Estudo de caso 2 Queima de ceramica

Estudo de caso 2 Queima de ceramica

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica -USP

PMI2201 -TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS

ESTUDO DE CASO 02 QUEIMA DE UMA PORCELANA

Prof. Douglas Gouvêa Prof. Samuel M. Toffoli

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica -USP

2 Conteúdo

1.Matérias-Primas Utilizadas na Fabricação de Porcelanas a) Materiais “Plásticos” Argilas plásticas b) Materiais Não-Plásticos

2.Classificação dos Materiais Cerâmicos àBase de Argila

3.Queima -Revisão de Conceitos

Físicos a) Calorimetria b)Combustíveis e Combustão c)Generalidades Sobre a Queima de Argilas d)Principais Transformações de Fase e)Análises Térmicas 9 Análise Termica Diferencial 9 Análise Termogravimétrica 9 Análise Dilatométrica f) Queima g) Fornos Industriais

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3 Classificação dos Principais Materiais Cerâmicos àBase de Argilas

Temperatura de queima (ºC)

Tipo Matérias-primas Primeira queima

(biscoito)

Temperatura de esmaltação

Cor e características especiais

Cerâmica vermelha comum

Argilas “impuras” (contêm Fe O ) 900 1000-10

Marrom-vermelho Frequentemente não esmaltado

MajolicaArgilas impuras, areia e fluxos9001000-1100Marrom e recoberta com um esmalte branco e opaco

Argila plástica ou caulim 50 %

Minerais feldspáticos 5-20 %Louça de barroAreia ou outros minerais de sílica 30-45%

Caulim 30-40 %

Feldspato 15-25 %Porcelana comumQuartzo 15-35 % 900-10001250-1350Branca acinzentada ou branca

Caulim 30-40 %

Feldspato 15-25 % Porcelana elétrica Quartzo 15-35 %

900-10001400Branca e translúcida

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4 Composição básica de uma porcelana

9Não plásticas Quartzo (areia)

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5 Argilas Plásticas

¾Argila:

9argilominerais

mineral presente em maior quantidade e que confere a plasticidade às argilas.

9minerais associados quartzo, etc.

9matéria orgânica

estes materiais orgânicos conferem cor às argilas, a qual pode ir do negro ou cinza ao azul

apesar da cor inicial após a queima o material torna-se branco.

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6 Materiais plásticos: argila caulinítica

¾Argilomineralcaulinita: Al2O3.2SiO2.2H2O. Fórmula exata: Al2Si2O5(OH)4. Argilomineralabundante e que dánome àargila caulim.

¾O termo “caulim”éderivado do nome de uma região do norte da China com o nome “Kao-Lin”.

¾Este material éderivado da quebra e lixiviação de minerais como o feldspato.

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7 Caulinita - Estrutura

¾A estrutura da caulinita pode ser considerada como sendo composta de duascamadas(“folhas”), que se empilham inúmeras vezes:

9Camada tetraédrica: silício e oxigênio. Cada silício encontra-se no centro de um tetraedro com quatro oxigênios nos vértices.

9Camada octaédrica: íons alumínio e hidroxilas (hidróxido de alumínio ou gibsita)

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9 Argilas: reações durante o aquecimento reação endo/exoConseqüência da reação.

450-600EndoDesidroxilação e formação da meta-caulinita (2 Al O .4SiO ).

925ExoAs camadas da meta-caulinita se reestruturam de uma forma mais compacta tipo espinélio de composição aproximada 2 AlO.3SiO com liberação de sílica.

1050-1100ExoA estrutura espinélio se tranforma em fase mulita com liberação de sílica que pode aparecer como cristobalita.

1200-1400Continuação do desenvolvimento de cristobalita e mulita agora com uma composição consistente com 3 AlO.2 SiO

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10 Materiais Não-Plásticos

¾Os materiais não plásticos que constituem uma porcelana são:

9a sílica (geralmente na forma do mineral quartzo). 9o feldspato.

¾Essas matérias-primas naturais têm a função de:

9corrigir o excesso de plasticidade da massa cerâmica (sílica);

9obter as propriedades desejadas em temperaturas de queima mais baixas (“fundentes”= feldspato).

¾Podem ser utilizados para melhorar o empacotamento das partículas

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1 Sílica

¾A sílica (SiO2) éo óxido mais abundante encontrado na crosta terrestre.

¾Dáorigem aos silicatos e também encontra-se presente na maioria dos materiais cerâmicos tradicionais fabricados pelo homem.

¾Assim, étambém um dos constituintes principais da porcelana.

¾As formas alotrópicas mais estáveis da sílica são: tridimita

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13 Cristobalita

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14 Quartzo

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15 Expansão Térmica da Sílica

Importante: Mudança de Fases do Quartzo α ↔β

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Vidro

¾O vidro éa forma não cristalina da sílica.

¾A formação do vidro de sílica pode ser conseguida pelo aquecimento do quartzo atésua fusão (T>1710 ºC).

¾Contudo, a introdução de óxidos de metais (Na2O, K2O, CaO, etc.) pode promover a formação de vidro em temperaturas mais baixas, através da quebra das ligações entre os tetraedros e desorganização da estrutura cristalina (⇒vidro comercial).

¾Fontes dos íons de metais alcalinos são, de uma forma geral, os feldspatose a barrilha(Na2CO3).

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17 Feldspatos

¾Os materiais àbase de feldspatos são utilizados como “fluxos”ou “fundentes”. Eles são a origem de metais alcalinos como o Na+e K+para a formação de vidro durante a queima de materiais cerâmicos como as porcelanas e louças (massas triaxiais).

¾Os feldspatos mais comuns são o ortoclásio (K2O.Al2O3.6SiO2), a albita (Na2O.Al2O3.6SiO2), ou solução sólidas deles.

¾O ortoclásio (feldspato potássico) começa sua decomposição a cerca de 1160ºC e funde completamente em torno de 1290ºC.

¾A albita (feldspato sódico) funde a 1160ºC.

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18 Principais reações químicas durante a queima de uma porcelana (massa triaxial)

Temperatura ( C) Transformação

T < 200Eliminação de umidade residual 200 – 400Queima da matéria orgânica

573Inversão do quartzo α para β, com expansão volumétrica

450 – 600Desidroxilação da caulinita, com retração volumétrica 950Formação de espinélio e mulita, a partir dos cristais de caulinita 1100Início da fusão do feldspato e da mica, formação de fase vítrea T > 1200Vitrificação completa, retração volumétrica máxima

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19 Altas Temperaturas ⇒SINTERIZAÇÃO

¾Etapa fundamental durante o processo de queima do material cerâmico ⇒eliminação da porosidade.

¾Épreciso lembrar que esses materiais cerâmicos, quando conformados, são, na verdade, apenas partículas empacotadas, desde muito finas atéalgumas grossas.

¾As partículas finas (principalmente) apresentam um excesso de energia livre G, dado por:

9dG= γdA(Força Motriz)

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20 Sinterização

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21 Microestruturas Cerâmicas

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2 ANÁLISES TÉRMICAS

¾As análises mais utilizadas para a caracterização das transformações que ocorrem durante a queima de uma porcelana são:

Análise Termo-Dilatométrica (TD)

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23 Análise Termo-dilatométrica

¾A análise termo-dilatométrica, ou dilatometria, permite verificar as variações de dimensão de uma amostra durante o tratamento térmico.

Temperatura

ΔL/Lo 0

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24 Porosimetria ao Mercúrio

¾A técnica de porosimetria ao mercúrio ébastante útil para acompanhar as modificações da porosidade de um material cerâmico durante sua queima.

¾Com uma análise de aproximadamente 30 min é possível obter a distribuição do tamanho de poros, a área específica e a densidade aparente do material.

¾A técnica consiste em se pressionar mercúrio contra uma amostra porosa e observar a quantidade de mercúrio que entra nesses poros em função da pressão aplicada.

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25 Espalhamento

¾Quando temos um líquido que édepositado sobre um sólido sua forma final édada pela mínimo de energia do sistema.

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica -USP no equilíbrio: γSV= γLVcosθ+ γSL

Equilíbrio dos tensores

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27 Três condições podem ser observadas θ> 90 0 não molha θ< 90 0 molha θ= 0 0 espalha

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28 Porosimetria ao Hg

D mercúrio

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29 Equação de Washburn

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30 Distribuição do tamanho de poros região I região I região I

VM VM/ 2

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31 Distribuição do tamanho de poros região I região IIregião I

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32 Área Específica dV.P A

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3 Densidade Aparente

Hg vazioHgcomcheiocal amostrapentrHgamostrapentr cal amostra aparente m V

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