A palavra “cerâmica” é derivada do termo grego, “keramus” com significado " Argila ”.
O conceito de materiais cerâmico compreende “Os materiais obtidos a partir de composições com argilas, e ou óxidos puros”.
Pode-se também conceituar como materiais cerâmicos, ”os
produtos obtidos a partir de silicatos de alumínio hidratados (argilas),
endurecidos, sob ação do calor ”.
Os materiais cerâmicos
são polifásicos,
contendo elementos metálicos e não metálicos,
e suas propriedades dependem de suas estruturas, tendo
alta resistência ao cisalhamento e baixa resistência a tração.
A Engenharia Química na área de cerâmica se ocupa com a concepção, desenvolvimento, produção, avaliação, e aplicação dos materiais e produtos cerâmicos.
Engloba os aspectos científicos tecnológicos relacionados às características físico-químicas dos materiais cerâmicos aplicados ao seu processamento, fabricação, testes e usos como materiais de engenharia.
As funções do Engenheiro Químico, na indústria cerâmica, alcançam os seguintes itens:
- Projetos de engenharia, concernentes a equipamentos e processos.
- Cálculos em projetos e dimensionamentos de equipamentos.
- Pesquisa e desenvolvimento.
- Produção de materiais ou produtos acabados.
- Controle de Qualidade.
- Aplicações dos materiais e produtos cerâmicos
- Vendas e serviços de assistência técnica.
- Gerência e administração de indústrias cerâmicas
- Consultoria.
Áreas relacionadas com a indústria cerâmica:-
Vidros:- vidros planos, fibras e têxteis, placas, vidros óticos, vidros químicos, isolantes vítreos, recipientes, vidros estruturais, suportes em geral.
Refratários:- materiais usados em: Altos-fornos, fornos para fabricação de aço, coquerias, recuperadores e regeneradores de calor, fornos para fabrico de vidro, fornos cerâmicos, câmaras de combustão.
Abrasivos:- materiais para abrasão e moagem, aplicados em grãos, pós, papéis, tecidos, peças sólidas, cilíndricas, ou de outras formas, ferramentas de corte, etc.
Super-refratários:- condições extremas de temperaturas, tais como: câmaras de exaustão de foguetes, fuselagem de foguetes, narizes cônicos para espaçonaves, revestimento de fornos de plasma, etc.
Louça e porcelana:- Louça de mesa, materiais sanitários, revestimentos e pisos, porcelana elétrica, porcelana dentária, ladrilhos antiácidos, porcelana artística, porcelana química Cerâmica-eletrônica (eletrocerâmica):- isoladores, dielétricos, ferromagnéticos, piezo elétricos, semicondutores, transistores, termistores, circuitos impressos, lasers, magnéticos, eletrólitos cerâmicos, velas de ignição etc.
Cerâmica Nuclear:- Combustíveis nucleares, elementos moderadores, sensores, dosímetros, refletores, barras de controle, materiais de blindagem.
Produtos estruturais:- tijolos comuns, tijolos e ladrilhos esmaltados, tijolos anticorrosivos, telhas, manilhas, blocos, etc.
Revestimentos cerâmicos:- proteção e ou decoração de materiais metálicos ou não, esmaltes, vidrados, vidro para proteção de equipamentos químicos.
Cimentos, cal e gesso.
Materiais e equipamentos:- mineração, beneficiamento, projeto, construção, instalação, e operação de maquinas e equipamentos da indústria cerâmica.
As principais etapas do processamento cerâmico são:-
Preparação dos materiais: cominuição, proporcionamento granulométrico, e mistura.
Conformação e fabricação.
Processamento térmico.
Acabamento.
Minerais das argilas.
Silicatos. Principais constituintes das argilas,apresenta-se como o tetraedro silício-oxigênio, possuem ponto de fusão alto (importante uso nos refratários).
Grupo caulinita. Mineral que participa da maior parte das argilas, é um composto formado por alumínio e silício, e com dimensões próximas a 0,7 microns de diâmetro e 0,5 microns de espessura.
Grupo montmorilonita. Mineral encontrado geralmente nas bentonitas, derivadas de cinzas vulcânicas, com espessuras de 0,05 microns, sofrem inchamento com a absorção de água.
Grupo das micáceas. Tem como seu principal exemplo a moscovita, que apresenta perfeita clivagem entre as lamelas porém com resistência para evitar penetração de água entre as placas.
Grupo do alumínio hidratado. Seu principal mineral é a gibsita,constituindo por estrutura lamelar com ligações fracas, fragmentando-se com facilidade.
Classificação
das argilas :-
Conforme o emprego
Infusíveis, constituídas de caulim muito puro. São infusíveis em temperaturas elevadas e são utilizadas para a fabricação de porcelanas.
Refratárias, também muito puras, não se deformam a temperaturas de 1.500grausC, tem baixo coeficiente de condutibilidade térmica.
Fusíveis, são as mais importantes, deformam-se e vitrificam a temperaturas inferiores a 1.200grausC. São empregadas na produção de tijolos e telhas.
Quanto a formação:-
Residuais, quando se encontram no lugar em que foram formadas.
Sedimentares ou transportadas, quando removidas depositando-se em locais distantes do local de sua formação.
Quanto a plasticidade:-
(A plasticidade depende da maior ou menor quantidade de substâncias argilosas coloidais)
Gordas ou graxas, plásticas devido à alumina, untuosas ao tato, deformam-se exageradamente no cozimento, rica em materiais argilosos e pobres em areia.
Magras, contém excesso de sílica, resulta em produtos porosos e frágeis, é pouco plástica, porém tem baixa contração.
Matérias Primas da indústria cerâmica:-
Argila. (matéria básica da indústria cerâmica).
Composta por materiais amorfos e cristalizados, agrupados em espécies mineralógicas bem definidas.
Quimicamente, é um silicato de alumínio hidratado, e na maioria das vezes acompanhado por impurezas diversas.
A fórmula química da argila pura é 2SiO2.Al2O3.2H2O
Por definição da ABNT, argila é um “solo que apresenta características marcantes de plasticidade, quando suficientemente úmido molda-se facilmente em diferentes formas e quando seco apresenta coesão bastante para construir torrões dificilmente desagregáveis por pressão dos dedos; suas propriedades dominantes são devidas à parte constituída pelos grãos de diâmetros máximos inferior a 0,005 mm.".
Componentes químicos da argila.
Sílica - óxido de silício SiO2 (40 a 80%) como sílica livre (areia) reduz a plasticidade, a refratariedade, a retração e facilita a secagem,porém diminui a resistência mecânica, no entanto o vidrado endurecedor da argila é produzido pela sílica.
Alumina - óxido de alumínio Al2O3 (10 a 40%) dependendo do seu tipo, tem ação sobre o ponto de fusão; reduz a plasticidade, a resistência mecânica, e as deformações.
Cal - óxido de cálcio CaO (10%) age como fundente e clareador da cerâmica.
Álcalis - óxidos de sódio, potássio e magnésio Na2O, K2O, MgO (10%) abaixam o ponto de fusão, facilitam a secagem e o cozimento.
Óxido de ferro Fe2O3 (7%) dá a cor característica da cerâmica (vermelha ou amarela) e abaixa o ponto de fusão.
Água - de constituição, que faz parte da estrutura da molécula; de plasticidade ou absorvida, que adere à superfície das partículas coloidais; de capilaridade, água livre ou de poros, que preenche os poros e vazios.
Matéria orgânica - melhora a plasticidade, porém torna a cerâmica porosa.
CO2 e SO3 e ainda alguns sais
solúveis.
Propriedades das Argilas.
Plasticidade.
É a propriedade do material, corpo ou substância que submetido a determinado esforço, se deforma sem romper e conserva indefinidamente a forma assumida quando cessa o esforço.
Nas argilas a plasticidade varia com a quantidade de água.
A argila seca não apresenta plasticidade; acrescentando-se água gradativamente, a plasticidade vai aumentando até um determinado limite quando, pelo excesso de água e separação das lamelas que constituem a estrutura a argila se torna um líquido viscoso.
Argilas gordas ou puras dão em geral pastas plásticas. As argilas magras devem receber adições de substâncias que melhorem a plasticidade, como sejam carbonato e hidróxido de sódio, silicatos, oxalatos e tartaratos sódicos, tanino, húmus, ácido oléico, etc.
O ar diminui a plasticidade, que pode ser melhorada quando a argila é submetida a um tratamento de vácuo.
A temperatura diminui a plasticidade em virtude de provocar a redução da água e reduz-se também a plasticidade das argilas, pela adição de desengordurantes.
Resistência da argila seca.
A resistência mecânica da argila seca tem íntima relação com a composição granulométrica e não somente o teor de aglutinante ou das partículas coloidais.
Uma composição adequada é a que cerca de 60% de matérias argilosas, estão intimamente associadas ao resto do material, constituído por areia fina e areia média em partes iguais.
Quando a granulometria original não é a recomendável, aconselha-se dosar as argilas de modo que apresentem a máxima plasticidade quando úmidas, resistência máxima à tração quando secas e retração mínima durante a secagem e queima.
Comportamento ao calor.
Aquecida a argila, entre 20 a 150oC, ela perde água de capilaridade, entre 150 e 600oC elimina a água de plasticidade ou absorvida, a partir de 600oC começam a ocorrer as transformações químicas. É eliminada a água de constituição, há o conseqüente endurecimento, e as matérias orgânicas são queimadas.
Segue-se o estágio da oxidação: os carbonatos transformam-se pela calcinação, em óxidos. Finalmente, a partir dos 900oC acontece a vitrificação.
A sílica, de constituição e das areias, forma uma pequena quantidade de vidro que aglutina os demais materiais, dando ao conjunto resistência, dureza e capacidade. Aparece a cerâmica propriamente dita.
A quantidade de vidro formado, é função dos componentes da matéria prima, quer quanto à qualidade, quer quanto à quantidade, e define a qualidade do produto obtido. Nos tijolos comuns é pequeníssima, e nas porcelanas é grande.
O comportamento das argilas quando submetidas ao calor, varia para os diferentes tipos de estruturas. Argilas cauliníticas perdem pouca água até os 400oC, as montmorilonitas eliminam toda a água de absorção ou plasticidade já aos 150 oC e as ilitas aos 100 oC.
Porosidade.
Define-se como sendo a relação entre o volume de poros e o volume total aparente do material Depende da natureza dos constituintes, da forma, tamanho e posição relativa das partículas, e dos processos de fabricação ou obtenção.
O volume de poros é tanto menor quanto maior o diâmetro médio dos grãos, enquanto que as dimensões dos poros são proporcionais aos diâmetros das partículas. A permeabilidade do material será tanto maior quanto maiores forem as dimensões dos poros.
Pode-se reduzir a porosidade e a permeabilidade empregando-se argilas de grânulos de diâmetros de diferentes valores, isto é, de composição granulométrica mais adequada.
A porosidade influi nas propriedades da argila, essencialmente nas propriedades físicas. A absorção e a permeabilidade aumentam com a porosidade; enquanto que a densidade e a condutibilidade térmica e elétrica diminuem.
A porosidade facilita a corrosão, a abrasão e a erosão, diminui a resistência mecânica e aumenta a refratariedade. A porosidade aparente considera apenas os vazios permeáveis, enquanto que a porosidade real considera os vazios permeáveis (que absorvem água) e os impermeáveis
A porosidade aumenta:-
Pela adição de matérias orgânicas que são eliminadas durante a queima; são em geral matérias carbonosas como serragem de madeiras duras, carvão vegetal moído, etc
Pelo acréscimo de materiais porosos, como a Vermiculita (mica expandida).
Pela adição de substâncias que gerem fase gasosa, estável na secagem e queima; alumínio ou zinco, em pó, reagindo com hidróxidos alcalinos etc.
A porosidade diminui:-
Pela vitrificação de massa de argila, pelo calor ou por fundentes. Estes são substâncias que, durante a queima se combinam com os constituintes de argila formando massa vítrea que preenche os poros. O óxido de cálcio é um ativo fundente que pode ser usado.
Pela adição de eletrólitos à argila em estado seco. Álcalis, hidróxido de cálcio etc.
.Impurezas:-
Impurezas são as substâncias contidas nas argilas, sem contudo fazerem parte da composição química da mesma, ou que se adicionam a ela visando alterar propriedade ou propriedades, otimizando-a como matéria prima para obtenção de produtos cerâmicos.
A cor vermelha das argilas é transferida aos produtos com ela fabricados, devido ao óxido de ferro, razão que para obtenção de porcelanas fina e branca, não pode conter óxido de ferro em sua composição.
Assim também, na obtenção de materiais refratários, não se pode empregar argila contendo fundentes.
As argilas “gordas” ou “magras” deverão ser corrigidas seja eliminando ou reduzindo os teores de impurezas seja acrescentando substâncias que melhorem suas qualidades carentes.
Considerando-se a sílica livre como impureza, adicionada propositalmente ou não, a mesma apresenta os seguintes efeitos:
Aumenta a brancura do produto acabado.
Reduz a plasticidade da argila.
Diminui a retração dos produtos, durante a secagem ou queima.
Reduz a resistência à tração.
Reduz a refratariedade.
Aumenta o coeficiente de dilatação que diminui quando se dá a vitrificação, porque se combina com a alumina e outros fundentes.
A Alumina como impureza acidental, é menos freqüente, ela faz aumentar a refratariedade até a proporção de 70%, faz baixar entre 70 e 80% , e acima de 80% torna aumentar a refratariedade.
Carbonato e sulfato de cálcio são decompostos pelo calor formando óxido. A cal formada é prejudicial, pois hidrata e carbonata em presença de água e anidrido carbônico do ar, desprendendo calor e provocando aumento de volume que, por sua vez, gera tensões que podem até romper a peça.
Material carbonoso seja animal ou vegetal, atua sobre a plasticidade, aumentando-a ou reduzindo-a conforme o estado que se encontra.
Aumenta a porosidade do produto final, bem como a retração na queima. Se esta é rápida, os poros superficiais são fechados e os gases retidos provocam o esponjamento, podendo fornece produtos leves (argila expandida).