Matérias Primas Cerâmicas

1. Matérias Primas Cerâmicas Prof. José Flávio Timoteo Júnior EngMat/UFAM

2. Definição: Origem: Grécia: keramos: vaso (raiz: sânscrito: queimar). Gregos usavam o termo para se referir a “ terra queimada” Cerâmicas são materiais não-metálicos inorgânicos. De natureza tipicamente cristalina. São compostos formados entre elementos metálicos e não-metálicos... óxidos (SiO2, Al2O3, Al2(Si2O5)(OH)4 nitretos (Si3N4, BN, AlN) carbetos (SiC, B4C) ou elementos simples... diamante, grafita Alternativamente...

3. Cerâmica: definição tradicional Minerais de composição inconstante e pureza duvidosa são expostos a um tratamento térmico não-mensurável, que dura o suficiente para permitir que reações desconhecidas ocorram de modo incompleto, formando produtos heterogêneos e não-estequiométricos, conhecidos com o nome de materiais cerâmicos.

4. Cerâmica: definição moderna Materiais cerâmicos são compostos sólidos formados pela aplicação de calor, algumas vezes calor e pressão, constituídos por ao menos • um metal (M) e um sólido elementar não-metálico (SENM) ou um não-metal (NM), • dois SENM, ou • um SENM e um não-metal (NM)

5. Metais e não-metais • Metais (M): Na, Mg, Ti, Cr, Fe, Ni, Zn, Al... • Não-metais (NM): N, O, H, halogênios, gases nobres... • Sólidos elementares não-metálicos (SENM): isolantes (B, P, S, C ) ou semicondutores (Si, Ge)

6. Metais Não-Metais I A VIII B 1 H 2 He II A III B IV B V B VI B VII B 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar III A IV A V A VI A VII A  VIII A  I B II B 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 55 Cs 56 Ba * La 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra **Ac Sólido Líquido Gás 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu * Lantanídeos 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lw ** Actinídeos Tabela periódica dos elementos

7. Sólidos Elementares Metais Não-Metálicos I A VIII B 1 H 2 He II A III B IV B V B VI B VII B 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar III A IV A V A VI A VII A  VIII A  I B II B 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 55 Cs 56 Ba * La 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra **Ac Sólido Líquido Gás 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu * Lantanídeos 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lw ** Actinídeos Tabela periódica dos elementos

8. Exemplos de combinações • M + NM: MgO, Al2O3, BaTiO3, YBa2Cu3O7... • M + SENM: TiC, ZrB2... • SENM + SENM: SiC, B4C • SENM + NM: SiO2, Si3N4

9. História da Cerâmica 3 Períodos Históricos: Período Keramos: Antes de 5000 aC Período dos Silicatos Industriais: 1900 - 1940 Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: 1940 -

10. Cerâmica: origem, antiguidade • Keramos = “coisa queimada” (grego) • 5000 A.C.: artefatos de argila (earthenware), louça de barro (pottery) • 3500 A.C.: torno de oleiro • 1000 A.C.: porcelana (China)

11. Idade contemporânea • Séc. 18: porcelana (Alemanha), colagem, extrusão, forno túnel • Séc. 19: mecanização, microscopia óptica, cones pirométricos (Slide #18) • Séc. 20: raios X, microscopia eletrônica, materiais sintéticos, automatização

12. História da Cerâmica Alguns Fatos: Escavações arqueológicas encontram vestígios cerâmicos. Materiais resistentes ao tempo, demonstrando sua existência e uso milenares. Chineses  argila que queimava branca (kao-lin). Mistura a fundente  porcelana  massa de absorção zero. Babilônia: tabuletas de cerâmica usadas para escrita. Murais de revestimento cerâmico esmaltado. Gregos: ânforas de cerâmica para transportar o azeite produzido na oliveiras do mar Egeu. Keramus era um bairro de Atenas. Decoração da cerâmica com cenas do cotidiano: conhecimento de sua história. Cerâmica grega é levada para Roma e Alexandria. Queda do Império Romano  invasão árabe. Paixão por azulejos (termo árabe para “pedra cintilante“). Decoração de palácios e mesquitas com mosaicos coloridos. Norte da África  preferência por revestimentos cerâmicos frescos (clima quente), preferência adotada no Brasil. Século VIII: árabes entram na península ibérica e trazem tradição cerâmica. Séculos XV e XVI  Renascimento na Europa. Renovação das artes, primeiros centros ceramistas europeus fora de Atenas. Portugal: potência naval. Napoleão invade Portugal  corte portuguesa para o Brasil trazem azulejos.

14. História da Cerâmica Espanha maior produtor de azulejos que Portugal, mas Brasil é maior produtor que Argentina. Isto se deve à presença da corte portuguesa no Brasil, fazendo com que os azulejos portugueses penetrassem no Brasil mais do que os azulejos espanhóis na Argentina. Hoje: antigos azulejos portugueses nas igrejas da Bahia. Uso em fachadas disseminado porque as tintas não resistiam à insolação forte e à maresia das cidades litorâneas por onde a colonização portuguesa se iniciou. Produção cerâmica: de artesanal para fabricação em série (Revolução Industrial). Início do século XX: fornos contínuos (fornos túneis com carrinhos) Industrialização leva a cerâmica a novos setores: das louças de mesa da elite para a higiene das louças sanitárias. Período dos silicatos industriais. Pequenos painéis de azulejos em volta do lavabo foram ampliados para a altura de 1,50 metro e depois até o teto. A linha esmaltada, nos anos 50, dá início à fabricação em série na indústria cerâmica, com linha contínua de fabricação não artesanal que vai desde a matéria prima até o produto acabado. Anos 50: Cerâmicas Técnicas  Alumina

15. A Igreja e Convento de São Francisco é uma das mais ricas do Brasil e considerada o mais belo exemplar do barroco português no mundo. O templo tem o interior todo recoberto em ouro e jacarandá. O Barroco está presente na fachada e nos painéis de azulejos portugueses, que reproduzem o nascimento de São Francisco e sua trajetória de renúncia aos bens materiais. Também está no interior, formado por talha de madeira e ornamentado com todos os símbolos do barroco: folhas de acanto, pelicanos, flores, anjos, sereias, dentre outros.

16. História da Cerâmica Anos 70: forno de rolos monoestrato (sem material portante), utilizado para a produção de cerâmica do tipo monoqueima grés prensada. Consumo de pisos cresce mais que de azulejos. São desenvolvidos pisos para tráfego pesado. Pisos avançam do uso residencial para o uso comercial. 1985: Espanha assume liderança mundial no setor de azulejos porosos por monoqueima (monoporosa). Parcerias entre universidades e indústrias  surge grande centro de pesquisa (AICE). 1990: Itália  dedicação ao grés-porcelanato (baixa porosidade, < 1%) em mercado não ocupado pelos espanhóis 1993: Brasil  surge o CCB (Centro Cerâmico do Brasil) - Instituto da Qualidade do Revestimento Cerâmico, fundado pela ANFACER - Associação Nacional dos Fabricantes de Cerâmica para Revestimento, que inicia os seus ensaios em 1994 e começa a certificar as empresas em 1995. Novo enfoque dos tempos modernos: design, com a criação de centros como o Centro de Tecnologia Cerâmica, em Criciúma. Design internacional deve se somar à tecnologia e à competitividade Promoção de feiras internacionais, ação internacional conjunta, assistência técnica e ao uso de gás natural como os grandes desafios que se apresentam como requisitos de sobrevivência no mercado.

17. História da Cerâmica Período Keramos: Antes de 5000 aC até ~1900 Atividade artesanal Primeira máquina (antes de 3500 aC): torno (potter´s wheel) (foto) Fornos rudimentares Tecnologia baseada no empirismo Destaque: porcelana chinesa branca, altamente translúcida (reproduzida no Ocidente após 1710 com alquimista alemão Fredrich Bottger e físico Conde de Tschirnhaus) Descoberta da matéria-prima: argila resistente à chama e materiais fundentes. Primeiro maquinário moderno: 1800 – (revolução industrial e vapor) mecanização da mistura, prensagem e moagem. Final do Séc. XIX: avanços: separação das fases SiO2 por MO SiC em forno elétrico Cones pirométricos (foto)

18. Torno (potter´s wheel) Ferramentas de acabamento Ferramentas de torno

19. Cones Pirométricos Inventado por Hermann Seger Permite saber a temperatura de queima Feito com material cerâmico e tem a forma de uma pirâmide triangular alongada, medindo aproximadamente 7 cm de altura Funcionamento: quando o forno atinge uma temperatura prefixada, o cone inclina-se completamente tocando com a ponta na prateleira Deve ser colocado em pontos que  permita ser observado pelo ceramista através do visor na porta do forno Possuem números que indicam a temperatura. Ex: Cone 013=869 C; Cone 7=1215 C.

20. História da Cerâmica Período dos Silicatos Industriais (1900 - 1940) Melhor industrialização (mecanização e uso de termopares) Refinamento da matéria-prima e uso de aditivos Desenvolvimento de técnicas de análise estrutural: Difração de raios-X Microscopia eletrônica Produção de compostos para refratários (aciaria), vidros, cimentos e componentes eletrônicos

21. Microestrutura Produto Propriedades Processamento História da Cerâmica Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: 1940 - Avanço na síntese, caraterização e fabricação de produtos cerâmicos Consolidação da Ciência de Materiais: Tríade Microestrutura/Processamento/Propriedades

22. História da Cerâmica Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: 1940 - Avanços significativos em instrumentação: Uso rotineiro do MEV em controle de qualidade Técnicas de análise química (ppms) Distribuição de tamanhos de partícula < 1 m Equipamentos para testes Monitoramento computadorizado (balanças, fabricação e queima) Desenvolvimento de novos produtos: cerâmicas técnicas

23. Produtos Cerâmicos Concepção de produtos cerâmicos depende de vários aspectos: Materiais: Tipo e qualidade da matéria-prima Processo: Tecnologia envolvida e produtividade Controle de qualidade: tolerâncias, qualidade aparente Mercado: Economia e Resposta do consumidor

24. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha Produtos: Tijolos e blocos / telhas / tubos / lajotas / vasos Matéria-prima: local, próxima à planta argilas com alto teor de ferro e matéria orgânica Continua…

25. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha Principais produtos: Tijolos de alvenaria Tijolos furados Lajes cerâmicas Tijolos prensados Telhas Matéria-prima: Argilas plásticas caulinito-ilíticas ou em camadas mistas com matéria orgânica, óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio. Origem: Margens de rios, lagos ou várzeas Queima: Entre 900 e 1000 C Continua…

27. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha Principais produtos: Ladrilhos de piso, prensados (com ou sem vidrado) nas cores Vermelho, Amarelo, Verde e Pérola Matéria-prima: Argilas plásticas caulinito-ilíticas ou em camadas mistas ricas em ferro metais alcalino-terrosos. Vitrificam a 1050 C Argilas sedimentares ou folhelhos argilosos coloridos: taguás (SP) e massapê (BA). Argilas plásticas refratárias e pigmentos . Queima: Entre 1050 – 1350 C TAGUÁ – Argila plástica com alto teor de óxido de ferro. O termo é originário do Tupi, TA-WA, que significa argila amarela. Continua…

29. Produtos Cerâmicos: Classificação ao tipo de produto Grupo 1: Cerâmica Estrutural ou Cerâmica Vermelha Principais produtos: Manilhas vidradas Matéria-prima: Argilas plásticas semi-refratárias. Vidrado de NaCl ou sintético. Queima: Entre 1000 e 1100 C VIDRADO OU GLAZURA OU ESMALTE– Camada vítrea sobre o produto cerâmico. É uma suspensão em água de materiais insolúveis finos, que se aplica às cerâmicas como recobrimento. A altas temperaturas, fundem e formam uma camada vítrea. Composição: 1. Um vidrante (fritas) 2. Um fundente (feldspato). 3. Óxido de alumínio – possibilita que as combinações da sílica com o fundente sejam mais estáveis e viscosas.

30. Grupos 2 e 3: Funções Estéticas (Quadro Resumo) Produtos Cerâmicos: Classificação ao tipo de produto

31. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 2: Cerâmica Branca Principais produtos: Louça sanitária / porcelana de mesa / porcelana elétrica / porcelana de laboratório Matéria-prima: Argilas + materiais fundentes (feldspato) + quartzo Queima branca: Pureza da matéria-prima e controle de temperatura (fundente) Continua…

32. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 2: Cerâmica Branca Principais produtos: Porcelana elétrica Matéria-prima (queimam com cor clara): Argilas plásticas + caulim + feldspato + quartzo. Queima: Entre 1200 e 1300 C Continua…

33. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 2: Cerâmica Branca Principais produtos: Louça doméstica Louça Sanitária Porcelana doméstica Porcelana de laboratório Matéria-prima: argilas plásticas de queima clara, caulim, areia quartzítica, feldspato, talco, silicatos de baixo ponto de fusão, calcita, dolomita, pigmentos inorgânicos Queima: Entre 1000 e 1045 C

34. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 3: Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico Classificação: Revestimento interno e revestimento externo Principais produtos: Cerâmica porosa e grês* Placas cerâmicas (pisos e azulejos (monopoross) / ladrilhos / pastilhas Matéria-prima: Caulim + quartzo + feldspato + argila plástica de queima clara Obs.: Formato regular permite alto grau de automação *GRES – Nome de origem francesa, aplicado à cerâmica queimada a uma temperatura normalmente superior aos 1200C, cuja pasta é vitrificada junto com o esmalte. Massa altamente refratária. Também conhecida pelo termo inglês stoneware “barro – pedra”.

35. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 3: Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico • Revestimento cerâmico é um produto constituído de um biscoito poroso (suporte) coberto por uma camada de vidrado (acabamento). • A outra face é a sua superfície de aderência, destinada ao assentamento, chamada de tardoz. • Características que favorecem seu uso em ambientes que podem ser molhados e devem ser higiênicos, em casas, apartamentos, fachadas, hospitais: • facilidade de limpeza, devida à sua superfície impermeável e lisa;- impermeabilidade, que impede a proliferação de fungos e bactérias, proporcionando uma perfeita higiene;- resistência à ação de ácidos normais de uso diário, sem danos ao vidrado;- resistência aos raios ultra-violetas, não desbotando quando expostos ao sol;- resistência contra riscos e desgaste por outros materiais, devida à dureza do vidrado (segundo tabela PEI, que indica ambientes em que os produtos podem ser aplicados de acordo com sua resistência);- resistência ao calor de fogões e chaminés, não alimentando o fogo e não se decompondo em materiais ou gases perigosos;- durabilidade ilimitada, não sendo necessário substituí-los por envelhecimento;- beleza, devida às composições de decoração que possibilita.

37. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 3: Cerâmica de Revestimento ou Revestimento Cerâmico Principais matérias-primas da composição do biscoito: Calcáreo (CaCO3), caulim, argila, filito (fundente), talco, feldspato (fundente) e quartzo. Materiais fornecem plasticidade, coesão e resistência ao produto final. Materiais são pesados em balanças para compor a mistura ideal da fórmula (massa) Mistura em moinhos de bolas, juntamente com água  barbotina (se for via úmida) Granulação em atomizador contra jato de ar quente Massa granulada é prensada em formato retangular  biscoito cru No processo de monoqueima  peças são decoradas e esmaltadas ainda cruas. No processo de biqueima  peças prensadas cruas são empilhadas em vagonetes e levados para o forno de queima. O biscoito cru é queimado ~ 1500 C por 36 horas (queima lenta). A seguir, o biscoito vai para a linha de esmaltação, transportado por meio de correias, recebendo a decoração através de serigrafia e o esmalte. O esmalte é obtido pela moagem de fritas (vidro próprio para esse fim, acrescidas de outros materiais minerais e corantes). A moagem é efetuada em tambores revestidos com porcelana, com bolas de porcelana, para evitar impurezas resultantes do desgaste. Vidrado é queimado a 1.050 C em forno túnel durante 12 horas. Produto é classificado, embalado e embarcado para o revendedor.

38. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 4: Cerâmica Refratária ou Refratários Cerâmicos Classificação: (de acordo com a natureza da matéria-prima) Naturais Sintéticos Continua…

39. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 4: Cerâmica Refratária (Naturais) Sílico-aluminosos: Argilas refratárias com < 38,5% Al2O3 (cru) ou < 46% Al2O3 após queima a 1000 C Aluminosos: Argilas refratárias com > 38,5% Al2O3 (cru) ou > 46% Al2O3 após queima de Sílica: quartzitos de fácil conversão em cristobalita com > 93% SiO2 e baixo teor de ferro e metais alcalinos e alcalino-terrosos Silicosos: quartzitos impuros ou argilas silicosas com até 15% Al2O3 após queima a 1000 C de Magnesita: magnesita natural - MgCO3, MgO de água do mar de Cromita: cromita: FeO.Cr2O3 de Cromita - magnesita: misturas de magnesita e cromitas naturais de Zirconita: silicato de zircônio natural de areias residuais - subproduto das areias monazíticas e ilmeníticas de Grafita: grafita + argila; coque + alcatrão de Dolomita: dolomita (MgCa)(CO3)2 Continua…

40. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 4: Cerâmica Refratária (Sintéticas) Alumina Fundida: bauxita fundida + argila Carbeto de Silício: quartzo + coque Zircônia: minérios ou sais de zircônio Magnésia: sais de magnésio de água do mar Silicato de cálcio (até 850 ºC): sílica + hidróxido de cálcio, diatomito, amiantos e carbonato de magnésio

41. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 5: Abrasivos Abrasivos Naturais: areia , bauxita, argilas calcinadas, diatomita Abrasivos Sintéticos: alumina fundida , carbetos metálicos sinterizados , óxidos metálicos sinterizados , nitratos e boretos

42. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 6: Vidros Grupo 7: Cimento / Argamassa

43. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas

44. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Aplicações • Térmica • Elétrica • Magnética • Ótica • Nuclear • Química • Biológica • Mecânica • Estética

45. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Térmicas

46. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Elétricas

47. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Magnéticas

48. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Óticas

49. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções Nucleares

50. Produtos Cerâmicos: Classificação Grupo 8: Cerâmicas Técnicas ou Avançadas: Funções químicas