Estudo De Caso 2 Queima De Ceramica

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PMI2201 - TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS ESTUDO DE CASO 02 QUEIMA DE UMA PORCELANA Prof. Douglas Gouvêa Prof. Samuel M. Toffoli Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 2 Conteúdo 1. Matérias-Primas Utilizadas na Fabricação de Porcelanas a) Materiais “Plásticos” ƒ Argilas plásticas b) Materiais Não-Plásticos 3. Queima - Revisão de Conceitos Físicos a) Calorimetria b) Combustíveis e Combustão c) Generalidades Sobre a Queima de Argilas d) Principais Transformações de Fase e) Análises Térmicas 2. Classificação dos Materiais Cerâmicos à Base de Argila 9 Análise Termica Diferencial 9 Análise Termogravimétrica 9 Análise Dilatométrica f) Queima g) Fornos Industriais Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 1 Classificação dos Principais Materiais Cerâmicos à Base de Argilas 3 Temperatura de queima (ºC) Tipo Cerâmica Matérias-primas Majolica Temperatura de esmaltação 900 1000-1100 (contêm Fe2O3) Argilas impuras, areia e fluxos 900 1000-1100 Cor e características especiais Marrom-vermelho Argilas “impuras” vermelha comum Primeira queima (biscoito) Frequentemente não esmaltado Marrom e recoberta com um esmalte branco e opaco Argila plástica ou caulim 50 % Louça de barro Minerais feldspáticos 5-20 % 1050-1150 950-1050 Branca acinzentada 900-1000 1250-1350 Branca acinzentada ou branca 900-1000 1400 Branca e translúcida Areia ou outros minerais de sílica 30-45% Caulim 30-40 % Porcelana comum Porcelana elétrica Feldspato 15-25 % Quartzo 15-35 % Caulim 30-40 % Feldspato 15-25 % Quartzo 15-35 % Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 4 Composição básica de uma porcelana ¾ MATÉRIAS-PRIMAS: 9 Plásticas ƒ Caulim ƒ Argila plástica 9 Não plásticas ƒ Quartzo (areia) ƒ Feldspato Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 2 5 Argilas Plásticas ¾ Argila: 9 argilominerais ƒ mineral presente em maior quantidade e que confere a plasticidade às argilas. 9 minerais associados ƒ quartzo, etc. 9 matéria orgânica ƒ estes materiais orgânicos conferem cor às argilas, a qual pode ir do negro ou cinza ao azul ƒ apesar da cor inicial após a queima o material torna-se branco. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 6 Materiais plásticos: argila caulinítica ¾ Argilomineral caulinita: Al2O3.2SiO2.2H2O. Fórmula exata: Al2Si2O5(OH)4. Argilomineral abundante e que dá nome à argila caulim. ¾ O termo “caulim” é derivado do nome de uma região do norte da China com o nome “Kao-Lin”. ¾ Este material é derivado da quebra e lixiviação de minerais como o feldspato. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 3 7 Caulinita - Estrutura ¾ A estrutura da caulinita pode ser considerada como sendo composta de duas camadas (“folhas”), que se empilham inúmeras vezes: 9 Camada tetraédrica: silício e oxigênio. Cada silício encontra-se no centro de um tetraedro com quatro oxigênios nos vértices. 9 Camada octaédrica: íons alumínio e hidroxilas (hidróxido de alumínio ou gibsita) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 8 Caulinita vista em MEV (“SEM” ) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 4 9 Argilas: reações durante o aquecimento reação endo/exo Conseqüência da reação. 450-600 Endo Desidroxilação e formação da meta-caulinita (2 925 Exo As camadas da meta-caulinita se reestruturam de uma T(ºC) Al 2O 3.4SiO 2). forma mais compacta tipo espinélio de composição aproximada 2 Al 2O 3.3SiO 2 com liberação de sílica. 1050-1100 Exo A estrutura espinélio se tranforma em fase mulita com liberação de sílica que pode aparecer como cristobalita. 1200-1400 Continuação do desenvolvimento de cristobalita e mulita agora com uma composição consistente com 3 Al 2O 3.2 SiO 2 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP Materiais Não-Plásticos 10 ¾ Os materiais não plásticos que constituem uma porcelana são: 9 a sílica (geralmente na forma do mineral quartzo). 9 o feldspato. ¾ Essas matérias-primas naturais têm a função de: 9 corrigir o excesso de plasticidade da massa cerâmica (sílica); 9 obter as propriedades desejadas em temperaturas de queima mais baixas (“fundentes” = feldspato). ¾ Podem ser utilizados para melhorar o empacotamento das partículas Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 5 11 Sílica ¾ A sílica (SiO2) é o óxido mais abundante encontrado na crosta terrestre. ¾ Dá origem aos silicatos e também encontra-se presente na maioria dos materiais cerâmicos tradicionais fabricados pelo homem. ¾ Assim, é também um dos constituintes principais da porcelana. ¾ As formas alotrópicas mais estáveis da sílica são: ƒ tridimita ƒ cristobalita ƒ quartzo ƒ vidro Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 12 Tridimita Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 6 13 Cristobalita Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 14 Quartzo Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 7 Expansão Térmica da Sílica 15 Importante: Mudança de Fases do Quartzo α ↔ β Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 16 Vidro ¾ O vidro é a forma não cristalina da sílica. ¾ A formação do vidro de sílica pode ser conseguida pelo aquecimento do quartzo até sua fusão (T>1710 ºC). ¾ Contudo, a introdução de óxidos de metais (Na2O, K2O, CaO, etc.) pode promover a formação de vidro em temperaturas mais baixas, através da quebra das ligações entre os tetraedros e desorganização da estrutura cristalina (⇒ vidro comercial). ¾ Fontes dos íons de metais alcalinos são, de uma forma geral, os feldspatos e a barrilha (Na2CO3). Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 8 17 Feldspatos ¾ Os materiais à base de feldspatos são utilizados como “fluxos” ou “fundentes”. Eles são a origem de metais alcalinos como o Na+ e K+ para a formação de vidro durante a queima de materiais cerâmicos como as porcelanas e louças (massas triaxiais). ¾ Os feldspatos mais comuns são o ortoclásio (K2O.Al2O3.6SiO2), a albita (Na2O.Al2O3.6SiO2), ou solução sólidas deles. ¾ O ortoclásio (feldspato potássico) começa sua decomposição a cerca de 1160ºC e funde completamente em torno de 1290ºC. ¾ A albita (feldspato sódico) funde a 1160ºC. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP Principais reações químicas durante a queima de uma porcelana (massa triaxial) Temperatura (oC) T < 200 200 – 400 573 450 – 600 Transformação Eliminação de umidade residual Queima da matéria orgânica Inversão do quartzo α para β, com expansão volumétrica Desidroxilação da caulinita, com retração volumétrica 950 Formação de espinélio e mulita, a partir dos cristais de caulinita 1100 Início da fusão do feldspato e da mica, formação de fase vítrea T > 1200 18 Vitrificação completa, retração volumétrica máxima Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 9 19 Altas Temperaturas ⇒ SINTERIZAÇÃO ¾ Etapa fundamental durante o processo de queima do material cerâmico ⇒ eliminação da porosidade. ¾ É preciso lembrar que esses materiais cerâmicos, quando conformados, são, na verdade, apenas partículas empacotadas, desde muito finas até algumas grossas. ¾ As partículas finas (principalmente) apresentam um excesso de energia livre G, dado por: 9 dG = γ dA (Força Motriz) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 20 Sinterização Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 10 21 Microestruturas Cerâmicas Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 22 ANÁLISES TÉRMICAS ¾ As análises mais utilizadas para a caracterização das transformações que ocorrem durante a queima de uma porcelana são: ƒ Análise Térmica Diferencial (DTA) ƒ Análise Termo-Gravimétrica (TG) ƒ Análise Termo-Dilatométrica (TD) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 11 23 Análise Termo-dilatométrica ¾ A análise termo-dilatométrica, ou dilatometria, permite verificar as variações de dimensão de uma amostra durante o tratamento térmico. ΔL/Lo 0 Temperatura Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 24 Porosimetria ao Mercúrio ¾ A técnica de porosimetria ao mercúrio é bastante útil para acompanhar as modificações da porosidade de um material cerâmico durante sua queima. ¾ Com uma análise de aproximadamente 30 min é possível obter a distribuição do tamanho de poros, a área específica e a densidade aparente do material. ¾ A técnica consiste em se pressionar mercúrio contra uma amostra porosa e observar a quantidade de mercúrio que entra nesses poros em função da pressão aplicada. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 12 25 Espalhamento ¾ Quando temos um líquido que é depositado sobre um sólido sua forma final é dada pela mínimo de energia do sistema. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 26 Equilíbrio dos tensores γLV γSL θ γSV no equilíbrio: γSV = γLV cos θ + γSL Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 13 27 Três condições podem ser observadas θ > 90 0 não molha θ < 90 0 molha θ=00 espalha Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 28 Porosimetria ao Hg mercúrio D Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 14 29 Equação de Washburn F = − π D γ cos θ D= FEXT π D2 P = 4 − 4 γ cos θ P Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 30 Distribuição do tamanho de poros região I DM VM região II VM / 2 região III Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 15 31 Distribuição do tamanho de poros região I região II região III DM Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 32 Área Específica d W = γ ⋅ cos θ ⋅ d A γ ⋅ cos θ ⋅ dA = − P ⋅ dV A= ( − ∫ P.dV ) (γ ⋅ cos θ) ∑ ΔA = − (∑ P ⋅ ΔV ) (γ ⋅ cos θ) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 16 33 Densidade Aparente Vcal = ρ aparente = (m cheio com Hg − m vazio ) ρ Hg m amostra ⎛ m pentr + amostra +Hg − m pentr + amostra Vcal − ⎜ ⎜ ρ Hg ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 17