1. Introdução

Neste trabalho explicaremos como ocorre a fabricação e as propriedades de dois materiais muito utilizados na indústria e no nosso dia-a-dia, vidro e cerâmicas vermelhas, conhecido como tijolo, veremos o amplo trabalho realizado para chegar a forma final, pronta para o uso doméstico ou industrial.

Em ciência dos materiais o vidro é uma substância sólida e amorfa que apresenta temperatura de transição vítrea. No dia a dia o termo se refere a um material cerâmico transparente geralmente obtido com o resfriamento de uma massa líquida à base de sílica.

Em sua forma pura, o vidro é um óxido metálico super esfriado transparente, de elevada dureza, essencialmente inerte e biologicamente inativo, que pode ser fabricado com superfícies muito lisas e impermeáveis. Estas propriedades desejáveis conduzem a um grande número de aplicações. No entanto, o vidro geralmente é frágil, quebra-se com facilidade. O vidro comum se obtém por fusão em torno de 1.250 ºC de dióxido de silício, (Si O 2), carbonato de sódio (Na2C O 3) e carbonato de cálcio (Ca C O 3).

Toda produção de vidro resume-se essencialmente a reunir materiais básicos baratos com pequenas quantidades de aditivos, convertendo-os a um produto extremamente refinado. A maior parte do custo desse produto final está na instalação necessária.

O objetivo primordial de um fabricante de vidro plano é atuar como fornecedor bem sucedido para distribuidores, produzindo usualmente carregamentos de 20 toneladas por caminhão de vidro em séries de tamanhos padrão. As divisões semanais quanto à produção estão relacionadas com esse objetivo e avaliadas face ao estoque no depósito do fabricante. Em relação a esse aspecto, é significativo que a maior fatia dos recursos do orçamento de pesquisa de um fabricante destine-se ao aperfeiçoamento e otimização do processo primário básico, em vez de dirigir-se à ampliação de tecnologia e de novos produtos.

O tijolo é um dos produtos classificados como cerâmica vermelha, geralmente forjado em forma de paralelepípedo e amplamente usado na construção civil, artesanal ou industrial. É um dos principais materiais de construção. O tijolo tradicional é fabricado normalmente em olarias com argila e de cor avermelhada devido ao cozimento e pode ser maciço ou furado. Atualmente, por motivos ecológicos, está se voltando a atenção para o adobe e bloco de terra comprimida, por não precisarem de cozimento e poder ser feitas no local.

Olarias e cerâmicas vermelhas são ramos produtivos da indústria da construção civil, cuja atividade principal é a fabricação de tijolos e telhas. A matéria prima utilizada é a argila extraída do fundo de rios, córregos e várzeas, que geralmente ficam próximos das fábricas.

Cerâmicas vermelhas produzem blocos cerâmicos, tijolos baianos, blocos para vedação, lajes, telhas etc. A argila utilizada deve ser tratada para eliminar as impurezas e baixar o teor de sulfato de ferro que naturalmente consta na terra, as olarias são responsáveis pela produção de tijolos comuns, vasos, jardineiras, moringas de água etc. Nesses produtos não há necessidade de tratar a argila.

Os vestígios mais antigos de fabricação de tijolos foram encontrados em Jericó e datam de 7.000 e 6.395 antes de Cristo. Por volta do ano de 1.200 a.C., a fabricação de tijolos generalizou-se na Europa e na Ásia. Com a Revolução Industrial na segunda metade do século XVIII, começou a produção de tijolos em larga escala. As pequenas olarias diminuíram drasticamente e surgiram as grandes fábricas, com fornos enormes e a produção de tijolos tornou-se mais rápida.

2. Desenvolvimento2.1. Vidros

Os vidros são um grupo familiar de materiais cerâmicos; recipientes, janelas, lentes e a fibra de vidro representam aplicações típicas desse grupo. Conforme mencionado anteriormente, os vidros consistem em silicatos não-cristalinos que também contêm outros óxidos, notavelmente CaO,Na2O, K2O, e Al2O3, os quais influenciam as suas propriedades. Um vidro de acl de soda típico consiste em aproximadamente 70%p de SiO2, sendo o restante composto principalmente pro Na2O(soda) e CaO(cal). Possivelmente, as duas principais características desses materiais são a sua transparência ótica e a relativa facilidade com a qual eles podem ser fabricados.

2.1.1. Propriedades dos vidros

Os materiais vítreos, ou não-cristalinos, não se solidificam do mesmo modo que os materiais cristalinos. Mediante o resfriamento, com a diminuição da temperatura, um vidro se torna continuamente mais viscoso; não existe uma temperatura definida na qual o líquido se transforma em sólido, como ocorre com os materiais cristalinos. De fato, uma das distinções entre os materiais cristalinos e não-cristalinos está na dependência do volume específico (ou volume pro unidade de massa, o que é o inverso da densidade) em relação á temperatura. No caso dos materiais cristalinos, existe uma diminuição descontínua no volume quando se atinge a temperatura de fusão. Entretanto, no caso dos materiais vítreos, o volume diminui continuamente em função de uma redução na temperatura; ocorre uma pequena diminuição na inclinação da curva no que é conhecido por temperatura de transição vítrea, ou temperatura fictícia. Abaixo dessa temperatura, o material é considerado como sendo um vidro; acima dessa temperatura, o material é primeiro um líquido super-resfriado, e finalmente um líquido.

Também importante para as operações de conformação do vidro são as características viscosidade-temperatura apresentadas por esses materiais. A Fig.1 plota o logaritmo da viscosidade em função da temperatura para vidros de sílica fundida, vidros de alto teor de sílica, vidro borossilicato e vidros de cal de soda. Sobre a escala de viscosidade estão identificados vários pontos específicos que são importantes na fabricação e no processamento dos vidros:

Figura 1. Logaritmo da viscosidade em função da temperatura para vidros de sílica fundida e vários vidros a base de sílica

1. O ponto de fusão corresponde à temperatura na qual a viscosidade é de 10 Pa-s (100P); o vidro é fluido o suficiente para ser considerado um líquido.

2. O ponto de operação representa a temperatura na qual a viscosidade é de 103 Pa-s (104 P); o vidro é facilmente deformado nessa viscosidade.

3. O ponto de amolecimento, a temperatura na qual a viscosidade é de 4 X 106 Pa-s (4 X 107P), é a temperatura máxima na qual uma peça de vidro pode ser manuseada sem causar alterações dimensionais significativas.

4. O ponto de recozimento é a temperatura na qual a viscosidade é de 1012 Pa-s (1013 P). Nessa temperatura, a difusão atômica é suficientemente rápida, tal que quaisquer tensões residuais podem ser removidas dentro de um intervalo de aproximadamente 15 min.

5. O ponto de deformação corresponde à temperatura na qual a viscosidade se toma 3 X 1013 Pa-s (3 X 1014 P). Para temperaturas abaixo do ponto de deformação, a fratura irá ocorres antes do surgimento da deformação plástica. A temperatura de transição vítrea será superior à temperatura do ponto de deformação.

2.1.2. Stress Térmico

O Stress Térmico é criado quando uma área de uma placa de vidro fica mais

quente que uma área adjacente. Se o stress for muito grande o vidro trincará.

O nível de stress no qual o vidro quebra é regido por diversos fatores. O vidro

temperado é muito flexível e não tende a falhar devido ao stress térmico.

O vidro laminado e o vidro recozido comportam-se de forma semelhante.

Os vidros mais grossos são menos tolerantes. O vidro que contém fios é mais

vulnerável. A qualidade da borda do vidro pode interferir. Vidro com bordas

danificadas aceitará menos tensão do que o vidro com um corte total.

Uma boa borda de corte é o melhor acabamento juntamente com bordas

totalmente lapidadas. Bordas brutas e bordas elevadas podem não ser tão

boas. Uma borda bruta ou elevada é uma série de pequenos defeitos em torno

do vidro. O efeito disto é colocar todos os defeitos em um nível médio e pode

apenas, no melhor caso, ser previsível do que o vidro esteja com mais danos

aleatórios.

A diferença de temperatura de um local pode ser calculada e a quebra devido a

motivos térmicos eliminada. Para avaliar o risco térmico precisamos saber as

seguintes informações:

- Localização do edifício

- Orientação

- Tipo de vidro usado incluindo detalhes de unidades de vidro de isolamento

- Tamanho do edifício e peças que se projetam se houver

- Tamanho da barra vertical da janela e coberturas de viga se houver

- Detalhes de qualquer persiana/ripa interna ou externa

- Detalhes de qualquer reforço, ex. onde um painel compensa um nível de um

piso ou do teto atrás do vidro que ar quente fique preso e retorne ao vidro.

- O material da estrutura incluindo barreiras térmicas e cor da estrutura.

- O tamanho da janela e se ela se abre. Ex. muda o ângulo com relação ao sol.

- Detalhes dos sistemas de aquecimento interno.

- Quaisquer outros detalhes como outros edifícios ou árvores que fazem

sombra sobre o vidro.

Durante o ano o sol muda sua trajetória no céu. Se o vidro em uma construção

estiver sujeito à tensão térmica extrema espera-se que haja problemas no

primeiro ano de uso. Os períodos mais desafiadores são primavera e outono

quando os ângulos do sol são baixos e as noites são frias. Em meados do

verão as bordas do vidro serão mais quentes de qualquer forma e a trajetória

do sol é mais diretamente alta colocando menos aquecimento direto no vidro.

O vidro com controle solar pode refletir energia ou absorvê-la para novamente

irradiar o calor para fora. Pela sua natureza ele fica mais quente que o vidro

incolor e que o vidro que é projetado para eficiência térmica. Recomendamos

sempre uma verificação de segurança térmica no vidro de controle solar e

construções com vidro grosso incluindo vidro resistente ao Fogo.

Em muitos casos onde há a suspeita de quebra térmica as características da

construção mudaram de alguma forma. Escolas têm uma tendência a colar

pôsteres com os trabalhos das crianças no vidro. Escritórios podem agregar

persianas onde elas não haviam sido previstas ou colocar filmes para controle

solar ou resistência à bala foram agregados após o projeto. A maioria das

instalações de vidro estão bem dentro da tolerância de operação mas em

alguns casos o as mudanças inesperadas podem colocar tensão além dos

limites.

2.1.3. Recozimento

Quando um material cerâmico é resfriado a partir de uma temperatura elevada, tensões internas, conhecidas por tensões térmicas, podem ser introduzidas como o resultado da diferença na taxa de resfriamento e na contração térmica entre as regiões da superfície e do interior da peça. Essas tensões térmicas são importantes nas cerâmicas frágeis, especialmente nos vidros, uma vez que elas podem enfraquecer o material ou, em casos extremos, levar à fratura, um fenômeno conhecido por choque térmico. Normalmente. São feitas tentativas para evitar as tensões térmicas, o que pode ser conseguido pelo resfriamento da peça a uma taxa suficientemente lenta. Uma vez que tais tensões tenham sido introduzidas, no entanto, é possível a eliminação, ou pelo menos uma redução na sua magnitude, através de um tratamento térmico de recozimento, onde a peça de vidro é aquecida até o ponto de recozimento e então lentamente resfriada até a temperatura ambiente.

2.1.4. Tempera do vidro

A resistência de uma peça de vidro pode ser melhorada pela indução intencional de tensões residuais de superfície de natureza compressiva. Isso pode ser atingido através de um procedimento de tratamento térmico conhecido pro tempera térmica. Com essa técnica a peça de vidro é aquecida até uam temperatura acima da região de transição vítrea, porém abaixo do ponto de amolecimento. Ela é então resfriada até a temperatura ambiente em

meio a um jato de ar ou, em alguns casos, em meio a um banho de óleo. As tensões residuais surgem de diferenças nas taxas de resfriamento para as regiões da superfície e do interior da peça. No início, a superfície resfria mais rapidamente e, uma vez que ela tenha se resfriado até uma temperatura abaixo do ponto de deformação, torna-se rígida. Nesse momento, o interior, que se resfriou mais lentamente, encontra-se a uma temperatura mais elevada (acima do ponto de deformação), e portanto ainda em condição plástica. Com a continuação do resfriamento, o interior tenta se contrair em maior grau do que o agora rígido exterior irá permitir. Dessa forma, o interior tende a contrair o exterior ou impor tensões radiais voltadas para dentro. Como conseqüência, após a peça de vidro ter-se resfriado até a temperatura ambiente, ela mantém tensões compressivas sobre a superfície, com tensões de tração nas regiões interiores. A distribuição das tensões à temperatura ambiente ao longo da seção reta de uma chapa de vidro está representada esquematicamente na Fig. 2.

Figura 2. Distribuição das tensões residuais à temperatura ambiente ao longo da seção reta de uma lâmina de vidro

temperado.

A falta de materiais cerâmicos quase sempre resulta de uma trinca que é iniciada na superfície pela aplicação de uma tensão de tração. Para causar a fratura de uma peça de vidro temperado, a magnitude de uma tensão de tração aplicada extremamente deve ser grande o suficiente para, em primeiro lugar, superar a tensão residual de superfície de natureza compressiva e, além disso, para tensionar a superfície em tração o suficiente para dar início a uma trinca, a qual poderá então se propagar. No caso de um vidro que não foi submetido a tempera, uma trinca será introduzida a um nível mais baixo de tensão extrema e, consequentemente, a resistência à fratura será menor.

O vidro temperado é usado para aplicações onde é importante uma alta resistência; entre essas aplicações então incluídas portas grandes, pára-brisas de automóveis e lentes de óculos.

2.1.5. A industria e a produção de vidro

Toda produção de vidro resume-se essencialmente a reunir materiais básicos baratos com pequenas quantidades de aditivos, convertendo-os a um produto extremamente refinado. A maior parte do custo desse produto final está na instalação necessária.

O objetivo primordial de um fabricante de vidro plano é atuar como fornecedor bem sucedido para distribuidores, produzindo usualmente carregamentos de 20 toneladas / caminhão de vidro em séries de tamanhos padrões. As divisões semanais quanto à produção estão relacionadas com esse objetivo e avaliadas face ao estoque no depósito do fabricante. Em relação a esse aspecto, é significativo que a maior fatia dos recursos do orçamento de pesquisa de um fabricante destine-se ao aperfeiçoamento e otimização do processo primário básico, em vez de dirigir-se à ampliação de tecnologia e de novos produtos.

Somente compreendendo a natureza e o custo da fabricação, é possível explorar o potencial da tecnologia.

2.1.5.1. Indústria Primária

O vidro plano usado em edificações é fabricado em 1 ou 2 estágios: da indústria primária, na qual o produto básico plano ou produto principal é fabricado e da indústria secundária na qual o produto primário é apurado e adicionado a outro. A vantagem de usar uma técnica secundária é evitar correções de custo alto à indústria primária.

A indústria primária resume-se em geral, a três operações básicas: Fusão, modelagem e resfriamento ( têmpera)

2.1.5.2. Fusão

A fusão consiste em aquecer os constituintes até uma temperatura entre 1.600 - 1.800°C, na qual eles se tornam fluidos e podem ser moldados.

2.1.5.3. Moldagem

É um processo durante o qual o vidro gradualmente esfria e endurece beneficiando-se da característica do material para endurecer, indo do estado líquido a uma consistência semelhante à do melado enquanto sua temperatura cai de 1.600°C a 800°C.

2.1.5.4. Resfriamento (Têmpera)

É o crítico terceiro processo. Resfria-se por igual o vidro sob condições muito controladas, de 600°C a 100°C. O termo Têmpera propriamente dito refere-se

a um processo de aquecimento e resfriamento graduais. Na indústria do vidro, o termo é usualmente aplicado ao processo final de resfriamento controlado, assegurando certas propriedades essenciais ao vidro como por exemplo, sua propriedade de ser cortado reto.

2.1.5.5. O processo de Flutuação

O processo de flutuação, representa uma das importantes contribuições para a indústria do vidro. Na fabricação, apropria-se de uma das principais características do processo de prensagem com cilindros (a colocação do material horizontalmente) e integra-o ao princípio do fluxo contínuo em um passo radical.

O processo de flutuação opera sobre o princípio de que o vidro, a 110°C, ajuda a manter fundido o estanho no qual flutua: o estanho tem seu ponto de fusão a 232°C, um dos mais baixos de todos os metais, e um ponto de fervura a 2720°C. Vidro fundido derramado sobre estanho deverá, portanto, tendo peso específico mais baixo, flutuar nele, afundando-o cerca de 6mm. Nessas três propriedades - pontos de fusão, peso específico e tensão de superfície (que controla a profundidade da imersão) residem a características notáveis do processo de flutuação.

2.1.5.6. O tanque de fusão

Tem 60m de comprimento, 12m de largura e 1,5m de profundidade e suporta 2.100 toneladas de vidro. Os enormes tanques modernos suportam até 5.000 toneladas. O tanque assenta-se sobre uma câmara de ventilação de 15m de profundidade construída em alvenaria ventilada. A câmara é a fonte de ar usada para fornecer oxigênio para a fornalha regenerativa sobre a qual se assenta o tanque. A fornalha é, em geral, aquecida a óleo (com facilidades para substituição por gás), e opera de ambos os lados com uma substituição a cada 20 minutos. Enquanto um lado está ardendo, os gases gerados são eliminados pelo outro lado através dos dutos subjacentes. A câmara atua como um cano de chaminé, e regenerador do calor.

A alimentação da linha com a mistura se faz a partir do recipiente provisório de recepção em direção a um cocho basculante que corre sobre um trilho suspenso na frente da fornalha. Uma vez cheio, o cocho cruza a boca da fornalha, e o composto, inclina-se por meio de um rolete resfriando a água, e cai dentro da fornalha junto com o vidro reciclado partido (cullet) que vem da outra extremidade da linha.

A fornalha aquece o composto entre 1500°C a 1600°C, o vidro flui para o tanque e resfria até 1100°C, sendo o resfriamento final por ar frio soprado sobre o vidro fundido. O nível do vidro fundido é automaticamente controlado até mais ou menos 5mm.

Na extremidade do tanque, a massa derretida a 1100°C passa através de um refinador, no qual os gases dispersos são eliminados e ela é despejada através de canal sobre o estanho.

2.1.5.7. Resfriamento (têmpera)

Esse processo resfria o vidro sob condições muito controladas para produzir um material com propriedades corretas, particularmente adequadas ao corte. O  resfriamento (têmpera), ou câmara de resfriamento (de aproximadamente 100 metros de comprimento), consiste principalmente de uma caixa fechada dentro da qual o vidro passa sobre roletes, e a temperatura de qualquer largura de vidro é controlada; isso envolve aquecer as bordas em certos pontos enquanto o centro está sendo resfriado. No momento em que o vidro aparece, sua temperatura cai para 100°C, sendo em seguida resfriado sob tubos de ventilação com furos com centros a cada 75 a 100mm, usando ar ambiente.

2.1.5.8. Verificação automática e corte.

À medida que o vidro emerge do lehr, passa através de um ponto de controle no qual é iluminado de cima por uma lâmpada de vapor de mercúrio refletida num espelho. O espelho reflete uma luz regular para baixo através do vidro sobre uma superfície branca perfeita sob os roletes. A câmara de TV posicionada sob o vidro transmite uma gravação contínua de imperfeições no vidro. Todas as imperfeições observadas são registradas no computador e o setor concernente é cortado e descartado durante o processo de corte subseqüente.

O corte automático transversal, diagonal e linear é realizado em resposta a ordens contidas nos computadores. Os lotes de vidro são apanhados e empilhados aos lados da linha para estocamento. Quinze tamanhos padrão são

2.1.5.9. Produção

O Processo de flutuação depende da produção contínua de uma tira de vidro que deve ser estocada. Um objetivo padrão de produção é fabricar cargas de 20 toneladas por caminhão empilhado em tamanhos de estoque para satisfazer a demanda. Como um procedimento padrão, se costuma cortar o material em comprimento de 6m para estocagem.

2.1.5.10. Moldagem

O vidro fundido é derramado como uma tira de cerca de 1400 mm de largura em direção aos cilindros principais. Os cilindros, com aproximadamente 240mm de diâmetro, são removíveis e produzem num padrão repetido na superfície do vidro, cujo comprimento é igual à circunferência do cilindro, ou a um fração dele (cerca de 750mm). A série de moldes (padrões) estocados requer troca freqüente de cilindros em resposta às necessidades de reestocagem e a máquina é desenhada para permitir que a troca dos cilindros (para limpeza ou mudança de desenho) seja realizada por uma equipe de mais ou menos 10 pessoas em 30 minutos. Isso requer que o fluxo de vidro seja barrado com conseqüente perda de produção.

2.1.5.11. Refrescamento, Corte e Estocagem

Esses processos são geralmente os mesmos dos descritos em relação ao processo de flutuação, embora, quase sempre, com menos automação.

 

2.1.5.12. Endurecimento pelo calor da têmpera

A produção de um vidro seguro tem sido um objetivo dos fabricantes por mais de um século, mas foi só por volta de 1870 que a técnica foi dominada. Envolvia aquecer intensamente vidro e esfriá-lo em óleo. Em 1928, os franceses desenvolveram o SECURIT; o método de produção consistia na suspensão do vidro em uma fornalha elétrica, seguida de rápido resfriamento realizado soprando ar frio em ambos os lados. Esse método ainda é usado mas tem a desvantagem de deixar marcas das tenazes gravadas na superfície do vidro, por onde ficou preso suspenso verticalmente durante o processo.

Durante os 10 últimos anos, o processo vertical foi substituído pelo horizontal onde as demandas do mercado justificassem o alto investimento de capital necessário. Produz-se um vidro de melhor qualidade, livre das marcas das tenazes, da sua distonação e esticamento; sendo ainda plano suficiente para polimento duplo ou laminação. O processo horizontal é descrito a seguir.

Criar a resistência no vidro, por qualquer que seja o processo, requer cinco passos: moldagem e trabalho, lavagem, aquecimento, resfriamento, imersão em calor.

2.1.5.13. Moldar e trabalhar

As tensões construídas no endurecimento tornam o trabalho com o vidro impossível após este processo. Por essa razão, o desgaste das bordas e polimentos, a formação de orifícios e cortes de qualquer tipo, devem ser realizados antes da têmpera. O impacto mais significativo que isso tem na prática normal é que todo vidro temperado deve ser cortado e processado segundo os pedidos para satisfazer a linha de montagem para a qual é planejado. Isto coloca demandas especiais no tempo de obtenção e viabilidade.

2.1.5.14. Lavagem

A lavagem é essencial para assegurar que o vidro que entra na fornalha esteja perfeitamente limpo.

2.1.5.15. Aquecimento

A essência do processo de têmpera é realizar o aquecimento cuidadosamente controlado antes do resfriamento. A fornalha é uma câmara de 80m de comprimento aquecida até a temperatura de 625°C. O vidro é conduzido através dela sobre cilindros de cerca de 50mm de diâmetro e a intervalos de 150mm, e alcança a temperatura da fornalha de maneira gradual e controlada. A principal dificuldade é a de conseguir manter a temperatura regularmente

controlada em toda a área. Em fornalhas modernas as chapas de vidro são oscilantes permitindo que o equipamento seja menor.

2.1.5.16. Resfriamento

O vidro deixa a fornalha e vai para o equipamento de resfriamento. Esse compreende jatos sobre ou sob o vidro, soprando ar à temperatura ambiente sobre a sua superfície. Quanto mais alto é o grau de resistência requerido, mais depressa sopra-se o ar.

2.1.5.17. Imersão em Calor

Após a têmpera, o vidro é imerso em calor a 290°C por várias horas, para testar a qualidade de homogeneidade do material e, particularmente, para testar a presença de sulfeto de níquel que levam o vidro a despedaçar-se.

2.1.5.18. Produtos

O uso de fornalhas com "piso rolante" permite que vidros espessos e tingidos possam ser aquecidos sem a marca das tenazes. As larguras disponíveis dependem da largura planejada para o equipamento e o forno corrente típico na Europa pode produzir vidro de 4 metros de comprimento por 2100mm de largura. Os padrões de segurança requeridos são em geral definidos pelo número de partículas produzidas despedaçando o vidro num simples golpe, de modo padrão, e contando os cacos numa área de 100mm quadrados. O maior tamanho de vidro temperado disponível varia de fabricante para fabricante, com as dimensões máximas disponíveis de até 2,4m e 5m.

2.1.5.19. Arqueamento ou Curvatura

O arqueamento é uma das técnicas secundárias mais antigas, e é característica, por exemplo, da arquitetura do Período da Regência inglesa no início do século XIX.

O arqueamento repousa no aquecimento controlado do vidro até o ponto em que se torna maleável e relaxa para ser colocado num molde, seguido de resfriamento e endurecimento. Três métodos são correntemente usados: moldagem ( ou arqueamento), arqueamento preso e tenazes e arqueamento na fornalha com "esteira rolante".

No processo comum de moldagem, moldes de aço brando de espessura de mais ou menos 3mm são batidos em painel até a curvatura desejada, testando-a com toras ou mastros. O molde é pulverizado com gesso seco em pó até uma espessura de 1 a 1,5mm para proteger o vidro da superfície de metal. O molde é então colocado sobre um leito de tijolos numa carretilha, e o vidro plano, cortado exatamente na correta medida da circunferência, é colocado sobre ele. O leito é então movido para uma estufa, aquecida a uma temperatura entre 600 a 700ºC. O processo de aquecimento, arqueamento e resfriamento leva cerca de quatro horas.

O tamanho máximo de uma peça arqueada é somente afetada pela disponibilidade do próprio vidro plano e o tamanho da estufa, o que por sua vez depende da demanda. Uma estufa típica para vidro para arquitetura tem um pouco mais que 2m de largura por 1,2m de altura e 3m ou mais de comprimento.

No arqueamento com ajuda de tenazes, o vidro é mergulhado na fornalha e aquecido, depois é levantado e comprimido na forma antes de ser resfriado.

O método da esteira rolante molda o vidro enquanto ele está sendo levado lentamente, dessa forma produzindo os maiores tamanhos possíveis.

A facilidade do arqueamento depende da espessura do vidro e 10mm é a maior espessura de vidro comumente arqueada. O menor raio possível é de mais ou menos 150mm, dependendo da espessura do vidro.

Arqueamentos temperados podem ser realizados mas não estão em geral disponíveis em tamanhos maiores do que aqueles usados em pára-brisas de ônibus.

A laminação é possível, usando limadeira de resina ou uma camada de butiral polivinílico (PVB). Num processo típico de limadura com resina as duas chapas de vidro a serem laminados são arqueadas juntas com um espaçador flexível da espessura correta. Depois do arqueamento e do resfriamento, espaçadores de borda de fita adesiva são usados para criar a correta profundidade da cavidade, a resina é derramada dentro e é então curada numa "caixa de luz ultravioleta" ou simplesmente durante um tempo extra. O método de moldagem pode ser usado para fazer vidro laminado PVB, permitindo que duas chapas finas caiam juntas no molde, uma em cima da outra como é usado para pára-brisas de automóveis. Esse processo é adequado para produção em larga escala (do mesmo tamanho e raio) e não é , em geral, usada em arquitetura.

2.1.5.20. Laminação

O principal vidro de segurança depois do temperado é o laminado, que pode também ter uma variedade de outras aplicações. A larga escala do mercado de vidro laminado é bem recente; foi consolidada no Reino Unido, depois da publicação dos novos Padrões de Segurança Britânicos em 1982. O princípio da laminação é a aglutinação de duas ou mais chapas de vidro com uma camada intercalada. Há em voga duas técnicas de fabricação disponíveis.

Na laminação com resina, folhas de vidro são unidas com um espaço entre elas, formado por uma fita adesiva de dupla-face colocada em seu perímetro. Uma quantidade calculada de resina líquida, correspondente ao volume dado de ar, é derramada na cavidade. Quando todo o ar tiver sido deslocado a borda aberta é selada e o produto laminado guardado horizontalmente, enquanto a resina cura para formar a camada intercalada rígida. Esse processo tem a vantagem de permitir que uma cavidade de dimensões flutuantes (tal como é produzida com vidro moldado ou feito a mão) seja preenchida.

O método mais usual e tecnicamente mais importante, necessita do uso de uma lâmina plástica intercalada (em geral PVB). A propriedade do PVB essencialmente mais útil é que, sob calor e pressão, se converte de material translúcido em um adesivo muito forte e claro.

Sete estágios básicos fazem parte do processo usual:

- corte automático

- lavagem

- acomodação

- pré-aquecimento

- passagem por autoclave

- acabamento

2.1.5.21. Lavagem

O vidro é então lavado com água desmineralizada.

2.1.5.22. Acomodação

Esse processo manual simples é realizado numa área fechada na qual a umidade e temperatura são cuidadosamente controladas: as qualidades técnicas e de vapor do PVB são críticas quanto ao seu uso.

O problema é que o PVB é higroscópico e por isso, fica ligeiramente pegajoso às temperaturas ambientes. Os produtos europeus e americanos são enviados em caminhões refrigerados para manter o material abaixo de mais ou menos 10ºC e seco. Uma vez enviado, o material tem que ser mantido à mesma temperatura até o momento de uso. Alguns produtos japoneses são pulverizados para manter as superfícies enroladas separadas mas isso demanda lavagem, e certos produtos são mais difíceis de pré-aquecer no processo de laminação.

Os rolos de PVB de 300 - 400m de comprimento são mantidos numa sala fresca adjacente. As espessuras mais usadas são as de 0,38mm; 0,76mm e 1,52mm. O produto de 0,38mm é usado para o vidro grosso comum, laminado, de 6,4mm, combinado com duas folhas de 3mm produzidas pelo processo de flutuação. Depois de removido para a sala de laminação, o material leitoso opalescente é desenrolado e cortado no tamanho exigido.

2.1.5.23. Pré-Aquecimento

Após a acomodação manual do vidro e do PVB, o produto laminado é retirado da sala e passa em roletes através de uma prensa de reaquecimento. A temperatura é mantida a cerca de 200ºC, e a ação secadora remove o ar,

aquece o material e dá adesão ao produto permitindo que seja erguido como uma unidade laminada. Nesse estágio o material é transparente, mas não limpo.

2.1.5.24. Imersão em Autoclave

As folhas laminadas pré-aquecidas são então retiradas e colocadas numa autoclave aquecida eletricamente. As folhas empilhadas são aquecidas de 145ºC a 150ºC a pressão de 152lb por polegada quadrada. "Cozinhá-las" leva quatro horas com um aquecimento mais alto de 90 minutos, terminando com um resfriamento até a temperatura de 45ºC, na qual a pressão do ar é relaxada. A passagem pela autoclave transforma o PVB opaco em um adesivo claro e a pressão remove todo o ar. Durante esta passagem pela autoclave pedaços de 300mm2 são também cozidos para teste.

2.1.5.25. Acabamento

Em seguida à passagem pela autoclave, o produto laminado é limpo e empilhado para ser enviado.

2.1.5.26. Produtos

A produção normal de vidro laminado PVB de 6,4mm pode representar até três quartos da produção total de um fabricante. Entretanto, há muitos produtos laminados diferentes. A laminação é um processo de grande importância nas indústrias de aviação e veículos, onde pouco peso, alta resistência e segurança são essenciais. Está adquirindo importância crescente na construção. A habilidade para produzir um produto transparente, laminado a temperaturas relativamente baixas, oferece grande versatilidade: um só produto com muitas propriedades. Os fabricantes se declaram vivamente interessados em discutir novos produtos, que são facilmente desenvolvidos numa indústria essencialmente artesanal. Com as preocupações sempre crescentes com segurança e confiabilidade, tais discussões são importantes para o futuro.

2.2. Tijolo

Uma das matérias-primas cerâmicas mais amplamente utilizadas é a argila. Esse ingrediente muito barato, encontrado naturalmente e em grande abundância, é usado freqüentemente na forma como é extraído, sem qualquer melhoria na sua qualidade. Uma outra razão para a sua popularidade reside na facilidade com que os produtos à base de argila podem ser conformados; quando misturados nas proporções corretas, a argila e a água formam uma massa plástica que é muito suscetível a modelagem. A peça modelada é secada para remover parte da umidade, após o que ela é cozida a uma temperatura elevada para melhorar a sua resistência mecânica.

A maioria dos produtos à base de argila se enquadra dentro de duas classificações abrangentes: os produtos estruturais à base de argila e as louças brancas. Os produtos estruturais à base de argila incluem os tijolos de construção, os azulejos e as tubulações de esgoto, ou seja, aplicações onde a

integridade estrutural é importante. Os materiais cerâmicos que incluem as louças brancas se tornam brancos após um cozimento a uma temperatura elevada. Estão incluídos nesse grupo porcelanas, louças de barro, louças para mesa, louça vitrificada e acessórios para encanamento (louças sanitárias). Além da argila, muitos desses produtos contêm também ingredientes não-plásticos que influenciam tanto as alterações que ocorrem durante os processos de secagem e cozimento como as características da peça acabada.

2.2.1. Características das argilas

Os minerais argilosos desempenham dois papéis muito importantes nos corpos cerâmicos. Em primeiro lugar, quando água é adicionada, eles se tomam muito plásticos, uma condição conhecida por hidroplasticidade. Essa propriedade é muito importante durante as operações de conformação, como será discutido abaixo.Além disso, a argila se funde ou se derrete ao longo de uma faixa de temperaturas; dessa forma, uma peça cerâmica densa e resistente pode ser produzida durante o cozimento sem que ocorra a sua fusão completa, de forma tal que a sua forma desejada seja mantida. Essa faixa de temperaturas de fusão, obviamente, depende da composição da argila.

As argilas são aluminossilicatos, sendo compostas por alumina (Al2O3) e sílica (SiO2), as quais contêm água quimicamente ligada. Elas possuem uma ampla faixa de características físicas, composições químicas e estruturas; dentre as impurezas presentes mais comuns estão incluídos compostos (geralmente óxidos) à base de bário, cálcio, sódio, potássio e ferro, e também alguns materiais orgânicos. As estruturas cristalinas para os minerais à base de argila são relativamente complicadas; entretanto, uma característica que prevalece é uma estrutura em camadas. Os minerais argilosos mais comuns que são de interesse possuem o que é conhecido por estrutura da caolinita. A argila caolinita [Al2(Si205)(0H)4] possui a estrutura cristalina mostrada na Fig. 3 Quando água é adicionada, as moléculas de água se posicionam entre essas lâminas em camadas e formam uma película fina ao redor das partículas de argila. As partículas ficam, dessa forma, livres para se moverem umas sobre as outras, o que é responsável pela plasticidade resultante da mistura água-argila.

Figura 3. Estrutura da argila caolonita

2.2.2. Composições dos produtos à base de argila

Além da argila, muitos desses produtos (em particular as louças brancas) também contêm alguns ingredientes não-plásticos; os minerais não-argilosos incluem o sílex, ou quartzo finamente moído, e um fundente, tal como o feldspato. O quartzo é usado principalmente como um material de enchimento, ou carga, sendo barato, relativamente duro e quimicamente não-reativo. Ele experimenta pouca alteração durante o tratamento térmico a alta temperatura, pois possui elevada temperatura de fusão; quando fundido, no entanto, o quartzo apresenta a habilidade para formar um vidro.

Quando misturado com a argila, um fundente forma um vidro que possui um ponto de fusão relativamente baixo. Os feldspatos são alguns dos agentes fundentes mais comuns; eles compõem um grupo de materiais à base de aluminossilicatos que contém os íons K+, Na+ e Ca2+.

Como seria de se esperar, as alterações que ocorrem durante os processos de secagem e cozimento, e também as características da peça acabada, são influenciadas pelas proporções desses três constituintes, quais sejam: argila, quartzo e fundente. Uma porcelana típica pode conter aproximadamente 50% de argila, 25% de quartzo e 25% de feldspato.

2.2.3. Técnicas de fabricação

As matérias-primas no estado em que são extraídas geralmente têm que ser submetidas a uma operação de moagem ou trituração, onde os tamanhos das partículas são reduzidos; isso é seguido por um peneiramento ou uma classificação por granulometria que produz um produto pulverizado que possui uma faixa desejada de tamanho de partículas. Para sistemas

multicomponentes, os materiais pulverizados devem ser completamente misturados com água e, talvez, outros ingredientes, para dar as características de escoamento que são compatíveis com a técnica particular de conformação empregada. A peça conformada deve possuir uma resistência mecânica suficiente para permanecer intacta durante as operações de transporte, secagem e cozimento. Duas técnicas usuais de modelagem são utilizadas para a conformação de composições à base de argila: conformação hidroplástica e fundição por suspensão.

2.2.4. Conformação hidroplástica

Como mencionado acima, os minerais à base de argila, quando misturados com água, se tornam altamente plásticos e flexíveis, e podem ser moldados sem que ocorram trincas; entretanto, eles possuem limites de escoamento extremamente baixos. A consistência (razão água-argila) da massa hidroplástica deve dar um limite de escoamento suficiente para permitir que uma peça conformada mantenha a sua forma durante o manuseio e a secagem. A técnica de conformação hidroplástica mais comum é a extrusão, onde uma massa cerâmica plástica rígida é forçada através de um orifício de uma matriz que possui a geometria de seção reta desejada; ela é semelhante à extrusão de metais. Tijolos, tubos, blocos cerâmicos e azulejos são todos geralmente fabricados utilizando uma técnica de conformação hidroplástica. Normalmente, a cerâmica plástica é forçada através de uma matriz por meio de uma rosca sem fim acionada por um motor, e o ar é freqüentemente removido em uma câmara a vácuo, para melhorar a densidade da peça. As colunas ocas no interior da peça extrudada (por exemplo, no tijolo de construção) são formadas pela introdução de inserções colocadas dentro do molde.

2.2.5. Fundição por suspensãoOutro processo de modelação usado para composições à base de argila é a fundição por suspensão. Uma "suspensão" consiste em uma suspensão de argila e/ou outros materiais não-plásticos em água. Quando derramada dentro de um molde poroso (feito em geral de gesso-de-paris), a água da suspensão é absorvida no interior do molde, deixando para trás uma camada sólida sobrea parede do molde, cuja espessura irá depender do tempo. Esse processo pode ser continuado até que a totalidade da cavidade do molde se torne sólida (fundição sólida), como está demonstrado na Fig. 4a. Ou ele pode ser interrompido quando a casca sólida atingir a espessura desejada, pela inversão do molde e o derramamento do excesso de suspensão; isso é conhecido porfundição com dreno (Fig. 4/?). Na medida em que a peça fundida seca e se contrai em volume, ela se separa (ou se libera) da parede do molde; nesse momento, o molde pode ser desmontado e a peça fundida pode ser removida.

Figura 4. As etapas de uma fundição por suspensão (a) sólida e (b) com dreno utilizando uma fôrma de gesso.

A natureza da suspensão é extremamente importante; ela precisa possuir uma gravidade específica alta, e ainda assim precisa ser muito fluida e derramável. Essas características dependem da razão sólido-água, bem como de outros agentes que são adicionados. Uma taxa de fundição satisfatória é uma exigência essencial. Além disso, a peça fundida precisa estar isenta de bolhase apresentar uma baixa contração de volume ao se secar, além de uma resistência relativamente alta.

As propriedades do molde também influenciam a qualidade da fundição. Normalmente, o gesso-de-paris, que é econômico, relativamente fácil de ser fabricado em formas intrincadas e reutilizável, é usado como material de molde. A maioria dos moldes é composta por peças múltiplas, que devem ser montadas antes da fundição. Ainda, a porosidade do molde pode ser variada para se controlar a taxa de fundição. As formas cerâmicas consideravelmente complexas que podem ser produzidas através de uma fundição por suspensão incluem louças sanitárias, objetos de arte e peças de laboratórios científicos, tais como tubos cerâmicos.

2.2.6. Secagem e cozimento

Uma peça cerâmica que tenha sido conformada hidroplasticamente ou através de uma fundição por suspensão retém uma porosidade significativa e também possui uma resistência que é insuficiente para a maioria das aplicações práticas. Além do mais, ela pode conter ainda algum líquido (por exemplo, água), que foi adicionado para auxiliar na operação de conformação. Esse líquido é removido em um processo de secagem; a densidade e a resistência são melhoradas como resultado de um tratamento térmico a alta temperatura ou de um procedimento de cozimento. Um corpo que tenha sido conformado e que esteja seco, mas que não tenha sido cozido, é conhecido por cru. As

técnicas de secagem e cozimento são críticas no sentido de que defeitos que ordinariamente tornam a peça imprestável (por exemplo, empenamento, distorção e trincas) podem ser introduzidos durante a operação. Esses defeitos resultam normalmente de tensões que são estabelecidas por uma contração de volume não-uniforme.

2.2.6.1. Secagem

Na medida em que um corpo cerâmico à base de argila seca, ele também experimenta alguma contração de volume. Nos estágios iniciais do processo de secagem, as partículas de argila estão virtualmente envolvidas e separadas umas das outras por uma fina película de água. Com o progresso da secagem e a remoção da água, a separação interpartículas diminui, o que é manifestadona forma de uma contração de volume (Fig. 5). Durante a secagem, torna-se crítico controlar a taxa de remoção da água. A secagem nas regiões internas de um corpo é realizada através da difusão das moléculas de água para a superfície, onde ocorre a evaporação. Se a taxa de evaporação for maior do que a taxa de difusão, a superfície irá secar (e, como conseqüência, irá contraírem volume) mais rapidamente do que o interior, com uma grande probabilidade de formação dos defeitos anteriormente mencionados. A taxa de evaporação da superfície deve ser diminuída para, no máximo, a taxa de difusão da água; a taxa de evaporação pode ser controlada pela temperatura, pela umidade e pela taxa de escoamento do ar.

Figura 5. Vários estágios na remoção da água existente entre partículas de argila durante um processo de secagem. (a) Corpo molhado. (b) Corpo parcialmente seco. (c) Corpo completamente seco.

Outros fatores também influenciam a contração de volume. Um desses fatores é a espessura do corpo; uma contração de volume não-uniforme e a formação de defeitos são mais pronunciadas em peças mais grossas do que em peças mais finas. O teor de água no corpo conformado também é crítico: quanto maior o teor de água, mais intensa é a contração de volume. Conseqüentemente, o teor de água é mantido normalmente tão baixo quanto possível. O tamanho das partículas de argila também possui influência; a contração de volume é aumentada na medida em que o tamanho das partículas é diminuído. Para minimizar a contração de volume, o tamanho das partículas pode ser aumentado, ou materiais não-plásticos que possuam partículas relativamente grandes podem ser adicionados à argila.

A energia de microondas também pode ser usada para secar peças cerâmicas. Uma vantagem dessa técnica é que as altas temperaturas usadas nos métodos convencionais são evitadas; as temperaturas de secagem podem ser mantidas abaixo de 50°C (12O°F). isso é importante, uma vez que a temperatura de

secagem de alguns materiais sensíveis a temperaturas elevadas deve ser mantida tão baixa quanto possível.

2.2.6.2. Cozimento

Após a secagem, um corpo é geralmente cozido a uma temperatura entre 900 e 1400°C (1650 e 2550°F); a temperatura de cozimento depende da composição e das propriedades desejadas para apeça acabada. Durante a operação de cozimento, a densidade é novamente aumentada (com uma conseqüente diminuição na porosidade) e a resistência mecânica é melhorada.

Quando materiais à base de argila são aquecidos a temperaturas elevadas, ocorrem algumas reações consideravelmente complexas. Uma dessas reações é a vitrificação, a formação gradual de um vidro líquido que flui para dentro e preenche parte do volume dos poros. O grau de vitrificação depende da temperatura e do tempo de cozimento, bem como da composição do corpo. A temperatura na qual a fase líquida se forma é reduzida pela adição de agentes fundentes, como o feldspato. Essa fase fluida escoa ao redor das partículas não fundidas que permanecem no meio e preenche os poros, como resultado de forças de tensão superficial (ou ação capilar); uma contração de volume também acompanha esse processo. Com o resfriamento, essa fase fundida forma uma matriz vítrea que resulta em um corpo denso e resistente. Dessa forma, a microestrutura final consiste em uma fase vitrificada, quaisquer partículas de quartzo que não reagiram e alguma porosidade. A Fig. 6 mostra uma micrografia eletrônica de varredura de uma porcelana cozida onde esses elementos microestruturais podem ser vistos.

Figura 6. Micrografia eletrônica de varredura de uma amostra de porcelana cozida (atacada quimicamente durante 15 s, a 5ºC, com HF 10%) onde podem ser vistas as seguintes características: grãos de quartzo (grandes partículas

escuras) envolvidos por escuras bordas de solução vítrea; regiões de feldspato parcialmente dissolvido (pequenas áreas sem características distintas); agulhas de mulita; e poros (buracos escuros com regiões de borda branca). Além

disso, podem ser observadas trincas dentro das partículas de quartzo, as quais foram formadas durante o resfriamento, como resultado da diferença na contração de volume entre a matriz vítrea e o quartzo. Ampliação em 1500X.

O grau de vitrificação, obviamente, controla as propriedades à temperatura ambiente da peça cerâmica; resistência, durabilidade e densidade são melhoradas à medida que a vitrificação aumenta. A temperatura de cozimento determina a extensão de acordo com a qual ocorre a vitrificação; isto é, a vitrificação aumenta em função de um aumento na temperatura de cozimento. Os tijolos de construção são cozidos normalmente a uma temperatura de

aproximadamente 900°C (1650°F), e são relativamente porosos. Por outro lado, o cozimento de uma porcelana altamente vitrificada, que está no limiar de ser oticamente translúcida, ocorre a temperaturas muito mais altas. Uma vitrificação completa deve ser evitada durante o cozimento, uma vez que o corpo se toma muito mole e irá eventualmente colapsar.

3. Conclusão

Vimos neste trabalho todas as propriedades dos materiais vítreos e cerâmicos, como ponto de fusão, ponto de recozimento, ponto de stress etc., também foi possível estudas as suas composições químicas, do que é feito esses materiais.

Estudamos também todo o processo de fabricação dos vidros e das cerâmicas, como se comportam esses materiais ao sofrerem algum tipo de trabalho mecânico e o porquê da grande utilização desses dois compostos, devido as suas exclusivas propriedades mecânicas, químicas, elétricas, magnéticas e óticas, bem como as combinações de suas propriedades. Podendo haver um estudo maior para conseguir um avanço na tecnologia utilizada no processamento desse tipo de material, tornando-os mais viáveis em relação ao custo do processo.

4. Referências Bibliográficas

Junior, Willian D. Callister. Ciência e engenharia de materiais – uma introdução, 5ª Ed., Editora LTC.

Gomes, Marcos H. Pereira. Manual de prevenção de acidentes de trabalho em Olarias e cerâmicas vermelhas, Pirasicaba/Sp, 2010.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A2mica_vermelha

http://pt.wikipedia.org/wiki/Vidro

http://pt.wikipedia.org/wiki/Tijolo

http://www.usp.br/fau/deptecnologia/docs/bancovidros/prodvidro.htm

Sumário1. Introdução2. Desenvolvimento2.1. Vidros

2.1.1. Propriedades dos vidros 2.1.2. Stress térmico 2.1.3. Recozimento 2.1.4. Têmpera do vidro 2.1.5. A indústria e a produção de vidro 2.1.5.1. Indústria primária 2.1.5.2. Fusão 2.1.5.3. Moldagem 2.1.5.4.Resfriamento (têmpera) 2.1.5.5. Verificação automática e corte 2.1.5.6. Produção 2.1.5.7. Moldagem 2.1.5.8.Refrescamento, corte e estocagem 2.1.5.9.Endurecimento pelo calor da têmpera 2.1.5.10. Moldar e trabalhar 2.1.5.11. Lavagem 2.1.5.12. Aquecimento 2.1.5.13. Resfriamento 2.1.5.14. Imersão em calor 2.1.5.15. Produtos 2.1.5.16. Arqueamento ou curvatura 2.1.5.17. Laminação 2.1.5.18. Lavagem 2.1.5.19. Acomodação 2.1.5.20. Pré-aquecimento 2.1.5.21. Imersão em autoclave 2.1.5.22. Acabamento 2.1.5.23. Produtos 2.2. Tijolo 2.2.1. Características das argilas 2.2.2. Composições dos produtos à base de argila 2.2.3. Técnicas de fabricação 2.2.4. Conformação hidroplástica 2.2.5. Fundição por suspensão 2.2.6. Secagem e cozimento 2.2.6.1. Secagem 2.2.6.2. Cozimento 3. Conclusão 4. Referências Bibliográficas

ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

Disciplina: Materiais para engenharia química

Propriedades e processo de fabricação dos vidros e tijolos

Turma: EQM_T01 Prof. (a). Dra. Adalena Kennedy

Aluno: Kaleu Marinho GouvêaNota

Manaus, AM

2012