MATERIAS PRIMAS CERÁMICAS

MATERIAS PRIMAS CERÁMICAS
COMPOSICIÓN MEDIA DE LA
CORTEZA TERRESTRE
OXÍGENO
SILICIO
ALUMINIO
HIERRO
CALCIO
SODIO
POTASIO
MAGNESIO
TITANIO
OTROS
MATERIAS PRIMAS CERÁMICAS
•Silice (SiO2)
•Alúmina (Al2O3)
•Carbonatos
•CaCO3
•Dolomita MgCa(CO3)2
•Sulfatos como el yeso CaSO4.2H2O,
•Fluoratos,
•Boratos y otras sales.
MATERIAS PRIMAS CERÁMICAS
• MATERIAS PRIMAS PARA PORCELANA
• MATERIAS PRIMAS PARA CEMENTO
• MATERIAS PRIMAS PARA REFRACTARIOS
MATERIAS PRIMAS PARA PORCELANA
LAS ARCILLAS
• Son constituyentes esenciales de gran parte de los
suelos y sedimentos, debido a que generalmente
son producto de la meteorización de silicatos
hidrolizados a alta presión y temperatura.
• Poseen tamaño de partícula cercano o inferior a 4
µm y están constituidas principalmente por
alumino-silicatos dispuestos estructuralmente en
forma de filosilicatos.
• Poseen buena plasticidad, resistencia transversal, la
contracción, la fluidez y la impermeabilidad.
LAS ARCILLAS
• Han sido utilizadas para la fabricación de productos
cerámicos desde el año 5000 antes de cristo, desde
entonces han sido utilizadas como materia prima para la
fabricación de:
¾ Recipientes para almacenamiento y añejamiento del vino
¾ Loza,
¾ Piezas finas de porcelana.
¾ Pisos.
¾ Tuberías de gres.
¾ Sanitarios.
¾ Baldosas.
¾ Aislantes eléctricos y térmicos.
¾ Refractarios.
¾ Gran variedad de artículos estructurales, funcionales y
decorativos.
LAS ARCILLAS
• La exigente demanda de propiedades
especiales de los materiales y el desarrollo de
nuevas tecnologías, han llevado a la producción
de piezas fabricadas total o parcialmente con
arcillas, como es el caso de:
¾Convertidores catalíticos.
¾Catalizadores para refinación de petróleo
¾Fabricación de papel incombustible
CLASIFICACIÓN DE LAS
ARCILLAS
De acuerdo con su composición química las
arcillas se clasifican como:
•Caolines
•Montmorillonitas
•Illitas
CAOLINES Y ARCILLAS CAOLINÍFERAS
(Al2Si2O5(OH)4)
• En el siglo XVI adquirió gran importancia por su
aplicación como componente principal de las pastas
utilizadas en la fabricación de porcelana.
• Desde entonces han sido utilizadas como materia prima
para la fabricación de cerámicos y refractarios como la
porcelana, gres, loza sanitaria o de mesa,
electrocerámica, ladrillos y moldes refractarios, aislantes
térmicos y cementos.
• Cuando el caolín se usa para cerámica blanca recibe la
denominación de China Clay, este tipo de arcillas posee
un amplio rango de plasticidad, lo que le permite ser
desde rígida hasta muy plástica.
CAOLINES Y ARCILLAS
CAOLINÍFERAS
• El caolín en bruto posee un contenido
variable de caolinita y/o halloysita que, a
veces no llega al 20 %, además suele
tener cuarzo, feldespatos, micas y otros.
• Mediante técnicas de beneficio o lavado
se puede obtener filosilicatos por encima
del 80 %.
CAOLINES Y ARCILLAS
CAOLINÍFERAS
• Un caolín comercial de alta calidad a penas deberá
tener partículas superiores a las 20µm, lo que garantiza
una riqueza en caolinita superior al 80%.
• La utilización del caolín o de las arcillas caoliníticas, en
la industria cerámica se debe en gran parte a que éste
mejora la resistencia en verde de las piezas y conntrola
sus características de plasticidad y colado.
• Las prácticas de colado y quemado en particular en
plantas de cerámicas pueden ser modificadas para tener
en cuenta las características particulares de los grados
disponibles de caolín y otras arcillas.
ARCILLAS CAOLINÍTICAS
• Arcillas refractarias: están constituidas principalmente por
óxidos metálicos, lo que le confiere una alta resistencia a la
temperatura.
Las arcillas refractarias más utilizadas como materia prima para
la fabricación de cerámicos son:
¾ Ball Clay: son arcillas muy plásticas, de grano fino y
dispersables en agua, sufren una contracción de hasta el
20% en volumen durante el secado, por lo que generalmente
son utilizadas como agregado a otras arcillas menos
plásticas. Este tipo de material es de coloración gris o negro
pero cuecen de color blanco, son utilizadas para la
fabricación de cerámica blanca de gran calidad, debido a su
excelente plasticidad y resistencia en seco.
ARCILLAS REFRACTARIAS
• Fire-clays o arcillas refractarias propiamente dichas:
suelen tener óxidos de hierro, lo que hace que no
cuezan blanco.
• Las flint-clays o arcillas caoliníferas duras, son carentes
de plasticidad y tienen baja contracción después del
quemado, se utilizan fundamentalmente para la
fabricación de refractarios silicoaluminosos.
• Tonsteins (Underclays): son muy similares a las flintclays, obtenidas de niveles volcánicos.
MONTMORILLONITA (Al2(Si2O5)2(OH)2)
•
La montmorillonita es el principal constituyente de la bentonita, una
roca compuesta esencialmente por minerales del grupo de las
esmectitas.
•
Los criterios de clasificación más utilizados por la industria para la
clasificación de las bentonitas o arcillas montmorilloníticas, se basan
en su comportamiento y propiedades fisico-químicas.
•
La clasificación industrial más aceptada establece los siguientes
tipos de bentonitas en función de su capacidad de hinchamiento en
agua:
¾ Bentonitas altamente hinchables o sódicas.
¾ Bentonitas poco hinchables o cálcicas.
¾ Bentonitas moderadamente hinchables o intermedias.
¾ Las bentonitas o arcillas montmorilloníticas que contienen Ca
como catión de cambio son denominadas tierras de batán y son
bentonitas no hinchables.
MEJORAMIENTO DE LAS ARCILLAS
MONTMORILLONITICAS
•
El mejoramiento de este tipo de arcillas se logra mediante cambio
en:
¾ Las propiedades superficiales: se puede lograr mediante:
•Tratamientos ácidos.
• Tratamientos térmicos.
¾ Modificación del espacio interlaminar
•
El tratamiento ácido produce la destrucción del mineral por
disolución de la capa octaédrica, generando sílice amorfa
procedente de la capa tetraédrica lo cuan conlleva un considerable
incremento de la superficie específica. Así mismo, aumentan la
capacidad de intercambio iónico y la actividad catalítica.
MEJORAMIENTO DE LAS ARCILLAS
MONTMORILLONITICAS
•
Las variaciones en el tipo de arcilla (granulometría y mineralogía) y
en el tipo y grado de acidulación (tipo de ácido, temperatura, tiempo
de contacto, proporción de arcilla, etc.) darán lugar a diferentes
productos con diversas propiedades.
•
Igualmente, se puede efectuar una activación sódica, sobre
bentonitas cálcicas, tratándolas con carbonato cálcico, para obtener
bentonitas sódicas.
•
Las arcillas naturales son organofóbicas; sin embargo, cuando son
modificadas orgánicamente presentan afinidad por las moléculas
orgánicas; por ello tienen importantes aplicaciones como
adsorbentes de residuos orgánicos. Además son hidrofóbicas,
adecuadas para su empleo en la fabricación de pinturas, como
gelificantes de líquidos orgánicos, en lubricantes, etc.
SINTESIS DE LA MONTMORILLONITA
• La Montmorillonita sintética es ampliamente utilizada en:
¾catálisis en cracking.
¾ hidrogenación/deshidrogenación.
¾ componente de catalizadores hidrotratantes.
Este material sintético posee un área superficial de
110-160 m2/g, y una capacidad de cambio entre 150 y
160 mg/g.
PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS DE LAS
ARCILLAS
Las importantes aplicaciones industriales de este grupo de
minerales radican en sus propiedades fisico-químicas. Dichas
propiedades derivan, principalmente de:
•Su tamaño de partícula extremadamente pequeño (inferior a
4 µm).
•Su morfología laminar (filosilicatos).
•Las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de
carga en las láminas y a la presencia de cationes débilmente
ligados en el espacio interlaminar.
ESTRUCTURA DE LOS FILOSILICATOS
PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE LAS ARCILLAS
• Por sus características físicas y estructurales estas arcillas
poseen un valor elevado del área superficial y a una gran
superficie activa, con enlaces no saturados, por lo que pueden
interaccionar con muy diversas sustancias, en especial
compuestos polares, por lo que tienen comportamiento plástico
en mezclas arcilla-agua con elevada proporción sólido/líquido y
son capaces en algunos casos de hinchar, con el desarrollo de
propiedades reológicas en suspensiones acuosas.
• La existencia de carga en las láminas se compensa, como ya
se ha citado, con la entrada en el espacio interlaminar de
cationes débilmente ligados y con estado variable de
hidratación, que pueden ser intercambiados fácilmente
mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solución
saturada en otros cationes, a esta propiedad se la conoce como
capacidad de intercambio catiónico y es también la base de
multitud de aplicaciones industriales.
SUPERFICIE ESPECÍFICA
• Es el área de la superficie externa más el área de la
superficie interna (en el caso de que esta exista) de las
partículas constituyentes, por unidad de masa, expresada en
m2/g.
• Las arcillas poseen una elevada superficie específica, muy
importante para ciertos usos industriales en los que la
interacción sólido-fluido depende directamente de esta
propiedad.
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Caolinita de elevada cristalinidad: hasta 15 m2/g.
Caolinita de baja cristalinidad: hasta 50 m2/g.
Halloisita: hasta 60 m2/g.
Illita: hasta 50 m2/g.
Montmorillonita: 80-300 m2/g.
Sepiolita: 100-240 m2/g.
Paligorskita: 100-200 m2/g.
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO
•
Es una propiedad fundamental de las Montmorillonitas, ya que son
capaces de cambiar, fácilmente, los iones fijados en la superficie
exterior de sus cristales, en los espacios interlaminares, o en otros
espacios interiores de las estructuras, por otros existentes en las
soluciones acuosas envolventes.
•
La capacidad de intercambio catiónico (CEC) se puede definir como
la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede
adsorber a un determinado pH. Es equivalente a la medida del total
de cargas negativas del mineral. Estas cargas negativas pueden ser
generadas de tres formas diferentes:
Sustituciones isomórficas dentro de la estructura.
Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas.
Disociación de los grupos hidroxilos accesibles.
•
•
•
SUSTITUCIONES ISOMORFICAS
• Las sustituciones isomorficas son conocidas como carga
permanente y supone un 80 % de la carga neta de la
partícula; además es independiente de las condiciones
de pH y actividad iónica del medio.
OTROS MECANISMOS
• Los Enlaces insaturados en los bordes y superficies
externas, y la disociación de los grupos hidroxilos
accesibles, varían en función del pH y de la actividad
iónica. Corresponden a bordes cristalinos, químicamente
activos y representan el 20 % de la carga total de la
lámina.
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO EN
ALGUNAS ARCILLAS (EN MEQ/100 G):
Caolinita:3-5
Halloisita:10-40Illita:10-50
Clorita:10-50
Vermiculita:100-200
Montmorillonita:80-200Sepiolitapaligorskita:20-35
CAPACIDAD DE ABSORCIÓN
•
Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el
sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras
moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales
estructurales (sepiolita y paligorskita).
•
La capacidad de absorción está directamente relacionada con las
características texturales (superficie específica y porosidad) y se
puede hablar de dos tipos de procesos que difícilmente se dan de
forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de
procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción
(cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente,
en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido, denominado
adsorbato).
•
La capacidad de adsorción se expresa en porcentaje de absorbato
con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la
sustancia de que se trate. La absorción de agua de arcillas
absorbentes es mayor del 100% con respecto a su peso.
HIDRATACIÓN E HINCHAMIENTO
• La hidratación y deshidratación del espacio interlaminar son
propiedades características de las esmectitas, y cuya
importancia es crucial en los diferentes usos industriales.
Aunque hidratación y deshidratación ocurren con
independencia del tipo de catión de cambio presente, el
grado de hidratación sí está ligado a la naturaleza del catión
interlaminar y a la carga de la lámina.
• La absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como
consecuencia la separación de las láminas dando lugar al
hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la
atracción electrostática catión-lámina y la energía de
hidratación del catión. A medida que se intercalan capas de
agua y la separación entre las láminas aumenta, las fuerzas
que predominan son de repulsión electrostática entre
láminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento
pueda llegar a disociar completamente unas láminas de otras.
HIDRATACIÓN E HINCHAMIENTO
• Cuando el catión interlaminar es el sodio, las
esmectitas tienen una gran capacidad de
hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la
completa disociación de cristales individuales de
esmectita, teniendo como resultado un alto
grado de dispersión y un máximo desarrollo de
propiedades coloidales. Si por el contrario,
tienen Ca o Mg como cationes de cambio su
capacidad de hinchamiento será mucho más
reducida.
PLASTICIDAD
• Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta
propiedad es apoyada por el agua, que forma una
envuelta sobre las partículas laminares produciendo un
efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas
partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo
sobre ellas.
• La elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia,
de su morfología laminar, tamaño de partícula
extremadamente pequeño (elevada área superficial) y
alta capacidad de hinchamiento.
• Generalmente, esta plasticidad puede ser cuantificada
mediante la determinación de los índices de Atterberg
(Límite Líquido, Límite Plástico y Límite de Retracción).
Estos límites marcan una separación arbitraria entre los
cuatro estados o modos de comportamiento de un suelo
sólido, semisólido, plástico y semilíquido o viscoso.
PLASTICIDAD
• La relación existente entre el límite líquido y el índice de
plasticidad ofrece una gran información sobre la
composición
granulométrica,
comportamiento,
naturaleza y calidad de la arcilla. Existe una gran
variación entre los límites de Atterberg de diferentes
minerales de la arcilla, e incluso para un mismo mineral
arcilloso, en función del catión de cambio. En gran parte,
esta variación se debe a la diferencia en el tamaño de
partícula y al grado de perfección del cristal. En general,
cuanto más pequeñas son las partículas y más
imperfecta su estructura, más plástico es el material.
TIXOTROPÍA
• La tixotropía se define como el fenómeno consistente en
la pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su
posterior recuperación con el tiempo. Las arcillas
tixotrópicas cuando son amasadas se convierten en un
verdadero líquido. Si, a continuación, se las deja en
reposo recuperan la cohesión, así como el
comportamiento sólido. Para que una arcilla tixotrópica
muestre este especial comportamiento deberá poseer
un contenido en agua próximo a su límite líquido. Por el
contrario, en torno a su límite plástico no existe
posibilidad de comportamiento tixotrópico.
TALCO Mg3(Si2O5)2(OH)2
• Es un silicato de Magnesio hidratado, con estructura en
forma de capas, similar a la de las arcillas, lo que le
permite tener buena plasticidad y fácil clivaje.
• A pesar de que el talco generalmente tiene una
composición química bastante uniforme, en algunos
casos puede contener impurezas de hierro, que alteran
las propiedades finales, como la coloración y las
propiedades eléctricas.
– Otro contaminante frecuente del talco es la cal, la
cual le reduce la plasticidad.
TALCO
•El talco es utilizado como materia prima en la industria
cerámica para la fabricación de:
–Componentes eléctricos y electrónicos
–Fabricación de azulejos, baldosas y otros elementos estructurales.
El talco es utilizado como materia prima para la
fabricación de piezas cerámicas por su alta plasticidad, lo
que facilita la conformación de piezas de geometría
compleja y por la facilidad con la que se puede incorporar
silicatos de magnesio en estado fundido al material, lo
que le proporciona buena compactación y resistencia
mecánica.
PIROPHYLLITA Al (Si O ) (OH)
2
2
5 2
2
• Posee las mismas propiedades que el
talco, excepto, que la inclusión de iones
de aluminio de forma sustitucional en su
estructura en reemplazo del magnesio
aumenta su temperatura de fusión.
FELDESPATOS
• Sin aluminosilicatos anhidridos, que contienen iones de
K+, Ca+2 y Na+.
• Por la facilidad con la que estos compuestos
intercambian iones por sustitución, se dispone de gran
variedad, sin embargo, los principales feldespatos
utilizados en la industria cerámica son:
– Orthoclasa K2O. Al2O3. 6SiO2
– Albita: Na2O. Al2O3. 6SiO2.
– Anortita CaO. Al2O3. 6SiO2
FELDESPATOS
• Los feldespatos generalmente se encuentran asociados
a otros minerales, como Cuarzo, mica y otros silicatos,
por lo que generalmente se requiere de un proceso de
beneficio, como la flotación o la concentración
magnetica, previo a la utilización como materia prima en
la industria cerámica.
• Los feldespatos son utilizados como materia prima
cerámica, para mejorar la fluidez de la pasta a alta
temperatura y disminuir el rango de vitrificación del
material.
FELDESPATOS
• Los feldespatos ricos en iones de Na+ (albita) aportan
mayor fluidez que los que poseen iones de K+, es así
que:
– Los feldespatos sódicos alcanzan ablandamiento a
menor temperatura que los feldespatos potásicos.
– Los feldespatos sódicos tienen un rango de
vitrificación menor que los feldespatos potásicos
• No obstante la contaminación del feldespato con cuarzo
reduce significativamente su capacidad de aumentar la
fluidez del material a alta temperatura.
FELDESPATOS
• Las principales industrias cerámicas
feldespatos como materias primas son:
que
utilizan
– La industria del vidrio, esta utiliza el feldespato como materia
prima por su bajo costo, y por que es una forma fácil de incluir
Al2O3 fundida en la composición química del material. El
feldespato más utilizado para la fabricación de vidrios son los
ricos en sodio, por su bajo punto de fusión. En este caso
impurezas como las de hierro deben ser limitadas por el cambio
en las propiedades físicas que pueden generar en el producto
final.
– La industria de la porcelana y los esmaltes utilizan feldespatos
potásicos debido al rango amplio de vitrificación que estos
poseen. En la industria de los esmaltes la presencia de óxidos
metálicos en el feldespato pueden contribuir con las
propiedades físicas finales del material como la coloración.
SÍLICE (SiO2)
• La sílice utilizada como materia prima en la fabricación
de elementos cerámicos, generalmente es el cuarzo, el
cual se encuentra en forma de cristales casi perfectos.
• El cuarzo por su estructura dificulta la inclusión o
sustitución de iones, por lo que su pureza generalmente
es de casi el 100%, no obstante puede encontrarse en la
naturaleza asociado a otros minerales, que en algunos
casos lo puede hacer inutilizable como materia prima.
• El cuarzo es ampliamente utilizado como materia prima
cerámica debido a:
–
–
–
–
Su alta dureza
Estabilidad química
Capacidad Formadora de vidrios
Abundancia en la naturaleza lo que lo hace muy económico.
SÍLICE
• Por sus propiedades el cuarzo es utilizado como
principal materia prima en la fabricación de:
–
–
–
–
–
–
–
Porcelanas
Vidrios
Esmaltes
Refractarios
Abrasivos
Dispositivos ópticos
Osciladores de circuitos electrónicos
• Uno de los principales contaminantes del cuarzo es el
hierro, por lo que su contenido en algunas aplicaciones
es limitado a cantidades tan bajas como 0.015%.
SILLIMANITA Al2SiO5
• Es la principal materia prima utilizada en la obtención de
materiales cerámicos de estructura mullítica.
• Este es un compuesto polimorfico que se puede
encontrar en tres formas:
• Sillimanita
• Kianita
• Andalucita
• Este polimorfo tiene la particularidad de transformarse
en mullita cuando es calentado, produciendo:
3Al2O3.2SiO2 ó Al6Si2O13 y sílice
SILLIMANITA
• La sillimanita es utilizada como materia
prima para la obtención de briquetas de
mullita, que posteriormente se usa para la
fabricación de vidrios especiales y
refractarios.
MATERIAS PRIMAS PARA CEMENTO
ASBESTO Mg3Si2O5(OH)4
• Es un material del grupo de los silicatos de magnesio
hidratado, cuyo principal mineral es el crisotilo que
posee cadenas y textura fibrosa.
• Las cadenas de silicatos tetraédricos se orientan en
dirección del clivaje, lo que le permite desintegrarse
fácilmente y en forma de fibras.
• La industria que utiliza en mayor proporción este tipo de
materias primas es la de los aislamientos térmicos.
ALUMINA (Al2O3)
• La alumina es obtenida por la descomposición de
aluminosilicatos en ambiente húmedo, hasta obtener
aluminio hidratado.
• La obtención del aluminio hidratado a partir del
aluminosilicato se alcanza gracias a la disolución
selectiva de la alumina y de los silicatos a diferentes
rangos de pH, así:
– A pH de 4 se obtiene fuerte disolución de la alumina y el silicato
es casi inerte, mientras que a pH entre 5 y 9 la alumina se hace
insoluble y el silicato se disuelve rápidamente a medida que
incrementa el pH.
ALUMINA
• La disolución selectiva es aprovechada para separar la
sílice de la alúmina disuelta y posterior calcinación.
•
xAl2O3. ySiO2 + H2O →2Al(OH)3 → Al2O3 + H2O (g)
• Los principales productos obtenidos a partir de la
calcinación de los aluminosilicatos son:
–
–
–
–
Refractarios de alta alumina.
Cementos de aluminato de calcio
Abrasivos blancos
Tuberías de alumina
ÓXIDO DE MAGNESIO
• El óxido de magnesio es obtenido principalmente de la
magnesita Mg CO3 y del hidróxido de magnesio
Mg (OH)2.
• El óxido de magnesio por su alto punto de fusión tiene
su mayor aplicación como material refractario, además
por la alta movilidad del ión magnesio en estructuras
vítreas este puede ser utilizado como promotor de la
cristalización de biomateriales.
DOLOMITA MgCa(CO3)
• Es una solución sólida de carbonato de magnesio y
calcio, es una de las materias primas naturales de
mayor punto de fusión.
• El contenido de magnesio en la dolomita favorece la
cristalización de los compuestos en los que es
incorporada como materia prima.
• Posee alto coeficiente de dilatación térmica, por lo que
se requiere un estricto control del tratamiento térmico de
las piezas que contienen esta materia prima.
DOLOMITA
• En algunos casos la indusria cerámica utiliza la dolomita
para dar coloración blanca a los materiales.
• Las principales industrias que utilizan dolomita como
materia prima son:
– Fabricantes de cementos
– Fabricantes de abrasivos
– Fabricantes de refractarios
MINERALES DE CROMO
• Las principales materias primas de cromo son las
soluciones sólidas de (Mg, Fe)(Al,Cr)2O4
• Estas soluciones sólidas generalmente se han formado
a partir de la mezcla natural de silicatos de magnesio,
calcita, dolomita, magnesita, wustita, entre otros.
• La principal aplicación que se le da a esta materia prima
es la producción de refractarios.