Fabricação de Produtos Cerâmicos

Elementos de Ciência dos Materiais
CERÂMICOS
O
emprego dos produtos cerâmicos, obtidos por cozimento de argilas, primeiro ao sol e
depois em fornos, iniciou-se naqueles lugares onde escasseava a pedra e eram abundantes os
materiais argilosos.
A própria Bíblia registra o uso de tijolos na construção de Torre de Babel. No livro de
Gêneses 11. 2-4, lê-se:
“E disseram uns aos outros ‘Vamos, façamos tijolos e cozamo-los ao fogo’,
serviram-se de tijolos em vez de pedras e de betume em lugar de
argamassa. Depois disseram ‘Vamos, façamos para nós uma cidade e uma
torre cujo cimo atinja os céus’”.
A Arqueologia está em grande parte fundada no estudo dos fragmentos de vasilhas
cerâmicas. A argila cozida é muito frágil e rompe-se em muitos pedaços; estes, porém, tem um
duração extraordinária.
Por ser um material barato, pois a matéria prima é abundante, os produtos cerâmicos
tornaram-se logo algo essencial na história da humanidade. Na Caldéia foi muito utilizado o tijolo
cozido. O mesmo aconteceu com os assírios, que, com tijolos, construíram os palácios de
Khorsabad e Sargão. É famosa a grande biblioteca de tabuinhas de barro, de Nínive.
Enquanto os assírios e caldeus tinham técnica apurada e entre eles o tijolo era usado para
obras monumentais, na Pérsia servia ele principalmente para casas populares, se bem que tinham
sido encontrados tijolos esmaltados, de frisos provenientes de Susa.
No Egito a pedra sobrepujou o tijolo, mas mesmo assim, os operários da construção das
pirâmides moravam em casas de tijolos. Também a Bíblia cita no Êxodo 19.13 e 14, a respeito da
construção, pelos hebreus, das cidades de Pitom e Ramsés.
Se egípcios e gregos pouco usaram o tijolo, e assim mesmo como material secundário, o
mesmo não se pode dizer dos romanos. No seu domínio sobre o mundo, os romanos levaram seus
conhecimentos cerâmicos a todas as partes, se bem que as alvenarias de tijolo eram muitas vezes
recobertas e escondidas por gesso ou pedra.
Coube, porém, aos árabes revalorizar extraordinariamente este material, a ponto de seu uso
caracterizar a arquitetura maometana. Principalmente na Espanha, ficaram exemplos notáveis de
aplicação de tijolos pelos árabes.
O grande incêndio de Londres em 1666, que destruiu grande número de casas de madeira,
alertou os ingleses para a reconstrução da cidade usando tijolos.
Com o aparecimento das estruturas metálicas e do concreto armado, o tijolo foi relegado da
sua função estrutural para a utilização como elemento de vedação. Visando a redução do peso
próprio e a melhoria da qualidade de isolamento térmico, desevolveu-se o uso de tijolo furado.
Cerâmica compreende todos os materiais inorgânicos, não-metálicos, obtidos geralmente
após tratamento térmico em temperaturas elevadas. Os materiais cerâmicos são fabricados a partir
de matérias-primas classificadas em naturais e sintéticas. As naturais mais utilizadas
industrialmente são: argila, caulim, quartzo, feldspato, filito, talco, calcita, dolomita, magnesita,
cromita, bauxito, grafita e zirconita. As sintéticas, incluem entre outras alumina (óxido de
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alumínio) sob diferentes formas (calcinada, eletrofundida e tabula); carbeto de silício e produtos
químicos inorgânicos os mais diversos.
Dependendo do produto a ser obtido e das propriedades desejadas, a ou as matérias-primas
são selecionadas e submetidas a uma série de operações, sendo que, pelo menos em uma delas,
ocorre tratamento térmico em temperaturas elevadas. Nesta operação podem ocorrer uma série de
alterações nas características das matérias-primas, principalmente nas naturais, como: perda de
massa, composição química, estrutura cristalina e surgimento de novas fases cristalinas e formação
de fase vítrea. Portanto, em função do tratamento térmico e das características das diferentes
matérias-primas são obtidos produtos para as mais diversas aplicações.
As principais etapas do processamento dos materiais cerâmicos incluem de uma forma
geral a preparação das matérias-primas e da massa, a conformação, o processamento térmico e o
acabamento.
ARGILAS
Para o ceramista, a argila é um material natural que, quando misturado com água em
quantidade adequada, se converte numa pasta plástica. O termo argila é usado para os materiais que
resultam diretamente da ação da meteorização e/ou ação hidrotermal ou que se depositaram como
sedimentos fluviais, marinhos, lacustres ou eólicos.
Todas as propriedades úteis das argilas advêm dos materiais argilosos. Estes minerais, que
são criados, destruídos e criados de novo ao longo do ciclo das rochas, têm grão fino (geralmente, <
2μm, mas apresentam estrutura cristalina perfeita ou quase perfeita.
Os minerais argilosos são os componentes característicos das argilas e estas, por sua vez,
são rochas nas quais os minerais argilosos ocorrem isoladamente ou estão misturados em várias
proporções com outros minerais, os minerais não argilosos, tais como: quartzo, feldspato, mica,
calcita, hematita, etc.
PROPRIEDADES DAS ARGILAS
Plasticidade
É a propriedade do corpo que, submetido a uma força determinada, se deforma e conserva
indefinidamente a deformação quando se anula a força. A plasticidade nas argilas varia com a
quantidade de água. A argila seca tem plasticidade nula; molhando-a, ela vai ganhando plasticidade
até um máximo; com mais água, as lâminas se separam, a argila perde a plasticidade e se torna um
líquido viscoso.
Resistência da argila seca
As características principais das argilas são a plasticidade quando úmidas e a resistência
quando secas.
A composição granulométrica da argila tem íntima relação com sua resistência no estado
seco ao ar. A resistência mecânica não depende exclusivamente do teor de colóides, mas também
de uma granulometria adequada, o que permite que as partículas coloidais exerçam eficiente papel
aglutinante. A composição mais adequada é aquela que tem substâncias argilosas em torno de 60%,
estando o resto do material dividido igualmente entre silte, areia fina e média.
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Perda de peso
Duas são as classes de transformação:
a) Natureza física: variação de densidade, porosidade, dureza, resistência plasticidade,
textura, condutibilidade térmica e elétrica.
b) Natureza química: desidratação, decomposição, formação de novos compostos.
Todos os materiais argilosos têm água de constituição ou reticular, água que forma parte da
rede cristalina do mineral, e água de absorção ou plasticidade, aquela que está unida à superfície
das partículas. Alguns têm água zeolítica, com suas moléculas intercaladas nos vazios da rede
cristalina. A energia térmica elimina toda água, qualquer que seja a sua forma.
A água de hidratação é fácil de eliminar, desde a temperatura ambiente até 110ºC. a
quantidade desta água é função do grau de divisão do mineral e do estado higrométrico do
ambiente.
A água zeolítica é proporcional à porosidade da textura, assim como ao grau de umidade. A
eliminação desta água se faz entre 300ºC e 400ºC. Não ultrapassando esta temperatura, os minerais
podem se hidratar quantas vezes se queira. O fenômeno é reversível porque a argila conserva a sua
estrutura. A água de constituição é constante para cada tipo de argila. Elimina-se a uma
temperatura fixa para cada mineral e sempre maior do que 400ºC.
Variações dimensionais
Na preparação industrial das pastas adiciona-se água às argilas para que possam ser
moldadas. A eliminação total da água das argilas na prática é feita em duas fases: na primeira, a
baixas temperatura, é eliminada a água de amassamento e parte da zeolítica – é a secagem; e na
outra, elimina-se o restante da água zeolítica e a de constituição – é a queima. Quando perde toda a
água, a argila adquire dureza e sonoridade , aumentando a porosidade. A secagem se faz em duas
fases: na primeira há evaporação da água superficial e, em conseqüência, se produz uma corrente
contínua de água do interior para a superfície, que tende a restabelecer o equilíbrio. Ao ser
eliminada esta água – de retração – diminui o espaço entre as partículas argilosas, a peça retrai-se
até o total equivalente ao volume evaporado e cessa de se contrair quando as partículas se põem em
contato.
A água de interposição, na segunda fase, elimina-se através dos condutos capilares. É mais
lenta do que a fase anterior. A contração é prejudicial por não ser homogênea, principalmente
quando a peça tem distintas e partes de muita plasticidade. Podem diminuir-se os efeitos, fazendo
secagem lenta, não no princípio que é fácil, nem no fim quando não há contração, mas sim nomeio,
para evitar que a película exterior se contraia antes de alcançar o equilíbrio com a água interior. A
velocidade de eliminação deve também ser pequena, para que a tensão de vapor seja superior à
resistência da peça.
A secagem é feita abaixo de 120ºC; acima desta temperatura é queima. A argila se
decompõe entre 500ºC e 700ºC, rompendo a rede cristalina. Passa ao estado amorfo e experimenta
perda de peso (perda de água de constituição). A temperatura máxima é de 1000ºC para cerâmica
de construção; para grés e porcelana vai até 1300ºC e nos refratários até 1400ºC. Próximo à
temperatura de vitrificação (amolecimento) os componentes amorfos reagem quimicamente e
formam-se novos compostos cristalinos.
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Porosidade
É a relação entre o volume de poros e o volume total aparente do material. É um número
constante para cada material. Depende da natureza dos constituintes; da forma, tamanho e posição
relativa das partículas; e dos processos de fabricação.
Pode-se aumentar a porosidade de vários modos:
a) pela adição de matérias que desaparecem com a queima; são em geral matérias
carbonosas, como serragem de madeira dura, carvão moído;
b) pela adição de matérias porosas, como terra de infusórios e vermiculita (mica
expandida);
c) pela criação de fase gasosa, que seja estável durante a secagem e queima; em geral se
utiliza a reação entre alumínio ou zinco, ambos em pó, e hidróxidos alcalinos.
Pode-se diminuir a porosidade de vários modos:
a) pela vitrificação da massa de argila, por fundentes ou por calor. Os fundentes são
substâncias que na queima se combinam com os constituintes da argila e formam uma
massa vítrea que enche os poros. O CaO é um fundente ativo;
b) pela adição de eletrólitos à argila em estado seco, tais como álcalis, hidróxido de cálcio,
grandes quantidades de ácidos, etc.
A porosidade influi nas propriedades (principalmente físicas) da argila. A absorção da água
ou outro fluído está na razão direta da porosidade. Absorve mais rapidamente a massa que tem
poros médios; nos poros pequenos, cheios de ar, é difícil eliminar este último. A densidade
aparente diminui com a porosidade.
Impurezas
A cor vermelha de algumas argilas se deve a presença de óxido de ferro. Algumas
impurezas melhoram a resistência, aumentam a plasticidade e a refratariede. Às vezes ocasionam
defeitos sobre argila crua ou sobre o produto cozido. Se a argila vai ser usada para porcelana fina e
branca, não pode conter óxido de ferro; se é para material refratário, não pode conter fundentes.
Podemos classificar as argilas de vários modos, um deles é de acordo com a composição:
· sílica
· compostos de cálcio
· compostos de alumínio
· compostos de bário, de magnésio, de
· compostos alcalinos
· compostos de ferro
titânio e de manganês;
· material carbonoso
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Purificação da Argila
· Processos mecânicos
· Processos químicos
· Processos físico-químicos
FABRICAÇÃO DE PRODUTOS CERÂMICOS
Exploração das jazidas
Tratamento da matéria prima
DIVISÃO
HOMOGENEIZAÇÃO
UMIDIFICAÇÃO
PROCESSOS NATURAIS DE
TRATAMENTO:
PROCESSOS MECÂNICOS DE
TRATAMENTO:
Mistura
Meteorização
Amadurecimento
Apodrecimento
Levigação
Trituração
Peneiramento
Amassamento e mistura
Laminador-refinador
Modelagem
Secagem
Queima
PRODUTOS CERÂMICOS PARA CONSTRUÇÃO
O setor cerâmico é amplo e heterogêneo o que induz a dividi-lo em subsetores ou
segmentos em função de diversos fatores, como matérias-primas, propriedades e áreas de
utilização. Dessa forma, a seguinte classificação, em geral, é adotada.
Cerâmica Vermelha - compreende aqueles materiais com coloração avermelhada
empregados na construção civil (tijolos, blocos, telha e tubos cerâmicos / manilhas) e também
argila expandida (agregado leve), utensílios domésticos e adorno. As lajotas muitas vezes são
enquadradas neste grupo e outras, em Cerâmicas ou Materiais de Revestimento.
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Cerâmica ou Materiais de Revestimento - compreende aqueles materiais usados na
construção civil para revestimento de paredes, piso e bancadas tais como azulejos, placas ou
ladrilhos para piso e pastilhas.
Cerâmica Branca - este grupo é bastante diversificado, compreendendo materiais
constituídos por um corpo branco e em geral recobertos por uma camada vítrea transparente e que
eram assim agrupados pela cor branca de massa, necessária por razões estéticas e/ou técnicas. Com
o advento dos vidrados opacificados, muitos dos produtos enquadrados nesse grupo passaram a ser
fabricados , sem prejuízo das características para uma das aplicações, com matérias-primas com
certo grau de impurezas, responsáveis pela coloração. Muitas vezes prefere-se subdividir este grupo
em função da utilização dos produtos em: louça sanitária, louça de mesa, isoladores elétricos para
linhas de transmissão e de distribuição, utensílios doméstico e adorno, cerâmica técnica para fins
diversos, tais como: químico, elétrico , térmico e mecânico.
Materiais Refratários - este grupo compreende uma gama grande de produtos, que têm
como finalidade suportar temperaturas elevadas nas condições específicas de processo e de
operação dos equipamentos industriais, que em geral envolvendo esforços mecânicos, ataques
químicos, variações bruscas de temperatura e outras solicitações. Para suportar estas solicitações e
em função da natureza das mesmas, foram desenvolvidos inúmeros tipos de produtos, a partir de
diferentes matérias-primas ou mistura destas. Dessa forma podemos classificar os produtos
refratários, quanto a matéria-prima ou componente químico principal em: sílica, sílico-aluminoso,
aluminoso, mulita, magnesiano-cromítico, cromítico-magnesiano, carbeto de silício, grafita,
carbono, zircônia, zirconita, espinélio e outros.
Isolantes Térmicos - os produtos deste segmento podem ser classificados em:
a) refratários isolantes que se enquadram no segmento de refratários;
b) isolantes térmicos não refratários, compreendendo produtos, tais como vermiculita
expandida, sílica diatomácea, diatomito, silicato de cálcio, lã de vidro, lã de escória e lã
cerâmica, que são obtidos por processos distintos ao do item a) e que podem ser
utilizados, dependendo do tipo de produto até 1100ºC;
c) fibras ou lãs cerâmicas que apresentam características físicas semelhantes às citadas no
item b), porém apresentam composições tais como sílica, sílica-alumina, alumina e
zircônia, que dependendo do tipo, podem chegar a temperaturas de utilização de
2000oC ou mais.
Fritas e Corantes - Estes dois tipos de produtos são importantes matérias-primas para
diversos segmentos cerâmicos cujos produtos requerem determinados acabamentos.
Frita (ou vidrado fritado) é um vidro moído, fabricado por indústrias especializadas a partir
da fusão da mistura de diferentes matérias-primas. Este pó é aplicado na superfície do corpo
cerâmico, que após a queima, adquire aspecto vítreo. Este acabamento tem por finalidade aprimorar
a estética, tornar a peça impermeável, aumentar a resistência mecânica e melhorar ou proporcionar
outras características.
Corantes constituem-se de óxidos puros ou pigmentos inorgânicos sintéticos obtidos a
partir da mistura de óxidos ou de seus compostos. Os pigmentos são fabricados por empresas
especializadas, inclusive por muitas das que produzem fritas, cuja obtenção envolve a mistura das
matérias-primas, calcinação e moagem.
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Os corantes são adicionados aos vidrados (cru, frita ou híbrido) ou aos corpos cerâmicos
para conferir-lhes colorações das mais diversas tonalidades e efeitos especiais.
Abrasivos - Parte da indústria de abrasivos, por utilizarem matérias-primas e processos
semelhantes ao da cerâmica, constitue-se num segmento cerâmico. Entre os produtos mais
conhecidos podemos citar o óxido de alumínio eletrofundido e o carbeto de silício.
Vidro, Cimento e Cal - São três importantes segmentos cerâmicos e que, por suas
particularidades, são muitas vezes considerados à parte da cerâmica.
Cerâmica de Alta Tecnologia / Cerâmica Avançada - O aprofundamento dos
conhecimentos da ciência dos materiais proporcionaram o homem o desenvolvimento de novas
tecnologias e aprimoramento das existentes nas mais diferentes áreas, como aeroespacial,
eletrônica, nuclear e muitas outras e que passaram a surgir materiais com qualidade
excepcionalmente elevada. Tais materiais passaram a ser desenvolvidos a partir de matérias-primas
sintéticas de altíssima pureza e por meio de processos rigorosamente controlados.
Estes produtos, que podem apresentar os mais diferentes formatos, são fabricados pelo
chamado segmento cerâmico de alta tecnologia ou cerâmica avançada. Eles são classificados de
acordo com suas funções em: eletroeletrônicas, magnética, ópticas, químicas, térmicas, mecânicas,
biológicas e nucleares. Os produtos deste segmento, são de uso intenso e a cada dia tende a se
ampliar. Como alguns exemplos, podemos citar: naves espaciais, satélites, usina nuclear, implantes
em seres humanos, aparelhos de som e de vídeo, suporte de catalisadores para automóveis, sensores
(umidade, gases e outros), ferramentas de corte, brinquedos, acendedor de fogão, etc.
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