Cerámicos-Materias Primas

1. Cerámicos-Materias Primas PROCESAMIENTO DE CERAMICOS Cecilia A. Paredes Ph.D.

2. MateriasPrimas- • Evolución (materia prima proceso) • 4 requisitos: • Calidad y constancia • Mantenimiento composición química y mineralógica y propiedades fisicoquímicas • Especificaciones y tolerancias rigurosas • Impurezas, materiales accesorios • Granulometría • Cantidad y suministro ininterrumpida • “Economicidad”-(cost-effective)

3. MateriasPrimas • “Cadena de Calidad”: Materiales varían en: composición química y mineralógica, pureza, estructura física y química, tamaño de partículas Importancia Proc. Materias P. • Materias Primas: • Materiales en crudo (no uniformes, depósitos naturales)- Materiales de origen mineral • Minerales industriales refinados (beneficiados)-productos quimicos • Químicos inorgánicos (procesos de refinamiento) • Materiales Reciclados • Selección de materiales: • Costo, factores del mercado, servicios del proveedor, consideraciones técnicas del procesamiento, precio del producto final en el mercado

5. MATERIAL CRUDO • MINERAL: Compuesto químico que ocurre naturalmente • Incluye una gran variedad de materiales que representan los componentes simples de las rocas

6. Mineral Industrial: material geológico (roca, mineral, liquido o gas) el cual es obtenido por minería y representa un material no metálico con valor comercial. • Arena, grava, rocas, agregados para rellenos • Estos materiales requieren muy poco procesamiento • Yeso, Cemento, vidrio, ladrillos son producidos directamente por minerales industriales por medio de calor, quemando o fundiendo. • Otros usos que no se toma en cuenta son los abrasivos utilizados en limpiadores de cocina y baño, pasta de dientes, rellenos para plásticos y papel, en medicinas y detergentes • MATERIAL MAS IMPORTANTE DE TODOS: AGUA

7. Water As A Raw Material

8. Existen otros minerales utilizados en diferentes aplicaciones. • Minerales de cromo compuestos de solución sólida de espineles (Mg,Fe)(Al,Cr,Fe)2O4 e impurezas como silicatos de magnesio se utilizan en combinación con MgO en refractarios básicos • CaO, y dolomita calcinada (Ca,Mg)O se mezclan con brea se utilizan para revestimientos de hornos metálicos • Circón molido es utilizado como opacificante en esmaltes y para producir pigmentos y como precursores de ZrO2

9. QUÍMICOS INORGANICOS INDUSTRIALES • Alúmina tabular y calcinada, óxido de magnesio, carburo de silicio, nitruro de silicio, ferritas duras y suaves, circonia estabilizada, pigmentos • Extensivos tratamientos químicos reducen el contenido de minerales accesorios hasta una pureza de 99.5%. • Al2O3 : uno de los químicos inorgánicos mayormente utilizados en los cerámicos y es producido en cantidades muy grandes para la industria del aluminio y cerámicos utilizando el Proceso Bayer. • Bauxita en presencia de NAOH • MgO: óxido de magnesio • Precipitación del hidróxido de magnesio • SiC, carburo de silicio • Arena altamente pura y coque de bajo sulfuro

10. CERAMICOS TRADICIONALES

12. Sílice SiO2 1713° Cristobalita Porcelana Dura (whitewares) Tridimita Pisos, Azulejos, Sanitarios 990° Aisladores Eléctricos Feldespato Metacaolín Al2O3.SiO2 1410° Porcelana Dental Mullita 1810° Corundum Leucita 1588° Leucita K2O.Al2O3.4SiO2 Mullita 3Al2O3.2SiO2 La gran mayoría de composiciones de la cerámica tradicional estan basadas en mezclas de arcillas, feldespatos y sílice

13. Sílice: SiO2: (Oxido de silicio) • Existen tres formas cristalinas: • Cuarzo • Cristobalita • Tridimita 1470 C (870 -1470 C) Cuarzo → Cristobalita ↔ Tridimita • Tres formas son estables a temperatura ambiente • Inversiones: 573 C expansión debido al enderezamiento de los enlaces Si-O-Si • cuarzo- cuarzo-. • Otras formas del sílice: • Gel de sílice: soluciones de sodio acidificadas se precipita como masa gelatinosa • Sílice vitrificado (cuarzo fundido): se calienta por encima de 1710 C y se enfría rápidamente (cuarzo fundido) • Cuarzo, es el segundo material más usado como materia prima en los cerámicos. • Utilizados en las mezclas de vidrio y como ingrediente principal en la mayoría de esmaltes (glazes) y formulaciones de porcelana. • Hornos de ladrillo refractario donde hay altas temperaturas • fabricación de acero (3000 F, 1649 C)

14. Sílice SiO2 1713° Cristobalita Porcelana Dura (whitewares) Tridimita Pisos, Azulejos, Sanitarios 990° Aisladores Eléctricos Feldespato Metacaolín Al2O3.SiO2 1410° Porcelana Dental Mullita 1810° Corundum Leucita 1588° Leucita K2O.Al2O3.4SiO2 Mullita 3Al2O3.2SiO2 La gran mayoría de composiciones de la cerámica tradicional estan basadas en mezclas de arcillas, feldespatos y sílice

15. Arcillas • Significados: • Grupo particular de minerales • Mezcla de minerales que tienen alto % arcilla • Arcilla: material básico para la cerámica tradicional • Propiedades: moldeabilidad (agua), fuerte al secarse, y al quemarse fija la masa plástica de manera perdurable • Se encuentran en depósitos naturales en todo el mundo • Silicatos hidratados de aluminio • Alteración de rocas ígneas: feldespatos y granito • Minerales de arcillas estan caracterizadas por su estructura atomica de capas • Estas capas consisten en laminas de aluminio y silicio unidos covalente mente con una coordinación tetraédrica y octaédrica con el oxigeno.

16. Existen dos grupos principales de los minerales de arcilla desde el punto de vista mineralógico • Caolínes: Al2Si2O5(OH)4 • Caolinita (kaolinite), Nacrita (nacrite), Dicquita (dickite) y Haloisita (halloysite) • Montmorilonitas: Al2Si2O5(OH)4. 2H2O • Montomorilonita (montmorillonite), Nontronita, Beidelita, Hectorita, Saponita Halloysite

17. Caolinita • Grupo del Caolín: Capa de átomos de Si-O (capa de sílice, o de tetrahedrones) unidas por medio de los átomos de oxígeno con una capa similar de átomos de Al-O llamado “gibbsite” (capa octahedral) • Mineral está compuesto por muchas unidades (capa de sílice + capa de aluminio). • Valencias Satisfechas: unión entre unidades por medio de enlace de hidroxilos.

18. Montmorilonita • Grupo de las Montmorilonitas o tambien conocidos como esmectitas Estructura cristalina de dos capas de sílice condensada con una de aluminio (gibbsite) • Al2Si4O10(OH)2 Mineral: Pirofilita (Pyrophyllite)

19. talco nontronite Montmorillonite • Cuando una capa de magnesia (óxido de magnesio) se condensa con dos de sílice el mineral resultante es el • TALCO: Mg2Si4O10(OH)2 • El Oxígeno es el Ion que forma el esqueleto de estos minerales. Los cationes pueden ser sustituidos por minerales de tamaño similar: sustitución isomórfica. • Mineral montomorilonita es derivado de la pirofilita por medio del reemplazo del Al por Mg. Al hacer la sustitución, existe un desbalance en carga, el cual es satisfecho por cationes externos; en este caso específico el Na. • Na0.33[Al1.67Mg0.33] Si4 O10 (OH)2 Mineral Fórmula Empírica Montmorilonita Na0.33[Al1.67Mg0.33] Si4 O10 (OH)2 Nontronita Na0.33.Fe[Al0.33Si3.67] O10 (OH)2 Beidelita Na0.33.Al2(Si3.67 Al0.33] O10 (OH)2 Hectorita Na0.33[Li0.33Mg2.67] Si4 O10 (OH)2 Saponita Na0.33.Mg3 [Si3.67Al0.33] Si4 O10(OH)2

20. Unidades de este grupo están unidas por medio de enlaces débiles llamados: Van der Waals • Fuerzas causadas por desplazamientos menores de las cargas eléctricas dentro de los átomos. • Debido a que estas fuerzas son débiles entre los enlaces, el agua penetra fácilmente entre las unidades provocando un hinchamiento • MICAS • No son minerales de arcillas, pero ocurren en ellas. • Derivadas del talco o pirofilitas por sustitución isomórfica. 1 Al reemplaza a 4 Si, creando una deficiencia en carga satisfecha por iones como el K • K+. Al2(Si4Al) O10(OH)2 o Kal3Si3O10(OH)2 “mica de potasio” o “muscovite” • Ca: Ca2+. Al2(Si2Al2 )2- O10(OH)2 “mica de calcio” o “margarite” • Las micas también pueden ser derivadas del talco • Phlogopita, K+. Mg3(Si3Al)O10(OH)2; • Lepidolita, K(AlLi2)Si4O10(OH)2 • CLORITAS (chlorites) • Estructuralmente relacionadas con las micas. • Capa de talco similar a las micas, con la deficiencias satisfecha por una capa de brucita (brucite, hidróxido de magnesio): Mg5Al2Si3O10(OH)8

21. ILITAS (illites) • Estructuralmente parecidos a las micas, pero contienen menos potasio y son más combinadas con el agua: micas hidratadas o “serecitas” • Estructura no ha sido determinada, pero se ha sugerido que son formadas de las micas por el reemplazo del K, Na o Ca por un hidrógeno hidratado (OH3) • Ocurren como materiales de tipo accesorio en las arcillas (40%)

22. Tipos de Arcilla Arcilla Sustancia mineral plástica compuesta principalmente de silicatos de aluminio hidratados. Formacionesrocosas. Adquisición Origen • Plásticos: Caolín, arcilla. • No Plásticos: Cuarzo, arena, pegmatita. Componentes

23. Alfarera. • Losa. (gres, refractarias, porcelana) Clases Alfarería • Terracota. • Color rojo o amarillo. • Textura porosa. • Cuecen entre 900º y 1000º • Pasta de grano fino (plasticidad). Calidades y Cualidades

24. Loza • Color blanco o marfil. • Textura porosa. • Muy plásticas. • Sinterizan (cuecen) hasta 1200º. Gres • Color amarillo, gris. • Vitrificado, con textura poco porosa. • Añade materia no plástica. • Resiste a altas temperaturas. • Disminuye la reducción de tamaño de pieza en secado y cocción.

25. Porcelana • Color blanco semitransparente. • Textura impermeable. • Cerámicos a base de caolín, feldespato y cuarzo. • Aspecto vitrificado. Todos los tipos de arcilla, en el tiempo de secado y de cocción, sufren un proceso de encogimiento, de reducción de tamaño. Esta disminución de tamaño es mayor, cuanto menor sea el contenido de materias no plásticas de la arcilla

26. El yeso Es el producto resultante de la deshidratación parcial o total del algez o piedra de yeso, reducido a polvo y amasado con agua, recupera el agua de cristalización, endureciéndose.

27. Generalidades • Se encuentra muy abundante en la naturaleza, en los terrenos sedimentarios, presentándose bajo dos formas: cristalizado, anhidro (SO4Ca), llamado anhidrita, y con dos moléculas de agua (SO4Ca . 2H2O), denominado piedra de yeso o algez. • La anhidrita es incolora o blanca, cuando esta pura, y coloreada en azul, gris, amarillo o rojiza, cuando contiene arcillas, oxido de hierro, sílice, etc. Su densidad es igual a 2.46 • El algez o piedra de yeso se presenta cristalizado, formando rocas muy abundantes, y según su estructura hay las siguientes variedades:

28. Variedades • Yeso fibroso • Formado por el SO4Ca . 2H2O puro, cristalizado en fibras sedosas confusamente. Abundan mucho en España, sobre todo en las cercanías de Madrid, con el se obtiene un buen yeso para mezclas. • Yeso espejuelo • Cristaliza en voluminosos cristales, que se exfolian fácilmente en laminas delgadas y brillantes. Proporciona un buen yeso para estucos y moldeados. Yeso en flecha • Con el se obtiene yeso excelente para el vaciado de objetos muy delicados. Yeso sacarino o de estructura compacta • Cuando es de grano muy fino recibe el nombre de alabastro, y es usado para decoración y escultura. Este alabastro se diferencia del calizo por no producir efervescencia con los ácidos.

29. Características • El yeso se adhiere poco a las piedras y maderas, y oxida al hierro • No puede usarse a la intemperie, porque la humedad y el agua lo reblandece y degrada. • Es un buen aislante del sonido y protege las maderas y el hierro contra el fuego, porque su deshidratación lenta absorbe calor en grandes cantidades.

30. Clasificación • Los yesos se clasifican en semihidratados y anhidros, siendo los primeros los de mayor empleo en construcción, y a los que pertenecen los yesos negros o blancos. Al segundo, la anhidrita, yesos hidráulicos y alúmbrico.

31. PRINCIPALES USOS • Construcción • En productos prefabricados como bases de revestimiento, plafones, lienzos (tablaroca) y planchas de yeso y fieltro; láminas de yeso, placas acústicas, cartón enyesado para revestir casas y tablas de fibra prensada para paredes. •  En plastas en pared dura, en fabricación de tabiques, para aislar mezclas usadas como resanes en tuberías, calderas, techos y como absorbente de aceites de pisos en fábricas, como relleno. • Como material de enjarre de edificios, divisiones y techos. Puede ser usado como roca de construcción. Al mezclarse con resinas sintéticas suele utilizarse como aislante.

32. PRINCIPALES USOS • Obras mineras •  En la elaboración de polvos que se aplican en los cruces de galerías en minas de carbón para reducir explosiones y riesgos de silicósis. • Papel •  Como relleno en el papel. • Pinturas •  Como pigmento en papel, algodón y pinturas. • Tratamiento del agua •  Para mejorar la calidad del agua.

33. PRINCIPALES USOS • Agroquímicos • En la fabricación de fertilizantes y de fosfoyesos que se aplican en la agricultura • Química • Para producir azufre, dióxido de azufre, ácido sulfúrico y sulfato de amonio. Como agente de secado para gases y químicos. Puede ser convertido en una espuma que se usa en materiales de construcción aislantes del sonido

34. PRINCIPALES USOS • Cerámica •  En molduras de cerámica, en arcilla vaciada, litógrafos, moldes y esculturas, en la elaboración de productos como portalibros, lámparas, ceniceros, cajas para embonar relojes, utensilios de mesa como tasas, vasos, platos, etc. • Fundición • Forma parte de los fundentes de minerales de níquel. • Ortopedia • En la elaboración de moldes para ortopedia. • Dental • Piezas vaciadas de estuco para dentistas, elaboración de moldes dentales

35. Explotación en el mundo •  Los principales productores de yeso en el mundo son, en orden de importancia, Estados Unidos, China, Irán, Tailandia, Canadá, España, México, Japón y Francia. • En estados unidos la industria del yeso es favorecida por las altas tasas de construcción y la autorización del gobierno para mejorar el sistema carretero en los próximos años.

36. Preparación de Arcillas

37. Ejercicio HOMOGENIZACION DE LAS ARCILLAS

39. Sílice SiO2 1713° Cristobalita Porcelana Dura (whitewares) Tridimita Pisos, Azulejos, Sanitarios 990° Aisladores Eléctricos Feldespato Metacaolín Al2O3.SiO2 1410° Porcelana Dental Mullita 1810° Corundum Leucita 1588° Mullita 3Al2O3.2SiO2 Leucita K2O.Al2O3.4SiO2 La gran mayoría de composiciones de la cerámica tradicional están basadas en mezclas de arcillas, feldespatos y sílices

40. Feldespatos • Constituyente importante de las rocas magmáticas • Composición oscila entre la de la ortoclasa (silicato aluminio potásico) KAlSi3O8, la albita (silicato aluminio sódico) NaAlSi3O8 y la anortita (silicato aluminio cálcico) CaAl2Si2O8 que pertenecen a la subclase de los tectosilicatos • Los feldespatos se emplean generalmente en la industria cerámica para la fabricación de porcelana, lozas, en la industria de vidrios, de esmaltes (molido muy fino, se mezcla con caolín y cuarzo), y en la industria de abrasivos. • Se utilizan como ligas en las pastas cerámicas. • Al quemarse la pasta, el feldespato se funde y forma vidrio líquido que une a las partículas de arcilla. • Se extrae en forma maciza. • A bajas temperaturas se comporta como refractario, a altas temperaturas como fundente

41. FELDESPATOS • El Feldespato es un grupo extenso de minerales compuesto por aluminosilicatos de potasio, sodio, calcio o, a veces, bario. • Aproximadamente, el 60% de los feldespatos se halla en las rocas eruptivas; • alrededor del 30% corresponde a las rocas metamórficas, principalmente esquistos cristalinos; • los demás 10 – 11% se halla más que nada en las areniscas y conglomerados donde los feldespatos aparecen en granos rodados o forman parte de los casquijos.

43. ALUMINA: Al2O3 52.9% Al, 47.1% O • Producto intermedio de la obtención de aluminio a partir de la bauxita. • El óxido de aluminio cristalino se llama corindón y es utilizado sobre todo como abrasivo. • Naturaleza: El corindón transparente se llama rubí cuando es rojo y zafiro en los otros casos, utilizándose en joyería y en los emisores de rayos láser. • Insoluble al agua, difícilmente soluble en ácido o bases fuertes • Material refractario • Aumenta la tensión superficial, viscosidad, elasticidad y dureza de esmaltes • Se lo puede utilizar hasta los 1900C • Construir hornos, crisoles y aislantes

44. La alúmina es un material de color blanco tiza de consistencia similar a la arena fina. • La industria emplea el proceso Bayer para producir alúmina a partir de la bauxita. • La alúmina es vital para la producción de aluminio– • 2 TONS de alúmina1 TON aluminio-.

45. PROCESO BAYER La bauxita se lava y se disuelve en sosa cáustica (hidróxido de sodio) a una presión y temperatura alta (100 C). El resultado es un “licor” que contiene una solución de aluminato de sodio y residuos de bauxita sin disolver que contienen hierro, silicio y titanio. Estos residuos se hunden gradualmente hasta el fondo del tanque y son removidos. Son comúnmente conocidos como "barro rojo". La solución de aluminato de sodio clarificada es bombeada dentro de del precipitador. Se añaden finas partículas de alúmina con el fin de inducir la precipitación de partículas de alúmina puras, una vez que el líquido se enfría. Las partículas se depositan en el fondo del tanque, se remueven y luego son sometidas a 1100°C en un horno o calcinador, a fin de eliminar el agua que contienen, producto de la cristalización. El resultado es un polvo blanco, alúmina pura. La soda cáustica es devuelta al comienzo del proceso y usada nuevamente.

46. Productos • Pavimentos y revestimientos • Baldosas se clasifican en: • Pavimento gresificado: Extrusión o Prensado, Cocidas sobre 1000C, Esmaltadas o no • Gres Rústicos • Baja absorción de agua (fase vítrea) • Elevada Resistencia Mecánica • Productos de mas alta gresificacion: fachadas y pavimentos exteriores • Productos menos gresificacion (semigres): baldosas rusticas, baldosín (sin esmaltarse, extrusión) • Gres porcelanico: Altos % feldespato (33%), aspecto similar a porcelana • Absorción agua baja (0 - <0.5%) • Resistencia Mecánica muy elevada • Admite pulido (reemplazo de piedra natural) • Cocción: 1230 C

47. Revestimiento Poroso: Baldosas de menor resistencia mecánica • 900 C • Vitrificación Incompleta • Aplicaciones: paredes interiores • Prensado (esmaltado) • Clasificación de baldosas según norma ASTM

49. Comité Europeo de Normalización (CEN) clasifica pavimentos y revestimientos cerámicos en 12 grupos • Según el tipo de conformado • Prensado • Extrusión • Colado • Porosidad abierta • absorción de agua (E)