Classificação das Matérias-Primas Como esta matéria

Classificação das Matérias-Primas
Reed - Cap. 3
Principais Tipos de Matérias-Primas Cerâmica
Cerâmica Branca:
Argilominerais  plasticidade
Feldspato  carga não plástica na mistura e agente fundente (fluxo) na queima
Sílica  carga resistente à fusão (refratário)
Refratários:
Sílica / aluminosilicatos / alumina / MgO / CaO
Abrasivos:
Alumina / SiC / SiO2
Cerâmicas Avançadas Estruturais:
SiC / Si3N4 / ZrO2 / Al2O3
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 nãoprocessados
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
Classificação das Matérias-Primas
Como esta matéria-prima é obtida
Variação:
Composição química / composição mineral
Pureza
Estrutura e propriedades físico-químicas
Distribuição 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
Classificação das Matérias-Primas
Escolha da matéria-prima
 Produto
 Processamento
Performance
Preço do produto final
Regula a importância da MP no custo da produção
Pode determinar custo final
Classificação das Matérias-Primas
Matéria-prima de depósitos naturais
Historicamente: primeiras cerâmicas próximas a depósitos naturais de argilas
Exemplos:
potes, vasilhas e vasos (cerâmica artesanal)
tijolos
revestimento cerâmico
Ainda hoje em caráter regional: produção familiar
Algumas 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
Classificação das Matérias-Primas
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 obtidos
por 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
Classificação das Matérias-Primas
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.
quartzo
matéria orgânica
sais solúveis
minerais amorfos
•Grande variedade de argilas, mas pequeno número de argilominerais.
•Exemplos de argilominerais: caulinita, halloysita, pirofilita, montmorillonita, mica,
ilita.
Argilominerais e outros silicatos
Mineral
Fórmula química
ou em óxidos)
(estrutural
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
Classificação das Matérias-Primas
Minerais industriais
Alumina e bauxita
Alumina 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 montmorilonita
Bentonta Wyoming
Caulim
Para produtos cerâmicos
Para indústria de papel
Magnesita
Refratários
Cromita
Argilas
Feldspato
Sílica
Areia de fundição
Indústria de vidros
Continua...
Classificação das Matérias-Primas
Minerais industriais: Argilas e correlatos
Caulim – mineral relativamente puro composto principalmente por caulinita:
Al2Si2O5(OH)4 além de quartzo (SiO2), ilmenita (FeTiO2), rutilo (TiO2) e
Hematita (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 em
camadas 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 térmica
na queima.
Continua...
Classificação das Matérias-Primas
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
Separação de minerais por tamanho
Filtração ou centrifugação
Eliminação de impurezas solúveis
Classificação das Matérias-Primas
Produtos Químicos Inorgânicos
Alumina calcinada
Alumina 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
Classificação das Matérias-Primas
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
Classificação das Matérias-Primas
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 atômica
Partículas finas ( < 1um) e distribuição controlada
Geometria 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
[Thümmler, 1993:60]
Pós nanométricos e whiskers
ZrO2 (<0,5 µm)
whiskers de SiC