Revestimentos Cerâmicos (Placas Cerâmicas) Prof. Dr. André Luiz Molisani Curso de Engenharia de Materiais FAENG e-mail: andre.molisani@fsa.br 2017
BIBLIOGRAFIA De Oliveira, A.P.N.; Hotza, D. Tecnologia de fabricação de revestimentos cerâmicos. Editora da Universidade Federal de Santa Catarina, 2011. Reed, J.S. Principles of ceramics processing. 2.ed. New York: John Wiley, c1995. 2
DEFINIÇÃO 3
Definição Revestimento Cerâmico (De oliveira & Hotza, 2011) Este segmento engloba todos aqueles produtos cerâmicos, na forma de placas, usados na construção civil para revestimento de pisos e paredes, de ambientes internos e externos. 4
CLASSIFICAÇÃO 5
Classificação Produto Grupo de absorção de água Absorção de água (AA, %) Módulo de resistência à flexão (MPa) (De oliveira & Hotza, 2011) Classificação dos revestimentos cerâmicos (placas prensadas), segundo absorção de água e resistência à ruptura por flexão conforme norma NBR 13817. Carga de ruptura (N) para espessura 7,5 mm Porcelanato BIa 0 a 0,5 35 1300 Grés BIb 0,5 a 3 30 1100 Semigrés BIIa 3 a 6 22 1000 Semiporoso BIIb 6 a 10 18 800 Poroso BIII > 10 15 600 ABNT NBR 13817:1997 Placas cerâmicas para revestimento: especificação e métodos de ensaios 6
Classificação Grupo Classificação Quanto a Resistência à Abrasão Resistência/Abrasão 0 Produtos exclusivos para revestimento de paredes. 1 (PEI1) 2 (PEI2) 3 (PEI3) 4 (PEI4) 5 (PEI5) Produto recomendado para ambientes residenciais onde se caminha com chinelos ou pés descalços. Ex.: banheiros e dormitórios residenciais sem portas para o exterior. Produto recomendado para ambientes residenciais onde se caminha com sapatos. Ex.: todas as dependências residenciais, com exceção das cozinhas e entradas. Produto recomendado para ambientes residenciais onde se caminha com alguma quantidade de sujeira abrasiva que não seja areia e outros materiais de dureza maior que areia. Ex.: todas as dependências residenciais. Produto recomendado para ambientes residenciais (todas as dependências) e comerciais com alto tráfego. Ex.: restaurantes, churrascarias, lojas, bancos, entradas, caminhos preferenciais, vendas e exposições abertas ao público. Produto recomendado para ambientes residenciais e comerciais com tráfego muito elevado. Ex.: restaurantes, churrascarias, lanchonetes, lojas, bancos, entradas, corredores, exposições abertas ao público e consultório. PEI vem das iniciais de Porcelain Enamel Institute, laboratório criador do método de ensaio que indica um índice de resistência ao desgaste superficial em placas cerâmicas esmaltadas para revestimento (expostas a uma carga abrasiva a um determinado número de giros), tentando simular o trânsito de pessoas. 7
Classificação Classificação Quanto a Resistência à Abrasão PEI vem das iniciais de Porcelain Enamel Institute, laboratório criador do método de ensaio que indica um índice de resistência ao desgaste superficial em placas cerâmicas esmaltadas para revestimento (expostas a uma carga abrasiva a um determinado número de giros), tentando simular o trânsito de pessoas. 8
PREPARAÇÃO DA MASSA CERÂMICA 9
Preparação da Massa Cerâmica Processamento via úmida Armazenamento em galpão fechado Extração da jazida Beneficiamento Desintegração de torrões Sazonamento moinhos de bolas Armazenamento em galpão fechado Atomizador Conformação (prensagem) Moagem a úmido (moinho de bolas) Granulação (atomização spray drier) Armazenamento em silo do pó granulado 10
Preparação da Massa Cerâmica Atomização (Spray Dryer) Atomizador Centrífugo (Reed, 1995) A Suspensão é bombeada para o pico de aspersão e, então, é pulverizada no interior de uma câmera aquecida por fluxo de ar quente. As gotas de suspensão são secas durante sua trajetória pela câmara aquecida, o que leva à formação de grânulos esféricos com tamanhos da ordem de 100 m. Atomizador de bico Grânulo ideal Morfologia tendendo a forma esférica e com alta densidade. 11
Preparação da Massa Cerâmica Atomizado Atomizado Granulação manual Grânulo ideal Esférico de alta densidade Grânulo defeituoso Forma de rosquinha (Donut shape) Grânulo morfologia irregular 12
PROCESSAMENTO CERÂMICO 13
Processamento Cerâmico Processo via úmida Silo de Armazenamento (pó granulado) MONOQUEIMA Ilustração do Processo de Monoqueima Engobe, Esmaltação e Decoração 14
Processamento Cerâmico Secador Prensa Hidráulica Esmaltação por véu campana Após secagem, as placas cerâmicas são conduzidas para a linha de esmaltação, podendo passar por diversas etapas de acabamento (p. ex. sopro com ar, escovação, lixamento e rebarbação). A esmaltação consiste na aplicação, por meio de cortina (véu campana) ou pulverização, de uma camada fina de engobe e, sucessivamente, uma ou mais camadas do esmalte, para se obter a vitrificação e os efeitos de qualidade e de acabamento do revestimento cerâmico. 15
Processamento Cerâmico Máquina Serigráfica Após aplicação do esmalte, o revestimento cerâmico segue para a etapa de decoração, onde são usadas máquinas serigráficas rotativas ou máquinas flexográficas. Efeitos de textura e rugosidade são obtidos com aplicação de granilha, que é um material vítreo de diferentes granulometrias. Esses processos decorativos fornecem diversos efeitos à superfície dos revestimentos cerâmicos, só que tais efeitos são completamente distinguidos após a queima (sinterização). 16
Processamento Cerâmico Ciclo de sinterização monoqueima (ver figura): (De oliveira & Hotza, 2011) Região A-B: pré-aquecimento e dissociação dos materiais argilosos (até 800ºC). Região B-C: decomposição de carbonatos com emissão de gás CO 2 (800-900ºC). Região C-D: início das reações dos óxidos alcalinos (CaO e MgO) com residuais de fases amorfas (900-1100ºC). Região D-E: completa-se o processo de sinterização e fusão total do esmalte. Região E-F: resfriamento rápido das peças cerâmicas (até cerca de 600ºC). Forno contínuo para monoqueima Curva típica de sinterização para revestimentos cerâmicos (processo de monoqueima). 17
Processamento Cerâmico Curvas típicas de sinterização para revestimentos cerâmicos (processo de biqueima rápida). (De oliveira & Hotza, 2011) Curva 1: queima apenas do substrato cerâmico (formação do biscoito). Curva 2: queima do biscoito com aplicação de esmalte (obtenção do revestimento cerâmico). 18
MATÉRIAS-PRIMAS: SUBSTRATO CERÂMICO POROSO 19
(De oliveira & Hotza, 2011) Matérias-Primas: Substrato Cerâmico Poroso Composições químicas típicas de massas para monoqueima e biquema rápida. % em massa As composições 1 (queima branca) e 2 (queima vermelha) referem-se as massas de monoqueima, e as composições 3 (queima branca) e 4 (queima vermelha) as massas de biquema rápida. 20
MATÉRIAS-PRIMAS: SUBSTRATO CERÂMICO GRESIFICADO 21
Matérias-Primas: Substrato Cerâmico Gresificados (De oliveira & Hotza, 2011) 22
Matérias-Primas: Substrato Cerâmico Gresificados (De oliveira & Hotza, 2011) Os ciclos de queima variam de 30 a 45 minutos em temperaturas de 1100 a 1200ºC; A curva em linha tracejada é usada para queima de massa branca, enquanto a curva em linha contínua é usada para queima de massa avermelhada. A curva para massa avermelhada é mais lenta por causa da presença de matéria orgânica na massa cerâmica. Utilizar elevadas taxas de aquecimento não permite a decomposição e eliminação dessa matéria orgânica, a qual fica retida no interior da peça formação de coração negro. 23
Matérias-Primas: Substrato Cerâmico Gresificados (De oliveira & Hotza, 2011) A formação de coração negro é decorrente da presença, em grande quantidade, de matéria orgânica na matéria-prima usada na fabricação do revestimento cerâmico com massa avermelhada. 24
PROCESSO DE ESMALTACÃO 25
Definições Engobe É uma cobertura aplicada no corpo cerâmico à verde (cru) ou queimado, sendo constituída por uma mistura de argilas, caulins, materiais não plásticos como quartzo, feldspatos, sienitas, fritas fundentes, etc e algumas vezes corantes cerâmicos. Esmalte (ou vidrado) É uma cobertura que pode ser ou não aplicada sobre o engobe, sendo constituída por uma mistura de matérias-primas naturais e compostos vítreos. Imagem de MEV da seção transversal de uma placa de revestimento cerâmico. 2. M. Cabral, Jr.; A. Boschi; A.L.B. Ferreira; J.M. Coelho. A indústria de colorifícios no Brasil: situação atual e perspectivas futuras. Cerâmica Industrial, v.15, nº 1, 2010, p. 13. 3. S. Pracidelli. Estudo dos esmaltes cerâmicos e engobes. Cerâmica Industrial, v.13, nº 1-2, 2008, p. 08. 26
CARACTERÍSTICAS DO ENGOBE 27
Características do Engobe Os engobes são usados para: Eliminar imperfeições na superfície da peça cerâmica, aumentando a homogeneidade da mesma para receber a camada de esmalte; Mudar a cor do corpo cerâmico; Isolar a camada de esmalte do corpo cerâmico, a fim de eliminar as reações de decomposição que o esmalte fundido provoca nos componentes da massa cerâmica; Proporcionar um efeito estético de maior alcance; Melhorar a impermeabilização da peça cerâmica após a queima. 3. S. Pracidelli. Estudo dos esmaltes cerâmicos e engobes. Cerâmica Industrial, v.13, nº 1-2, 2008, p. 08. 28
Características do Engobe Sienita nefelina: silicato de alumínio com teores significativos de Na e K, além da presença de Ca, Mg e Fe. 3. S. Pracidelli. Estudo dos esmaltes cerâmicos e engobes. Cerâmica Industrial, v.13, nº 1-2, 2008, p. 08. 29
CARACTERÍSTICAS DO ESMALTE 30
Características dos Esmaltes Exemplos de matérias-primas usadas na fabricação de esmaltes. E. Sánches. Matérias-primas para a fabricação de fritas e esmaltes cerâmicos. Cerâmica Industrial, v.2, nº 3-4, 1997, p. 32. 31
Características dos Esmaltes As composições dos esmaltes são inúmeras e sua formulação depende das características do corpo cerâmico, das características finais do esmalte e da temperatura de sinterização (queima). Os esmaltes são obtidos a partir de diferentes matérias-primas, que podem ser classificadas de acordo com os tipos de materiais e suas respectivas funções, tais como: Formadores de vidro: SiO 2, B 2 O 3. Opacificantes: TiO 2, ZrO 2, CeO 2, SnO 2, CaO e MgO. Brilho e matização: depende da cristalização produzida na superfície, quantidades elevadas de CaO, MgO, BaO, ZnO e TiO 2. Resistência à abrasão: ZrO 2 e ZrSiO 4. Resistência química: aos ácidos: Os óxidos TiO 2, ZrO 2 e SnO 2 aumentam a resistência. A substituição de Na 2 O por K 2 O e K 2 O por Li 2 O, bem como a substituição de alcalinos e PbO por ZnO, CaO, MgO, SrO e BaO. aos álcalis: ZrO 2 e teores elevados de Al 2 O 3. 3. S. Pracidelli. Estudo dos esmaltes cerâmicos e engobes. Cerâmica Industrial, v.13, nº 1-2, 2008, p. 08. 32
Características dos Esmaltes Matérias-primas usadas como corantes Exemplos Vanádio (V 2 O 5 e NH 4 VO 3 ) usado na produção de pigmentos de cor amarela e azul. Cromo (Cr 2 O 3, cromato de zinco e dicromato de ferro ou de potássio): usado na produção de pigmentos de cor verde, rosa, marrom, preto e vermelho. Manganês (MnO 2 e MnCO 3 ): usado na produção de pigmentos de cor marrom, violeta e preto. 3. S. Pracidelli. Estudo dos esmaltes cerâmicos e engobes. Cerâmica Industrial, v.13, nº 1-2, 2008, p. 08. 33
Características dos Esmaltes Matérias-primas usadas como corantes Exemplos Cobalto (CoO e CoCO 3 ) usado na produção de pigmentos de cor azul e preta. Níquel (NiO, Ni 2 O 3 e NiCO 3.Ni(OH) 2 ): usado na produção de pigmentos de cor verde, preto e cinza. Ferro (Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 e Fe(OH) 3 ): usado na produção de pigmentos de diversas cores (cinza, amarelo, verde, marrom, rosa e tons avermelhados), pois a coloração dos compostos à base de ferro variam em função do tipo de atmosfera (oxidante ou redutora). 3. S. Pracidelli. Estudo dos esmaltes cerâmicos e engobes. Cerâmica Industrial, v.13, nº 1-2, 2008, p. 08. 34
TIPOS DE ESMALTES 1. Esmalte Cru 2. Esmalte de Frita 35
Características dos Esmaltes 1. Esmalte Cru (Anuário da ABC, 2002) É uma mistura de matérias-primas com granulometria muito fina, sendo aplicada na forma de suspensão na superfície da peça cerâmica à verde ou préqueimada. Durante a queima, a mistura se funde e adere ao corpo cerâmico, adquirindo o aspecto vítreo durante o resfriamento. Esse tipo de vidrado é usado em peças cerâmicas que são queimadas acima de 1200ºC, como louças sanitárias e peças de porcelana. 36
Tipos de Esmaltes 2. Esmalte de Frita (Anuário da ABC, 2002) Esse esmalte difere do esmalte cru porque apresenta em sua constituição um componente denominado frita. Frita pode ser definida como um composto vítreo, insolúvel em água, que é obtido por fusão e posterior resfriamento brusco de misturas controladas de matérias-primas. Os esmaltes contendo frita são usados em produtos cerâmicos que são queimados abaixo de 1200ºC. 37
Tipos de Esmaltes Ilustração esquemática do processo de fabricação de fritas As plantas industriais são compostas, basicamente, de três segmentos: equipamentos de armazenamento e mistura de matérias-primas minerais, o setor de fusão (fornos com queima de gás natural enriquecido com oxigênio), e estrutura de resfriamento e secagem. 2. M. Cabral, Jr.; A. Boschi; A.L.B. Ferreira; J.M. Coelho. A indústria de colorifícios no Brasil: situação atual e perspectivas futuras. Cerâmica Industrial, v.15, nº 1, 2010, p. 13. 38
Tipos de Esmaltes 39
PORCELANATOS 40
Definição (De oliveira & Hotza, 2011) Os grés porcelanatos, ou simplesmente porcelanato, é um revestimento cerâmico, em geral não esmaltado, muito denso, obtido por sinterização convencional e tendo porosidade expressa, como absorção de água, geralmente inferior a 0,3%. O porcelanato é um produto de qualidade superior em relação ao tradicional grés, em consequência da utilização de matériasprimas cuidadosamente selecionadas e procedimentos de processamento acuradamente controlados. 41
CLASSIFICAÇÃO 42
Classificação (De oliveira & Hotza, 2011) Os porcelanatos brasileiros apresentam porosidade não superior a 0,1%, sendo estes valores de porosidade inferiores àquelas previstas nas normas europeias e americanas (EN 14411 e ASTM/ANSIA 137-1, respectivamente). A norma ABNT NBR 15463 define o produto porcelanato de acordo com a absorção de água: Porcelanato técnico (absorção de água 0,10%). Porcelanato esmaltado (absorção de água 0,50%). 43
Classificação (De oliveira & Hotza, 2011) Classificação resumida das tipologias comerciais usadas atualmente para enquadrar os novos produtos de porcelanato: TINTE UNITE: são produtos considerados mais simples com predomínio de tons pastel. São obtidos a partir de pós atomizados, sendo o acabamento superficial da placa cerâmica realizado frequentemente por polimento. 44
Classificação (De oliveira & Hotza, 2011) Classificação resumida das tipologias comerciais usadas atualmente para enquadrar os novos produtos de porcelanato: GRANITI: são obtidos da mistura de pós atomizados de várias cores, que dão origem ao efeito comumente chamado de sal e pimenta. 45
Classificação Classificação resumida das tipologias comerciais usadas atualmente para enquadrar os novos produtos de porcelanato: (De oliveira & Hotza, 2011) VERIEGATI: são produtos feitos com mistura de pós coloridos (atomizados e em alguns casos micronizados, obtidos por desagregação dos grânulos atomizados) que, através de sistemas adequados de alimentação das prensas, são distribuídos com certo grau de aleatoriedade, dando origem a efeitos de esfumatura e relevo. MACROGRANITI: são obtidos pela mistura de pós atomizados com percentuais de 10 a 15% de grânulos de grandes dimensões (1-8 mm), obtidos por regranulação a seco ou a úmido de pós atomizados ou micronizados, os quais podem ser monocromáticos ou apresentar uma seção contendo diversas tonalidades. Este procedimento oferece um efeito que reproduz o aspecto de algumas pedras naturais. 46
Classificação Classificação resumida das tipologias comerciais usadas atualmente para enquadrar os novos produtos de porcelanato: PRODUTOS OBTIDOS PELA DECORAÇÃO COM SAIS SOLÚVEIS OU ESMALTES: são obtidos por aplicação serigráfica ou por gotejamento de esmaltes ou sais solúveis sobre massas cerâmicas brancas cruas ou pré-queimadas (biscoito ). RÚSTICOS ESTRUTURADOS ESMALTADOS: são obtidos da massa base ou de recuperação, prensados com estampos estruturados e valorizados com detalhes (relevos), sujeitos às aplicações serigráficas de base, gramatura de esmaltes ou sais solúveis e, eventualmente escovados. 47
MATÉRIAS-PRIMAS 48
Matériaprima Matérias-Primas Composição química (% em massa) (De oliveira & Hotza, 2011) SiO 2 Al 2 O 3 K 2 O Na 2 O TiO 2 Fe 2 O 3 CaO MgO P.F.* Caulim 49 36 0,5 0,4 0,2 0,3 0,3 0,2 12 Argila plástica Tabela 5.5 Composição química de matérias-primas empregadas na fabricação de porcelanato. 64 25 1,5 0,6 0,3 0,4 0,6 0,5 7 Feldspato 70 19 1,2 7 0,3 0,3 0,2 0,2 0,5 Quartzo 98 0,8-0,2-0,3 0,1 0,2 0,2 Talco 51 8 0,2-0,3 0,6 0,3 30 7 *P.F. Perda ao fogo. 49
Matérias-Primas (De oliveira & Hotza, 2011) Composição química típica de porcelanato para ciclo rápido de queima (temperatura de sinterização entre 1200 a 1230ºC e ciclo de 50 a 70 minutos). Composição química (% em massa) Caulim (12-18%) Argila plástica (27-32%) Feldspato (42-48%) Quartzo (5-10%) Talco (0-3%) 50
(De oliveira & Hotza, 2011) Matérias-Primas A produção de porcelanatos decorados com sais solúveis necessitam de substratos cerâmicos muito brancos, visando realçar a intensidade e a tonalidade cromática. O índice de alvura do substrato cerâmico pode ser aumentado pela adição de silicato de zircônio, alumina e óxido de zinco. Estas matérias-primas apresentam características de refratariedade e, geralmente, são introduzidas na formulação das massas cerâmicas como substitutos parciais do quartzo. Óxidos Massas cerâmicas (% em massa) 1 2 3 4 SiO 2 67 71 68 64 Al 2 O 3 21 18 18 21 K 2 O 1,7 1,8 1,4 2,9 Na 2 O 4,5 4,0 3,5 3,9 CaO+MgO 0,8 0,9 0,7 0,7 Fe 2 O 3 +TiO 2 0,8 0,9 0,6 1,0 ZrO 2 - - 4,4 3,1 Perda ao fogo 4,2 3,4 3,4 3,4 Composição química típica de massas cerâmicas industriais: formulações 1 e 2 (massa base para porcelanato) e formulações 3 e 4 (massa superbranca para porcelanato). 51
PROCESSAMENTO CERÂMICO 52
Matérias-primas (De oliveira & Hotza, 2011) Dosagem Pigmentos Moagem a úmido Aditivos Regranulação atomização Prensagem Micronização Secagem Esmaltação Queima sinterização Queima sinterização Produto final Polimento 53
FIM 54