Cerâmicas - UNESP Sorocaba

Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba
Materiais e Reciclagem
11 – Cerâmicas
Professor Sandro Donnini Mancini
Sorocaba, Maio de 2016.
Definição : Keramos = coisa queimada. Normalmente óxidos
covalentes
ou
iônicos.
Materiais
inorgânicos,
não
metálicos,
processados ou consolidados a altas temperaturas (pelo menos >
800oC). Podem apresentar-se em óxidos ou não.
Tipos
Cerâmicas Eletro-eletrônicas
Refratárias
Estruturais
Biocerâmicas
Vidros, etc.
1
Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers – 3aEd. McMillan Publishing Company.
Nova Iorque, 1992. 793p.
Propriedades Típicas
Resistência mecânica – depende de como é aplicada a força;
geralmente alta a compressão e baixa ao cisalhamento, mas mantida em
altas T.
Alta fragilidade (trincam facilmente);
Alta Rigidez;
Alta temperatura de uso;
Baixa condução térmica e elétrica (utilização em isolantes);
Inércia química;
Baixa Densidade (em comparação com metais);
Porosidade alta.
2
http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/physics/introduction/default.html
http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/physics/introduction/default.html
3
Material
Temperatura Máxima de Uso (oC)
(aproximadamente)
Ligas de Al
400
Cobre
500
Ferro Fundido
800
Si3N4
1200
SiC
1400
Alumina
1600
Acrílico
90
PVC
70
Kevlar
200
PET
70
Material
Resistividade Elétrica à Temperatura Ambiente
(Ω.cm)
Prata
1,6.10-8
Cobre
1,7.10-8
Ferro
10.10-8
Si
6,4.104
SiC
10
B4C
0,5
Ge
40
SiO2
> 1014
Porcelana
1012 – 1014
Borracha, Nylon
> 1014
PET, PS, Teflon
> 1016
Gregório Filho, R. e
Rodrigues, J.A.
Introdução às
Propriedades
Eletrônicas dos
Materiais (notas de
aula). UFSCar, 1988.
4
http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/physics/introduction/default.html
Shackelford, J.F. Introduction to Materials
Science for Engineers – 3aEd. McMillan
Publishing Company. Nova Iorque, 1992.
793p.
5
Porcelana de alumínio-silicato
Alumina
Magnesia
Espinélio (aluminato de Mg)
Módulo de Rigidez Típico Médio (GPa)
69
270-370
170-270
230
Zircônia
Berília
Carbeto de Silício
Carbeto de Boro
Nitreto de Boro
Vidro de Sílica
Vidro de Borosilicato (Pyrex
)
Carbeto de Tungstênio (metal duro)
Diamante
Osso Humano
Papel
Aço para concreto Armado
Alumínio
Latão e Bronze
Cobre
Liga Nb-Zr-Ti
Garrafa de PET Reciclada
250
380
470
290
83
72
69
450-650
1.000
17-35
1-3
220
75
103-124
118
79-90
1,3-1,8
Matérias-primas
Naturais, composta de materiais inorgânicos e formadas por
processos geológicos complexos.
As propriedades da matéria-prima são determinadas pela:
estrutura cristalina;
composição química;
tipo e quantidade de minerais acessórios presentes.
São constituídas principalmente de O, Al e Si, que representam
cerca de 90% da crosta terrestre.
6
Os elementos
mais
abundantes
da crosta
terrestre
http://www.profpc.com.br/Qu%
C3%ADmica_descritiva.htm
Argilas – qualquer material do solo constituído por partículas
de diâmetro inferior a 2µm, isto é, mais finas que a areia.
Torna-se moldável quando umedecida. Sua composição
mineralógica é altamente variável, sendo constituída
principalmente de argilo-minerais.
Principais Argilominerais
Caulinita – Al2O3.2SiO2.2H2O - caulim: rocha com, ppalmente, caulinita
Montmorilonita – Al1,67Mg0,33.Si4O10(OH)2
Mica – [Al4K2(Si6Al2)O20 (OH)4]
Outros minerais encontrados nas argilas comuns:
Talco – Mg3(SiO5)(OH2), Quartzo – SiO2
Feldspato – silicato de Al contendo Na, K ou Cu (fundente)
7
Fabricação de Produtos Cerâmicos
Problema: possuem temperaturas de fusão altíssimas
Al2O3: 2220oC
ZrO2: 2400oC
MgO : 2800oC
E para fundir?
E misturar dois materiais cerâmicos?
Que molde usar? Que forno usar?
Na base da fusão, como os metais, fica muito caro, quando não
impossível. Por isso, são normalmente convertidos a forma de
pó (↓ tamanho de partícula, ↑ energia superficial/kg)
Fabricação de Produtos Cerâmicos (etapas mais comuns)
1)
Preparação do pó (moagem, peneiramento da
argila...)
2) Conformação do pó
Partículas + líquido ligante (geralmente água), formam uma “pasta” com
propriedades reológicas (de fluxo) suficientes para a conformação.
3) Sinterização
Aquecimento seca o líquido e aglomera as partículas, formando um produto
utilizável.
Kingery, W.D., Bowen, H.K. e Uhlmann, D.R.
Introduction to Ceramics. Nova Iorque: John
Wiley & Sons, 1976.
8
Mineração e Tratamento das Matérias-Primas
Fonte: www.inb.gov.br
Exemplo – Mineração e Tratamento
do U3O8
Processo:
Britagem + lixiviação com H2SO4
(pilhas são “regadas”)
Extração do U3O8 por solventes
orgânicos e posterior precipitação.
Finalizando: secagem
acondicionamento
Bolo Amarelo
(mínimo de 65% de U3O8)
Seqüência de processamento para a fabricação de
produtos de vidro, argamassa e de outros materiais
cerâmicos (cerâmica)
Tipos
Seqüência de processamento
Argila
pó
forma
calor
Vidro
pó
calor
forma
calor
pó
forma
Cimento
Adaptado dos slides do prof. Dachamir Hotza em http://www.materiais.ufsc.br/Disciplinas/EQA5745/
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Exemplos de Conformação
Torneamento – baseada na rotação da massa e na moldagem
manual ou automatizada de vasos, cerâmica artística, pratos,
xícaras, etc.
Extrusão – massas é forçada através de um molde para formar
uma coluna contínua, a qual pode ser cortada em comprimentos
apropriados. A operação é feita em marombas. Utilizado para
fabricação de tijolos e manilhas.
Colagem – Moldes geralmente de gesso “chupam” o excesso de
água, permitindo a obtenção de peças grandes.
Extrusão
10
Colagem
Norton, F.H. Introdução à Tecnologia Cerâmica. Ed.
Edgard Blucher, São Paulo-SP, 1973, 347p.
Secagem e Queima
A secagem (realizada em secadores) consiste na retirada de
água em excesso e a queima (em fornos) produz a sinterização
dos materiais cerâmicos.
A queima se divide em três estágios:
Reações preliminares;
Sinterização;
Resfriamento.
11
Norton, F.H. Introdução à Tecnologia Cerâmica. Ed.
Edgard Blucher, São Paulo-SP, 1973, 347p.
FORNOS PERIÓDICOS OU DE BATELADA
FORNOS CONTÍNUOS
Norton, F.H. Introdução à Tecnologia Cerâmica. Ed.
Edgard Blucher, São Paulo-SP, 1973, 347p.
12
Temperatura típica de secagem: 110oC
Temperaturas típicas de queima:
950oC – cerâmicas vermelhas (tijolos, telhas, manilhas, etc.)
1250oC – cerâmica branca (louças de mesa e sanitária, porcelana,
pisos, azulejos)
1450oC – refratários (sílico-aluminosos, aluminosos e especiais)
Algumas cerâmicas importantes
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Cerâmicas Refratárias
Material sólido, policristalino e/ou vítreo (podendo ter adições
metálicas) capaz de, em condições específicas de uso, a altas
T, suportar: carga, erosão e corrosão sem se deformar.
Perfil de consumo: > 70% - siderurgia
14-20% - indústrias de celulose, petroquímica,
metais não ferrosos, outras cerâmicas
6 – 10% - cimenteiras
2 - 4% - indústrias de vidro
Tipos de Refratário – de Sílica (97% de SiO2)
Sílico-Aluminosos - 15% a 45% de Al2O3
Aluminosos - 45% e 75% de Al2O3
Altamente aluminosos, magnesianos, magnésia-cromo, forsterita, etc.
Cimento e Concreto
Cimento – também chamado de cimento Portland, devido a
semelhança com uma pedra extraída em Portland, Inglaterra. É
considerado o mais importante dos materiais de construção
modernos.
Argamassa – mistura de cimento portland, cal hidratada
(Ca(OH)2) e areia, usado na fixação de revestimentos
cerâmicos, reboque, etc.
Concreto – mistura de cimento, areia e pedra. Só perde para a
água em termos de utilização (~1 ton/hab.ano).
Cimento branco – calcita e argila branca, e com utilização semelhante ao da argamassa.
Cimento dentário – ionômeros de vidro, produzidos normalmente à base de polímero solúvel em
água, como o ácido poliacríclico, misturado à vidro de aluminossilicato pulverizado.
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Síntese do cimento
Ao calcário (basicamente CaCO3) moído são adicionados várias
argilas, rochas esmagadas e até minério de ferro, de modo a
fornecer a quantidade de sílica (~25%) e alumina (~10%)
necessária.
FARINHA
→
CLÍNQUER
calcário + Fe + argila moídos
1500oC
→
CIMENTO
+ gesso + escória de alto forno
+ calcário moídos
No forno acontecem reações de eliminação do CO2 do calcário
e formação do cal (CaO) e posteriormente de uma série de
compostos, sendo os principais o silicato tricálcio [(CaO)3SiO2],
o silicato dicálcico [(CaO)2SiO2], ferroaluminato tetracálcico
[(CaO)4Al2O3.Fe2O3] e aluminato tricálcico [(CaO)3Al2O3].
Votoran Cimentos
Salto de Pirapora-SP
Mineração de Calcário
15
Entrada do Forno
Forno
16
Água nos compostos de cimento gera cristais de aluminatos
hidratados, os grandes responsáveis pela rigidez do cimento
após a pega (ou cura). A hidratação dos silicatos forma uma
espécie de gel que formará uma espécie de rede “aprisionando”
os cristais formados, a brita e a areia.
Essa hidratação, tanto dos silicatos quanto dos aluminatos é
irreversível, dificultando a reciclagem e o reaproveitamento
dos materiais derivados de cimento.
Vidros
Definição (ASTM) – produto inorgânico obtido por fusão, que
adquire rigidez durante o resfriamento controlado e não se
cristaliza.
Sílica (SiO2)
Vidro
Geralmente, os vidros são misturas de vários óxidos, sendo que
alguns estão presentes nas matérias primas (geralmente de Si,
Al e Na) e outros são adicionados intencionalmente. Exemplos:
B – formam os boro-silicatos, de caráter refratário (Pyrex)
Pb – facilitam a solda a baixas T – microeletrônica
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Kingery, W.D., Bowen, H.K. e Uhlmann, D.R. Introduction to Ceramics. Nova Iorque: John Wiley &
Sons, 1976.
Fusão
~1400oC (virgem)
~1200oC (cacos)
Vantagem !!!
Norton, F.H. Introdução à Tecnologia Cerâmica. Ed. Edgard Blucher,
São Paulo-SP, 1973, 347p.
18
Conformação de Fibras
Prensagem
Sopro
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Fabricação de Vidros Planos
Processo Float
Vidro fundido flutua e solidifica em banho de estanho fundido
Têmpera de Vidros
Aquecimento acima da
Temperatura de transição vítrea
(Tv) e posterior resfriamento
brusco (geralmente jatos de ar na
superfície) faz com que a
superfície resfrie imediatamente e
o centro demore mais.
Van Vlack, L.H. Princípios de Ciência dos Materiais. Trad. L.P.C.Ferrão. Ed.
Edgard Blucher. São Paulo, 1985. 470p.
Essa diferença no resfriamento gera diferenças de tensões
entre centro e superfície, fazendo com que o vidro ganhe
resistência mecânica.
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Têmpera de Vidros (continuação)
Centro - tracionado
Superfície – comprimida (“tampa” defeitos)
http://www.prelco.ca/pdf/fiches/Prel-Gard_A.pdf
A têmpera química normalmente ocorre pela substituição de
íons Na+ da superfície do vidro por íons de K+ de um banho de
sal no qual o vidro foi mergulhado. Como trata-se de um íon
maior, comprime a superfície, gerando o mesmo efeito que a
têmpera térmica.
Tipos de vidros tecnológicos
Fibras de Vidro – utilizadas para isolamento térmico e para
reforço de plásticos, normalmente a base de SiO2 – Al2O3 –
CaO – MgO.
Vidro de Segurança e à Prova de Bala – podem ser fabricados a
partir de lâminas de vidro (temperado ou endurecido)
interligadas por filme(s) de polivinil butiral.
Fibras ópticas – geralmente 2
vidros: transmissão (a base de
sílica vítrea – Na2O-CuO e SiO2) e
de blindagem, este último, com
índice de refração menor, o que
permite a reflexão na interface
21
IMPACTOS AMBIENTAIS DAS CERÂMICAS
Doenças ocupacionais – silicose;
Acidentes – cortes;
Efeito estufa – 5% do CO2 mundial provém da indústria do
cimento;
Extração de Recursos Naturais utilizados como matériaprima e na obtenção de energia para a fabricação.
Prévia da Indústria Mineral 2011/2010 – Disponível em
http://www.mme.gov.br/sgm/menu/publicacoes.html
Dados mais atuais em
http://www.dnpm.gov.br/dnpm/sumarios/sumario-mineral-2015 (*) - p.34-37, 46, 47
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Prévia da Indústria Mineral 2011/2010 – Disponível em http://www.mme.gov.br/sgm/menu/publicacoes.html
A Reciclagem de Materiais é um Negócio.
www.blog.simbiosebrasil.com.br
www.comgeres.com.br
www.gacc.com.br
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Reciclagem de Materiais é Oportunidade de Negócio
quando existe :
Sucata Valorizada;
Cobre, Alumínio
Mercado Demandando;
Aço e outras ferrosos
Abundância de Matéria-Prima;
PET
Legislações que auxiliam;
Pneus
Educação.
Todos os resíduos
47
Qualquer que seja a força motriz da reciclagem, o material
reciclado tem que ter propriedades finais competitivas, não
necessariamente com o material virgem.
Separação de Resíduos é Importante, senão fundamental !
Quanto melhor a separação, + puro o reciclado ↑ valor agregado
Essa competitividade possível em termos de propriedades se
soma à vantagens ambientais, propaladas ou não por
estratégias de marketing.
Reciclagem, porém, é uma atividade industrial que gera
impactos ambientais, normalmente menores que os envolvidos
na fabricação de materiais virgens.
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E A RECICLAGEM DE MATERIAIS CERÂMICOS ?
Reciclagem complexa;
Diversidade de composições;
Maioria dos produtos são duráveis;
Mercado ruim;
Sucata pouco valorizada;
Reaproveitamento energético inviável, assim como os metais.
Como reciclar produtos cerâmicos descartados ?
fusão dos vidros;
O restante, se antes da sinterização*: moagem e mistura com
matéria-primas virgens;
O restante, se após a sinterização*: moagem e utilização
como carga, agregados etc.
* ou da hidratação no caso de produtos derivados do cimento.
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Apesar dos problemas, a reciclagem de materiais cerâmicos é
interessante em casos onde há excesso de matéria-prima.
Onde há isso?
Resíduos Industriais;
Embalagens de Vidros;
Resíduos da Construção Civil.
MUITA
MATÉRIAPRIMA!
Lei ajuda.
Abundância de Matéria-Prima (resíduos) para a reciclagem de
Materiais Cerâmicos:
Embalagens de Vidros;
Resíduos da Construção Civil.
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Embalagens de vidros (garrafas, principalmente)
Embalagens possuem composição mais ou menos semelhante;
Alto índice de quebra x reutilização;
Reenvase clandestino;
Demanda do mercado por descartáveis (perda de espaço para
plásticos principalmente): 0,5 kg/habitante.mês;
Teoricamente, reciclável infinitas vezes;
Sem restrição ao uso em contato direto com alimentos;
Problema: preço muito baixo!
Alguns tipos de vidros, devido à composição específica, presença de revestimentos
ou camadas internas de outros materiais bem como de outras características,
apresentam dificuldades técnicas de reciclagem, que mesmo uma separação muito
bem feita pode não ser suficiente para tornar compensatória.
Dessa forma são considerados não-recicláveis ou de reciclabilidade difícil: vidros
de lâmpadas incandescentes, espelhos, vidros temperados, cristal, de janela, de
automóvel etc . Não devem ser misturados aos vidros de embalagem.
Separação;
Impurezas (tampas metálicas
ou canudos, p.ex.) – podem
causar bolhas e/ou inclusões
→ diminuem transparência e
são núcleo de formação de
trincas. O controle de
impurezas metálicas é bem
mais rigoroso (resistem a
altas temperaturas).
Moagem;
Reprocessamento
(fusão).
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MATÉRIA-PRIMA
Garrafas de Coca-Cola
Telhas refugadas
Moagem
Parte da Matéria-Prima Virgem
28
Mistura
Forno
Molde
29
Recozimento
Peça Final
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Abundância de Matéria-Prima (resíduos) para a reciclagem de
Materiais Cerâmicos:
Embalagens de Vidros;
Resíduos da Construção Civil.
Indústria da construção civil
Durante a obra (perdas de materiais ~ 20%);
Demolição;
Reforma.
Resolução CONAMA 307 de 2002
Classe A - tijolos, telhas, azulejos, argamassa, concreto etc.
Classe B – Recicláveis – metais, plásticos, papéis e gesso*
Classe C - ?*
Classe D – Perigosos, incluindo telhas com amianto**
* Resolução 431/2011 ; ** Resolução 348/2004
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Resíduos Classe A – Cerâmicos
Devem ser separados e moídos e utilizados como agregados na
própria indústria da construção civil. Caso não seja possível,
devem ser aterrados em aterros de resíduos inertes.
Gesso (forros, molduras, acartonados)
Também é material cerâmico (CaSO4 . ½ H2O), porém não é
inerte. Calcinado após extraído, é umedecido na obra.
Para reciclagem, desidratação é possível, mas improvável.
Contaminantes e preço baixo complicam possibilidades de
reaproveitamento (reciclagem, agricultura, cimento, moagem com classe A...).
Reciclagem de Entulho em Belo Horizonte. Para enterrar, a Prefeitura
cobrava, em 2007, R$ 15,00 por caçamba. Se dentro da caçamba só
tiver resíduo classe A, o caçambeiro pode deixar na usina de graça.
Isso estimulou a separação dos resíduos, não necessariamente na obra.
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BRITADOR INICIAL
ENVIO AO CONJUNTO
DE PENEIRAS
ACÚMULO DE MATERIAL
BRITADO
BRITADOR
INICIAL
33
CONJUNTO DE PENEIRAS
SÃO 4 PENEIRAS PARA A
OBTENÇÃO DE
MATERIAIS COM 4
GRANULOMETRIAS
DIFERENTES
3
4
2
1
34
35