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Reed - Cap. 3

Classificação das Matérias-Primas

Principais Tipos de Matérias-Primas Cerâmica

Cerâmica Branca:Argilominerais plasticidade Feldspato carga não plástica na mistura e agente fundente (fluxo) na queimaSílica carga resistente à fusão (refratário)

Refratários:Sílica / aluminosilicatos / alumina / MgO / CaO

Cerâmicas Avançadas Estruturais:SiC / Si3N4 / ZrO2 / Al2O3

Abrasivos:Alumina / SiC / SiO2

Cerâmicas Eletrônicas:Aluminas / Titanatos / Ferritas

Classificação

• Naturais: obtidos através de operações físicas– Argila, feldspato...

• Sintéticas: obtidos através de processos químicos, a partir de– Matérias-primas naturais (magnesita,

calcita...)– Outras matérias-primas sintéticas (alumina,

zircônia...)

Tipos de matérias-primas Categoria

Pureza (%)

Materiais

Materiais não-processados

Variável Argilas, bauxita

Minerais industrializados

85-98 Caulim, talco, feldspato, quartzo

Produtos químicos industrializados

98-99,9 Al2O3, MgO, AlN, SiC, Si3N4, TiO2, ZrO2

Produtos especiais >99,9 BaTiO3, sílica-gel


Como esta matéria-prima é obtida

Variação: Composição química / composição mineralPurezaEstrutura e propriedades físico-químicasDistribuição de tamanhos de partículas Preço

Categorias:(1) MP não tratada de depósitos naturais

não-uniformidade e presença de impurezas(2) Minerais industriais refinados

beneficiamento retira impurezas e melhora uniformidade do mineral(3) Produtos químicos inorgânicos

produtos industriais de processamento químico e refinamento


Escolha da matéria-prima

Produto ProcessamentoPerformancePreço do produto final

Regula a importância da MP no custo da produçãoPode determinar custo final


Matéria-prima de depósitos naturais

Historicamente: primeiras cerâmicas próximas a depósitos naturais de argilas

Exemplos: potes, vasilhas e vasos (cerâmica artesanal)tijolosrevestimento cerâmico

Ainda hoje em caráter regional: produção familiarAlgumas matérias-primas mantém nomes regionais. Ex. Esmalte bristol

Algumas MPs naturais possuem boa pureza para uso (ex.: refratários)bauxita (mineral não plástico contendo hidróxido de alumina, argilominerais, quartzo e óxido de ferro)

MAS

Maioria dos produtos cerâmicos de QUALIDADE produzidos A partir de minerais refinados ou produtos químicos


Minerais industriais: Silicatos e argilominerais

Algumas definições:

O que é um mineral? Composto químico encontrado na natureza

O que é um mineral industrial? Minerais não metálicos e não combustíveis obtidospor mineração e que possuem valor comercial como matéria-prima industrial.

Quais minerais são excluídos pela segunda definição: metais, carvão e petróleo

O que é um silicato, uma argila e um argilomineral? Precisamos de uma folha limpa...

Silicatos

• Silicatos: materiais compostos primariamente de silício e oxigênio– Silicatos simples, fórmula unitária SiO4

-4, p. ex. forsterita (Mg2SiO4)

– Silicatos em camada, fórmula unitária (Si2O5)2-, p. ex. argilominerais


Minerais industriais

O que é uma argila? É um material natural, terroso, de granulação fina ( < 2 um) e que geralmente adquire plasticidade quando umedecido com água. Quimicamente,são formadas essencialmente por partículas cristalinas de um número restrito* de minerais conhecidos como argilominerais.

O que são argilominerais? São os minerais constituintes de uma argila. Normalmente, silicatos hidratados de alumínio, ferro e/ou magnésio com certo teor de elementos alcalinos e alcalino-terrosos.

As argilas são compostas por partículas de um ou mais argilominerais além de...minerais usuais residuais como sílica, óxidos de ferro e titânio, calcita, dolomita.quartzomatéria orgânicasais solúveisminerais amorfos

•Grande variedade de argilas, mas pequeno número de argilominerais. •Exemplos de argilominerais: caulinita, halloysita, pirofilita, montmorillonita, mica, ilita.

Argilominerais e outros silicatosMineral Fórmula química (estrutural

ou em óxidos)

Caulinita Al2(Si2O5)(OH)4 ou Al2O3·2SiO2·2H2O

Halloysita Al2(Si2O5)(OH)4·2H2O ou Al2O3·2SiO2·4H2O

Pirofilita Al2(Si2O5)2(OH)2 ou Al2O3·4SiO2·H2O

Montmorillonita (Al1,67Na0,33Mg0,33)(Si2O5)2(OH)2 ou

5/6Al2O3·1/6Na2O·1/3MgO·4SiO2·H2O

Mica moscovita Al2K(Si1.5Al0.5)2(OH)2 ou 3/2Al2O3·K2O·3SiO2·H2O

Talco Mg3(Si2O5)2(OH)2 ou 3MgO·4SiO2·H2O


Minerais industriais

Alumina e bauxitaAlumina calcinada (98.5 – 99.5% pureza)Bauxita para abrasivos e refratários (> 86% alumina)

Ball clay (argila plástica)Kentucky e Tennessee ball clay

Bentonita (argila complexa com alto teor de montmorilonitaBentonta Wyoming

CaulimPara produtos cerâmicosPara indústria de papel

MagnesitaRefratários

CromitaArgilasFeldspatoSílica

Areia de fundiçãoIndústria de vidros Continua...


Minerais industriais: Argilas e correlatos

Caulim – mineral relativamente puro composto principalmente por caulinita: Al2Si2O5(OH)4 além de quartzo (SiO2), ilmenita (FeTiO2), rutilo (TiO2) eHematita (Fe2O3).

Ball clay – argila sedimentar fina (submicron) que também contém matéria orgânica.

Bentonita – argila complexa que contém montmorilonita: (Al1.67Na0.33Mg0.33)(Si2O5)(OH)2

Talco (Mg3Si4O10(OH)2) e pirofilita (Al2Si4O10(OH)2 - hidróxisilicatos emcamadas utilizados em revestimento cerâmico e porcelanas

Feldspatos compostos de albita (NaAlSi3O8) – feldspato sódico e ortoclase(KAlSi3O8) – feldspato potássico. Usados como fluxo em cerâmica branca e esmates de silicatos.

Wollastonita (CaSiO3) – usadas em esmaltes e revestimentos

Petalita (LiAlSi4O10) e espodumeno (LiAlSi2O6) – controlam expansão térmicana queima.

Continua...


Minerais industriais: Beneficiamento

Britagem

Moagem

Liberação de minerais indesejados em peneira

Decantação ou Flotação

Segregação de minerais por densidade

Separação magnética

Misturas

Classificação de tamanhos de partículas

Filtração ou centrifugação

Eliminação de impurezas solúveis

Separação de minerais por tamanho


Produtos Químicos Inorgânicos

Alumina calcinadaAlumina tabular (agregado refratário sinterizado de partículas grosseiras (50 - 400µm) de alfa-alumina. Nome se origina da forma de tabletes hexagonais dos cristais

Pó de alumina tabular

Bolas de alumina tabular


Produtos Químicos Inorgânicos

Óxido de magnésio: calcinado a partir de Mg(OH)2 que é precipitado da mistura de dolomita e água do mar contendo MgCl2 e MgSO4 – lavagem – filtração – secagem e calcinação. Pureza: > 98%

Carbeto de silício: processo Acheson: fusão a arco elétrico de areia + coque a 2200 – 2500 C.

Nitreto de silício: silício metálico + N2 a altas temperaturas

Titanatos de terras raras: BaTiO3 – a partir de BaCO3 e TiO2

Cerâmicas ferríticas: Mn0.5Zn0.5Fe2O4 / BaFe12O19 – a partir de MnCO3, ZnO, hematita (Fe2O3). (Foto do processo)

Zircônia estabilizada: Fusão cáustica do ZrSiO4: ZrSiO4 + 4 NaOH = Na2ZrO3 + ... hidrólise Na2ZrO3 ZrO2 hidratada

Pigmentos inorgânicos

Produção de pó atomizado de Ferrita de Zn e Mn


Produtos Químicos Inorgânicos Especiais

Novas técnicas para preparação de pós cerâmicos com características especiais:

Alta pureza (> 99.9%)Composição química ajustada e reprodutível Homogeneidade química em escala atômicaPartículas finas ( < 1um) e distribuição controladaGeometria de partícula controlada

Até hoje em dia: larga escala em laboratório mas pouco uso industrial.

MAS:

Aplicações comerciais de cerâmicas especiais para fibras óticas e filmes cerâmicos para a indústria eletrônica dependem desses métodos.

PRODUÇÃO DE MATÉRIAS-PRIMAS SINTÉTICAS

Produção de pós cerâmicos• Reações no estado sólido:

– hidróxidos, carbonatos, sulfatos óxidos– metais ou óxidos + C carbetos

• Reações sólido-gás:– Metais + O2 óxidos– Metais + hidrocarbonetos carbetos– Metais + N2 ou NH3 nitretos

• Reações em fase gasosa:– Hidrólise de haletos SiO2 ou TiO2

• Processos de fundição: – Al2O3, ZrO2

Haletos são originados dos hidrocarbonetos por substituição de um ou mais átomos de Hidrogênio por um Halogênio (Flúor, Cloro, Bromo ou Iodo).

Pós a partir de soluções

• Precipitação e filtração:– Pós cerâmicos e metálicos

• Reações hidrotérmicas:– Soluções de ZrOCl2 ZrO2

• Vaporização do solvente/desidratação:– Secagem por spray ou congelamento

• Processos sol-gel: – Gotas de líquido estado gelatinoso pó

Pós cerâmicos industrializados

• Alumina (processo Bayer):– Bauxita + NaOH Al(OH)3 Al2O3

• Zircônia:– ZrSiO4 + NaOH Na2ZrO3 ZrO2

• Carbeto de silício (processo Acheson):– SiO2 + 3C SiC + 2CO

• Nitreto de silício:– 3SiO2 + 6C + 2N2 Si3N4 + 6CO

Pós ultrafinos (nanocristais)

• Reações em fase gasosa:– Si3N4, SiC

• Redução em H2 de cloretos metálicos:

– Ag, Cu, Ni, W

• Evaporação/condensação:– Fe, FeNi

• Processamento de soluções

Whiskers e fibras curtas

• Redução em H2 de cloretos metálicos:

– 2FeCl3 + 3H2 2Fe + 3HCl

• Processo vapor-líquido-sólido:– Al2O3, SiC, Si3O4

• Pirólise de casca de arroz:– SiC

Pós nanométricos e whiskers[T

hü

mm

ler,

19

93

:60

]

ZrO2 (<0,5 µm) whiskers de SiC

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