Espodumeno e sua utilização em cerâmica: uma visão geral

O spodumene é um mineral com um papel importante a desempenhar na cerâmica moderna: a adição de resistência ao choque térmico e à expansão - tornando-se para uma vida cerâmica mais longa.

Introdução

O spodumene é um mineral do tipo piroxeno com a fórmula química LiAl (SiO₃)₂. É usado principalmente como uma fonte de metal de lítio, que é isolado primeiro por assar o espodumeno e, em seguida, por lixiviação em ácido. É preferível a outros métodos devido à maior quantidade de lítio que pode ser extraída. Noutras áreas, o espodumene encontra usos em cerâmica, como agente fluxing e na medicina. Em casa, o spodumene encontrou uso popular e generalizado como a fase cristalina do material de vidro-cerâmica 'Pyroceram' de Corning Glass para cozinhar. Possuindo alta tolerância térmica e baixa expansão a altas temperaturas, o material era incrivelmente popular a partir do final dos anos 50. O espodumene, especificamente a fase β-espodumeno, é responsável por estas propriedades impressionantes. A maior parte do espodumeno natural existe como a estrutura cristalina α-espodumene, com a variante β mais forte alcançada através do aquecimento. A República Democrática do Congo tem as maiores reservas comprovadas de espodumene.

Utilizações em Cerâmica

No "Pyroceram" de Corning, o vidro-cerâmica parecia ser um branco leitoso de cor; permitindo que uma quantidade moderada de luz passe; translúcido. A
cerâmica
à base de spodumene encontrou a sua popularidade devido às propriedades que carregam, resistência chefly ao choque térmico, tolerância a altas temperaturas e uma resistência à expansão térmica. Além disso, a cerâmica de espodumene é geralmente considerada pela sua força e durabilidade. Em termos de processos de fabrico, o spodumene sintersse bem.

Resistência ao choque térmico

Resistência ao choque térmico refere-se à capacidade de um material não deformar ou romper a uma mudança súbita e/ou dramática de temperatura. Devido ao seu excelente desempenho térmico por si só, β-espodumene é frequentemente incluído em outras cerâmicas para ajudar na adição de valiosas propriedades resistentes a choques. Por exemplo, a adição de 15 wt% β-espodumeno à alumina demonstrou produzir cerâmica com uma elevada incompatibilidade de expansão térmica(1). Os testes demonstraram que a cerâmica doped de espodumene apresentava uma degradação mínima de resistência em condições de choque térmico, em comparação com a alumina pura que não funcionava tão bem. Este resultado compara-se favoravelmente a outras cerâmicas compósitas de alumínio.

Em cerâmica de vidro são utilizados espodumeno e sílica. As densidades da cerâmica de vidro resultante são aumentadas após 3,5 ou mais horas de sinterização. Neste processo, o tamanho médio do grão aumentou de 0,55 para 0,67 μm com a dureza aumentando para 5,47 GPa, juntamente com um aumento de força flexural de 158 MPa. Houve um aumento proporcional da força e do desempenho residuais nos testes de choque térmico. Os investigadores explicam este fenómeno pelo aumento da cristalidade e da percentagem elevada de β-espodumeno que vem com longas durações de sintering/calcination(2). O desempenho do choque térmico é, portanto, impactado favoravelmente pelo desempenho da força flexural.

Quando usado como fluxo, o espodumene é responsável por um efeito densificação na cerâmica resultante. Num exemplo em que os investigadores estavam a desenvolver cordierite-spodumene para aplicações de transmissão de calor solar, adicionar apenas 10% do β-espodumene foi suficiente para garantir a resistência à flexão após 30 ciclos de aquecimento e arrefecimento (rapidamente de 1.100 °C à temperatura ambiente) diminuiu apenas 6%. Este material altamente resistente reteve praticamente todo o espodumene depois de todos os ciclos(3). Os autores sugerem que este pode ser um material promissor para a transmissão de calor na geração de energia térmica solar. Com base no trabalho cordierite-espodumeno, verificou-se que a adição de 5% de andaluite aumentou ainda mais as propriedades de choque térmico(4).

Work in progress standing on the top of the kiln in a ceramics artists home pottery studio. Stoneware bowls, turned, dried and ready to fire.

Resistência à expansão térmica

Coeficiente de expansão térmica (CTE) é a medição de quanto um material se expande à temperatura, com números mais baixos a serem preferidos.

Na cerâmica de sílica com β-espodumeno, a anisotropia da expansão do material é maior com uma percentagem crescente de sílica(5). O β-espodumeno forma-se em cadeias espirais de Al-O tetrahedra num arranjo do eixo do parafuso, que, embora tenso, a estirpe é aliviada a alta temperatura por uma redução dos ângulos de ligação no tetrahedra. Isto causa um maior nível de estabilidade(6).

β-espodumene cerâmicas de vidro fabricadas através de um processo de gel sol seguido de prensagem a quente mostraram CTEs quase nulas de -0,03 x ^10-7 ^K-1 a -0,97 x ^10-7 ^K-1 da temperatura ambiente para 1.200 °C(7). Os investigadores sugerem que a razão para uma resistência tão incrível à expansão se deve às fases de cristal altamente estáveis alcançadas e à cristalidade uniforme, que ambos dependem do excelente comportamento de sintering do espodumeno. Estes valores CTE negativos referem-se a um material que é dilatométrico - isto é, os contratos de material. É sabido que é o caso do β-espodumene desde 1951(8).

Especialmente o baixo coeficiente de expansão térmica em cerâmica de espodumene pode ser alcançado através da utilização de um aditivo de óxido de lítio e de óxido de germânio. A utilização de apenas 3% em peso deste aditivo num processo liderado por β-espodumeno resultou num cerâmica com um CTE de apenas 7,0 x ^10-7 ^K-1 da temperatura ambiente para 800 °C(9). Para comparação, a cerâmica de alumínio de lítio tem um CTE de 3,2 x ^10-7 ^K-1(10).

Os valores CTE negativos também são observados em espodumeno contendo cerâmicas de vidro de natureza mais exótica. No caso do azoto que contém cerâmica de vidro de espodumene, as composições ricas em β-espodumeno nitrito que cristalizam a 1.200 °C têm CTEs negativos. A densidade e a dureza do vidro resultante são muito aumentadas. A explicação para este fenómeno é que, juntamente com a formação de β-quartzo (ver abaixo), os átomos de azoto são incorporados na rede(11).

Considerações e observações durante o fabrico

Como em todas as cerâmicas, um processo de tratamento térmico é uma parte essencial do fabrico. Durante o aquecimento, α-espodumium ou espodumeno amorfo converte-se em ɣ-espodumeno, sendo a estabilidade que depende da taxa de aquecimento, bem como do tratamento mecânico prévio da amostra (ou seja, se foi moído). À medida que a calcinação prossegue, ɣ-espodumene converte-se em β-espodumeno, além de alguns casos alguns β-quartzo como um gangue, uma vez que alguns dos centros de lítio e alumínio são substituídos por silício. Regra geral, a partir de uma amostra finamente moída resultará numa conversão mais completa para β-espodumeno(12). A redução de energia pode ser conseguida através do processamento do espodumeno numa cama fluidizada(13).

Os investigadores notaram que ao formar cerâmica de espodumeno, o corpo torna-se muito mais difícil de formar quando a calcinação fez com que a proporção de β-espodumeno ultrapassasse os 50%. Para formas cerâmicas mais complexas com este material, é por isso importante modular a temperatura cuidadosamente para não exceder o nível de 50% demasiado cedo(14). Um método potencial para aliviar esta situação poderia incluir a alteração do conteúdo/adição de LiO₂, que tem mais efeito no comportamento do sintering, juntamente com outros óxidos(15).

Impacto em Outras Cerâmicas

A adição de espodumeno na produção de cerâmica conhecida tem-se mostrado benéfica em termos de adição de propriedades desejáveis. No fabrico de cerâmica mullite, os investigadores descobriram que, utilizando β-espodumeno como agente de sintering de fase líquida, a densidade da mullite aumentou (ou seja, foi menos porosa), o comportamento de sintering foi melhorado e o mullite é mais facilmente formado a 1.550 °C(16). Além disso, os autores afirmam que a cerâmica mullite modificada pelo spodumene tem propriedades físicas e mecânicas superiores em comparação apenas com a mullite.

Estas propriedades de melhoramento são em grande parte ecoadas por investigadores que doaram a fase líquida de alumínio sinterizado com β-espodumeno(17). Descobriram que, adicionando β-espodumeno, a cerâmica produzida continha uma mistura de espodumene cristalino e material vidrado - o que levou a uma cerâmica fortemente mecanicamente, rivalizando com qualquer cerâmica de alumínio disponível comercialmente.

View of ceramic container on wooden shelf.

Flutuação e recuperação de spodumene

Um fator importante em qualquer processo de produção moderno é a minimização dos resíduos e o tratamento dos resíduos que existem para garantir uma eliminação segura. Com isto em mente, a flutuação do espodumene é um processo importante na produção de metal de lítio (como mencionado, principalmente a partir de espodumene) e os compostos residuais de espodumene e lítio podem ser extraídos das caudas de produção de lítio. Como o espodumene tem um potencial de zeta negativo em soluções que têm um pH inferior a 3(18), o espodumene pode potencialmente ser removido das referidas caudas por recolha satica, como com as aminas. A investigação mostrou que 90% do espodumeno proveniente de caudas pode ser extraído(19). A flutuação é conseguida através da adição de oleato de sódio (250 g ^L-1) e cloreto de cálcio nas caudas(20). O espodumeno recuperado é perfeitamente adequado para ser utilizado em cerâmica(21), como um exemplo em que foram combinadas caudas flutuantes, caulino e pó de vidro de baixo derretimento para produzir uma cerâmica altamente porosa com um invejável valor de força de 5,60 MPa(22).

Resumo

O spodumene é um mineral com a fórmula LiAl (SiO₃)₂, que é usada principalmente como fonte de lítio
No mundo cerâmico e cerâmico de cerâmica cerâmica, o espodumene é valorizado pelas suas excelentes propriedades de sintering
A elevada resistência ao choque térmico é explicada pelo aumento da cristalidade e da resistência produzidas por maiores percentagens de β-espodumeno
Em termos de expansão térmica, o espodumium oferece excelentes características a uma cerâmica, com alguns coeficientes de expansão mesmo negativos
β-espodumene é em grande parte responsável pela força impressionante e propriedades relacionadas, juntamente com a formação de quantidades modestas de β-quartzo em alguns sistemas
Recuperação de espodumeno suficiente para a produção cerâmica é possível através da flutuação do espodumeno
No geral, o espodumene é um material valioso para a produção de cerâmica

Referências

1 B. A. Latella et al., J. Am. O Ceram. O Soc., 1999, 82, 819

2 H. Mohammad et al., Asiático J. Ceram. O Soc., 2021, 9,507

3 C. Hu et al., O Ceram. O Int., 2016, 42, 13547

4 C. Hu et al., O Ceram. O Int., 2018, 44,3240

5 J. P. Williams et al., J. Am. O Ceram. O Soc., 1968, 51.651

6 C.-T. Li e D. R. Peacor, Z. Kristallogr. O Krist., 1968, 126, 146
7 G. Wen et al., O Ceram. O Int., 2012, 38, 5315
8 E. J. Fumo, J. Am. O Ceram. O Soc., 1951, 34, 131
9 T. Ogiwara et al., J. Am. O Ceram. O Soc., 2013, 96, 2577