Caracterização e Classificação de Matérias Primas Cerâmicas

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Custos das Matérias Primas
O preço da matéria prima varia de acordo com sua
disponibilidade (no caso da matéria prima natural),
beneficiamento e pureza.
Produto Cerâmico Tratamento da Matéria Prima Custo
Cerâmica Vermelha - Nenhum ou quase nenhum
(Desagregação, homogeneização e acerto de 
umidade)
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umidade)
Cerâmica Branca -Purificação por processos mecânicos
- Moagem e classificação granulométrica
- Calcinação
Refratários especiais
(Óxidos de alta pureza,
Carbetos e Nitretos)
Materiais eletrônicos e 
Magnéticos
-Purificação Química
- Fabricação de matérias primas artificiais por 
reações em alta temperatura.
- Moagem de ultra finos
Caracterização das Matérias Primas
Antes de iniciar o processamento cerâmico de uma determinada
matéria prima é necessário caracterizar a matéria prima para
determinar se suas características são adequadas para a
fabricação do produto desejado. Os ensaios de caracterização
mais comuns são:
1- Caracterização estrutural, composição química e mineralógica
- Análise química : determinar a composição química e pureza.
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- Análise química : determinar a composição química e pureza.
- Análise termogravimétrica : determinar a temperatura ou faixa
de temperatura onde ocorre perda de massa.
- Análise térmica diferencial : determinar a temperatura ou faixa
de temperatura onde ocorre reações.
- Difração de raios X : determinar as fases cristalinas.
2- Caracterização física
-Tamanho médio e distribuição de tamanho de partículas.
- Análise da área específica.
- Determinação da densidade real
- Refratariedade.
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3- Caracterização química
- Capacidade de troca de base (para matéria prima natural).
- Solubilidade em diversos meios.
4- Caracterização do comportamento reológico de suspensões
e massas plásticas
- Traçar curva de defloculação
- Análise da viscosidade de suspensões.
- Determinação das características da massa plástica
5- Ensaios cerâmicos (tecnológicos)
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5- Ensaios cerâmicos (tecnológicos)
- Medida da fluidez e ensaio de empacotamento do pó.
- Densidade e Resistência mecânica de corpos de prova a
verde.
- Caracterização de corpos sinterizados (densidade,
porosidade, retração de queima, absorção de água,
resistência mecânica e cor após queima).
Definição de termos básicos
Materiais particulados consistem de pequenas unidades
sólidas que possuem características e denominações
específicas:
- Partícula primária: Pode ser um monocristal, policristal
nonofásico ou polifásico. Se possuir poros eles devem se
isolados, portanto é impermeável à fluido.
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-Aglomerado: termo geral que descreve uma massa pequena
que tem uma rede de poros interconcetados. É formado por
partículas primárias ligadas através de forças superficiais e/ou
pontes sólidas. (Força superficial pode ser atração
eletrostática ou van de Walls entre partículas ou forças capilar
devido a presença de líquido dentro do aglomerado; Pontes
fortes são resultantes da sinterização, fusão, reação química).
Aglomerados com ponte sólida podem manter a identidade
sob várias condições porém os aglomerados formados por
forças superficiais são rompidos facilmente por pequena força
externa. Os formados por ponte sólida são chamados
aglomerados sólidos ou agregados e os formados por
forças superficiais são chamados aglomerados fracos .
- Partícula: pode ser uma partícula primária ou aglomerado
sólido. É a menor massa que pode se mover num meio líquido
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sólido. É a menor massa que pode se mover num meio líquido
após a dispersão do pó através do rompimento das ligações
superficiais.
- Granulo: são aglomerados formados intencionalmente pela
adição de um agente granulador. Um exemplo de grânulo é o
produto da secagem de suspensão em atomizador (spray-
dryer).
- Flocos: agrupamento de partículas que se forma em
suspensões devido à forças de atração entre as partículas. O
floco pode ser disperso alterando quimicamente a suspensão
de forma a neutralizar a força de atração entre as partículas. O
agente utilizado é chamado defloculante.
- Coloides: são partículas que possuem tamanho entre 0,1 e
0,001 µm. Essas partículas dispersas em fluidos se mantêm
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0,001 µm. Essas partículas dispersas em fluidos se mantêm
em movimento Browniano.
MATÉRIAS PRIMAS NATURAIS
As matérias primas naturais usadas na indústria cerâmica são
formadas por processos geológicos complexos. Suas
características cerâmicas são determinadas composição
química e mineralógica (constituintes principais e minerais
acessórios).
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acessórios).
Al, Si e O juntos correspondem a 90% dos elementos da
crosta terrestre matérias primas naturais a base de
silicatos e silicatos de alumínio são abundantes e baratas e
constituem a base da indústria de cerâmica tradicional.
CLASSIFICAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS NATURAIS
Argilas : são constituídas principalmente por argilo-minerais
que são: silicatos hidratados de alumínio com partículas
inferiores a 2 µm (diâmetro esférico equivalente). As partículas
são lamelares devida a estrutura cristalina lamelar, como por
exemplo, a caulinita
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exemplo, a caulinita
Além dos argilo-minerias (caulinita, mica, montmorilonita, etc)
as argilas contém minerais tais como quartzo, hidróxido de
alumínio, hidróxido de ferro, carbonato de cálcio, etc). A
composição mineralógica de uma argila é a quantidade de
cada argilo-mineral e mineral que a compõe.O comportamento
das argilas durante o processo de queima depende da
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composição mineralógica.
Dependendo da composição mineralógica, as argilas são
classificadas como:
argila para cerâmica branca, para cerâmica vermelha, argila
refratária (possuem elevado teor de Al), argila plástica
refratária, etc.
Caulins: Possuem principalmente caulinita em sua
composição mas se diferencia de uma argila pois a caulinita é
muito espessa. São muito puros e queimam branco.
Sílica: sendo a forma mais comum o quartzo. Muito utilizada
na indústria refratária, cerâmica branca e vidros.
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na indústria refratária, cerâmica branca e vidros.
Magnesita (MgCO3) e Calcita (CaCO3). São utilizados na
fabricação de refratários (T de fusão do MgO e CaO= ~2.800
°C)
Feldspatos: Principal função: fundente. Existem 03 tipos:
Albita: Na2O . Al2O3 . 6SiO2 indústria vidreira
Anortita: CaO . Al2O3 . 2SiO2 indústria vidreira
Ortoclásio: K2O . Al2O3 . 6SiO2 indústria cerâmica
Talco: Silicato hidratado de magnésio (3MgO.6SiO2.H2O). Usado na
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fabricação de isolantes elétricos.
Zirconita: usada na fabricação de peças cerâmicas, na indústria
ótica/oftalmica como polidor e também para obtenção de ZrO2.
Badaleita: matéria prima natural que contém 80-90% de ZrO2 com TiO2,
SiO2 e F2O3 como principais impurezas.
Difratograma da Argila Lopes
Quartzo
Mica
Caulinita
Mica
MATÉRIA PRIMA
Perda 
ao fogo SiO2 Al 2O3 Fe2O3 CaO Na2O MgO K2O Total
Taguá 5,00 68,00 16,00 4,29 1,19 0,38 2,96 97,82
Argila São 13,01 49,44 35,67 1,10 0,25 0,05 0,30 99,82
Análise Química de Matérias Primas Naturais
Argila São 
Simão 13,01 49,44 35,67 1,10 0,25 0,05 0,30 99,82
Caulim Minasolo 13,15 45,90 38,76 0,45 - 0,04 1,10 99,40
Feldspato 0,29 66,24 17,53 0,48 0,12 3,98 11,14 99,78
Filito 3,76 64,77 19,26 3,41 0,03 0,07 1,14 5,54
Reações em alta temperatura
As propriedades dos corpos cerâmicos são determinadas
pelas propriedades de cada fase presente e pelo modo como
essas fases, incluindo porosidade, estão arranjadas formando
a microestrutura. Portanto, as propriedades dependem da
microestrutura.
O desenvolvimento da microestrutura ocorre basicamente
durante o processo de queima em alta temperatura e é
determinado por dois fatores:
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determinado por dois fatores:
Mudanças químicas e Mudanças físicas
Essas mudanças, que são específicas de cada sistema ,
dependem tanto das condições de queima (taxa de
aquecimento, resfriamento e atmosfera) como das
características das matérias primas principalmente pureza,
tamanho de partículas.
As mudanças físicas geralmente estão relacionadas com:
- Mudança de estado: mudança do estado sólidopara o líquido
ou vapor sem ocorrer decomposição.
- Redução da área específica: diminui a energia de superfície
do sistema.
- Mudança de estrutura cristalina: que é acompanhada de
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mudança na densidade real.
Das mudanças citadas acima, a redução de área específica é
comum à todas as classes de cerâmicas (avançada, técnica e
tradicional) enquanto que mudança de estado e estrutura
cristalina certamente ocorrem na sinterização de cerâmica
tradicional mas não necessariamente em cerâmicas
avançadas.
As mudanças químicas podem ser devidas às reações entre
fases sólidas, líquidas ou gasosas. Em materiais cerâmicos as
reações mais comuns ocorrem:
- entre sólidos
- entre sólidos e líquidos
- entre sólidos e gases
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- entre sólidos e gases
Muitas das reações que ocorrem em sistemas cerâmicos são
heterogêneas. Nessas reações existe uma interface entre o
produto da reação e as fases reagentes e, como consequência
segue uma sequência de passos:
1- transporte de material para a interface
2- reação no contorno de fases
3- em alguns casos, transporte do produto de reação para
região distante da interface.
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região distante da interface.
Além disso, as reações nos contornos de fases liberam ou
absorvem calor alterando a temperatura do contorno e, por
consequência, a velocidade do processo. Desde que os
passos ocorrem em série, isto é, para um passo ocorrer é
necessário que o anterior tenha ocorrido, a velocidade de uma
reação heterogênea é controlada pelo passo mais lento.
Reações no estado sólido: ocorrem quando a temperatura
envolvida não é suficientemente elevada para o aparecimento
de fase líquida. Essas reações ocorrem quando uma mistura
de duas fases sólidas, AO e BO de mesma estrutura cristalina,
são aquecidas e ocorre interdifusão de átomos formando uma
solução sólida (A,B)O.
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solução sólida (A,B)O.
AO BO(A,B)O
cA
jBjA
Espessura “x”
A formação da solução sólida ocorre pela interdifusão dos
cátions com um fluxo de A (jA) e B (jB) em direções
contrárias formando uma camada de solução sólida de
espessura “x”. Considerando que o passo que controla a
velocidade de formação da camada é a difusão de cátions (D)
temos:
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temos:
ou (1)
onde dc/dx é o gradiente de concentração ao longo da
camada.
dx
dc
DJ −=
Mas o fluxo pode também ser colocado em função da
velocidade de formação da camada:
(2)
Integrando obtém-se uma lei parabólica para a velocidade de
formação da camada:
sendo K´ ~ D (3)
x
c
D
dt
dx
KJ
∆−==
2/1)´( tKx =
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onde o coeficiente de difusão é termicamente ativado
(4)
A equação 3 é a equação cinética para a formação de uma
camada plana de solução sólida e sua dependência com a
temperatura.
)exp(0 RTQDD −=
Na maioria dos casos de interesse em cerâmica isto é, um
compactado de partículas, a geometria da interface não é
plana. Geralmente as partículas são consideradas esféricas
r
x
A espessura “x” da camada está
relacionada com a fração volumétrica 
de solução sólida (α) da seguinte maneira:
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Volume de material não reagido: V=4/3π(r-x)3
que é igual ao volume total da esfera V=4/3πr3
multiplicado pela fração volumétrica não 
reagida (1- α). 
Então:
(5)
portanto,
(6)
)1(
3
4
)(
3
4 33 αππ −=−= rxrV
3 11( α−−= rx
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que substituindo na eq. 3 temos:
(7)
Portanto, reduzindo o tamanho de partícula também é
reduzida a fração não reagida (1-α).
2/13 )´(
1
11 tK
r
=−− α
Reações de decomposição : são muito comuns em cerâmica.
Exemplos: decomposição de Mg(OH)2, MgCO3, CaCO3.
Dependendo dos parâmetros temperatura, tempo, pressão
parcial do volátil na atmosfera e tamanho de partículas o
processo pode ser controlado:
1- pela velocidade de reação na superfície
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1- pela velocidade de reação na superfície
2- pela permeação do produto gasoso pelos poros da camada
formada
3- pela transferência de calor.
Exemplo 1: Decomposição do CaCO3 .
CaCO3(s) CaO (s) + CO2 (g) AH=44,3 Kcal/mol
Esta reação é fortemente endotérmica isto é, calor deve ser
fornecido para que ela aconteça.
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Em qual temperatura esta reação irá ocorrer?
Ao ar
Diagrama de Ellingham
Mostra a estabilidade de compostos em função da temperatura 
Energia livre de reações 
de decomposição em 
função da temperatura.
Linhas tracejadas indicam 
a pressão de gás em 
equilíbrio.
Ao ar
CaCO3 torna-se instável 
acima de 810 °K.
MgCO3 torna-se instável 
acima de 480 °K.
Mg(OH)2 torna-se instável 
acima de 445 a 465 °K. 26
Considerando a decomposição de uma partícula de CaCO3 .
CaCO3 .
CaO poroso
Fluxo de gás CO2.
Interface do reação
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Se a camada de CaO apresenta baixa porosidade a pressão parcial
do produto gasoso na interface de reação torna-se tão alta que a
reação atinge um estado de quase equilíbrio. A reação continua com
uma velocidade limitada pelo fluxo de gás para fora desta interface.
A reação de decomposição do CaCO3 é uma decomposição
heterogênea isto é, ocorre numa interface definida.
Exemplo 2: Decomposição do Caulinita.
Al2(Si2O5) (OH)4 Al2O3. 2SiO2 + 2H2O
caulinita meta caulinita
A caulinita não se decompõe da mesma maneira que o CaCO3. Sua
decomposição não apresenta uma interface heterogênea de reação.
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decomposição não apresenta uma interface heterogênea de reação.
Acima de 500 °C a água de cristalização (ions hidroxilas) são liberados
de suas posições na estrutura cristalina deixando uma estrutura
pseudomórfica com a estrutura cristalina original contendo grande
concentração de posições aniônicas vazias. Acima de 980 °C e sta
estrutura entra em colapso irreversível ocorrendo um rearranjo para as
estruturas da mulita e da sílica (cristobalita), liberando calor.
A cinética de decomposição da caulinita é controlada pela
difusão dos íons hidroxilas através da rede cristalina não
aparecendo uma superfície de decomposição
heterogênea. Portanto, a reação é homogênea e a cinética
é controlada pela difusão na rede. Como o calor envolvido
nas reações é elevado elas são facilmente detectadas por
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nas reações é elevado elas são facilmente detectadas por
análise térmica diferencial (ATD).
(Cerâmica 49 (2003) 120-127)
ATD – ATG de argila caulinítica
30
Caulinita meta caulinita mulita + cristobalita
3 [Al2(Si2O5) (OH)4] 3[Al2O3. 2SiO2]+ 6H2O Al6Si2O13 + 4 SiO2.
Reações entre sólidos e gases .
Exemplo: Oxidação: 2FeO(s) + ½ O2 (g) Fe2O3 (s)
Reações entre sólidos e líquidos
Ocorrem quando a temperatura envolvida é suficientemente
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Ocorrem quando a temperatura envolvida é suficientemente
alta para promover o aparecimento de uma certa
quantidade de fase líquida que fica em contato com as
partículas sólidas.
Exemplo: dissolução de partículas de quartzo (SiO2) no
líquido feldspaltico. Até aqui
CORPO CERÂMICO TRIAXIAL
Muitos produtos cerâmicos possuem composições que
pertencem ao triaxial Feldspato – Metacaulinita - Quartzo .
Exemplos de produtos: Isoladores elétricos, louça sanitária.
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Função de cada matéria prima na composição triaxial
Argila: fornece partículas finas e plasticidade à massa.
Feldspato: gera líquido viscoso durante a queima.
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Quartzo: forma o esqueleto da peça. Em baixas
temperaturas permanece inalterado e em alta temperatura
se dissolve parcialmente no líquido feldspaltico aumentando
a viscosidade.
Reações que ocorrem durante a queima de corpo ce râmico 
triaxial
~500 °C : ocorre a perda de água estrutural da caulinita
990 °C : ocorre o eutético dos sistema argila-feldspato-quartzo
~1000 °C : começa a formação de agulhas de mulita que crescem
com o aumento da temperatura.
1.140 °C : os grãos de feldspato começam a se fundir formando
líquido de elevada viscosidade não provocando mudanças na forma
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líquido de elevada viscosidade não provocando mudanças na forma
da peça até 1.200 °C.
~1250 °C : os grãos de feldspato menores que 10 µm já
desapareceram. Os grãos de quartzo começam a se dissolver na fase
líquida.
~ 1350 °C : grãos de quartzo menores que 20 µm já se dissolveram.
Acima de 1400°C : pouco quartzo permanece e a porcelana consiste
de mulita e vidro.
Porcelana sinterizada a 600 °C
Q= quartzo
C= aglomerado de argila já decomposta
MX= mistura de feldspato, argila e 
quartzo
J Pak Mater Soc 2008 2(2) 62-71
Microestrutura de uma porcelana
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Porcelana sinterizada a 900 °C
Q= quartzo
C= aglomerado de argila já decomposta
C+F= argila + feldspato
MX= mistura de feldspato, argila e 
quartzo
Porcelana sinterizada a 1.000 °C
Q= quartzo
C= aglomerado de argila (decomposta)
MX= mistura de feldspato, argila e 
quartzo
L= líquido
J Pak Mater Soc 2008 2(2) 62-71
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Porcelana sinterizada a 1.100 °C
Q= quartzo
C= aglomerado de argila (decomposta)
MX= mistura de feldspato, argila e 
quartzo
L= líquido
Microestrutura de uma porcelana comercial
J Pak Mater Soc 2008 2(2) 62-71
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Q= quartzo
R= fase vítrea rica em silica
P= mulita primária
S= mulita secundária
A= cristal de corindum
Microestrutura de porcelana de composição: 
45% argila caulinitica + 30% feldspato + 25% quartzo (% em peso)
1200 °C 1250 °C
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1300 °C 1300 °C
Bull. Mater. Sci. Vol.27 n°2 pp. 183-188 2004