Qual a relação da plasticidade das argilas com a qualidade da cerâmica?

13- Materiais Cer�micos:-

A palavra �cer�mica� � derivada do termo grego, �keramus� com significado " Argila �.

O conceito de materiais cer�mico compreende �Os materiais obtidos a partir de composi��es com argilas, e ou �xidos puros�.

Pode-se tamb�m conceituar como materiais cer�micos, �os produtos obtidos a partir de silicatos de alum�nio hidratados (argilas), endurecidos, sob a��o do calor �.

Os materiais cer�micos s�o polif�sicos, contendo elementos met�licos e n�o met�licos,  e suas propriedades dependem de suas estruturas, tendo  alta resist�ncia ao cisalhamento e baixa resist�ncia a tra��o.    

A Engenharia Qu�mica na �rea de cer�mica se ocupa com a concep��o, desenvolvimento, produ��o, avalia��o, e aplica��o dos materiais e produtos cer�micos.

Engloba os aspectos cient�ficos tecnol�gicos relacionados �s caracter�sticas f�sico-qu�micas dos materiais cer�micos aplicados ao seu processamento, fabrica��o, testes e usos como materiais de engenharia.

As fun��es do Engenheiro Qu�mico, na ind�stria cer�mica, alcan�am os seguintes itens:

       -    Projetos de engenharia, concernentes a equipamentos e processos.

-         C�lculos em projetos e dimensionamentos de equipamentos.

-         Pesquisa e desenvolvimento.

-         Produ��o de materiais ou produtos acabados.

-         Controle de Qualidade.

-         Aplica��es dos materiais e produtos cer�micos

-         Vendas e servi�os de assist�ncia t�cnica.

-         Ger�ncia e administra��o de ind�strias cer�micas

-         Consultoria.

�reas relacionadas com a ind�stria cer�mica:-

Vidros:- vidros planos, fibras e t�xteis, placas, vidros �ticos, vidros qu�micos, isolantes v�treos, recipientes, vidros estruturais, suportes em geral.

Refrat�rios:- materiais usados em: Altos-fornos, fornos para fabrica��o de a�o, coquerias, recuperadores e regeneradores de calor, fornos para fabrico de vidro, fornos cer�micos, c�maras de combust�o.

Abrasivos:- materiais para abras�o e moagem, aplicados em gr�os, p�s, pap�is, tecidos, pe�as s�lidas, cil�ndricas, ou de outras formas, ferramentas de corte, etc.

Super-refrat�rios:- condi��es extremas de temperaturas, tais como: c�maras de exaust�o de foguetes, fuselagem de foguetes, narizes c�nicos para espa�onaves, revestimento de fornos de plasma, etc.

Lou�a e porcelana:- Lou�a de mesa, materiais sanit�rios, revestimentos e pisos, porcelana el�trica, porcelana dent�ria, ladrilhos anti�cidos, porcelana art�stica, porcelana qu�mica Cer�mica-eletr�nica (eletrocer�mica):- isoladores, diel�tricos, ferromagn�ticos, piezo el�tricos, semicondutores, transistores, termistores, circuitos impressos, lasers, magn�ticos, eletr�litos cer�micos, velas de igni��o etc.

Cer�mica Nuclear:- Combust�veis nucleares, elementos moderadores, sensores, dos�metros, refletores, barras de controle, materiais de blindagem.

Produtos estruturais:- tijolos comuns, tijolos e ladrilhos esmaltados, tijolos anticorrosivos, telhas, manilhas, blocos, etc.

Revestimentos cer�micos:- prote��o e ou decora��o de materiais met�licos ou n�o, esmaltes, vidrados, vidro para prote��o de equipamentos qu�micos.

Cimentos, cal e gesso.

Materiais e equipamentos:- minera��o, beneficiamento, projeto, constru��o, instala��o, e opera��o de maquinas e equipamentos da ind�stria cer�mica. 

As principais etapas do processamento cer�mico s�o:-

Prepara��o dos materiais: cominui��o, proporcionamento granulom�trico, e mistura.

Conforma��o e fabrica��o.

Processamento t�rmico.

Acabamento.

Minerais das argilas.

Silicatos. Principais constituintes das argilas,apresenta-se como o tetraedro sil�cio-oxig�nio, possuem ponto de fus�o alto (importante uso nos refrat�rios).

Grupo caulinita. Mineral que participa da maior parte das argilas, � um composto formado por alum�nio e sil�cio, e com dimens�es pr�ximas a 0,7 microns de di�metro e 0,5 microns de espessura.

Grupo montmorilonita. Mineral encontrado geralmente nas bentonitas, derivadas de cinzas vulc�nicas, com espessuras de 0,05 microns, sofrem inchamento com a absor��o de �gua.

Grupo das mic�ceas. Tem como seu principal exemplo a moscovita, que apresenta perfeita clivagem entre as lamelas por�m com resist�ncia para evitar penetra��o de �gua entre as placas.

Grupo do alum�nio hidratado. Seu principal mineral � a gibsita,constituindo por estrutura lamelar com liga��es fracas, fragmentando-se com facilidade. 

Classifica��o das argilas  :-

Infus�veis, constitu�das de caulim muito puro. S�o infus�veis em temperaturas elevadas e s�o utilizadas para a fabrica��o de porcelanas.

Refrat�rias, tamb�m muito puras, n�o se deformam a temperaturas de 1.500grausC, tem baixo coeficiente de condutibilidade t�rmica.

Fus�veis, s�o as mais importantes, deformam-se e vitrificam a temperaturas inferiores a 1.200grausC. S�o empregadas na produ��o de tijolos e telhas.

Residuais, quando se encontram no lugar em que foram formadas.

Sedimentares ou transportadas, quando removidas depositando-se em locais distantes do local de sua forma��o.

Quanto a plasticidade:-

(A plasticidade depende da maior ou menor quantidade de subst�ncias argilosas coloidais)

Gordas ou graxas, pl�sticas devido � alumina, untuosas ao tato, deformam-se exageradamente no cozimento, rica em materiais argilosos e pobres em areia.

Magras, cont�m excesso de s�lica, resulta em produtos porosos e fr�geis, � pouco pl�stica, por�m tem baixa contra��o.

Mat�rias Primas da ind�stria cer�mica:-

Argila. (mat�ria b�sica da ind�stria  cer�mica).

Composta por materiais amorfos e cristalizados, agrupados em esp�cies mineral�gicas bem definidas.

Quimicamente, � um silicato de alum�nio hidratado, e na maioria das vezes acompanhado por impurezas diversas.

A f�rmula qu�mica da argila pura � 2SiO2.Al2O3.2H2O

Por defini��o da ABNT, argila � um �solo que apresenta caracter�sticas marcantes de plasticidade, quando suficientemente �mido molda-se facilmente em diferentes formas e quando seco apresenta coes�o bastante para construir torr�es dificilmente desagreg�veis por press�o dos dedos; suas propriedades dominantes s�o devidas � parte constitu�da pelos gr�os de di�metros m�ximos inferior a 0,005 mm.".

Componentes qu�micos da argila.

S�lica - �xido de sil�cio SiO2 (40 a 80%) como s�lica livre (areia) reduz a plasticidade, a refratariedade, a retra��o e facilita a secagem,por�m  diminui a resist�ncia mec�nica, no entanto o vidrado endurecedor da argila � produzido pela s�lica.

Alumina - �xido de alum�nio Al2O3 (10 a 40%) dependendo do seu tipo, tem a��o sobre o ponto de fus�o; reduz a plasticidade, a resist�ncia mec�nica, e as  deforma��es.

Cal- �xido de c�lcio CaO (10%) age como fundente e clareador da cer�mica.

�lcalis- �xidos de s�dio, pot�ssio e magn�sio Na2O, K2O, MgO (10%) abaixam o ponto de fus�o, facilitam a secagem e o cozimento.

�xido de ferro Fe2O3 (7%) d� a cor caracter�stica da cer�mica (vermelha ou amarela) e abaixa o ponto de fus�o.

�gua - de constitui��o, que faz parte da estrutura da mol�cula; de plasticidade ou absorvida, que adere � superf�cie das part�culas coloidais; de capilaridade, �gua livre ou de poros, que preenche os poros e vazios.

Mat�ria org�nica - melhora a plasticidade, por�m torna a cer�mica porosa.

CO2 e SO3 e ainda alguns sais sol�veis.

Propriedades das Argilas.

Plasticidade.

� a propriedade do material, corpo ou subst�ncia que submetido a determinado esfor�o, se deforma sem romper e conserva indefinidamente a forma assumida quando cessa o esfor�o.

Nas argilas a plasticidade varia com a quantidade de �gua.

A argila seca n�o apresenta plasticidade; acrescentando-se �gua gradativamente, a plasticidade vai aumentando at� um determinado limite quando, pelo excesso de �gua e separa��o das lamelas que constituem a estrutura a argila se torna um l�quido viscoso.

Argilas gordas ou puras d�o em geral pastas pl�sticas.  As argilas magras devem receber adi��es de subst�ncias que melhorem a plasticidade, como sejam carbonato e hidr�xido de s�dio, silicatos, oxalatos e tartaratos s�dicos, tanino, h�mus, �cido ol�ico, etc.

O ar diminui a plasticidade, que pode ser melhorada quando a argila � submetida a um tratamento de v�cuo.

A temperatura diminui a plasticidade em virtude de provocar a redu��o da �gua e reduz-se tamb�m a plasticidade das argilas, pela adi��o de desengordurantes.

Resist�ncia da argila seca.

A resist�ncia mec�nica da argila seca tem �ntima rela��o com a composi��o granulom�trica e n�o somente o teor de aglutinante ou das part�culas coloidais.

Uma composi��o adequada � a que cerca de 60% de mat�rias argilosas, est�o intimamente associadas ao resto do material, constitu�do por areia fina e areia m�dia em partes iguais.

Quando a granulometria original n�o � a recomend�vel, aconselha-se dosar as argilas de modo que apresentem a m�xima plasticidade quando �midas, resist�ncia m�xima � tra��o quando secas e retra��o m�nima durante a secagem e queima.

Comportamento ao calor.

Aquecida a argila, entre 20 a 150oC, ela perde �gua de capilaridade, entre 150 e 600oC elimina a �gua de plasticidade ou absorvida, a partir de 600oC  come�am a ocorrer as transforma��es qu�micas.  � eliminada a �gua de constitui��o, h� o conseq�ente endurecimento, e  as mat�rias org�nicas s�o queimadas.

Segue-se o est�gio da oxida��o: os carbonatos transformam-se pela calcina��o, em �xidos. Finalmente, a partir dos 900oC acontece a vitrifica��o.

A s�lica, de constitui��o e das areias, forma uma pequena quantidade de vidro que aglutina os demais materiais, dando ao conjunto resist�ncia, dureza e capacidade. Aparece a cer�mica propriamente dita.

A quantidade de vidro formado, � fun��o dos componentes da mat�ria prima, quer quanto � qualidade, quer quanto � quantidade, e define a qualidade do produto obtido. Nos tijolos comuns � pequen�ssima, e  nas porcelanas � grande.

O comportamento das argilas quando submetidas ao calor, varia para os diferentes tipos de estruturas. Argilas caulin�ticas perdem pouca �gua at� os 400oC, as montmorilonitas eliminam toda a �gua de absor��o ou plasticidade j� aos 150 oC e as ilitas aos 100 oC.

Porosidade.

Define-se como sendo a rela��o entre o volume de poros e o volume total aparente do material Depende da natureza dos constituintes, da forma, tamanho e posi��o relativa das part�culas, e dos processos de fabrica��o ou obten��o.

O volume de poros � tanto menor quanto maior o di�metro m�dio dos gr�os, enquanto que as dimens�es dos poros s�o proporcionais aos di�metros das part�culas. A permeabilidade do material ser� tanto maior quanto maiores forem as dimens�es dos poros.

Pode-se reduzir a porosidade e a permeabilidade empregando-se argilas de gr�nulos de di�metros de diferentes valores, isto �, de composi��o granulom�trica mais adequada.

A porosidade influi nas propriedades da argila, essencialmente nas propriedades f�sicas. A absor��o e a permeabilidade aumentam com a porosidade; enquanto que a densidade e a condutibilidade t�rmica e el�trica diminuem.

A porosidade facilita a corros�o, a abras�o e a eros�o, diminui a resist�ncia mec�nica e aumenta a refratariedade. A porosidade aparente considera apenas os vazios perme�veis, enquanto que a porosidade real considera os vazios perme�veis (que absorvem �gua) e os imperme�veis

A porosidade aumenta:-

Pela adi��o de mat�rias org�nicas que s�o eliminadas durante a queima; s�o em geral mat�rias carbonosas como serragem de madeiras duras, carv�o vegetal mo�do, etc

Pelo acr�scimo de materiais porosos, como a Vermiculita (mica expandida).

Pela adi��o de subst�ncias que gerem fase gasosa, est�vel na secagem e queima; alum�nio ou zinco, em p�, reagindo com hidr�xidos alcalinos etc.

A porosidade diminui:-

Pela vitrifica��o de massa de argila, pelo calor ou por fundentes. Estes s�o subst�ncias que, durante a queima se combinam com os constituintes de argila formando massa v�trea que preenche os poros. O �xido de c�lcio � um ativo fundente que pode ser usado.

Pela adi��o de eletr�litos � argila em estado seco. �lcalis, hidr�xido de c�lcio etc.

.Impurezas:-

Impurezas s�o as subst�ncias contidas nas argilas, sem contudo fazerem parte da composi��o qu�mica da mesma, ou que se adicionam a ela visando alterar propriedade ou propriedades, otimizando-a como mat�ria prima para obten��o de produtos cer�micos.

A cor vermelha das argilas � transferida aos produtos com ela fabricados, devido ao �xido de ferro, raz�o que para obten��o de porcelanas fina e branca, n�o pode conter �xido de ferro em sua composi��o.

Assim tamb�m, na obten��o de materiais refrat�rios, n�o se pode empregar argila contendo fundentes.

As argilas �gordas� ou �magras� dever�o ser corrigidas seja eliminando ou reduzindo os teores de impurezas seja acrescentando subst�ncias que melhorem suas qualidades carentes.

Considerando-se a s�lica livre como impureza, adicionada propositalmente ou n�o, a mesma apresenta os seguintes efeitos:

Aumenta a brancura do produto acabado.

Reduz a plasticidade da argila.

Diminui a retra��o dos produtos, durante a secagem ou queima.

Reduz a resist�ncia � tra��o.

Reduz a refratariedade.

Aumenta o coeficiente de dilata��o que diminui quando se d� a vitrifica��o, porque se combina com a alumina e outros fundentes.

A Alumina como impureza acidental, � menos freq�ente, ela faz aumentar a refratariedade at� a propor��o de 70%, faz baixar entre 70 e 80% , e acima de 80% torna aumentar a refratariedade.

Carbonato e sulfato de c�lcio s�o decompostos pelo calor formando �xido. A cal formada � prejudicial, pois hidrata e carbonata em presen�a de �gua e anidrido carb�nico do ar, desprendendo calor e provocando aumento de volume que, por sua vez, gera tens�es que podem at� romper a pe�a.

Material carbonoso seja animal ou vegetal, atua sobre a plasticidade, aumentando-a ou reduzindo-a conforme o estado que se encontra.

Aumenta a porosidade do produto final, bem como a retra��o na queima. Se esta � r�pida, os poros superficiais s�o fechados e os gases retidos provocam o esponjamento, podendo fornece produtos leves (argila expandida).

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Por que as argilas apresentam alta plasticidade em relação a outras matérias

Qual a diferença entre cerâmica e argila?

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