

Figura 45: Curvas Dilatométricas das formulações 1, 2, 3 e 4



4.1.7 Índice de Plasticidade

A avaliação do Índice de Plasticidade (IP) pode ser feita por meio da análise da

Tabela 12 a seguir. Nas formulações apresentadas, com o aumento do teor de argila 2, o

índice de plasticidade também aumenta, visto que dois fatores ocorrem: a redução do teor de

quartzo, conforme observado pela análise racional, e aumento da quantidade de argilominerais

presentes. A formulação 4, com 75 % em massa de argila 2, foi classificada como

medianamente plástica, o que é uma característica positiva para a conformação por extrusão.

A argila 2, por sua vez, foi classificada como altamente plástica, pois apresentou IP

correspondente a 15,23%.

Tabela 12: Índice de plasticidade das argilas 1 e 2 e das formulações 1, 2, 3 e 4

FORMULAÇÃO ARGILA (% EM MASSA) IP

(%) 1 2

Argila 1 100 0 5,04

1 66,5 33,5 6,31

2 50 50 7,4

3 33,5 66,5 9,67

4 25 75 13,84

Argila 2 0 100 15,23

4.2 Caracterização do produto final

As curvas de gresificação referentes às formulações queimadas entre 850 e 1050ºC são

mostradas a seguir - Figura 46 até a Figura 49. Estes resultados indicam um aumento do

processo de densificação a partir de 950 ºC. Uma tendência geral observada é que o aumento

de temperatura proporciona diminuição da absorção de água, como conseqüência da maior

formação de fase líquida a altas temperaturas, e aumento da retração linear.



Os resultados indicam que a adição do teor da argila 2 na massa cerâmica

proporciona aumento da retração linear das peças sinterizadas. Isto pode estar relacionado à

diminuição da quantidade da fase anortita e do teor de quartzo. A anortita é um feldspato

cálcico que contribui para intensificar a sinterização da cerâmica e reduzir a retração linear de

queima.

Os resultados obtidos de retração linear (< 4 %) estão dentro da faixa apropriada

para fabricação industrial de cerâmica vermelha e de revestimento. Este resultado é

importante, uma vez que a obtenção de boa estabilidade dimensional dos corpos queimados

resultará na redução do custo de produção.

A análise dos resultados de absorção de água indica uma pequena diminuição

desta propriedade com o aumento do teor de argila 2, provavelmente devido à diminuição do

nível de porosidade aberta das peças cerâmicas. Estes resultados também indicaram que não

há restrições a nenhuma das formulações estudadas quanto à fabricação de tijolos, blocos

cerâmicos ou telhas (absorção de água < 20 %).

Por outro lado, no tocante a aplicações em cerâmica de revestimento, apenas as

formulações 2, 3 e 4 sinterizadas a 1050 ºC apresentaram absorção de água típica de

revestimento semi-poroso (6 < AA ≤ 10%, classe BIIb), de acordo com a NBR 13.818/1997:

Placas Cerâmicas para Revestimento – Especificação e Métodos de Ensaio (descrição dos

parâmetros dos ensaios). Segundo esta mesma norma, a formulação 1 é classificada como

revestimento poroso (AA > 10%, classe BIII).



850 900 950 1000 1050

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Retração linear

Absorção de água

Temperatura (ºC)

Re

tra

çã

o lin

ea

r (%

)

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Ab

so

rçã

o d

e á

gu

a (%

)

Figura 46: Curva de gresificação da formulação 1

850 900 950 1000 1050

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Retração linear

Absorção de água

Temperatura (ºC)

Re

tra

çã

o lin

ea

r (%

)

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Ab

so

rçã

o d

e á

gu

a (%

)




850 900 950 1000 1050

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Retração linear

Absorção de água

Temperatura (ºC)

Re

tra

çã

o lin

ea

r (%

)

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Ab

so

rçã

o d

e á

gu

a (%

)


850 900 950 1000 1050

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Retração linear

Absorção de água

Temperatura (ºC)

Re

tra

çã

o lin

ea

r (%

)

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Asb

orç

ão

de

ág

ua

(%)

Figura 49: Curvas de gresificação da formulação 4



A porosidade aparente (PA) e a massa específica aparente (MEA) dos corpos

cerâmicos queimados seguiram o mesmo comportamento da absorção de água e da retração

linear de queima, respectivamente, como ilustrado a seguir na Figura 50 e Figura 51.

Uma menor dispersão dos valores de porosidade aparente pode ser observada à

temperatura de 950 ºC; a esta temperatura o percentual volumétrico de porosidade aberta se

manteve em torno de 25% para todas as formulações. O processo de densificação,

caracterizado pelos valores de MEA, não mostrou variação significativa com a temperatura,

apresentando um sensível aumento apenas a 1050 ºC, provavelmente devido o fechamento

parcial da porosidade aberta durante o processo de sinterização.

850 900 950 1000 1050

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Formulação:

1

2

3

4

Po

rosid

ad

e A

pa

ren

te(%

)

Temperatura (ºC)

Figura 50: Porosidade aparente das formulações 1, 2 ,3 e 4 nas temperaturas de 850ºC, 950º e 1050ºC



850 900 950 1000 1050

1,90

1,95

2,00

2,05

2,10

2,15

2,20

Formulação:

1

2

3

4

Ma

ssa

Esp

ecífic

a A

pa

ren

te (

g/c

m3)

Temperatura (ºC)

Figura 51: Massa específica aparente das formulações 1, 2, 3 e 4 nas temperaturas de 850ºC, 950ºC e

1050ºC

Na Figura 52 a seguir são mostrados os resultados de tensão de ruptura a flexão

(TRF) dos corpos cerâmicos queimados. Pode-se observar claramente que a adição da argila 2

aumenta a resistência mecânica em todo o intervalo de temperatura estudado. Esta

característica pode estar relacionada a maior presença de minerais argilosos nessa argila.

Desejando-se identificar peças com resistência mecânica e absorção de água que

atendessem à norma para revestimento classificado como semi-poroso, não se realizou o

ensaio de resistência a flexão na formulação 1, por esta ter apresentado AA superior a 10% na

temperatura de 1050 ºC.

De acordo com a NBR 13.818/1997 apenas as formulações 3 e 4 sinterizadas a

1050 ºC podem ser classificadas como revestimento poroso (TRF ≥ 12 MPa, classe BIII). É

importante ressaltar que as placas cerâmicas classificadas como BIII, com absorção de água

acima de 10%, são recomendadas para serem utilizadas como revestimento de parede

(azulejo), justamente por possuírem alta absorção e, portanto, resistência mecânica reduzida.



850 900 950 1000 1050

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

TR

F (

MP

a)

Temperatura (ºC)

Formulação:

2

3

4

Figura 52: Tensão de ruptura à flexão das formulações 2, 3 e 4 nas temperaturas de 850ºC, 950ºC e

1050ºC

Na Tabela 13 a seguir são apresentadas a perda de massa e as propriedades

tecnológicas da formulação 4 conformada por extrusão e sinterizada a 1050ºC. Por meio da

comparação entre as propriedades dos corpos-de-prova conformados por prensagem e

extrusão, é possível observar que os corpos de prova extrudados apresentaram resultados mais

satisfatórios de absorção de água (3,82%) e resistência mecânica (19,6 MPa) quando

comparados aos prensados.

Tabela 13: Propriedades dos corpos-de-prova conformados por extrusão

PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS

Retração linear % (Desvio-Padrão %) 4,27 (±0,75)

Absorção de água % (Desvio-Padrão %) 3,82 (±0,29)

Porosidade Aparente % (Desvio-Padrão %) 8,49 (±0,61)

Massa específica aparente g/cm3 (Desvio-Padrão g/cm

3) 2,53 (±0,02)

Tensão de ruptura à flexão MPa (Desvio-Padrão MPa) 19,6 (±0,80)



Na Figura 53 e Figura 54 a seguir são mostrados, respectivamente, os

difratogramas de raios X para a formulação 4, conformada por prensagem e extrusão. Embora

o ciclo de queima tenha sido diferente para esses processos, observa-se a presença das

mesmas fases: quartzo, anortita e hematita. Nestes difratogramas, a caulinita não é mais

detectada devido à sua transformação em uma fase amorfa, denominada metacaulinita.

Também a ilita não é mais observada, pois a 1050 ºC já sofreu decomposição (a 950 ºC)

cedendo potássio e, quando presente, magnésio para auxiliar como fundentes na formação de

fase vítrea.

10 20 30 40 50 60 70 80

0

100

200

300

400

500

A

A AA AA

AAA

h h

h

h

hh

h

hh

h

h

Q

Q

Q

Q

h

A

Qh

A

Inte

nsid

ad

e (

cp

s)

Q

Q

QQ

Figura 53: Difratograma de raios X da formulação 4 conformada por prensagem

Q: quartzo – SiO2





10 20 30 40 50 60 70 80

0

100

200

300

400

500

AQQ

Q

h

A

A

A

A

A

A

Q hh

A

h

QA

A

h

A

hQ

h

hhQ

Qhhh h

hA

Q

Inte

nsid

ad

e (

cp

s)

Figura 54: Difratograma de raios X da formulação 4 conformada por extrusão

Na Figura 55 a seguir é mostrado o aumento de resistência mecânica que ocorreu

para os corpos-de-prova conformados por extrusão, embora normalmente a conformação por

prensagem resulte em componentes com maior resistência mecânica. Isto ocorreu, pois os

componentes conformados por extrusão foram submetidos a um ciclo de queima com taxa

relativamente mais lenta, dando origem a corpos-de-prova mais densos. A análise dos valores

de absorção de água e de porosidade aparente são bons indícios para confirmação deste fato.

De acordo com a NBR 13.818/1997 as placas cerâmicas conformadas por

extrusão podem ser classificadas no grupo de absorção AIIa (3 < AA ≤ 6%), desta forma são

consideradas semi-grês.

Q: quartzo – SiO2





0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

TR

F (

MP

a)

Prensagem

Extrusão

Figura 55: Tensão de ruptura à flexão para formulação 4 queimada a 1050ºC.

CAPÍTULO

5 Conclusões

Conclusões 99


5 CONCLUSÕES

As matérias-primas estudadas mostraram ter aplicação na indústria de cerâmica para

revestimento.

A análise dos resultados de difração de raios X combinados à fluorescência de raios X

permitiu identificar, nas argilas 1 e 2, as fases ilita, caulinita, montmorilonita, quartzo, anortita

e hematita.

Os resultados da análise racional indicaram que a argila 2 apresenta maior porcentagem de

argilominerais quando comparada à argila 1, a qual possui maior quantidade de quartzo.

A perda de massa associada à desidratação e oxidação de matéria-orgânica ocorreu de forma

mais acentuada na argila 2, que apresentou característica plástica.

A distribuição de tamanho de partícula mostrou sensibilidade às proporções em massa nas

formulações. Constatou-se uma tendência à formação de distribuição monomodal e estreita

faixa de tamanho de partícula com o aumento do teor de argila 2.

A partir da análise da curva dilatométrica foi constatado que quanto maior o teor de argila 1,

de característica pouco plástica, maior a expansão da amostra. Este comportamento está

associado à presença de maior quantidade de quartzo nessa argila.

A temperatura de queima influenciou diretamente as propriedades tecnológicas das

formulações. Valores de absorção de água inferiores a 10% foram obtidos apenas a 1050 ºC

para as formulações 2, 3 e 4, conformadas por prensagem.

Somente as amostras prensadas com formulações 3 e 4 apresentaram valores de TRF

superiores a 12 MPa após queima a 1050 ºC.

Dentre as amostras prensadas, a análise dos valores de absorção de água e resistência

mecânica leva à conclusão de que a formulação 4 é a que melhor atende às especificações da

Conclusões 100


NBR 13.818/1997, sendo indicada para fabricação de placas cerâmicas para revestimento

semi- poroso (BIIb).

A conformação por extrusão produziu peças com absorção de água inferior a 4,5% e

resistência mecânica superiores a 17,5 MPa, podendo ser classificadas como revestimento

semi-grês (AIIa).

Sugestões para trabalhos futuros 101


SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Realizar a queima da composição 4 conformada por extrusão em fornos a gás natural, para

verificar se este ambiente de queima origina propriedades tecnológicas mais satisfatórias.

Conformar por extrusão as formulações 2 e 3, e submetê-las a ciclo de queima adequado a fim

de verificar se a mudança no processo de conformação produz componentes com valores de

retração linear e absorção de água inferiores.

Adicionar fundentes à massa cerâmica com o objetivo de se verificar a potencialidade da

matéria-prima para produção de grês porcelanato.

Referências 102


Referências

_____. NBR 13.816: Placas cerâmicas para revestimento – Terminologia. Rio de Janeiro:

ABNT: 1997

_____. NBR 13.817: Placas cerâmicas para revestimento – Classificação. Rio de Janeiro:

ABNT: 1997

_____. NBR 13.818: Placas cerâmicas para revestimento – Especificação e métodos de

ensaios. Rio de Janeiro: ABNT: 1997

_____. NBR 6459: Solo: determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro: ABNT, 1984.

_____. NBR 7180: Solo: determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro: ABNT,

1984.

ABREU, S. F. Recursos minerais do Brasil. Editora Edgard Blucher Ltda. 1973. V.1.

Almanaque Abril 2005: Brasil. -. São Paulo: Ed Abril, 2005

ANDRADE, F. L. F. Estudo da formulação de massas cerâmicas provenientes da região do

Seridó-RN para fabricação de telhas. 2009, 101p. . Dissertação (Mestrado em Engenharia

Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN/PPGEM, Natal-RN.

Referências 103


ANUÁRIO ESTATÍSTICO DO SETRO DE TRANSFORMAÇÃO DE NÃO-METÁLICOS

(2009). Disponível em: http://www.mme.gov.br/sgm/menu/publicacoes.html. Acesso em: 10

de Janeiro de 2010.

ARAÚJO, P. A. S. Caracterização de matérias-primas regionais e desenvolvimento de

formulações de massas cerâmicas para porcelanato. 2009, 105p. Dissertação (Mestrado em

Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN/PPGEM,

Natal-RN.

Associação Brasileira de Cerâmica (2010). Disponível em:

http://www.abceram.org.br/asp/abc_51.asp. Acesso em: 05 de Janeiro 2010.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBR 6459: Solo:

determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro, 1984.

Associação Nacional dos Fabricantes para Revestimento (2010). Disponível em:

http://www.anfacer.org.br/. Acesso em: 20 de Novembro de 2009

Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES). Disponível em:

http://www.bndes.gov.br/SiteBNDES/export/sites/default/bndes_pt/Galerias/Arquivos/conhec

imento/bnset/set1807.pdf. Acesso em 05 de Outubro de 2009.

BARBA, A.; FELIU, C. Matérias-primas para La fabricación de soportes de baldosas

cerâmicas. 1 ed. Castellón: Instituto de Tecnologia Cerámica – AICE, 1997, 290p.

BAUER, R. J. F.; RAGO, F. Expansão por umidade de placas cerâmicas. Cerâmica Industrial,

5 (3) Maio/Junho, 2000.

Referências 104


CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais uma introdução, 7ª edição, LTC, Rio

de Janeiro, 2008.

CARVALHO, O. O. Perfil da indústria de cerâmica vermelha do Rio Grande do Norte. Natal-

RN. SENAI, (2001). CD-ROM.

DAMIANI, J. C.; PEREZ, F.; MELCHIADES, F. G.; BOSCHI, A. O. Coração negro em

revestimentos cerâmicos: principais causas e possíveis soluções. Cerâmica Industrial, 6 (2)

Março/Abril, 2001.

DEER, W. A.; HOWIE, R.A.; ZUSSMAN, J. An Introduction to the Rock-Forming Mineral,

Longman Group Ltd, p. 340-355, London, 1975.

DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL (DNPM). Disponível em:

http://www.dnpm.gov.br/conteudo.asp?IDSecao=68&IDPagina=1461. Acesso em: 05 de

Fevereiro de 2010.

DUTRA, R. P. S. Efeito da velocidade de aquecimento nas propriedades de produtos da

cerâmica estrutural. 2007, 138p. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais) –

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN/PPgCEM, Natal-RN.

FACINCANI, E. Tecnología cerâmica los ladrillos, 1 ed. Castellón: Faenza Editrice Ibérica,

1993. 257p.

Referências 105


FLORIO, D. Z. Estudos de sinterização e de envelhecimento térmico de cerâmicas de

zircônia-ítria por espectroscopia de impedância, 1998. 101p. Dissertação (Mestrado Ciências

– Tecnologia Nuclear) – Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, São Paulo, São

Paulo, 1998.

FREITAS, F. C. G. Balanço energético de um forno túnel de cerâmica estrutural convertido

de lenha para gás natural. 2007. 95p. Tese (Doutorado em Engenharia Química) -

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN/PPGEQ, Natal-RN.

GALDINO, J. N. Influência da adição de calcita em argilas para uso cerâmico: evolução de

suas propriedades. 2003. 132p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) -

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN/PPGEQ, Natal-RN.

GRUN, E. Caracterização de argilas provenientes de Canelhinha/SC e estudo de formulações

de massas cerâmicas. 2007. 74p. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de

Materiais) - Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC/PGCEM, Florianópolis-SC.

JUNIOR, J. C. C. S. Avaliação da potencialidade de argilas de queima clara como matérias-

primas para o desenvolvimento de novos produtos cerâmicos. 2008, 95p. Dissertação

(Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte –

UFRN/PPGEM, Natal-RN.

LEITE, S. Q. M.; COLODETE, C. H. A.; DIEGUEZ, L. C. Extração de ferro de esmectita

brasileira com emprego do método ditionito-citrato-bicarbonato. Química Nova, v.23, p.297,

2000.

Referências 106


LUZ, J. C. Desenvolvimento de formulações para produção de grês porcelanato a partir de

matérias-primas da região da Bacia do Parnaíba. 2008, 83p. Dissertação (Mestrado em

Engenharia e Ciência dos Materiais) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte –

UFRN/PPgCEM, Natal-RN.

MELCHIADES, F. G.; QUINTERO, E.; BOSCHI A. O. A curva de gresificação: parte 1.

Cerâmica Industrial, v. 4, p. 30-31, 1996.

MENEZES, R. R., FERREIRA, H. S., NEVES, G.A., FERREIRA, H.C.; Sais solúveis e

eflorescência em blocos cerâmicos e outros materiais de construção – revisão. Cerâmica 52

(2006) 37-49.

MOTTA, J. F. M.; JUNIOR, M. C.; TANNO, L. C. Panorama das matérias-primas utilizadas

na indústria de revestimentos cerâmicos: desafios ao setor produtivo. Cerâmica Industrial, 3

(4-6) Julho/Dezembro, 1998.

NORTON, F., H. Introdução à tecnologia cerâmica. Edgard Blucher, São Paulo – 1973

OLIVEIRA, M. C.; MAGANHA, M. F. B. Guia Técnico Ambiental da Indústria de

Cerâmicas Branca e de Revestimentos, São Paulo: CETESB, 2006. Disponível em:

http://www.cetesb.sp.gov.br/Tecnologia/producao_limpa/documentos/ceramica.pdf. Acesso

em: 22 de Março de 2010.

PEREZ, F. Fundentes: como escolher e como usar. Cerâmica Industrial, 13 (4) Julho/Agosto,

2008.

Referências 107


PINHEIRO, A. S. Produção de grês porcelanato a partir de matérias-primas do Rio Grande do

Norte e queima a gás natural. 2006, 118p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) -

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN/PPGEM, Natal-RN.

PRACIDELLI, S.; MELCHIADES, F. G. Importância da composição granulométrica de

massas para cerâmica vermelha. Cerâmica Industrial, v.2, p. 1-4, 1997.

REED, J. S. Principles of Ceramics Processing, 2nd

edition, John Wiley & Sons, Inc, New

York, 1995.

SOARES, J. M. D.; PINHEIRO, R. J. B.; TAVARES, I. S. Notas de Aula Mecânica dos

Solos. Universidade Federal de Santa Maria, 2006. Disponível em:

http://www.ufsm.br/engcivil/mecanica_dos_solos.htm. Acesso em: 11 de Janeiro 2010.

SOARES, R. A. L. Influência do teor de calcário no comportamento físico, mecânico e

microestrutural de cerâmicas estruturais. 2008, 99p. Dissertação (Mestrado em Ciência e

Engenharia de Materiais) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN/PPGCEM,

Natal-RN.

VAN VLACK, L. H. Propriedade dos Materiais Cerâmicos. Editora da Universidade de São

Paulo, 1973, Edgard Blucher, São Paulo.

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