Apunte de esmalte

1 Vidrios y cristales


Estados de Agregación. Sólido líquido y gaseoso
La característica típica de los cuerpos sólidos es su estructura cristalina. A temperaturas superiores al cero absoluto, los átomos como elementos que forman los sólidos, poseen un movimiento oscilatorio propio, que aumenta al aumentar la temperatura. Si este movimiento se hace tan grande que se deshacen los enlaces de la red cristalina, el sólido se vuelve líquido al alcanzar su temperatura de fusión, perdiendo su estructura ordenada. Sin embargo, el movimiento de los átomos todavía no es tan grande que se anulen todas las fuerzas de enlace. En el estado gaseoso, a temperaturas por encima del punto de evaporación, ha desaparecido todos los enlaces entre os átomos y éstos se mueven con verdadera libertad.
Resulta interesante señalar que la pasta que armamos está compuesta por minerales que son sólidos cristalinos. Ejemplo la arcilla.

Vidrio

Debido a su estructura y sus características el vidrio no puede clasificarse en ninguno de estos estados, sino que ocupa una posición intermedia entre las sustancias líquidas y las sólidas. En la naturaleza el vidrio es un material excepcional de los que existen pocos ejemplos, uno de ellos es la piedra pómez.
 El enfriado lento de un líquido por debajo de su temperatura de solidificación suele tener como consecuencia una solidificación en forma cristalina, con una estructura rígidamente ordenada. Los vidrios y esmaltes  formados a partir de silicatos fundidos, se solidifican en forma vítrea y no cristalina porque debido al contenido en SiO2 no son fluidos, sino altamente viscosos y al enfriarse se espesan tan rápidamente que ya no se forma una estructura cristalina.
La viscosidad es una característica típica de los líquidos. Es la resistencia de éstos a fluir. Se trata de una propiedad que depende en gran medida de la temperatura pero también del tamaño de las moléculas fuertemente cohesionadas.  Al aumentar la temperatura, disminuye la viscosidad del líquido o del fundido.
El vidrio, a diferencia de los sólidos cristalinos no tiene un punto de fusión definido   sino más bien un largo intervalo de ablandamiento. Esta propiedad es la que permite la formación del vidrio en el intervalo de temperaturas de trabajo  y unos márgenes de maduración bastante largos para los vidrisados.

2 Esmaltes


El esmalte es un compuesto o mezcla de ellos que funde total o parcialmente a temperaturas superiores a 650°C y que merced a esta vitrificación se une íntimamente con un soporte que puede ser una pasta cerámica, un vidrio o un metal.  La pasta cerámica y el esmalte quedan fuertemente ligados después la cocción,  las propiedades de la pasta son muy importantes puesto que el esmalte se funde sobre ella, debiendo adherirse sobre ésta antes, durante y después de la cocción.
Composición
Los esmaltes están constituidos por una serie de compuestos, cada uno de los cuales aporta uno o más óxidos:
Generadores de red : son óxidos capaces de formar un vidrio por sí mismos, son el Boro, el silicio, y el fósforo entre otros que no tienen interés cerámico.
Modificadores de red o fundentes: son óxidos que rellenan los huecos de la red y debilitan los enlaces, bajando el punto de fusión a la mezcla. Son los compuestos alcalinos y alcalineo térreos (Feldespato, Carbonato de Calcio, Magnesio, entre otros)
Generadores de red intermedios: entre estos encontramos a las arcillas. No intervienen en grandes porcentajes. Son óxidos que no forman vidrio pero pueden entrar en la red hasta cierto punto y susitutir al sílice. Aumentan el agarre de esmalte crudo sobre el soporte y evitan la sedimentación de la suspensión del esmalte.(Para que no se escurran de las superficies inclinadas)

Apunte de Pastas cerámicas

Una pasta cerámica es una mezcla de materiales que tiene a la arcilla como su principal componente, entre otros. Cada pasta se formula de acuerdo a la finalidad del objeto a construir, a la temperatura de trabajo, y al método de construcción que se desea emplear: modelado, alfarería prensado, plancha, extrusado. Pudiendo ser pastas de loza, terracota, gres, porcelana, etc.
Las pastas se componen de materiales plásticos: arcillas, y materiales no plásticos: cuarzo, feldespato, carbonatos, chamote, talco, otros óxidos; estas propiedades corresponden al estado crudo del material.
Los materiales se pesan y se mezclan en seco para luego humectar y terminar la mezcla. La finalidad del mezclado es obtener la máxima homogeneidad en la composición y distribución de los tamaños de las partículas.
El gres es un producto cerámico de aspecto opaco, denso, de buena resistencia mecánica y química y de escasa absorción.
Se diferencia de la porcelana en que es generalmente coloreado y  siempre opaco. Se obtiene a partir de una masa plástica calentada entre 1230 y 1300ºC.
El gres está constituido por una masa vitrificada no requiriendo de vidriados por ser impermeable.
El gres y la porcelana son productos originarios de China que pasaron luego a Corea y a Japón.

MATERIAS PRIMAS MINERALES PARA PASTAS CERÁMICAS
Los materiales arcillosos son todos los hidrosilicatos de aluminio que tienen una  fórmula general:
                   n AL2O3 . m Si O2. x H2 O
Estos materiales constituyen la mayor parte de la corteza terrestre externa y son la base de la elaboración  cerámica y las condiciones de los diferentes productos.

Los principales minerales que constituyen las rocas son Feldespato, mica y cuarzo.

Material plástico

ARCILLAS Y CAOLINES
Las arcillas y caolines proceden de la descomposición de diversas rocas feldespáticas, que se ha efectuado durante muy largos periodos de años. El agua, principal disolvente es la que tiene el papel más importante en la descomposición de las rocas. Esta trituración natural, prepara la desintegración química, fraccionando la roca madre en partículas cada vez menores.
Podemos decir que la arcilla entonces es un producto de la erosión del feldespato. Por tal razón, el término arcilla, no corresponde a una composición química o mineralógica definida. Las arcillas son mezclas de diversas especies minerales. Según la composición química de la roca madre y del proceso de disgregación que haya sufrido.
Es por lo cual los diferentes yacimientos presentan una gran heterogeneidad y por lo que hay tantas variedades de arcilla. Por ejemplo la arcilla llamada APM proviene de Neuquén, la Tincar proviene de San Julián,  la Roja, de San Luis, entre otras.
De forma general hay dos grupos de arcilla:

CAOLINES: son arcillas primarias, llamadas así porque se encuentran el lugar de origen de su formación.
El término caolín, designa una arcilla con un elevado porcentaje de caolinita y un bajo contenido de impurezas en general.
La caolinita es la composición teórica de una arcilla pura: Al2O3. 2SiO2. 2H2O.
El caolín es una arcilla de grano más grueso, con escasas impurezas, salvo las procedentes de la roca madre. Su punto de fusión es alrededor de los 1750ºC
Es el componente fundamental de las pastas de alta temperatura (porcelana)
Su plasticidad y resistencia en verde es menor que al de las arcillas grasas o secundarias
En nuestro país encontramos canteras en la Patagonia.

ARCILLAS SECUNDARIAS y SEDIMENTARIAS: arrastradas por el agua y depositadas lejos de las rocas matrices de donde proceden. Son más finas, ya que las partes más pesadas  se han ido depositando en diferentes estratos por orden de densidad.
La arcilla con la que estamos más familiarizados es de origen secundario, que se separo a lo largo de muchos años de su localización original hasta quedar depositada en otros lugares. Presenta numerosas impurezas adquiridas durante la migración y sedimentación (sustancias orgánicas, carbonatos, sulfatos, y otras sales metálicas). Su color oscila del rojo al negro. Es de grano más fino y se caracterizan por una buena plasticidad  al tener también material orgánico presente.
Resumiendo, las arcillas se clasifican en primarias y secundarias. Las primeras se encuentran en el lugar que ocupaba la roca madre de donde proceden: es muy pura, de color blanco, poco plástica y con un alto contenido de caolinita. (Caolines)  Las segundas sufrieron un proceso de arrastre a través de millones de años en el transcurso de los cuales adquirieron impurezas y un grano más fino lo que las hizo mucho más plásticas.

Materiales Antiplásticos 

FELDESPATO
Es un silicato de aluminio, (Al2O3. 6SiO2. K2O).
Es el fundente más importante utilizado en pastas y vidriados de alta temperatura (1230ºC para arriba).
Es la forma más conveniente de introducir álcalis prácticamente insolubles a una pasta.
Por eso, para la cerámica interesan los feldespatos  alcalinos, ya que la presencia de dichos  álcalis hace que su punto de fusión sea mucho más bajo que el de la sílice y la alúmina puras, cumpliendo  la función de fundente en la mezcla.
En la cocción de la pasta el feldespato es fundido, se reblandece y se vuelve vítreo mientras que la arcilla y el cuarzo permanecen sólidos. El feldespato fundido moja las demás partículas y disuelve una parte de ellas reaccionando químicamente, con lo cual las fases diferentes del producto cocido difieren de las de las materias prima.

CUARZO
Es dióxido de silicio (SiO2).
La  forma cristalina de la sílice mas común.
El cuarzo evita que la pasta, el cuerpo, se deforme o contraiga tanto durante el secado como en la cocción.
Después de los feldespatos el cuarzo es el mineral más abundante en la naturaleza.

Conformación en seco

MEZCLADO
Las mezclas de las materias primas primero en seco y  con agua (humectación) es una operación de gran importancia. Se trata de mezclar la arcilla con agua formando una pasta. La finalidad del mezclado es obtener la máxima homogeneidad y distribución de las partículas.
Por supuesto, la dosificación (formula) correcta y controlada de los componentes es el primer paso. La mezcla resultante es la denominada: PASTA CERÁMICA


Propiedades físicas

PLASTICIDAD
Se denomina plasticidad de un material a la propiedad de deformarse bajo la acción de un esfuerzo y de mantener la forma conferida una vez retirada la presión.
Se trata de una propiedad mecánica que rige el comportamiento de los materiales y que depende de su estructura. Las partículas en la arcilla tienen una estructura de forma laminar. Estas partículas son de dimensiones pequeñísimas (inferiores a una micra de diámetro) lo cual posibilita que el agua existente se deslice entre ellas.
Cuando se agrega agua en porciones sucesivas a una arcilla se forma una pasta trabajable a lo que puede darse forma gracias a esta propiedad.

SECADO
El secado es una parte importante del proceso cerámico. Es preciso eliminar la mayor parte de agua antes del sinterizado. (Bizcocho: la primera cocción en donde se transforma irreversiblemente la arcilla en cerámica). De otra manera ella seria expulsada de manera violenta, produciendo rajaduras y roturas en las piezas.
El agua se encuentra en el objeto recién conformado de distintas formas: Agua que llena los poros y cavidades entre las partículas, agua adsorbida en la superficie de las partículas y agua unida químicamente en el interior de las partículas.

DATOS DE INTERES
-Un mineral es un conjunto de elementos químicos. Generalmente los elementos Si, Al, K, Na, Fe, Ca, Mg, Cl, O, entre otros) forman el mineral.
-Los nombres de los minerales dependen de su formula y su estructura atómica.
-Un conjunto de minerales se llama roca. El nombre de la roca depende de su génesis y del contenido en minerales


Bibliografía
-Mari E. “Los materiales cerámicos”
-Güeto, Juan Morales. “Tecnología de los materiales cerámicos”
-Vittel Claude. “Cerámica (pastas y vidriados) “

Apunte de hornos y quemas. Primera Parte (Biscocho)

1. HORNO


El horno es un reactor químico, de forma variada, en el que se producen muchas reacciones físicas y químicas que hacen a la transformación de la pasta en cerámica. En el horno se produce calor a costa de transformar otras energías en energía calorífica con el fin de lograr la transformación física o química de los materiales a través de la oxidación.  En algunos casos concretos se refiere a aquellos reactores en los que el calor necesario se obtiene a costa del calor de reacción desprendido en el proceso.
 En el caso de los hornos eléctricos la energía térmica se obtiene mediante la transformación de la energía eléctrica usando resistencias eléctricas (calentamiento). En el caso de los hornos de combustibles (gas, leña, carbón, entre otros) la energía térmica necesaria se obtiene a partir del calor desprendido en la combustión de sustancias orgánicas (reacción química).


Oxidación
Por lo general, el término oxidación se aplica a procesos cuyas manifestaciones son lentas (oxidación lenta) y en donde la energía que se produce (siempre energía química) no se percibe porque se disipa en el ambiente, por ejemplo, la respiración. En las oxidaciones rápidas los efectos son inmediatos, claramente visibles, generan grandes cantidades de calor y en ellas, debido a la elevación de la temperatura, se puede producir la llama; a este tipo de reacciones se les llama reacciones de combustión. La combustión es una reacción química en la que un elemento combustible se combina con otro comburente (generalmente oxígeno), desprendiendo calor y produciendo un óxido; la combustión es una reacción (óxido reductora) exotérmica. Los combustibles  son sustancias orgánicas, que originan como productos de la combustión dióxido de carbono y agua.
La oxidación es una reacción química donde un metal o un no metal cede electrones, y por tanto aumenta su estado de oxidación. La reacción química opuesta a la oxidación se conoce como reducción, es decir cuando una especie química acepta electrones. Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la acción de otra que se reduce. Una cede electrones y la otra los acepta. Por esta razón, se prefiere el término general de reacciones redox. La propia vida es un fenómeno redox


Atmósferas
La atmósfera del horno describe la calidad del espacio donde se va a producir el aumento de la temperatura durante la cocción. Según el tipo de horneadas pueden ser  oxidante o reductora. En la atmósfera oxidante hay un exceso de oxígeno en el interior del horno y, por tanto son posibles todas aquellas reacciones de oxidación que permitan los materiales que forman la carga. Decimos que es reductora cuando hay deficiencia de oxígeno en la combustión. Vulgarmente las llamamos malas combustiones porque estamos quemando mal, favoreciendo a un exceso de dióxido y monóxido de carbono. (Se retomará en la segunda parte)

Propagación de calor: el calor puede transmitirse de un punto a otro por conducción, convección y radiación.
Conducción: (Por contacto y sin movimiento de materia) El calor se propaga por conducción entre dos puntos, uno frío y otro caliente, cuando entre ellos existe un contacto directo (por formar parte del mismo cuerpo) o indirecto (por estar unidos por varios materiales distintos, ejemplo: cuando calentamos algo en la hornalla de la cocina, si dejamos una cuchara dentro se calienta y si tocamos la cuchara nos quemamos) y sin que intervenga en esta transmisión el medio en el que están inmersos. La conducción del calor es característica de los sólidos.
Convección: (Por movimiento de materia) Es una forma de propagación de la energía que se produce en los líquidos y en los gases por un movimiento real de la materia. Siguiendo el ejemplo de la olla al fuego, el agua caliente del fondo asciende, originando corrientes convectivas (propagación por convección) y se mezcla con el agua fría.
Radiación: (sin necesidad de materia) El calor transmitido por radiación es aquel que se propaga sin intervención de medio material alguno ya que tiene lugar merced a la radiación de ondas electromagnéticas. La emisión de estas ondas es tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura del cuerpo emisor. Todos los cuerpos irradian energía en forma de onda electromagnética. Usando el ejemplo anterior, proceso que se dan las tres formas de propagación de calor, la pared del recipiente caliente emite radiación en el infrarrojo a los alrededores.

Resumiendo:
En los hornos de leña o a gas se producen reacciones de oxidación exotérmicas, dando lugar a la  llama, al fuego y por tanto hay movimiento de gases, el calor entonces  se propaga por conducción (los cuerpos que se tocan), convección (los gases) y radiación (irradiar). Podemos tener tanto atmósferas oxidantes o reductoras dependiendo como vayamos llevando la quema y lo que nos interese.
En los hornos eléctricos no hay gases ni  llama. Las resistencias se calientan y el calor se propaga por conducción y radiación y se producen las reacciones de oxidación.. La atmósfera es siempre oxidante.


2. Quema
La cocción es un tratamiento térmico donde el material en crudo se transforma por acción del calor en  cerámica. Para que esto suceda, durante la cocción se producen modificaciones muy importantes en la estructura y en las propiedades del material, dando como resultado cuerpos  duros y con fractura frágil, resistentes al agua.
 El parámetro fundamental en el proceso es la temperatura de cocción: la quema implica el calentamiento, según un programa preestablecido (curva de ascenso) de las piezas crudas, seguido de un enfriamiento. Estos ciclos térmicos deben tener en cuenta no sólo las modificaciones permanentes que se quieren producir en el material para obtener un producto de las características deseadas, sino también las transformaciones temporarias que tienen lugar durante la cocción, fundamentalmente las dilataciones y contracciones que sufren las piezas al calentarse y enfriarse. Si éstas no se producen en forma gradual y controlada, provocarán su deformación o la aparición de tensiones internas que actuarán como causa de disminución de su resistencia mecánica, llevando a la aparición de fisuras y anticipando su rotura.
 Necesidad de eliminar el agua residual en la primera etapa de la cocción, pone sus límites a la velocidad del proceso.

Sinterizado (bizcocho)
Sinterizado por liga vítrea (si bien hay distintos tipos de sinterizados, detallaremos éste que es el más común y usado por los ceramistas). Es el proceso que consiste en conglomerar un material pulverulento, como la pasta cruda, sin alcanzar la temperatura de fusión y eventualmente con el auxilio de sustancias ligantes. Cuanto mayor es la temperatura de cocción, mayor será la proporción de liga vítrea que une a los granos cristalinos (la arcilla y todos los demás minerales de las pastas). Sea: algunos de los álcalis como el sodio y el potasio que incorporamos con el feldespato (en nuestro caso), comienzan a fundirse uniendo la pasta a sí misma como el caramelo une al maní en un turrón.  En la práctica, se busca incrementar la formación de fase líquida mediante el agregado de álcalis (Sodio, potasio, calcio, entre otros) o sustancias que contengan fundentes que disminuyan la temperatura de fusión.

Descripción de la quema de bizcocho
Hasta los 350 °C: pérdida del agua mecánica e higroscópica. El agua mecánica es la que se encuentra relativamente libre dentro del material. Es el agua que usamos para armar la pasta y para construir piezas. El agua higroscópica es el agua retenida por los minerales de arcilla y no se desprende en el proceso de secado.
De 350°C a 600°C:
Pérdida del agua combinada químicamente en las moléculas de arcilla.
Cambio dimensional de la sílice. Muchos cristales tienen la propiedad de cambiar su configuración atómica al variar la temperatura; cada configuración tiene su intervalo térmico de estabilidad. Estos cambios se denominan inversiones. La estructura de la sílice a baja temperatura es el cuarzo, luego en este rango de temperatura cambiará su estructura, ya no será más cuarzo, sino tridimita, vale decir: la forma de la sílice será tridimita.
Por reacciones de oxidación y descomposición se elimina la materia carbonosa generando dióxido y monóxido de carbono y agua (se evaporará). Carbonización de la materia orgánica
De 650 °C a 900°C. Oxidación de las pastas.
Hasta aquí el bizcocho, la segunda parte subiremos más la temperatura.
Dato curioso. Uso de productos cerámicos:
Aeroespacial: Materiales ligeros de alta resistencia mecánica y de alta temperatura para
Motores, aviones, revestimientos de lanzadera espacial,...etc
Automatismo: Sensores, componentes de alta temperatura
Biomédica: Huesos, dientes, materiales de implante
Óptica/Fotónica  Fibras ópticas, amplificadores laser, lentes, ..etc
Electrónica: Condensadores, sustratos de circuito integrado, aislantes,..etc
Energía: Celdas de combustible sólidas, combustible nuclear

Bibliografía
Bruguera Jordi, Manual práctico de Cerámica, Ed. Omega, 1986, Barcelona.
Marí, Eduardo, Los materiales cerámicos, Ed. Alsina, Buenos Aires, 1998.