PMC P1 - Resumo

Prévia do material em texto

Processamento de 
Materiais Cerâmicos - 
P1 
Aula 2- Introdução ao Processamento de Materiais Cerâmicos  
➔ Os processamento cerâmico é utilizado para a produção de produtos                   
cerâmicos comerciais. 
➔ A escolha da melhor técnica de fabricação depende da função, da                     
aplicação e do custo desse produto.  
➔ Atualmente: estudo de transformações/ operações que altera, de maneira                 
proposital e sistemática os aspectos físicos e químicos da estrutura de um                       
material. 
 
 
 
➔ A consistência da cerâmica muda entre os métodos  
➔ Calor → pode ser secagem e sinterização ( adquirir propriedades mecânicas) 
 
 Conformação de Particulados 
➔ Abrange grande parte da produção de peças cerâmicas.   
➔ Utilizado tanto na indústria de cerâmicas tradicionais como na de                   
cerâmicas avançadas.  
➔ Permite formas simples e complexas com acuidade dimensional de                 
razoável a perfeita.  
➔ Grande diversidade de processos que atendem a todas as necessidades                   
de mercado e aplicação. 
 
❖Conformação de Particulados - Nomenclatura 
 
 
 
 
Conformação de Particulados – Matéria Prima 
➔ Cerâmicas Tradicionais: utilizadas com pouco ou nenhum             
beneficiamento prévio. Calcário, argilas, quartzo e outros minerais 
➔ Cerâmicas Avançadas: utilizam matéria prima beneficiada ou             
sintéticas. Alumina, zircônia, titânia, carbeto de silício, nitreto de                 
silício. 
 
Conformação de Particulados – Beneficiamento 
➔ Moagem( homogeneiza a MP): A seco ou via úmida;   
◆ Meios de moagem: esferas ou cilindros cerâmicos resistentes ao                 
desgaste 
➔ Secagem: Spray Dryer ( aglomera as partículas em esferas) 
➔ Separação de Partículas: Peneiramento ou Separação Magnética ou               
Flotação  
➔ Mistura de Pós: Atingir a estequiometria adequada 
 
Conformação de Particulados – Massa Plástica 
➔ Pasta cerâmica de elevada viscosidade que permite a deformação                 
plástica. 
◆ Adição de plastificantes para permitir a deformação plástica da                 
massa. Ex.: PEG, glicerina, dibutilftalato 
 
 
 
 
Conformação de Particulados - Prensagem 
➔ As partículas são comprimidas obtendo-se dois efeitos:   
◆ Empacotamento das partículas: justaposição sem coerência           
(formação de aglomerados).   
◆ Agregação das partículas: ligação dos aglomerados conferindo             
coerência à peça.  
➔ A porosidade e a resistência mecânica da peça conformada por                   
prensagem estão diretamente relacionadas à distribuição granulométrica             
das matérias-primas utilizadas. 
➔ Aplicações: velas de ignição, placas de revestimento cerâmico, refratários,                   
louças domésticas, etc 
➔ Tipos de processos: uniaxial, a quente, isostática a frio e isostática a                       
quente. 
 
➔ Modos de Prensagem Uniaxial 
 
 
 
Conformação de Particulados – Extrusão 
➔ Produção de peças de seção transversal uniforme e relação                 
comprimento/diâmetro elevadas.   
➔ Plastificantes: Polietilenoglicol // Metilcelulose + água 
 
Conformação de Particulados – Colagem de Barbotina 
➔ Processo muito utilizado para a confecção de peças cerâmicas com                   
formatos simples   
➔ Simples e barato   
➔ Moldes podem ser reaproveitados após secagem   
➔ Permite a produção em larga escala. 
Conformação de Particulados – Injeção 
➔ A massa plástica deve ser preparada utilizando-se um termoplástico (~ 40                     
%vol.).   
➔ Ocorre grande contração de volume durante a queima, devido à grande                     
quantidade de fase orgânica.   
➔ A complexidade de formas é mantida.  
➔ Custo de instalação inicial caro. 
➔ Permite produção em grande escala. 
 
Conformação de Particulados – Tratamento Térmico  
➔ Secagem: após a peça conformada → elimina ligantes e aditivos  
◆ Confere resistência mecânica permitindo acabamento: montagens           
de peças e aplicação de esmaltes. 
➔ Sinterização  
◆ Queima em temperaturas elevadas, acima de 1000 ºC. 
 
◆ Densificação das peças e elevação da resistência mecânica. 
 
 
 
Conformação de Particulados – Acabamento 
➔ Etapas de Acabamento • Polimento • Furação, corte • Pintura • Aplicação 
de esmalte / vidrado 
 
Conformação de Particulados – Considerações Finais 
➔ São processos que englobam grande parte da indústria cerâmica. São 
responsáveis pela produção de peças simples e baratas até implantes 
odontológicos e ortopédicos.   
➔ A preparação da matéria prima e a adição de ligantes, plastificantes, 
lubrificantes e aglomerantes são etapas primordiais para o sucesso de 
qualquer um dos processos.   
➔ A escolha do melhor processo depende da aplicação da peça e da 
exigência de mercado para suas propriedades finais. 
Aula 3- Pós Cerâmicos 
➔ As matérias primas podem ser: 
◆ Naturais​: extração de depósitos naturais e recebem             
beneficiamento físico. Ex.: argilas, quartzo, bauxita, rutilo   
 
◆ Sintéticas​: obtidas por meio de processos químicos de produtos                 
industriais ou de matérias-primas naturais. Ex.: alumina, titânia,               
carbetos, titanatos, nitretos, sílica gel. 
➔ Preparação de pós cerâmicos: a escolha do método de preparação                   
dependerá dos custos de produção e da capacidade do processo em                     
garantir as propriedades/características necessárias. 
➔ São divididos em métodos mecânicos e métodos químicos. 
◆ Tradicionais -> métodos mecânicos 
◆ Cerâmicas avançadas -> métodos químicos 
➔  
 
 
Métodos Mecânicos(cerâmica tradicional) 
➔ Preparação de pós finos por moagem de alta energia - pesquisas para o                         
processamento de cerâmicas avançadas. 
 
➔ Tipos:   
❖ Cominuição: barato, vasta aplicação, pureza e homogeneidade limitadas. 
❖ Mecanosíntese: obtenção de partículas finas, bom para pós não-óxidos,                 
baixas temperaturas, baixa pureza. 
 
Métodos Químicos: ​grande variedade de processos. 
 
➔ Tipos: 
❖ 1. Reações no estado sólido   
 
a) Decomposição: baixo custo, elevada aglomeração, baixa pureza para                 
materiais multicomponentes. São normalmente chamados na literatura de               
calcinação.  
Exemplo: CaCO​3 ​(s) CaO(s) + CO​2​ (g) 
b) Reação Química entre Dois Sólidos:   
Exemplos: BaCO​3​ (s) + TiO​2​ (s) BaTiO​3​ (s) + CO​2​ (g)   
CaCO​3​ (s) + 2CaHPO​4​ (s) Ca​3​ (PO​4​ )​2​ (s) + CO​2​ (g) + H​2​O(g) 
 
c) Redução:   
Exemplo: SiO​2​ (s) + 3C(s) SiC(s) + 2CO(g)  
(Processo Acheson – T >1500 ºC)  
Produto final de baixa qualidade – presença dos reagentes precursores 
 
❖ 2. Sínteses de soluções líquidas​: elevada pureza, partículas pequenas,                 
homogeneidade química, elevado custo, elevada aglomeração. Tipos:             
precipitação (controle rigoroso nos parâmetros de síntese: pH,               
temperatura, concentração dos reagentes precursores), evaporação de             
solventes (spray-dried), sol-gel, reações não aquosas. 
 
❖ 3. Reações no estado vapor: ​elevada pureza (exceção gás-sólido), baixo                   
custo (maioria das vezes). Largamente usado para produção de óxidos                   
(SiO2 , TiO2 ) e não óxidos (Si3N4 , SiC). Tipos: Gás-sólido, Gás-líquido,                         
Reação entre gases. 
 
 
➔ Método Mecânico e Químico: Vantagens e Desvantagens.           
 
 
Especificações das Matérias-Primas 
A caracterização completa de um lote de matéria-prima é impossível -> escolher                       
as características necessárias e suficientes para cada material e aplicação. 
➔ As principais características são fornecidaspelos fornecedores de               
matérias-primas.  
➔ As ​propriedades que são relevantes para o processamento cerâmico​:                 
tamanho médio de partícula; distribuição de tamanhos de partículas;                 
forma da partícula; estado de aglomeração; composição química;  
➔ composição de fase; estrutura e química de superfície. 
 
 
 
➔ Características de um sistema de partículas 
 
 
Tipos de Partículas 
➔ Partícula primária: é a menor unidade de material, não pode ser                     
quebrada em unidades menores por agitação ultrassônica.   
➔ Aglomerados: são partículas primárias ligadas entre si por forças                 
superficiais. São estrutura porosas. Moles: ligações fracas (van der Waals,                   
eletroestáticas) Duros: ligações químicas (reação química ou             
calcinação/sinterização). 
➔ Partícula: quando não se faz distinção entre partículas primárias e                   
aglomerados maioria dos métodos de determinação de tamanho de                 
partícula.   
➔ Grânulos: aglomerados grandes entre 0,1 e 1 mm. São formados pela                     
adição de ligantes durante o beneficiamento -> esfericidade próxima a 1,                     
o que facilita a fluidez do pó. 
 
➔ Colóide: partículas finas (entre 1 nm e 1 µm) dispersas em um líquido                         
movimento Browniano e sofrem sedimentação muito lenta ou               
desprezível. 
Agregados: aglomerados duros maiores que os grânulos com tamanhos acima                   
de 1 mm, não são necessariamente esféricos. 
 
Sistemas de Partículas  
❖ A intensidade da força inercial de uma partícula em relação às forças                       
superficiais determina o comportamento da partícula. Um sistema de                 
partículas é dito: 
➔ GRANULAR: se a força gravitacional é predominante, ou seja, os grânulos                     
escoam sob ação da gravidade.  
➔ PÓ: se a tensão superficial é da mesma ordem de grandeza que a força                           
gravitacional, ou seja, são sistemas naturalmente aglomerados.  
➔ COLÓIDE: se as partículas são tão finas que a força inercial de uma                         
partícula é insignificante, e as forças superficiais ditam o seu                   
comportamento. 
 
O comportamento de pós e colóides em meio líquido pode ser                     
significativamente alterado devido à presença de moléculas que modificam as                   
forças superficiais, como defloculantes. 
 
 
AULA 4 - Processamento de Materiais Cerâmicos – Técnicas de Caracterização  
 
 
 
 
 
 
 
 
Tamanho e Forma de Partícula 
 
 
 
 
Técnica de Peneiramento  
★ Esta técnica se baseia na classificação das partículas nos termos de sua                       
habilidade ou inabilidade de passar através de uma abertura de tamanho                     
controlado.  
 
Técnica de Sedimentação  
★ Equilíbrio de forças durante a sedimentação de uma partícula em fluido                     
newtoniano com escoamento laminar, onde:  
○  
 
 
Sedimentação: Stokes 
 
★ Se o diâmetro esférico equivalente da partícula for de até ~50 mm, a 
velocidade de queda da partícula poderá ser relacionada ao seu diâmetro 
de acordo com a Equação de Stokes. 
 
 
 
Forma de Partícula  
➔ Fator de Forma: constante de proporcionalidade entre o tamanho da 
partícula e sua área A ou volume V. 
 
 
 
Fator de Aspecto 
➔ Isométrica:razão 1 - ex: ESFÉRICO 
➔ Anisométrica: >1 - Fibras, whiskers 
 
➔ razão para descobrir: maior dimensão / menor dimensão 
 
 
Densidade e Porosidade 
Densidade: Definições  
 
 
 
Picnometria Líquida  
 
onde   
Pa : densidade aparente picnométrica  
PL : densidade do líquido   
m0 : massa do picnômetro vazio  
 m1 : massa do picnômetro + sólido   
m2 : massa do picnômetro + sólido + líquido   
m3 : massa do picnômetro + líquido 
 
AULA 5 - ADITIVOS DE PROCESSAMENTO 
 
➔ São substâncias adicionadas à massa cerâmica para dispersar partículas,                 
para garantir ao pó/suspensão a fluidez necessária ou para permitir a                     
deformação plástica.  
➔ São de grande importância pois alteram as características de uma                   
partícula e influenciam na homogeneidade de empacotamento.  
 
➔ Podem ser orgânicos ou inorgânicos, sendo que os orgânicos são                   
facilmente removidos na secagem e os inorgânicos permanecem na peça                   
final.  
➔ A escolha do aditivo segue princípios químicos, baseando-se nas suas                   
funções, e diretrizes práticas 
 
 
 
❖Química de Superfície 
Átomos, pertencentes à superfície apresentam energia extra, pois estão ligados a um número menor de 
átomos vizinhos que os que estão no interior de um material - a ligação química reduz a energia potência - 
energia superficial 
 
❖Molhabilidade e Ângulo de Contato (𝜃) 
Dá a medida do espalhamento de uma gota de líquido em contato com 
uma superfície sólida plana  
 
- Equação de Young: ​cos 𝜃 = Y LV
Y − YSV SL  
- Para 𝜃 < 90°: Molhamento da superfície  
- Aditivo no líquido: 
- Filme sobre o óxido​:  
 
★Tipos de Aditivos 
➔➔ Líquidos/ solventes:  
➢ Fornecem fluidez às partículas durante a mistura e a conformação.                   
Dissolvem aditivos de forma que estes fiquem homogeneamente               
distribuídos pelo pó. 
 
➢ Para escolher um bom líquido, deve-se levar em conta:  
✓ Habilidade em dissolver os aditivos  
✓ Reatividade com o pó  
✓ Taxa de evaporação  
✓ Toxicidade  
✓ Habilidade em molhar as partículas  
✓ Custo  
✓ Viscosidade 
 
➢ Uma molhabilidade ruim traz problemas como: formação de espuma                 
durante a moagem e aumento da viscosidade da suspensão. 
➢ Alta viscosidade: Torna difícil o desprendimento das bolhas para a                   
superfície, então as barbotinas aquosas tendem a formar mais espuma,                   
que geram falhas no corpo verde ￫ agentes umidificantes (surfactantes)  
 
- ÁGUA: Apresenta vantagens em relação aos líquidos orgânicos, como                 
segurança, custo e tratamento de efluentes. 
- É o principal solvente utilizado, pois seu custo é baixo e                     
possui propriedades consistentes.  
- Líquido polar, tem alta constante dielétrica e alta tensão                 
superficial. Forma ponte de hidrogênio com moléculas             
pequenas que contêm os grupos –OH e -COOH               
problemas para suspensões.   
- A água utilizada é tratada na própria planta e reutilizada                   
em outras etapas do processo redução de custos. 
- Líquidos Orgânicos: Álcoois, cetonas, óleos e ceras podem ser                   
utilizados como líquidos no processamento cerâmico quando as matérias-primas                 
reagem com água e quando há problemas com dispersão ou secagem.  
- Esses solventes são tóxicos, inflamáveis e sua reciclagem é                   
normalmente muito custosa. Possuem baixa tensão superficial maior               
facilidade em molhar as partículas. Mais comuns: álcool etílico,                 
tricloroetano e metiletilcetona. 
 
 
➔➔Defloculantes / Dispersantes 
➢ Defloculantes ou dispersantes: Defloculantes são aditivos utilizados para               
estabilizar suspensões de partículas sólidas em sistemas líquidos evitando                 
a floculação (formação de aglomerados). São usados em pequenas                 
quantidades e permitem a preparação de barbotinas com elevado teor de                     
sólidos. 
 
- Podem ser divididos em 3 classes: sais inorgânicos, surfactantes e                   
polímeros de baixo e médio peso molecular. 
 
➢ Defloculação: Defloculação: é a estabilização de uma dispersãopor meio                   
da adição de um aditivo que adsorvido na superfície das partículas                     
aumenta a repulsão por carga elétrica e/ou impedimento estérico, ou                   
através da combinação entre os métodos anteriores.  
➢ Coagulação: é a formação de aglomerados em uma dispersão devido à                     
ação de aditivos que reduzem a repulsão das partículas. 
 
● Estabilização de Suspensões Cerâmicas: ​Se dá quando quando as forças                   
de repulsão entre as partículas superam as de atração. Existem 3 tipos:  
 
- Estabilização Eletrostática: A superfície de uma partícula cerâmica               
torna-se eletricamente carregada quando:  
- Ocorre a dessorção ou dissolução de íons 
- Ocorre uma reação química entre a superfície e o meio líquido 
- Ocorre a adsorção de aditivos ou de impurezas  
- Reação Química entre Pó e Líquido: Chama-se de ponto                   
isoelétrico (IEP) ou ponto de carga zero (PZC) o valor de                     
pH no qual a superfície de cada material torna-se neutra. 
 
 
- Estabilização Estérica:  
 
  
 
 
 
- Estabilização Eletroestérica:  
 
 
 
 
 
 
- Ligantes:   
- Plastificantes:   
 
AULA 6: Estabilização de Suspensões 
 
Estabilização de Suspensões Cerâmicas 
Defloculação: estabilização de uma suspensão através de um aditivo adsorvido                   
sobre as partículas que aumentam as forças de repulsão por:  
➢ carga elétrica e/ou 
○ Dessorção e dissolução 
○ Reação química em meio aquoso  
○ Adsorção de íons específicos 
➢ impedimento estérico 
 
Defloculantes: aditivos usados para promover a defloculação 
 
Estabilização de Suspensões Cerâmicas 
 
Estabilização Eletrostática  
 
 
Modelo da Dupla Camada Elétrica 
★ Arranjo espacial dos íons que constituem uma dupla camada elétrica de 
uma partícula carregada em um meio líquido 
 
Dupla Camada – Potencial Elétrico 
★ Queda do potencial elétrico de superfície em função da distância no 
interior das camadas de Stern e difusa que circundam a partícula. 
 
Potencial Elétrico 
 
● Limite de separação no qual os CI da dupla camada conseguem ou não se 
manter ao redor da partícula durante a aplicação de um campo elétrico 
-> POTENCIAL ZETA 
 
Defloculantes - Sais Inorgânicos 
 
● Acontece estabilização eletrostática -> camada contraíons adsorvida (+) e 
camada difusa (-)   
○ O tamanho e a valência do contra íon alteram significativamente a 
estabilização da suspensão. 
○ Valências altas, alta concentração de contra-íons são mais 
suscetíveis a floculação/coagulação.  
 
Fundamentos de Reologia 
 
➢ Reologia: ciência que estuda o fluxo e a deformação de fluídos 
homogêneos (líquidos, suspensões e emulsões) quando submetidos a 
uma determinada tensão ou solicitação mecânica. 
○ O comportamento reológico de materiais é usualmente descrito 
por meio de relações matemáticas entre tensão (τ) e deformação 
(y), além de suas variações em relação ao tempo.  
➢ Para líquidos perfeitos a deformação é proporcional ao esforço mecânico 
e ao tempo (Fluído Newtoniano). 
➢ Líquidos quando submetidos a um esforço mecânico (tensão) 
deformam-se continuamente até encontrarem um obstáculo físico que 
impeça o seu escoamento -> deformação em função do tempo 
 
➢ Viscosidade: facilidade de um fluído em escoar continuamente sob a ação 
de uma tensão de cisalhamento externa 
 
 
➢ Modelo de Newton: duas lâminas de fluido (placas paralelas) de área 
igual, separadas por uma distância h, movendo-se na mesma direção com 
velocidade distintas.  
➢  
Fatores que afetam a viscosidade da suspensão 
 
1) 1 
2) 2 
3)  
4) Características físicas das partículas (distribuição granulométrica, formato, 
área superficial, rugosidade, etc.) 
5) Interações (atração e repulsão) entre as partículas dispersas 
6) Concentração de moléculas de dispersante no meio líquido  
7) Peso molecular e conformação espacial da molécula de dispersante 
8) Espessura da camada de moléculas de dispersante adsorvidas em torno 
das partículas  
 
 
 
 
 
 
Comportamento Independente do Tempo 
 
➢ Comportamento Pseudoplástico - viscosidade do fluido diminui com o 
aumento da taxa e/ou tensão de cisalhamento.   
➢ Fatores que levam o surgimento desse comportamento:  
○ Características físicas das partículas (área superficial, formato e 
dimensões) 
○ Tipo de interação entre as partículas (atração ou repulsão) 
○ Concentração, peso molecular e conformação de moléculas 
dispersante presentes no meio líquido 
➢ Fatores que levam o surgimento desse comportamento:   
○ Partículas com elevada rugosidade superficial e formato 
assimétrico (aumenta o atrito durante as colisões)   
○ Existência de pronunciada de forças de repulsão entre as partículas  
○ Distribuição granulométrica bastante estreita: redução da distância 
média de separação entre as partículas   
○ Formação de aglomerados fortes 
 
AULA 7: Mecânica da partícula - mistura, empacotamento, de partículas e                     
consistência 
 
Beneficiamento - Mistura 
➔ a microestrutura e as propriedades de uma peça sinterizada dependem                   
criticamente de quão bem misturados estão os pós. 
 
➔ busca a maior homogeneidade possível. 
➔ As operações de mistura abrangem:   
◆ Mistura de pós secos ou semi-secos 
◆ Misturas plásticas de pós e ligantes 
◆ Pastas de elevada viscosidade 
◆ Suspensões de baixa viscosidade 
Mecanismos de mistura  
➔ Difusivo​: partículas trocam de lugar com partículas vizinhas partículas                 
rolando em superfícies inclinadas. 
➔ Cisalhamento​: tensões de cisalhamento dão origem a zonas de                 
escorregamento e a mistura acontece por meio da troca de partículas                     
entre as camadas nas quais o escorregamento está acontecendo. 
➔ Convectivo​: transporte de grupos de partículas de uma região para                   
outra. 
➔ Os três mecanismos normalmente acontecem em conjunto cada               
equipamento apresenta um mecanismo predominante. 
Mistura X Segregação  
➔ Pós tendem a segregar dificultando a mistura → quando as propriedades                     
são próximas uma mistura randômica é alcançada desde que tempo                   
suficiente seja empregado na mistura. 
➔ pós secos: a segregação acontece somente quando estão fluindo                 
livremente. 
➔ Mistura e segregação são mecanismos competitivos e ocorrem               
simultaneamenteo. O grau de segregação depende da diferença de                 
propriedades e do tipo de misturador utilizado. 
➔ mecanismos: 
◆ Segregação por trajetória  
◆ Segregação por percolação de finas partículas 
◆ Segregação por elutriação 
➔ Evitar a segregação: redução do tamanho de partícula e tornar as                     
partículas semelhantes, 
➔ Tamanho de partícula: 
◆ Abaixo de 50-75 mm redução da segregação 
◆ Abaixo de 5-10 mm segregação não ocorre / insignificativa  
◆ Pós muito finos aglomerados ocorre segregação dos 
aglomerados. 
➔ Aditivos para evitar a segregação: quantidade de líquido na mistura. 
➔ Partículas de zircônia não homogeneamente distribuídas no contono de                 
grão de alumina. 
EMPACOTAMENTO DE PARTÍCULAS 
 
➔ Empacotamentos densos são desejados por exemplo em cerâmicas               
estruturais, eletrônicas e nucleares 
➔ Empacotamentos de baixa densidade são necessários na produção de                 
isolantes térmicos. 
 
 Tipos de Empacotamento Aleatório  
➔ Empacotamento aleatório de partículas pode ser divido em dois tipos                   
distintos:   
◆ Empacotamento aleatório denso: obtidos a partir da vibração das                 
partículas para que estas se rearranjem e atinjam um maior Pf                     
(menorporosidade).   
◆ Empacotamento aleatório de partículas soltas: não há vibração Pf                 
será menor e a porosidade maior 
➔ O Pf de monodispersões independe do tamanho da partícula   
➔ Empacotamento denso PF ~ 0,64  
➔ Empacotamento “loose” PF ~ 0,60 
➔ No processamento cerâmico as partículas distanciam-se da forma esférica                 
e da superfície lisa Pf diminui O Pf nem sempre irá diminuir para                         
partículas não esféricas geometrias regulares. 
Fatores que Afetam o Empacotamento Aleatório de Partículas - Monodispersões 
➔➔ Morfologia da partícula: ​Relação qualitativa existente entre densidade 
relativa e o arredondamento relativo para empacotamento 
monodispersos aleatórios de partículas. 
◆ Dependência da densidade relativa de empacotamento em função 
da composição, para misturas de partículas de formato esférico e 
irregular. 
➔➔ Porosidade: 
 
  
➔➔ Mistura Bimodal de Partículas Irregulares 
 
 Porosidade Interna das Partículas 
◆ Empacotamento de máxima densidade → partículas densas e com 
menor porosidade 
PARTÍCULAS BIMODAIS ESFÉRICAS: 
◆ A densidade de empacotamento será máxima quando as partículas 
menores preencherem todos os interstícios. 
◆ Quanto mais partículas finas são adicionadas, as partículas 
grandes se separam e a densidade de empacotamento diminui. 
◆◆ Modelos de Empacotamento de Partículas - Modelo de Furnas :  
 
 
◆ Quanto mais larga a distribuição de tamanhos de partículas, mais 
flutuações na homogeneidade de empacotamento podem 
acontecer microestrutura do corpo sinterizado não homogênea. 
Consistência de Sistemas de Processamento 
➔ Estados de consistência: Pó seco; Aglomerados (grânulos); Corpo               
plástico; Pasta; Barbotina  
➔ A consistência depende de quantidade, distribuição e propriedades de:                 
Fase líquida Partículas Aditivos. 
 
➔  
 
➔  
➔  
 
AULA 8 - BENEFICIAMENTO 
 
LISTAS DE EXERCÍCIOS COM RESOLUÇÃO AQUI EMBAIXO 
 
Lista de Exercícios I  
1. Quais os três tipos de processamento cerâmico? Qual a principal                     
diferença entre eles?  
(Aula 2) São três tipos: conformação de particulados, processamento de vidros e                       
cimentação. 
Conformação de particulados: Pó > forma > calor PFC 
Processamento de vidros: Pó > calor > forma PCF 
Cimentação: Calor > Pó > Forma CPF 
 
A principal diferença é a ordem das etapas de processamento. 
 
2. Utilizando o fluxograma geral do processamento cerâmico, desenhe um                   
fluxograma para a produção de uma telha por prensagem a seco.  
Telha: 
Matéria prima > dosagem > moagem/mistura a seco > granulação > prensagem                       
> tratamento térmico > acabamento superficial final ​PÓ>FORMA>CALOR 
 
Prato de porcelana (via úmida): 
Matéria prima > dosagem > moagem/mistura a úmido > filtro-prensagem >                     
mistura > conformação plástica > secagem > tratamento térmico > acabamento                     
superficial final 
 
Canecas: 
Matéria prima > dosagem > moagem/mistura a úmido > colagem > secagem >                         
acabamento superficial > tratamento térmico > acabamento superficial final. 
 
3. Cite e explique três propriedades dos pós cerâmicos que são relevantes                       
para o processamento cerâmico.  
(Aula 3)Tamanho médio de partícula; Distribuição de tamanhos de partículas;                   
Forma da partícula; Estado de aglomeração; Composição química; Composição                 
de fase; Estrutura e química de superfície. 
Tais propriedades influenciam no comportamento reológico, na conformação e                 
nas características finais do produto, definindo suas propriedades. 
 
4. Com relação aos aditivos de processamento, cite e exemplifique três                     
dessas classes.  
Aditivos: são substâncias adicionadas à massa cerâmica para ​dispersar                 
partículas​, para garantir ao pó/suspensão a fluidez necessária ou para permitir a                       
deformação plástica.  
 
Podem ser classificados em: Líquidos/solventes, Defloculantes ou dispersantes,               
Ligantes e Plastificantes. 
 
Líquidos/solventes: fornecem fluidez às partículas durante a mistura e a                   
conformação. Dissolvem aditivos de forma que estes fiquem homogeneamente                 
distribuídos pelo pó. Ex: água, líquidos orgânicos (álcoois, cetonas) 
 
Defloculantes/dispersante: são aditivos utilizados para estabilizar suspensões de               
partículas sólidas em sistemas líquidos evitando a floculação (formação de                   
aglomerados). Ex: sais inorgânicos, surfactantes e polímeros de baixo e médio                     
peso molecular.  
 
 
Ligantes: principal função é melhorar a resistência mecânica a verde do corpo                       
conformado e dependendo do processo conferir plasticidade ao material. Ex:                   
PVA, PMMA (orgânico) / Silicatos solúveis (inorgânicos) 
 
Plastificantes: Modificam as propriedades viscoelásticas do sistema             
ligante-particulado. Ex: água, etileno glicol, glicerol. 
  
5. Explique as interações entre PÓ / LÍQUIDO / ADITIVO?  
 
 
 
O aditivo deve ficar adsorvido na superfície do pó. O líquido deve molhar esse                           
aditivo(dissolver) de forma que ele fique homogeneamente distribuído pelo pó.                   
O aditivo deve ser solúvel no meio em que se encontra o diluído (pó) no meio                               
líquido. 
 
6. Explique e represente os mecanismos para a estabilização de suspensões                     
cerâmicas.  
A estabilização de suspensões cerâmicas se dá quando forças de repulsão entre                       
as partículas superam as de atração. 
-Estabilização eletrostática: desenvolvimento de cargas eletrostáticas superficiais 
 
-Estabilização estérica: adsorção de moléculas poliméricas de cadeias longas 
 
-Estabilização eletroestérica: adsorção de moléculas ionizáveis ou polieletrólitos 
 
 
 
 
7. Represente o modelo da dupla camada elétrica.  
Arranjo espacial dos íons que constituem uma dupla camada elétrica de uma                       
partícula carregada em um meio líquido 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8. Os gráficos a seguir descrevem o potencial zeta e a viscosidade de uma                           
suspensão de alumina calcinada em função do pH. Correlacione os dois                     
gráficos e discuta a defloculação e a estabilização de suspensões                   
cerâmicas. 
 
 
O desenvolvimento de cargas na superfície de óxidos depende do pH da                       
suspensão e da densidade de cargas existentes na superfície. Partículas de                     
alumina apresentam potencial zeta positivo em uma grande faixa de pH,                     
indicando que sua superfície apresenta carga predominantemente positiva. 
A viscosidade das suspensões de alumina diminui à medida que se ajusta o pH                           
das suspensões para valores maiores ou menores que o pH do ponto                       
isoelétrico. Os menores valores de viscosidade da suspensão são verificados na                     
região de pH no qual o valor em módulo do potencial zeta é máximo.  
Quando o potencial zeta é nulo, a partícula tende a ficar neutralizada, como ela                           
está neutra, não há repulsão eletromagnética na qual facilita a aglomeração das                       
partículas aumentando assim sua viscosidade (região em torno do ph 8 em que                         
a viscosidade tende a infinito) 
 
10. Calcule o fator máximo de empacotamento (Modelo de Furnas) e as frações                         
volumétricas e mássicas de uma mistura de alumina (partícula mais grosseira, d =                         
3,98 g/cm3 )e zircônia (partícula mais fina, d = 5,68 g/cm3 ) que possuem fator de                                 
empacotamento igual a 0,64. 
 
11. Quais são os objetivos da granulação de pós cerâmicos? Por que é um                           
beneficiamento importante para o processamento cerâmico? 
O processo de granulação pode ser definido como a aglomeração intencional de                       
partículas finas pela adição de água ou solução ligante para formar aglomerados                       
de tamanhos controlados, denominados grânulos. Os objetivos são: prevenir a                   
segregação de partículas da mistura, melhorar suas propriedades de fluidez e                     
melhorar as características de compactação das misturas dos pós. Um                   
beneficiamento é importante porque o tamanho da partícula exerce influencia                   
nas propriedades e comportamento dos materiais ao longo do processamento,                   
 
como comportamento reológico, conformação, queima e nas características               
finais do produto. 
 
12. Cite duas técnicas que podem ser usadas para determinar o tamanho e                         
distribuição de partículas?  
Técnica de peneiramento, técnica de sedimentação, técnica de difração a laser e                       
microscopia com análise de imagem. 
 
-------------------- 
 
Lista de Exercícios II  
1. Indique na figura abaixo o estado em que a suspensão se encontra                         
(defloculada e aglomerada) Qual a importância de se processar suspensões                   
cerâmicas defloculadas em termos de: (a) compacto a verde e; (b)                     
resistência mecânica?  
 
A primeira imagem a suspensão estão deflacionada e a segunda imagem                     
aglomerada. É possível observar pelas partículas juntas na segunda imagem                   
formando um aglomerado e na primeira estão mais espalhadas.  
A) Compacto a verde: gera uma alta densidade e microestrutura homogênea                   
gerando um bom empacotamento de partículas, gerando uma baixa                 
retração de secagem e queima 
B) Resistência mecânica: a suspensão defloculada gera compacto de alta                 
densidade e possui menor concentração de defeitos gerando maior RM.  
 
2. Na mistura de pós cerâmicos, qual a propriedade que é crítica e deve ser                             
avaliada quando se quer evitar a segregação? Por quê?  
Propriedade é o tamanho da partícula. Com sua redução do tamanho de                       
partícula e tornando as partículas semelhantes. Isso ocorre pois ao misturar o                       
pó que apresenta propriedade física muito diferente eles tendem a segregar                     
dificultando a mistura. 
 
3. Quais são os estados de consistência para se processar os materiais                       
cerâmicos?  
 
Estados de consistência: Pó seco; Aglomerados (grânulos); Corpo plástico;                 
Pasta; Barbotina. 
4. A figura abaixo representa diferentes condições de moagem nas quais a                       
velocidade de rotação do moinho é variada. Explique a relação existente                     
entre o ângulo de queda dos meios de moagem (ß), a eficiência de moagem                           
e o desgaste dos meios de moagem. Qual a condição ideal? 
 
 
● Em B: a aceleração centrífuga (ac) é muito inferior à aceleração da                       
gravidade(g), o que origina um ângulo formado pelas bolas (​β​) inferior a                       
45º e consequentemente um baixo grau de moagem. 
 
● Em C: o ângulo ​β é aproximadamente igual a 90º, a partir do qual se                             
atinge a velocidade crítica e deixa de haver moagem (​β​>90,situação D). 
 
● Em A: as bolas elevam-se até um ângulo de 45-60º, relativamente à                       
horizontal, e rolam em cascata - trituração do material devido ao impacto                       
e ao cisalhamento entre os meios de moagem, atuando sobre a superfície                       
das partículas - até a zona inferior do moinho promovendo um bom grau                         
de moagem - condição ideal. 
 
A relação existente é que o ângulo de queda determina a eficiência de                         
moagem e quanto mais eficiente, maior o rendimento e menor desgaste. 
A ->alto rendimento,baixo desgaste;  
B ->baixo rendimento,baixo desgaste;  
C ->baixo rendimento,alto desgaste;  
D ->baixo rendimento, baixo desgaste 
 
5. Cite e explique os três parâmetros de processo que afetam o rendimento                         
de uma moagem. 
 
Os parâmetros de processo que afetam o rendimento de uma moagem são: a                         
quantidade de matéria prima, velocidade de rotação, quantidade de esferas e                     
tempo de permanência no moinho. Esses parâmetros influenciam nas                 
características energéticas do processo de moagem e nas características finais                   
do produto e rendimento. 
 
----- 
PROVA 
1) Com relação ao processamento cerâmico, responda os itens abaixo:  
a) Cite e explique a sequência das etapas de processo para o cimento. 
Calor > pó > forma: No começo do processamento, as MPs são tratadas                         
termicamente para trazer benefícios e propriedades para o pó, que é a etapa                         
posterior, logo, com o pó pronto é levado para a etapa de conformação, que                           
pode ser por prensagem.  
 
b) Faça um fluxograma geral para a conformação de particulados. 
MP > beneficiamento (moagem, mistura, separação e secagem) > preparo -                     
massa plastica/barbotina/pó >conformação (prensagem,colagem,extrusão,       
injeção)>secagem> ou acabamento ou sinterização > acabamento final. 
 
2) Comente sobre o método de preparação/síntese da matéria-prima apresentada                   
pelo seu grupo de trabalho. 
 
3) Cite e explique três propriedades dos pós cerâmicos que são relevantes                       
para o processamento cerâmico. 
Tamanho médio de partícula; Distribuição de tamanhos de partículas; Forma da                     
partícula; Estado de aglomeração; Composição química; Composição de fase;                 
Estrutura e química de superfície. 
Tais propriedades influenciam no comportamento reológico, na conformação e                 
nas características finais do produto, definindo suas propriedades. 
 
4) Os seguintes dados foram obtidos por picnometria líquida à 19ºC em                       
água: massa do picnômetro = 32,383g; massa do picnômetro+sólido =                   
41,923 g; massa do picnômetro + líquido = 84,229 g; massa do picnômetro +                           
sólido + líquido = 91,170 g. Se a densidade teórica do sólido é 3,98 g/cm³,                             
determine a quantidade de porosidade fechado do pó. 
 
onde: 
Pa : densidade aparente picnométrica  
PL : densidade do líquido   
m0 : massa do picnômetro vazio  
 
 m1 : massa do picnômetro + sólido   
m2 : massa do picnômetro + sólido + líquido   
m3 : massa do picnômetro + líquido 
Resultado no final. 
 
5) Correlacione as colunas:  
(1) Difração de raios-x; (2) Microscopia eletrônica de varredura; (3)                 
Análise termogravimétrica; (4) Dilatometria; (5) Porosimetria de Hg 
(5) Distribuição e tamanho de poros 
(4 ) Expansão ou retração durante aquecimento/resfriamento 
(1) Fases cristalinas, > 1% 
(3) Massa monitorada durante aquecimento/resfriamento 
(2) Contornos de grão, microporosidade, processos de corrosão 
 
6) Com relação ao beneficiamento da matéria cerâmica responda os itens:  
a) Qual o objetivo da moagem no processo de fabricação de materiais                     
cerâmicos. 
A moagem é utilizada para:  
1- Reduzir o tamanho médio de partículas; 
2- Modificar a distribuição granulométrica;3- Reduzir a porosidade das partículas; 
4- Dispersar agregados e aglomerados; 
5- Modificar a forma das partículas; 
Ela influencia diretamente na reologia de suspensões na sinterização e na                     
microestrutura final do material. A quantidade de meios de moagem necessário                     
para uma moagem em condições ótimas e de 50-55% do volume útil do moinho.                           
O tamanho e a quantidade afetam o rendimento.  
 
b) O que é granulação? Quais são as razões para submeter as                     
matérias-primas cerâmicas ao processo de granulação? 
A granulação é a aglomeração intencional de partículas finas pela adição de                       
água ou solução ligante, para formar aglomerados de tamanhos controlados ->                     
grânulos (0,2mm até 20mm). As razões para granulação são: 1- Prevenir a                       
segregação dos componentes de uma mistura. 2- Melhorar as propriedades de                     
fluidez de pós; 3- Melhorar as características de compactação. 
 
c) Analise e discuta os dados mostrados na figura abaixo. 
 
 
 
 
7) Cite três classes de aditivos de processamento cerâmico. Explique em                     
linha gerais as funções de um dispersantes para o processamento                   
cerâmico. Cite um exemplo. 
Podem ser classificados em: Líquidos/ solventes, Defloculantes ou dispersantes,                 
Ligantes e Plastificantes. 
Defloculantes/dispersante: são aditivos utilizados para estabilizar suspensões de               
partículas sólidas em sistemas líquidos evitando a floculação (formação de                   
aglomerados). Ex: sais inorgânicos, surfactantes e polímeros de baixo e médio                     
peso molecular.  
 
8) Observe a figura ao lado e explique o que acontece em se processar                           
suspensão cerâmica floculadas em termos de:  
a) Viscosidade 
b) Compacto sinterizado 
c) Compacto a verde 
 
ATENÇÃO: CERÂMICA ​FLOCULADA !!! 
a) VISCOSIDADE: Suspensão aglomerada: A sedimentação           
dos aglomerados é favorecida rápida separação de fases               
Baixa estabilidade Aumento da viscosidade dificulta os processos de transporte                   
e conformação.  
 
b) COMPACTO SINTERIZADO: Suspensão aglomerada: Aumento da porosidade               
Prolongam o tempo de sinterização atingir a densificação desejada Reduz                   
propriedades mecânicas  
 
ATENÇÃO: CERÂMICA​ DEFLOCULADA​!!! 
a) VISCOSIDADE: Suspensão defloculada: Baixa viscosidade permitindo maiores               
quantidades de sólidos, reduzindo, assim, os custos envolvidos nas etapas de                     
 
secagem. Mantém-se homogêneas e estabilizadas por mais tempo Suspensão                 
aglomerada: A sedimentação dos aglomerados é favorecida rápida separação                 
de fases Baixa estabilidade Aumento da viscosidade dificulta os processos de                     
transporte e conformação. 
 
b) COMPACTO SINTERIZADO: Suspensão defloculada: Compactos de alta               
densidade Menor concentração de defeitos maior resistência mecânica.   
 
c) COMPACTO A VERDE: Suspensão defloculada: Alta densidade e                 
microestrutura homogênea bom empacotamento das partículas Baixa retração               
de secagem e de queima. 
 
9) O gráfico a seguir descreve, para dois defloculantes diferentes, o                     
potencial zeta de uma suspensão de           
alumina calcinada em função do pH.           
Discuta o gráfico levando em consideração           
o módulo do potencial zeta, o pH e o tipo                   
de defloculante. 
 
Partículas de SiC estabilizadas com ácido           
poliacrílico e polimetacrilato de amônio.         
Quanto maior o módulo do potencial zeta,             
maior a repulsão entre as partículas 
 
 
 
 
 
 
 
 
EXERCÍCIOS FEITOS EM AULA COM RESOLUÇÃO AQUI EMBAIXO 
 
Aula3 
1) Com relação a análise de impureza para os pós de alumina, análise elementar e                             
de óxidos, avalie qual pó contém o maior e menor teor de sódio? 
 
2) Comparando o tamanho do aglomerado, qual pó de alumina apresenta o maior                         
e menor tamanho.  
 
3) A análise química (%-em peso) para obtenção de titanato de bário é mostrada                           
abaixo. Qual é a reprodutibilidade da razão molar (BaO + SrO)/TiO2?  
 
 
4) Explique a tendência de aglomeração para o pó cerâmico em termos de forças                           
de van de Waals e gravitacional. Como essa tendência varia com o tamanho de                           
partícula?  
 
Aula 4 
 
1) Com base nos dados abaixo, esboce a curva granulométrica para o pó cerâmico. 
 
Coluna % - Regra de X 
ex: 0,18 ---- x assim como 20 ---- 100 
x=0,09 
Coluna Fração Mássica de P.Gros 
ex: 100-0,09=99,1 
e assim por diante, vai descontando a coluna de % na diferença de 
100-% 
 
2) Calcule a densidade do pó composto por 90%-em peso de alumina (3,98                         
g/cm3 ) e 10%-peso de zircônia (6,03 g/cm3 ).  
 
temos que,  
3,98 g/cm3 ---100% 
x---------90% 
x=3,582g/cm3 
6,03 g/cm3 ----- 100% 
y ---- 10 % 
y=0,603g/cm3 
logo, p=3,582+0,603 =~ 4,19g/cm3 
 
 
 
 
3) Os dados obtidos em um teste de picnometria líquida são os seguintes:  
Massa do picnômetro = 32,383 g (m0) 
 
Massa picnômetro + pó = 41,923 g (m1) 
Massa picnômetro + água = 84,229 g (m3) 
Massa picnômetro + pó + água = 91,170 g (m2) 
A temperatura ambiente era de 19 ºC. Calcule a densidade aparente. Qual é o                           
valor de porosidade fechada se a densidade real é de 3,98 g/cm3? 
 
 
M​o​ M​pic​= 32,383g 
M​1​ M​pic+pó​ = 41,923g 
M​3​ M​pic+água​ = 84,229 g  
M​2​ M​pic+pó+água​ = 91,170 g  
19 ºC p=0,9984 g/cm​3 
p​a​ = [ (m​1​ - m​0​) / (m​3​ - m​0​)+(m​1​-m​2​) ] p 
pa = 3,664 g/cm​3 
Sig​a​ = 3,664 = m/v = 9,54g/x => x = 
2,60 cm3 
Sig​r​ = 3,98 = m/v = 9,54g / y => y = 2,40 
cm3 
Poros fechados = x-y = 0,2 cm3 
 
 
 
Aula 7: 
1. Calcule o fator máximo de empacotamento (Modelo de Furnas) e as frações                         
volumétricas e mássicas de uma mistura de alumina (partícula mais fina, d = 3,98                           
g/cm3 ) e carbeto de silício (partícula mais grosseira, d = 3,21 g/cm3 ) que possuem                               
fator de empacotamento igual a 0,60.