Materiais Cerâmicos Formulação. Conceitos Gerais
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- Ana Lívia Carlos Marques
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1 Materiais Cerâmicos Formulação Conceitos Gerais
2 Mulita - Síntese Objetivo : sintetizar mulita 3Al 2 O 3.2SiO 2 ou Al 6 Si 2 O 13 A mulita é uma fase cerâmica obtida pela reação entre alumina e sílica em temperaturas elevadas. É amplamente utilizada em refratários devido as suas excelentes propriedades.
3 Mulita Síntese ( de caulim) Objetivo : sintetizar mulita 3Al 2 O 3.2SiO 2 ou Al 6 Si 2 O 13 Caulinita, pirofilita, silimanita, cianita e andalusita são bem conhecidas como precursores na obtenção de mulita. Nesses materiais os óxidos se encontram atomicamente dispersos e ligações do tipo Al - O - Si.A caulinita é um argilomineral que possui Al e Si incorporados em escala atômica, havendo sempre excesso de sílica em relação à proporção estequiométrica da mulita. Portanto, o uso de caulim juntamente com alumina pode ser uma boa alternativa para obtenção de mulita in situ. Ao se aquecer o caulim a 550 ºC uma mudança estrutural ocorre devido à perda da água quimicamente ligada, levando a uma reorganização das camadas octaédricas para tetraédricas formando o composto conhecido por metacaulim. Nesses materiais, a mulitização ocorre por dois mecanismos: mulitização primária e secundária.
4 Mulita Síntese ( de óxidos) Objetivo : sintetizar mulita 3Al 2 O 3.2SiO 2 ou Al 6 Si 2 O 13 Esse método propicia a obtenção de mulita de alta pureza e alta densidade. O processo consiste em se fundir fontes de alta pureza de Al 2 O 3 e SiO 2 e resfria-las obtendo-se mulita. A microestrutura depende da taxa de resfriamento utilizada e da relação em peso Al 2 O 3 /SiO 2.
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6 Exercício Formulação - calculo Quero produzir 180 g de mulita a partir de óxidos de alumina e silício Objetivo : sintetizar mulita 3Al 2 O 3.2SiO 2 ou Al 6 Si 2 O 13 Matérias primas : Alumina comercial 99,3% pureza Quartzo comercial 99,7% pureza Dados necessários Massa molar: Al 26,98 g/mol Si 28,09 g/mol O - 16,00 g/mol Massa molar: Al 2 O 3 101,96 g/mol SiO 2 60,09 g/mol 3Al 2 O 3.2SiO 2 426,05 g/mol
7 Exercício Quero produzir 180 g de mulita a partir de óxidos de alumina e silício (1) Calculo Proporção dos óxidos Al 2 O 3 71,79 % SiO 2 28,21 % 3Al 2 O 3.2SiO 2 (2) Calculo Quantidade dos óxidos puros Al 2 O 3 71, SiO 2 28, = 129,222 g = 50,778 g
8 Exercício Quero produzir 180 g de mulita a partir de óxidos de alumina e silício (3) Calculo da quantidade de matéria prima Alumina comercial 99,3% pureza Em 100 g de Alumina apenas 99,3 são de Al 2 O 3 Para ter 100 g de Al 2 O 3 usa 100,705 g de Alumina comercial Em 100 g de Alumina apenas 99,7 são de SiO 2 Para ter 100 g de SiO 2 - usar 100,30g de Quartzo comercial Al 2 O 3 129, = 130,133 g 99,3 SiO 2 50, = 50,931 g 99,7 Quantidade de oxido Pureza 100
9 Exercício ( outra forma de fazer a mesma conta) Quero produzir 180 g de mulita a partir de óxidos de alumina e silício (1) Calculo Proporção dos óxidos Al 2 O 3 71,79 % SiO 2 28,21 % 3Al 2 O 3.2SiO 2 (2) Calculo Tudo de uma vez Al 2 O ,79 99,3 SiO ,21 99,7 = 130,133 g = 50,931 g (qtd de produto)(percentual do oxido) Pureza 100
10 Mulita Síntese ( outros métodos) Existem diversos métodos de obter mulita quimicamente. Todos eles consistem em se colocar íons alumínio e silício em contato íntimo, de preferência com a estrutura Al - O - Si já formada. Para isso, utilizam-se reações químicas entre diversos tipos de compostos. Entre os principais métodos químicos estão: sol gel; precipitação; hidrólise e spray pirólise.
11 Formulação Ceramica Base na composição química Objetivo : Cordierita 2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 diopsita CaO.MgO.2SiO 2 ou CaMgSi 2 O 6 Matérias primas : Listadas na tabela abaixo Matéria Prima SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Caulin 01 46,80 0,10 37,40 0,80 0,10 0,20 1,70 0,10 12,80 Caulin 02 47,60 0,40 36,50 0,98 1,60 12,00 Argila 01 60,00 0,86 16,56 6,78 0,81 3,30 3,02 1,10 6,45 Argila 02 58,83 0,47 21,60 4,37 3,60 2,53 2,21 1,10 5,64 Argila 03 50,60 1,50 33,40 1,50 0,20 0,10 0,40 0,10 12,20 Argila 04 78,40 1,20 13,50 0,70 0,20 0,20 1,70 0,70 4,10 Argila 05 47,60 0,90 33,10 1,00 0,20 0,30 1,70 0,10 15,10 Talco 01 46,30 9,50 1,90 0,70 32,00 8,80 Talco 02 60,20 0,50 0,75 1,60 29,50 7,20 Carbonato de calcio 0,22 0,20 0,02 55,20 43,30 Feldspato 01 64,80 18,40 16,90 Feldspato 02 66,30 19,80 0,16 2,43 3,65 7,80
12 Sequencia 1 Analise as composições químicas buscando ter um maior numero de informações sobre as matérias primas 2 Defina a composiçao desejada para o material a ser desenvolvido 3 Ajuste a composiçao das materias primas para composicao total de 100% (desconsiderando erros de medida da analise quimica 4 - Desprezar a perda ao fogo e reajustar a composiçao das materias primas para a composiçao total de 100% (desconsiderando a presença de volateis) 5 Desconsiderar os componentes minoritarios ou que não tem interesse, e reajustar a composiçao das materias primas para composiçao total de 100% ( reduzir o sistema a um sistema de 3 componentes 6 Representar a composiçao das materias primas em um diagrama ternario diagrama de gibbs 7 verificar se a composicao desejada e uma composiçao possivel 8 escolha as materias primas para a preparaçao da massa ceramica 9 determinar os teores de cada materia prima a ser utilizado 10 determinar a composiçao real da massa
13 Quanto melhor a qualidade da analise quimica melhor Valor Corrigido = Valor Real 100 Total (considerar duas casa) SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 46,80 0,10 37,40 0,80 0,10 0,20 1,70 0,10 12,80 100,00 Caulin 02 47,60 0,40 36,50 0,98 1,60 12,00 99,08 Argila 01 60,00 0,86 6,56 6,78 0,81 3,30 3,02 1,10 6,45 88,88 Argila 02 58,83 0,47 21,60 4,37 3,60 2,53 2,21 1,10 5,64 100,35 Argila 03 50,60 1,50 33,40 1,50 0,20 0,10 0,40 0,10 12,20 100,00 Argila 04 78,40 1,20 13,50 0,70 0,20 0,20 1,70 0,70 4,10 100,70 Argila 05 47,60 0,90 33,10 1,00 0,20 0,30 1,70 0,10 15,10 100,00 Talco 01 46,30 9,50 1,90 0,70 32,00 8,80 99,20 Talco 02 60,20 0,50 0,75 1,60 29,50 7,20 99,75 Carbonato 0,22 0,20 0,02 55,20 43,30 98,94 Feldspato 01 64,80 18,40 16,90 100,10 Feldspato 02 66,30 19,80 0,16 2,43 3,65 7,80 100,14
14 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 46,80 0,10 37,40 0,80 0,10 0,20 1,70 0,10 12,80 100,00 Caulin 02 48,04 0,40 36,84 0,99 0,00 0,00 1,61 0,00 12,11 100,00 Argila 01 67,51 0,97 7,38 7,63 0,91 3,71 3,40 1,24 7,26 100,00 Argila 02 58,62 0,47 21,52 4,35 3,59 2,52 2,20 1,10 5,62 100,00 Argila 03 50,60 1,50 33,40 1,50 0,20 0,10 0,40 0,10 12,20 100,00 Argila 04 77,86 1,19 13,41 0,70 0,20 0,20 1,69 0,70 4,07 100,00 Argila 05 47,60 0,90 33,10 1,00 0,20 0,30 1,70 0,10 15,10 100,00 Talco 01 46,67 0,00 9,58 1,92 0,71 32,26 0,00 0,00 8,87 100,00 Talco 02 60,35 0,00 0,50 0,75 1,60 29,57 0,00 0,00 7,22 100,00 Carbonato 0,22 0,00 0,20 0,02 55,79 0,00 0,00 0,00 43,76 100,00 Feldspato 01 64,74 0,00 18,38 0,00 0,00 0,00 0,00 16,88 0,00 100,00 Feldspato 02 66,21 0,00 19,77 0,16 2,43 0,00 3,64 7,79 0,00 100,00
15 Considerando que o material sera aquecido não existe erro Total = Total PF SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 46,80 0,10 37,40 0,80 0,10 0,20 1,70 0,10 12,80 100,00 Caulin 02 48,04 0,40 36,84 0,99 0,00 0,00 1,61 0,00 12,11 100,00 Argila 01 67,51 0,97 7,38 7,63 0,91 3,71 3,40 1,24 7,26 100,00 Argila 02 58,62 0,47 21,52 4,35 3,59 2,52 2,20 1,10 5,62 100,00 Argila 03 50,60 1,50 33,40 1,50 0,20 0,10 0,40 0,10 12,20 100,00 Argila 04 77,86 1,19 13,41 0,70 0,20 0,20 1,69 0,70 4,07 100,00 Argila 05 47,60 0,90 33,10 1,00 0,20 0,30 1,70 0,10 15,10 100,00 Talco 01 46,67 0,00 9,58 1,92 0,71 32,26 0,00 0,00 8,87 100,00 Talco 02 60,35 0,00 0,50 0,75 1,60 29,57 0,00 0,00 7,22 100,00 Carbonato 0,22 0,00 0,20 0,02 55,79 0,00 0,00 0,00 43,76 100,00 Feldspato 01 64,74 0,00 18,38 0,00 0,00 0,00 0,00 16,88 0,00 100,00 Feldspato 02 66,21 0,00 19,77 0,16 2,43 0,00 3,64 7,79 0,00 100,00
16 Considerando que o material sera aquecido não existe erro Valor Corrigido = Valor Real 100 Total SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 46,80 0,10 37,40 0,80 0,10 0,20 1,70 0,10 87,20 Caulin 02 48,49 0,41 37,18 1,00 0,00 0,00 1,63 0,00 87,89 Argila 01 75,95 1,09 8,30 8,58 1,03 4,18 3,82 1,39 92,74 Argila 02 58,42 0,47 21,45 4,34 3,57 2,51 2,19 1,09 94,38 Argila 03 50,60 1,50 33,40 1,50 0,20 0,10 0,40 0,10 87,80 Argila 04 77,31 1,18 13,31 0,69 0,20 0,20 1,68 0,69 95,93 Argila 05 47,60 0,90 33,10 1,00 0,20 0,30 1,70 0,10 84,90 Talco 01 47,05 0,00 9,65 1,93 0,71 32,52 0,00 0,00 91,13 Talco 02 60,50 0,00 0,50 0,75 1,61 29,65 0,00 0,00 92,78 Carbonato 0,22 0,00 0,20 0,02 56,39 0,00 0,00 0,00 56,24 Feldspato 01 64,67 0,00 18,36 0,00 0,00 0,00 0,00 16,87 100,00 Feldspato 02 66,11 0,00 19,74 0,16 2,42 0,00 3,64 7,78 100,00
17 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 53,67 0,11 42,89 0,92 0,11 0,23 1,95 0,11 100,00 Caulin 02 54,66 0,46 41,92 1,13 0,00 0,00 1,84 0,00 100,00 Argila 01 72,79 1,04 7,96 8,23 0,98 4,00 3,66 1,33 100,00 Argila 02 62,12 0,50 22,81 4,61 3,80 2,67 2,33 1,16 100,00 Argila 03 57,63 1,71 38,04 1,71 0,23 0,11 0,46 0,11 100,00 Argila 04 81,16 1,24 13,98 0,72 0,21 0,21 1,76 0,72 100,00 Argila 05 56,07 1,06 38,99 1,18 0,24 0,35 2,00 0,12 100,00 Talco 01 51,22 0,00 10,51 2,10 0,77 35,40 0,00 0,00 100,00 Talco 02 65,05 0,00 0,54 0,81 1,73 31,87 0,00 0,00 100,00 Carbonato 0,40 0,00 0,36 0,04 99,21 0,00 0,00 0,00 100,00 Feldspato 01 64,74 0,00 18,38 0,00 0,00 0,00 0,00 16,88 100,00 Feldspato 02 66,21 0,00 19,77 0,16 2,43 0,00 3,64 7,79 100,00
18 diopsita CaO.MgO.2SiO 2 ou CaMgSi 2 O 6 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 53,67 0,11 42,89 0,92 0,11 0,23 1,95 0,11 100,00 Caulin 02 54,66 0,46 41,92 1,13 0,00 0,00 1,84 0,00 100,00 Argila 01 72,79 1,04 7,96 8,23 0,98 4,00 3,66 1,33 100,00 Argila 02 62,12 0,50 22,81 4,61 3,80 2,67 2,33 1,16 100,00 Argila 03 57,63 1,71 38,04 1,71 0,23 0,11 0,46 0,11 100,00 Argila 04 81,16 1,24 13,98 0,72 0,21 0,21 1,76 0,72 100,00 Argila 05 56,07 1,06 38,99 1,18 0,24 0,35 2,00 0,12 100,00 Talco 01 51,22 0,00 10,51 2,10 0,77 35,40 0,00 0,00 100,00 Talco 02 65,05 0,00 0,54 0,81 1,73 31,87 0,00 0,00 100,00 Carbonato 0,40 0,00 0,36 0,04 99,21 0,00 0,00 0,00 100,00 Feldspato 01 64,74 0,00 18,38 0,00 0,00 0,00 0,00 16,88 100,00 Feldspato 02 66,21 0,00 19,77 0,16 2,43 0,00 3,64 7,79 100,00
19 Cordierita 2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 53,67 0,11 42,89 0,92 0,11 0,23 1,95 0,11 100,00 Caulin 02 54,66 0,46 41,92 1,13 0,00 0,00 1,84 0,00 100,00 Argila 01 72,79 1,04 7,96 8,23 0,98 4,00 3,66 1,33 100,00 Argila 02 62,12 0,50 22,81 4,61 3,80 2,67 2,33 1,16 100,00 Argila 03 57,63 1,71 38,04 1,71 0,23 0,11 0,46 0,11 100,00 Argila 04 81,16 1,24 13,98 0,72 0,21 0,21 1,76 0,72 100,00 Argila 05 56,07 1,06 38,99 1,18 0,24 0,35 2,00 0,12 100,00 Talco 01 51,22 0,00 10,51 2,10 0,77 35,40 0,00 0,00 100,00 Talco 02 65,05 0,00 0,54 0,81 1,73 31,87 0,00 0,00 100,00 Carbonato 0,40 0,00 0,36 0,04 99,21 0,00 0,00 0,00 100,00 Feldspato 01 64,74 0,00 18,38 0,00 0,00 0,00 0,00 16,88 100,00 Feldspato 02 66,21 0,00 19,77 0,16 2,43 0,00 3,64 7,79 100,00
20 diopsita CaO.MgO.2SiO 2 ou CaMgSi 2 O 6 Valor Corrigido = Valor Real 100 Total SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 53,67 0,11 0,23 54,01 Caulin 02 54,66 0,00 0,00 54,66 Argila 01 72,79 0,98 4,00 77,78 Argila 02 62,12 3,80 2,67 68,59 Argila 03 57,63 0,23 0,11 57,97 Argila 04 81,16 0,21 0,21 81,57 Argila 05 56,07 0,24 0,35 56,65 Talco 01 51,22 0,77 35,40 87,39 Talco 02 65,05 1,73 31,87 98,65 Carbonato 0,40 99,21 0,00 99,60 Feldspato 01 64,74 0,00 0,00 64,74 Feldspato 02 66,21 2,43 0,00 68,63
21 diopsita CaO.MgO.2SiO 2 ou CaMgSi 2 O 6 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 99,36 0,21 0,42 100,00 Caulin ,00 0,00 0,00 100,00 Argila 01 93,59 1,26 5,15 100,00 Argila 02 90,56 5,54 3,89 100,00 Argila 03 99,41 0,39 0,20 100,00 Argila 04 99,49 0,25 0,25 100,00 Argila 05 98,96 0,42 0,62 100,00 Talco 01 58,61 0,89 40,51 100,00 Talco 02 65,94 1,75 32,31 100,00 Carbonato 0,40 99,60 0,00 100,00 Feldspato ,00 0,00 0,00 100,00 Feldspato 02 96,46 3,54 0,00 100,00
22 Cordierita 2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 Valor Corrigido = Valor Real 100 Total SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 53,67 42,89 0,23 96,79 Caulin 02 54,66 41,92 0,00 96,58 Argila 01 72,79 7,96 4,00 84,75 Argila 02 62,12 22,81 2,67 87,59 Argila 03 57,63 38,04 0,11 95,79 Argila 04 81,16 13,98 0,21 95,34 Argila 05 56,07 38,99 0,35 95,41 Talco 01 51,22 10,51 35,40 97,12 Talco 02 65,05 0,54 31,87 97,46 Carbonato 0,40 0,36 0,00 0,75 Feldspato 01 64,74 18,38 0,00 83,12 Feldspato 02 66,21 19,77 0,00 85,98
23 Cordierita 2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 55,45 44,31 0,24 100,00 Caulin 02 56,60 43,40 0,00 100,00 Argila 01 85,89 9,39 4,72 100,00 Argila 02 70,91 26,04 3,05 100,00 Argila 03 60,17 39,71 0,12 100,00 Argila 04 85,12 14,66 0,22 100,00 Argila 05 58,77 40,86 0,37 100,00 Talco 01 52,73 10,82 36,45 100,00 Talco 02 66,74 0,55 32,71 100,00 Carbonato 52,38 47,62 0,00 100,00 Feldspato 01 77,88 22,12 0,00 100,00 Feldspato 02 77,00 23,00 0,00 100,00
24 Al 2 O 3 Triangulo de Gibbs MgO SiO
25 CaO Triangulo de Gibbs MgO SiO
26 Métodos de formulação base matérias Primas Silica Porcelana Translucida Piso Cerâmico Porcelana Elétrica Cerâmica de mesa Azulejo Porcelana dentária Feldspato Porcelana especial Argila
27 SiO 2 Atla Silica Cimento Portland Fireclay Refratários Silicato dicálcico Silicato tricálcico Vidrados Cimentos calcicos/aluminosos Fire brick Mulita Alta alumina Alumina CaO Al 2 O 3
28 Formulação Ceramica Base na composição química - Cálculo Objetivo : Cordierita 2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 Massa molar: Al 2 O 3 101,96 g/mol SiO 2 60,09 g/mol MgO 40,31 g;mol cordierita 584,99 g/mol Percentual massa: Al 2 O 3 34,85 % SiO 2 51,37 % MgO 13,78 %
29 Calculo Matemático SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PF Total Caulin 01 55,45 44,31 0,24 100,00 Caulin 02 56,60 43,40 0,00 100,00 Argila 01 85,89 9,39 4,72 100,00 Argila 02 70,91 26,04 3,05 100,00 Argila 03 60,17 39,71 0,12 100,00 Argila 04 85,12 14,66 0,22 100,00 Argila 05 58,77 40,86 0,37 100,00 Talco 01 52,73 10,82 36,45 100,00 Talco 02 66,74 0,55 32,71 100,00 Carbonato 52,38 47,62 0,00 100,00 Feldspato 01 77,88 22,12 0,00 100,00 Feldspato 02 77,00 23,00 0,00 100,00 Percentual massa: Al 2 O 3 34,85 % SiO 2 51,37 % MgO 13,78 % SiO2 Al2O3 MgO Total Argila 03 60,17 39,71 0,12 100,00 Talco 01 52,73 10,82 36,45 100,00 Feldspato 01 77,88 22,12 0,00 100,00 Cordierita 2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 Mg 2 Al 4 Si 5 O 18
30
31 SiO2 Al2O3 MgO Total Argila 03 60,17 39,71 0,12 100,00 Talco 01 52,73 10,82 36,45 100,00 Feldspato 01 77,88 22,12 0,00 100,00 Percentual massa: Al 2 O 3 34,85 % SiO 2 51,37 % MgO 13,78 % %SiO 2 = 60,17*α + 52,73*β + 77,88*γ = 51,37 %Al 2 O 3 = 39,71*α + 10,82*β + 22,12*γ = 34,85 %MgO = 0,12*α + 36,45*β + 00,00*γ = 13,78 60,17 52,73 77,88 a 51,37 39,71 10,82 22,12 X b 34,85 0,12 36,45 0,00 g 13,78
32 60,17 52,73 77,88 39,71 10,82 22,12 0,12 36,45 0,00 = det 51,37 52,73 77,88 34,85 10,82 22,12 13,78 36,45 0,00 60,17 51,37 77,88 39,71 34,85 22,12 0,12 13,78 0,00 = det (α) = det (β) %SiO 2 = det (α) det %Al 2 O 3 = det (β) det %MgO = det (γ) det 60,17 52,73 51,37 39,71 10,82 34,85 0,12 36,45 13,78 = det (γ)
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