argilas plasticas do tipo ball clay

7/17/2019 Argilas Plasticas Do Tipo Ball Clay

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Revista de acesso livre no site www.dema.ufcg.edu.br

Revista Eletrnica de Materiais e Processos, v. 9, n. 3 (2014) 118124ISSN 1809-8797

*Email: [email protected] (R. R. Menezes)

Argilas plsticas do tipo Ball ClayR. R. Menezes*, G. A. Neves, H. C. Ferreira

Unidade Acadmica de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Campina Grande

Av. Aprgio Veloso 882, Campina Grande, PB, 58 109 900

(Recebido em 08/11/2014; aceito em 10/11/2014)

(Todas as informaes contidas neste artigo so de responsabilidade dos autores)

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Resumo:Argilas plsticas do tipo Ball Clay so argilas fundamentais para a tecnologia cermica, sendo argilas com elevado teor de

finos, elevada plasticidade, de origem sedimentar, com teor de matria-orgnica variado e que contm como argilomineralpredominante a caulinita. Estas argilas influenciam significativamente na plasticidade e reologia das formulaes cermicas e

na resistncia a verde dos corpos produzidos. Frente a importncia das argilas plsticas do tipo ball clay para o

processamento cermicos este trabalho tem por objetivo fazer uma reviso das caractersticas das argilas tipo ball clay eabordar propriedades de argilas do estado da Paraba.

Palavras-chave:Reviso; ball clay; argila plstica; argilas.___________________________________________________________________________________________________Abstract:Ball clays are clays with a high amount of fine particles, high plasticity, and are fundamental for the ceramic technology. These

clays have sedimentary origin, varied content of organic-matter content, and containing kaolinite as the predominant clay

mineral. They have a significant influence on the plasticity and rheology of ceramic formulations and in the green strength ofthe produced bodies. Due to the importance of clays such as "ball clay" for ceramic processing this paper aims to review the

characteristics of clays classified as "ball clay" and address properties of clays in the state of Paraba.

Keywords: Review; ball clay; plastic clay; clay.

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1. Introduo

Argilas plsticas do tipo ball clay so, segundo oDicionrio Cermico [1], argilas sedimentares caulinticas que

queimam com colorao branca e que, devido ao seu tamanho

de partcula muito pequeno, apresentam elevada plasticidade.Argilas sedimentares (ou argilas secundrias) so materiais

que foram transportados geologicamente do local de sua

formao para outros locais por ao do meio ambiente [1].No Brasil as argilas do tipo ball clay so denominadas

argilas plsticas para cermica branca.Os depsitos mais abundantes de argilas do tipo ball

clay esto localizados nos Estados Unidos, Inglaterra,

Alemanha e Ucrnia. Esses depsitos apresentam formas

lenticulares, so originados da deposio de materialsedimentar em pntanos, lagos, deltas de rios e plancies que

sofreram inundaes [2], esto associados a bacias terciriasformando, geralmente, vrias camadas de argila alternadas

com matria-orgnica e areias [3,4]. No Brasil h uma falta

significativa de jazidas de argilas ball clay compropriedades semelhantes as das argilas estrangeiras, sendo os

principais jazimentos o de So Simo, em So Paulo e o de

Oreiras, no Piau.

A expresso ball clay (argila bola em traduo literal)

proveniente da forma de explorao dessa argila na Inglaterra

no sculo passado, onde os mineiros transformavam essas

argilas, altamente plsticas, em bolas em torno de 15kg, apssua extrao na forma de cubos, para facilitar o transporte do

material. O termo ball clay ou argila plstica para cermica

branca no tem significado mineralgico, sendo essa

terminologia aplicada para descrever argilas com elevado teorde finos, elevada plasticidade, de origem sedimentar, com teor

de matria-orgnica variado, contendo como argilomineral

predominante a caulinita [1,2,5,6].As argilas ball clay apresentam variada gama de

colorao, indo desde o cinza clara ao negro, conforme o teor

de material carbonceo. As famosas argilas inglesas de

Devon e Dorset, utilizadas em todo o mundo como agentesligantes, apresentam coloraes azuladas e negras devido ao

elevado teor de matria-orgnica presente, como lignina e

cidos hmicos, j as ball clays nacionais apresentam uma

maior variabilidade de colorao, observando-se argilascremes, cinzas, esverdeadas, etc.

O material orgnico presente nas argilas pode encontrar-

se em elevadores teores, de at 16%, mas, interessante queno ultrapassem 1 a 2% quando forem ser utiliz-las em

cermica branca por questes de processamento. A matria-

orgnica afeta no apenas a cor da argila, mas outras


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importantes propriedades tecnolgicas do material, como a

plasticidade e sua resistncia a seco. O material carbonceo

tem um profundo efeito na resistncia a verde da argila, comseu mdulo de ruptura aumentando diretamente com o

quantidade de matria-orgnica [7].

2. Caractersticas Qumico-Mineralgicas

O principal constituinte das ball clays, como

mencionado anteriormente, a caulinita, no entanto, outros

argilominerais e minerais acessrios tambm so observados,

incluindo haloisita, ilita, esmectitas, quartzo, feldspatos e,ocasionalmente, calcita e gibsita [2,8]. O argilomineral

caulinita um slico-aluminato com estrutura em camadas (ou

lamelar), formado pelo empilhamento regular de camadasconstitudas por uma folha de tetraedros de SiO4, ordenados

em forma hexagonal, e uma folha de octaedros de Al2(OH)6

ligadas entre si por oxignios em comuns. As folhastetradricas e octadricas so contnuas nas direes dos eixos

cristalogrficos ae be esto empilhadas umas sobre as outras

na direo do eixo cristalogrfico c. A Figura 1 ilustra as

folhas de tetraedros e octaedros dentro da camada de caulinita

e a Figura 2 o empilhamento dessas camadas. Como esseargilomineral possui camadas formadas por duas folhas diz-se

que se trata de silicatos em camadas 1:1 ou difrmicos [9,10].

Figura 1. Estrutura da camada 1:1 da caulinita, com uma folhade tetraedros de SiO4e outra de octaedros de Al2(OH)6

Muitas caulinitas, com origem sedimentar apresentam um

tipo de estrutura com uma distoro peculiar, que consiste,

principalmente, de deslocamentos ao acaso das camadasparalelas ao eixo b, deslocamentos esses que so mltiplos

inteiros de bo/3, consistindo a chamada caulinita mal

cristalizada. No entanto, o nome mais apropriado caulinitacom desordem ao longo do eixo b. Nas partculas desse tipo

de caulinita o perfil hexagonal menos ntido e as placas so

menores e mais finas, o que tem implicaes diretas nas suas

aplicaes tecnolgicas [9,11]. Segundo Sudo e Shimodo [12]

e Reeves et al. [4] a caulinita mais abundante nas ball clays

apresenta desordem cristalina ao longo do eixo b, podendo, no

entanto, ser encontrado ball clayscom quantidades

semelhantes de caulinita e ilita desordenadas, o que faz comque as argilas ball clays sejam mais finas que a grande

maioria dos caulins [2].

Figura 2. Representao esquemtica do empilhamento decamadas 1:1 na caulinita

Por outro lado, Souza Santos [8] indica que as ballclays nacionais so constitudas por caulinitas bem

cristalizada e caulinitas com desordem ao longo do eixo b,

apresentando assim, tamanho de partcula maior que o

observado nas ball clays estrangeiras. A Figura 3 apresenta

micrografias de microscopia eletrnica de transmisso (MET)de ball clay do litoral paraibano, onde observa-se a presena

de caulinita com perfis hexagonais bem definidos e com

granulometria grosseira (caulinita bem cristalizada) e decaulinita com perfil hexagonal pouco ntido e com tamanho de

partcula inferior ao da caulinita bem cristalizada (caulinitacom desordem ao longo do eixo b), vindo ao encontro dasobservaes de Souza Santos [1] sobre a constituio das

ball clays nacionais.

As argilas ball clays so, via de regra, resultantes de

intenso intemperismo qumico nos perodos cretceo e

tercirio, conseqentemente sua mineralogia e, em certaescala, suas aplicaes cermicas, so governadas por

caractersticas do material alterado originalmente. O que

explica as variaes e particularidades qumico-mineralgicasobservadas nas ball clays em torno do mundo.

As ball clays inglesas de Devon e Dorset apresentam

em sua constituio caulinita em teores variando de 20 a 90%,

quartzo variando de 0 a 60% e material micceo (ilitas emicas) variando de 0 a 40 %. A matria-orgnica encontra-se

finamente disseminada pelo material em teores de at 16%

[4]. Em alguns casos tambm observado nas argilas inglesas

a presena de montmorilonita, argilomineral esmecttico.O quartzo encontrado nas ball clays no o mesmo

material, grosseiro e angular, que o observado nos caulins,

apresentando granulometria mais fina e arredondada, emvirtude das vrias diferentes seqncias de transporte que

sofre o material sedimentar [7]. Assim, esse quartzo

comporta-se de maneira distinta durante o processamento,

possibilitando um empacotando mais eficiente do sistema ereagindo de forma mais intensa durante a queima.


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Figura 3. Microscopia eletrnica de transmisso de argilas

ball clays paraibanas (barra com valor de 0,5 m)

A montonorilonita presente nas ball clays, mesmo em

pequenas quantidades, como material acessrio, possui umasignificante influncia no comportamento desse material

quando utilizado no processamento cermico. A presena de

montmorilonita aumenta a resistncia a verde do material e

sua plasticidade, mas tambm a retrao de secagem e dequeima. No entanto, o principal efeito da presena de

montmorilonita no comportamento reolgico das argilas,

desestabilizando o comportamento de defloculao e

aumentando sua viscosidade.A montmorilonita tambm contm ferro, o que deletrio

para a cor de queima e responsvel pela maior retrao de

queima nas argilas contendo montmorilonita. Nesse sentido,as ball claysde melhor qualidade so as que apresentam

baixos teores de ferro e xido de titnio e que queimam

branco ou com cores claras, tal como sua prpria definio j

explicita.A Tabela 1 apresenta a composio qumica de argilas

ball clays paraibanas oriundas do litoral sul paraibano.

Pode-se observar que o teor de ferro da maioria das argilas

baixo, estando dentro das faixas referenciadas para argilas

ball clay, 0,52 a 1,76% para a argila So Simo (argila

nacional de referncia) e de 0,80 a 1,30% para as argilas

inglesas [3,7,9].A Figura 4 apresenta o difratograma de raios X de argilas

ball clays do estado da Paraba, oriundas do litoral sul.Pode-se observar que as argilas apresentam em suaconstituio mineralgica, caulinita, quartzo e pequeno teor

de argilomineral esmecttico. A presena de material

esmecttico nas argilas plsticas de queima clara parabanas

pode justificar sua elevada plasticidade e resistncia a verde,

mesmo possuindo caulinita bem cristalizada.

Tabela 1. Composio qumica de argilas ball clay

paraibanas

Argilas

1 2 3 4 5

SiO2 57,2 53,1 51,8 56,9 49,3

Al2O3 49,3 31,4 32,1 28,2 20,5Fe2O3 1,6 3,1 1,3 1,2 6,8

CaO - - - - 3,5

MgO - 0,4 0,7 - -

Na2O - - - - 2,4K2O - 0,1 - - 3,0

PF 13,5 11,9 13,9 13,6 12,6a Estritamente falando a Argila 5 no pode ser considerada uma ball

clayporque apresenta elevado teor de ferro e queima vermelho a 1250 oC, no

entanto, foi adicionada Tabela 1 porque utilizada comercialmente sobdenominao de argila ball clay. bPerda ao fogo

KQ

Q

KKE

E

E

K - Caulinita

Q - Qaurtzo

E - Esmectita

K

KQ

Q

K KK

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

KQ

Q

KKK

2 (CuK)

Figura 4. Difratograma de raios X de argilas ball clays

paraibanas

Estudo de Menezes et al [13] evidenciou que as argilas

ball clays paraibanas apresentavam a seguinte constituiomineralgica: caulinita variando de 27 a 81%; quartzo

variando de 13 a 25%; mica variando de 0 a 25% e outros

constituintes acessrios variando de 5 a 22%. O materialesmecttico encontra-se, provavelmente, relacionado aos

constituintes acessrios. As ball clays paraibanas


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apresentam baixos teores de quartzo e material micceo,

comparativamente as ball clays inglesas, no entanto, a

presena de esmectita pode comprometer a aplicabilidadedessas argilas no setor cermico, por alterar deleteriamente as

caractersticas reolgicas das composies cermicas e porintroduzir ferro no sistema, escurecendo a cor de queima.

3. Caractersticas Fsico-Mecnicas

O tamanho mdio, forma e distribuio de tamanho das

partculas constituintes das argilas so importantes

propriedades fsicas intimamente relacionadas com suasaplicaes. Tais caractersticas afetam muitas das

caractersticas tecnolgicas das argilas, como viscosidade,

absoro de gua, plasticidade, resistncia aps conformao,taxa de colagem, resistncia aps queima, etc. [14].

A Figura 5 ilustra distribuies de tamanho de partcula

de argilas ball clay paraibanas, oriundas do litoral sul. A

frao de partculas com tamanho inferior a 2m (comumente

denominada frao argila) nas ball clays paraibanasoriundas do litoral sul varia de 30 a 50% (em porcentagem

mssica). Como as argilas paraibanas apresentam pequenasfraes de quartzo e material micceo essa pequena

quantidade de material com dimenses abaixo dos 2 m estrelacionada presena de caulinita bem cristalizada.

As distribuies de tamanho de partcula para a argila

ball clay So Simo, argila ball clay nacional dereferncia, evidenciam que sua frao argila situasse em torno

de 60% (em porcentagem mssica), enquanto a das argilas

inglesas comerciais varia de 60 a 80%. A frao de partculas

com tamanho inferior a 1 m nas argilas inglesas varia de 51 a67% [7,8]. Segundo Cardoso et al. [15], argilas plsticas de

queima branca nacionais, tambm denominadas ball clay,

apresentam frao argila variando de 44 a 70% (em

porcentagem mssica). Esses dados ilustram que as argilasparaibanas apresentam granulometria grosseira,

comparativamente as argilas utilizadas comercialmente como

ball clays.Umas das principais funes das ball clays nas

composies cermicas conferir plasticidade e resistncia

aps conformao (resistncia a verde), com sua prpria

definio evidenciando que as argilas devem apresentarelevada plasticidade para serem enquadradas nessa

classificao.

Plasticidade pode ser definida como a capacidade de ummaterial ser deformado sem romper quando sobre ao de

uma fora externa e reter a deformao alcanada aps aretirada da fora. Essa propriedade de grande importncia na

grande maioria dos ramos do processamento cermico, sendo

fundamental para que as partculas de desloquem eempacotem de maneira estvel, conferindo resistncia

mecnica a pea aps conformao.

H vrios mtodos utilizados para se estimar aplasticidade das argilas, dentre eles tem-se o mtodo de

Casagrande, um mtodo indireto onde se mede a quantidade

de umidade na qual ocorre a fluncia do material sob

determinado esforo. Em geral se associa elevadas

quantidades de umidade (gua) com elevada plasticidade, j

que, normalmente, quanto maior a superfcie especfica da

argila (menor o seu tamanho de partcula) maior a sua

capacidade de adsorver gua.

0,1 1 10

0

20

40

60

80

100

PorcentagemMssicaAcumulada(%)

Dimetro Equivalente (m)

0,1 1 10

0

20

40

60

80

100

Figura 5. Distribuio de tamanho de partcula de argilas ball

clays paraibanas

A Tabela 2 apresenta a faixa de variao dos limites deplasticidade (LP), liquidez (LL) e do ndice de plasticidade

(IP) de argilas ball clay do litoral sul paraibano e das argilas

inglesas. Verifica-se que as argilas paraibanas apresentamelevada plasticidade, ndice de plasticidade mdio superior a

15%, apesar de possuir granulometria mais grosseira que asdemais argilas ball clays utilizadas comercialmente no pais,o que pode est associado a presena do argilomineral

esmecttico.

A plasticidade das argilas paraibanas, no entanto,

inferior a das argilas inglesas. A plasticidade das ball clays

est intimamente relacionada, entre outras coisa, ao tamanho

de partcula da argila, quanto menor o seu tamanho maisplstica a argila. As argilas mais valiosas, com maior

aplicabilidade industrial e melhores propriedades

tecnolgicas, possuem mais de 90% de suas partculas com

tamanho inferior a 1 m. Assim, como as argilas inglesasapresentam maior finura possuem, tambm, maior

plasticidade.

Tabela 2. Limite plstico (LP), limite de liquidez (LL) e

ndice de plasticidade (IP) de argilas ball clays paraibanas

Ball Clays LP (%) LL (%) IP (%)

Valor Mnimo 14,99 26,5 9,94

Paraibanas Valor Mximo 46,84 82 35,16

Valor Mdio 26,90 48 20,9

Inglesas Intervaloa 25 a 36 61 a 92 31 a 57aConforme dados de Reeves et al . [4].

Todavia, deve-se ressaltar, que a plasticidade de uma

argila ball claytambm est relacionada presena de

matria-orgnica coloidal e de outros argilominerais (como os


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esmectticos) e forma das partculas dos argilominerais.

Ento, ao se buscar analisar sua plasticidade deve-se analsiar

o material como um todo ou atravs de ensaios que estimemsua plasticidade, e no apenas deter-se a anlise

granulomtrica da argila.A absoluta maioria da produo de argilas ball claysdestinasse ao setor cermico, com pequenas quantidade sendo

aplicadas em aterros sanitrios, alimentao animal, indstria

de fertilizantes e adsorventes de dejetos animais (pet litter).

A indstria cermica engloba vrios setores econmicos e

produtos, sendo utilizados em todos eles elevadas quantidades

de material argiloso. Dentre os vrios setores tm-se os deloua sanitria, loua de mesa, revestimentos, porcelanas

eltricas, refratrios, etc, onde o caulim e a argila ball clay

so as argilas mais utilizadas.O consumo de argilas ball clays em 1994 j atingia 400

mil toneladas nos Estados Unidos e 100 mil toneladas no

Reino Unido [1]. Em 2006, a demanda global de argilas ballclay para aplicaes cermicas crescia a uma taxa de 2% ao

ano, perfazendo dezenas de milhares de toneladas. Esses

dados evidenciam o enorme mercado por trs da explorao

de argilas ball clays e sua importncia tecnolgica para o

setor cermico.As principais funes das ball clays no corpo cermico

so: conferir plasticidade e resistncia a verde, ajudando a

manter a coeso da massa cermica aps a conformao dapea. Outras propriedades do corpo cermico tambm so

muito dependentes das caractersticas da ball clay utilizada

na formulao da massa, como resistncia aps queima, cor,refratariedade, controle de retrao de secagem e de queima e

propriedades reolgicas durante a conformao da pea (como

facilidade de colagem, comportamento tixotrpico, etc.). Aspropriedades reolgicas so governadas em grande parte pela

mineralogia, tamanho de partcula, carga superficial e teor e

tipo de matria-orgnica presente na argila [2,4].As ball clays compem as massas para cermica branca

(setor de cermica tradicional retirando-se a cermica

estrutural) compondo as formulaes em teores deaproximadamente 25%. Esses teores so, em geral, suficientes

para conferir a massa a plasticidade adequada ao processo deconformao e ao corpo a resistncia adequada a sua

manipulao sem deformaes e/ou quebras antes da queima.

Uma composio tpica de cermica branca consiste deball clay, caulin, quartzo e feldspato, assim, observa-se

rapidamente que o nico material que pode conferir elevadaplasticidade ao corpo aps conformao a argila ball clay,

em virtude da presena de matria-orgnica e do seu pequeno

tamanho de partcula. O caulim por apresentar elevado

tamanho de partcula contribui muito pouco para a resistnciado corpo antes da queima, podendo agir, por vezes, mais

como um material frivel que como um material plstico.

A Tabela 4 ilustra o comportamento de resistncia apssecagem de uma argila caulintica em funo do tamanho de

partcula da frao argila. Verifica-se que h um aumento de

dezenas de vezes no mdulo de ruptura flexo (MRF) doscorpos cermicos quando da diminuio do tamanho de

partcula, ilustrando claramente a diferena na contribuio do

caulim e da ball clay na resistncia do corpo a verde.

Tabela 4. Mdulo de ruptura flexo de corpos caulinticos

aps secagema

Argila

Fraes da argila (X)

X > 1m 0,25m

argilas plasticas do tipo ball clay

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