Materiais Cerâmicos - Trabalho AV1

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Centro Universitário Estadual da Zona Oeste
REAÇÕES QUÍMICAS E TRANSFORMAÇÕES
DURANTE A ETAPA DE QUEIMA NA PRODUÇÃO DE
MATERIAIS CERÂMICOS
Curso: Engenharia de Materiais
Aluna: Aline Muniz Lima
Disciplina: Materiais cerâmicos
Professora: Mônica Resende
Rio de Janeiro
2021
1. Materiais Cerâmicos
A Associação Brasileira de Cerâmica (ABC) define o termo “cerâmica” como
sendo todos os materiais inorgânicos, não metálicos, obtidos geralmente após o
tratamento térmico (queima) em temperaturas elevadas.
Os materiais cerâmicos podem ser divididos em dois grupos: os cerâmicos
avançados e os cerâmicos tradicionais. 
O primeiro grupo dos materiais cerâmicos compreende os materiais
modernos, como: cerâmicas piezelétricas, fibras ópticas, capacitores, biomateriais
(próteses), produtos de alta resistência (ferramentas de corte e abrasivos), de alta
temperatura (refratários para indústria cimentícia e metalúrgica), entre outros. Por
sua vez, o segundo grupo inclui os materiais tipicamente utilizados na construção
civil, tais como: tijolo, telha, grés, azulejos e louças sanitárias. Ainda neste grupo
encontram-se a porcelana elétrica, com forte aplicação na indústria elétrica, e os
utensílios de mesa (CARTER e NORTON, 2007). O grupo dos materiais cerâmicos
tradicionais, é ainda, comumente subdividido em: cerâmica vermelha, cerâmica
branca e vidros. Estes materiais estão associados principalmente aos minerais
silicatados (CARTER e NORTON, 2007).
Devido à grande quantidade de silício e de oxigênio existentes na crosta
terrestre e à alta resistência da ligação Si-O, a maioria dos minerais encontrados na
natureza são silicatos (BOCH e NIÈPCE, 2007). A argila foi, provavelmente, o
primeiro material estrutural inorgânico a adquirir características totalmente novas
como consequência de uma operação intencional realizada por seres humanos. Esta
operação foi o tratamento térmico (queima) que deu origem aos utensílios como:
potes, panelas e outros, tendo grande influência na vida e nos hábitos do homem
(PADILHA, 2000). Este foi possivelmente o começo da Engenharia de Materiais.
Estima-se que isto tenha acontecido no oitavo milênio a.C. (KRANZBERG e SMITH,
1988).
1.1 Queima
A queima é a etapa final do processo de fabricação da cerâmica e tem como
objetivo criar condições para que ocorram as transformações físicas e químicas da
estrutura da composição de modo a levar o produto às propriedades finais
desejadas (KINGERY et al. 1976). Para Boch e Nièpce (2007), é a ação da
temperatura sobre a massa cerâmica que transforma esta mistura granular dispersa
em um corpo sólido de elevada resistência. De acordo com Reed (1995), o processo
de queima compreende três etapas: pré-sinterização, sinterização e resfriamento. A
sinterização constitui-se a etapa mais complexa do processo, a qual, para se
alcançar as propriedades desejadas, requer um significativo conhecimento do
material e do processo utilizado. Entretanto a pré-sinterizacão e o resfriamento não
devem ser desconsiderados. Segundo Más (2005), na fase crua, as partículas estão
conectadas pela plasticidade. Acima de 700 °C, os fundentes (os óxidos de potássio,
sódio e ferro, entre outros) formam líquido de alta temperatura, ou seja, vitrificam e
consolidam as partículas. Más (2005) compara a sinterização do corpo cerâmico, por
fase líquida, como a formação de "soldas internas" entre as partículas do composto
cerâmico, Figura 8. Conforme o corpo vai se resfriando, o líquido entre as partículas
sólidas internas forma "pontos de solda". Quanto mais elevada é a temperatura de
queima, maior é a quantidade de líquido que se forma e a malha dos pontos de
solda internos se torna cada vez mais densa. 
Figura 1 - Esquema de sinterização. Fonte: Adaptado de Más (2005). 
O processo de queima envolve fundamentalmente 4 fenômenos:
consolidação, densificação, crescimento ou decréscimo de alguns grãos ou
desaparecimento de outros e reações físico-químicas no material granular e depois
no material consolidado (BOCH e NIÈPCE, 2007). Devido às reações que ocorrem
no processo de queima, as fases de aquecimento e de resfriamento devem
acontecer de forma controlada, pois tais reações ocorrem em diferentes intervalos
de temperatura (ABAJO, 2000). 
1.2 Principais transformações durante a etapa de queima na produção de
materiais cerâmicos
De modo geral, as principais transformações que se dão nos materiais
argilosos em decorrência da temperatura estão descritos a seguir.
• Entre 20 e 150 °C elimina-se a água livre, o forno funciona como um
secador, destacando que as moléculas de água ("água interna") do
cristal de argila permanecem na massa (MÁS, 2005). 
• Até cerca de 200 °C dá-se a eliminação de água coloidal, que
permanece intercalada entre as pequenas partículas de argilominerais
depois da secagem, bem como a água proveniente da matéria
orgânica.
• Por volta de 280 °C a gibbsita [Al(OH)3] sofre desidroxilação
(TOLEDO, 2003).
• Entre 320 e 360 °C, ocorre reação de desidroxilação da goethita
[FeO(OH)] (em 320 °C – com substituição isomórfica por Al3+, muito
próximo da gibbsita, e 360 °C - sem substituição por Al3 + ) (TOLEDO,
2003). 
• Entre 350 e 650 °C se a argila contém carbonatos, estes começam a
se dissociar. Primeiramente ocorre a dissociação do carbonato de
magnésio e, em temperaturas mais elevadas, cerca de 800 °C, ocorre
a dissociação do carbonato de cálcio, bem mais abundante. 
• Entre 450 e 650 °C, dá-se a decomposição dos minerais de argila
propriamente ditos, com libertação de água de constituição
(quimicamente combinada), constituinte fundamental da argila
contendo sílica e alumina. No momento exato em que perder essa
água de constituição, as propriedades argilosas serão perdidas de
modo irreversível (MÁS, 2005). 
• Em temperaturas em torno de 570 °C, dá-se a rápida transformação
do quartzo na sua forma cristalina α para quartzo β, ocorrendo uma
expressiva expansão (durante o resfriamento, nessa temperatura,
ocorre retração) (SANTOS, 2001). 
• Entre 700 e 900 °C, ocorre o início da fusão dos álcalis e óxido de
ferro. A partir de 700 °C a resistência atinge um mínimo tolerável.
Segundo Más (2005), dependendo das matérias-primas fundentes, um
bloco estrutural queimado entre 900 e 950 °C pode resistir de 6 a 10
MPa, o que se considera muito. 
• Acima dos 700 °C, iniciam-se as reações químicas da sílica e da
alumina com os elementos fundentes, formando sílico-aluminatos que
são responsáveis pela resistência física, química e pela estabilidade
da peça cerâmica (SANTOS, 2001). 
• A máxima dilatação ocorre, geralmente, em torno dos 800 °C.
Podendo-se, a partir dessa temperatura, estabelecer um patamar de
queima. 
• Por volta de 900 e 950 °C inicia-se a retração de sinterização e,
portanto, as transformações mineralógicas. Então, em uma variação
de temperatura muito curta, ocorre um aumento rápido de retração. 
• Quando a temperatura é elevada ao máximo, para a cerâmica
vermelha aproximadamente 1000 °C, o material começa a se retrair e
dispensar a alimentação de combustível. O material continua a se
retrair e a fornecer calor ao ambiente do forno de modo inverso ao que
ocorre no pré-aquecimento, início da queima (SANTOS, 2001). 
• A partir de 1000 °C ocorre a reorganização dos cristais formando nova
estrutura cristalina. Pode-se observar um aumento de resistência
mecânica. A diminuição da absorção de água evidencia o fechamento
dos poros com mais ligações vítreas. Em temperaturas mais elevadas,
o grés chega aos 3% de absorção de água e o grés porcelânico chega
a menos de 0,1% (MÁS, 2005). 
• O resfriamento da peça deve ocorrer de forma lenta na faixa de
temperatura entre 600 e 560 °C, poisneste intervalo ocorre a
transformação alotrópica do quartzo-β para o quartzo-α e, portanto, a
peça que apresenta grande conteúdo de sílica tende a apresentar
baixa resistência ao choque térmico, não podendo sofrer variações
bruscas de temperatura (MÁS 2005; DUTRA 2007). Portanto, o ciclo
de queima deve ser conduzido de modo que seja capaz de permitir
que as transformações térmicas ocorram e que as propriedades finais
do produto sejam asseguradas. Vale lembrar que as reações que
ocorrem nos corpos cerâmicos durante o processamento da queima
variam em função do tipo de argila utilizada no processo de fabricação
(DUTRA, 2007).
1.3 Reações produzidas durante a queima
A queima provoca variações nas propriedades físicas, químicas e mecânicas
da peça cerâmica, diferenciando-se de acordo com a matéria-prima utilizada na
fabricação. Estas variações estão exemplificadas a seguir. 
• Físicas e químicas - Mudanças na estrutura química e cristalina, na
porosidade, na cor, no tamanho (dilatação ou contração), aumenta a
resistência a umidade, aumento da estabilidade a certos agentes
químicos, etc. 
• Mecânicas - Aumento da resistência à compressão, à tração, à
abrasão, etc (MONTEIRO et al, 2007). 
As mudanças nas propriedades decorrem de reações químicas provocadas
pelo aumento da temperatura da peça cerâmica. São estas reações: 
• Desidratação - Perda de umidade. 
• Calcinação - Reações que provocam perda de massa na forma de
gases, transformando a estrutura cristalina e a composição química da
peça. 
• Oxidação - Ligação de elementos químicos presentes na peça com o
oxigênio da atmosfera do forno. 
• Formação de silicatos. 
• Sinterização (LOYOLA, 1998). 
Segundo Souza et al (2003), essas reações químicas são identificadas a
partir das curvas de DTA que demonstram o comportamento dos argilominerais
quando aquecidos a uma determinada temperatura através de vales endotérmicos e
exotérmicos. Para as argilas com predominâncias cauliníticas verifica-se a formação
de três vales endotérmicos e um vale exotérmico. O primeiro vale endotérmico entre
60-64 °C está relacionado à remoção da água adsorvida da argila que é típica de
materiais argilosos com partículas de caulinita. O segundo vale endotérmico entre
268-276 °C está relacionada com a remoção de água da gibsita, ou seja,
desidratação dos hidróxidos de alumínio a uma transformação de fase de transição
de alumina. Esta transição são fases metaestáveis (CARNIGLIA E AM, 1983). Assim,
o processo de desidratação da gibsita pode ser dada por:
 Al2O3.3H2O(gibsita) 268-256°C transição da alumina 
O terceiro vale endotérmico em torno de 449-503 °C é mais elevado do que
os outros. Este se deve principalmente à formação de metacaulinita. Neste caso, a
remoção de água quimicamente ligada a caulinita. Esta perda de água estrutural não
modifica o aspecto morfológico das plaquetas caulinitas pseudohexagonal. No
entanto, esta nova fase é amorfa. A transformação de fase de caulinita para
metacaulinita é dada por:
2SiO2.Al2O3.2H2O(Caulinita) 499-503°C 2SiO2.Al2O3(metacaulinita) 
O vale exotérmico na faixa de 950-959 °C está relacionado com a formação
de novas fases cristalinas de alta temperatura, tais como a formação de mulita e
espinélio após a destruição total da estrutura de metacaulinita (CHEN et al, 2000).
Estas transformações de fase podem ser determinadas por: 
2(2SiO2.Al2O3)(metacaulinita) 950-959°C 2Al2O3.3SiO2(espinélio) + SiO2 (amorfa) 
ou 
2SiO2.Al2O3)(metacaulinita) 950-959°C Al2O3(γ-alumina) + 2SiO2(amorfa) 
De acordo com Souza et al (2003), as amostras com predominância
caulinítica, apresentam uma perda de massa total durante o aquecimento dentro de
4.47-4,98mg (14,2-16,3%). Esta perda de massa pode ser acompanhada em três
etapas. Na primeira etapa, há uma perda entre 2.8-4,3%, devido à libertação de
umidade livre, ou seja, relaciona-se a água mecânica normalmente adicionada
durante a fabricação de produtos cerâmicos estruturais. Já na segunda etapa, ocorre
uma pequena perda de massa entre 2.0-3,5%, devido, principalmente, à
decomposição de gibsita, compreendendo moléculas de H2O a partir de sua
estrutura. A terceira etapa, apresenta uma maior perda de massa de 8,3-10,4%
devido principalmente à remoção de água química ligada à matriz de argila. 
Em relação a peças cerâmicas com maiores dimensões como o tijolo, por
exemplo, mais lento deve ser o aquecimento e o resfriamento. Peças com seções
mais finas podem ser queimadas mais rapidamente que aquelas de maior
espessura. Massas com elevado teor de sílica devem ser queimadas com mais
cuidado do que aquelas com teor mais baixo, principalmente naqueles intervalos de
temperatura onde ocorrem as mudanças de volume. 
É necessário saber em que faixa de temperatura acontecem essas mudanças
para evitar que uma elevação rápida da mesma possa provocar defeitos e até o
rompimento da peça. Em geral, a temperatura, no secador não passa de 80°C. 
Nos secadores ao ar livre e instalações de secagem com baixa temperatura, a
porcentagem de água remanescente é elevada e deve ser eliminada no forno.
Portanto, ocorre na queima o mesmo que na secagem rápida: desenvolvem-se
tensões quando o vapor d’água formado não consegue sair com suficiente rapidez
pelos poros da peça.
 Para uma queima em perfeitas condições, o produto cerâmico deve entrar no
forno o mais seco possível. O primeiro efeito do calor no forno é, portanto, a
eliminação da água residual, o que se verifica até 120°C, devendo efetuar-se em
períodos de acréscimos suaves de temperatura para evitar a quebra da peça em
consequência da formação rápida de vapor.
As várias matérias-primas que compõem a massa cerâmica, e, em particular,
a argila, contém água combinada quimicamente, sendo esta eliminada em seguida
também pelo efeito do calor, determinando o início do endurecimento. Esta
desidratação química ocorre em diferentes temperaturas para cada material,
começando provavelmente ao redor de 250°C, completando quando a temperatura
da peça chega a 600°C. A presença de matéria orgânica, qualquer que seja, também
queimará a esta temperatura. 
A água de cristalização deve ser retirada em temperatura mais baixa possível,
uma vez que impede as reações de oxidação. Esta água deve ser liberada antes
que tenha início a vitrificação superficial, para permitir que o oxigênio penetre nos
poros promovendo a combustão do carbono e outras impurezas combustíveis. 
Partes dos componentes orgânicos se decompõem em produtos voláteis que
deixam a peça, partes se transformam num resíduo carbonoso difícil de queimar,
visto que, o ar necessário para sua combustão deve penetrar através dos poros até
o núcleo, o que requer muito tempo. 
Em temperaturas em torno de 573°C têm início as transformações físicas da
sílica, sendo acompanhada de grande expansão no aquecimento e contração no
resfriamento. Deve-se ter um controle de velocidade tanto no aquecimento como no
resfriamento para não romper a peça. 
À medida que a temperatura aumenta, entre 800°C e 900°C, decompõem-se
os carbonatos. Começa a se manifestar a porosidade na massa e uma diminuição
da densidade. Em se tratando de argilas para cerâmica vermelha, ao redor de
1000°C, segundo a maior ou menor quantidade de fundente na massa, tem início a
vitrificação, fenômeno que vem acompanhado com uma diminuição da porosidade
do produto, aumentando a sua resistência. 
2. Conclusão
Materiais cerâmicos são materiais inorgânicos, não metálicos, obtidos
geralmente após o tratamento térmico (queima) em temperaturas elevadas. Eles
podem ser divididos em: cerâmicos avançados e cerâmicos tradicionais. 
A argila foi o primeiro material estrutural inorgânico a adquirir características
totalmente novascomo consequência da queima (etapa final do processo de
fabricação da cerâmica que tem como objetivo criar condições para que ocorram as
transformações físicas e químicas da estrutura da composição de modo a levar o
produto às propriedades finais desejadas), dando origem a diversos utensílios,
sendo ali o começo da Engenharia de Materiais.
 A queima várias transformações e reações químicas, provocando variações
nas propriedades físicas, químicas e mecânicas da peça cerâmica, diferenciando-se
de acordo com a matéria-prima utilizada na fabricação. 
As mudanças nas propriedades decorrem de reações químicas provocadas
pelo aumento da temperatura da peça cerâmica.
3. Referências Bibliográficas
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