CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN A LOS

MATERIALES CERÁMICOS

PROFESORA: ELCY MARÍA CÓRDOBA TUTA

ASIGNATURA:

MATERIALES REFRACTARIOS

ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

Antigua

• Término griego “KERAMOS” (Material quemado)

• Artículo sólido formado por la acción del calor sobre materias primas terrosas.

Moderna (incompleta)

• Artículo sólido compuesto en su mayor parte por sustancias inorgánicas no metálicas y endurecido por acción del calor.

Actualmente aceptada

• Sólido inorgánico no metálico (Kingery, 1976).

1. DEFINICIÓN

• Sólido inorgánico no metálico (Kingery, 1976).

• Artículo sólido compuesto en su mayor parte por sustancias inorgánicas no metálicas y endurecido por acción del calor.

• Término griego “KERAMOS” (Material quemado)

• Artículo sólido formado por la acción del calor sobre materias primas terrosas.

¿El grafito y el diamante son

cerámicos?

Compuesto orgánico:

Es aquel que tiene como componente principal al

carbono, en combinación con otros elementos

como oxígeno, nitrógeno e hidrógeno.

Grafito y diamante: Compuestos sólo de

carbono. Son materiales cerámicos.

•El trabajo de la arcilla fue una técnica común a

todas las culturas primitivas.

•La cerámica fue uno de los

primeros materiales fabricados

por el hombre luego del

descubrimiento del fuego.

2. HISTORIA DE LA CERÁMICA

•Cerámicas más antiguas (hace diez mil años):

recipientes encontrados en Siria, Mesopotamia

inferior, noreste de Nigeria. Cocidos a fuego

directo.

•Tablillas de barro de los sumerios (5000 A.C.)

para transmitir mensajes.

•Primeros hornos: Mesopotamia (año 4500 A.C.).

Figuras con sentido religioso y urnas fúnebres,

fabricadas a mano.

Adobe: Mezcla de

barro y paja. Secado

al sol. Sin cocción.

•Ladrillos de barro (4000

A.C.), sólo para

construcción de murallas,

templos y palacios.

•Tejas (800 A.C.) en

Grecia

•Torno alfarero (2500

A.C.) en Egipto

•Caolín: En el año 2000 A.C. los chinos

descubrieron la arcilla de mayor calidad, en una

colina denominada Kao-Ling.

Al mezclarlo con feldespato y agua y cocerlo a alta

temperatura (1200-1300°C), obtuvieron un material

blanco y muy vitrificado “PORCELANA”.

•Culturas precolombinas: No tuvieron gran

desarrollo en la alfarería, no se desarrollaron

hornos de gran temperatura (sólo 500-600°C).

•En América los materiales vidriados

se conocieron con la llegada de los

conquistadores.

•En Egipto desde el 1450 A.C. ya

existía toda una “industria del vidrio”.

• Cerámicos modernos

3. CLASIFICACIÓN DE LOS

CERÁMICOS

Formas de

clasifica-ción

Rápida

Composición

Estructura Productos

Función

TRADICIONALES

• A base de silicatos y aluminosilicatos (Ej. arcillas).

• Baratos (materia prima abundante en la corteza terrestre).

• Tejas, ladrillos, etc.

AVANZADOS

• A partir de la concentración y purificación de minerales poco abundantes.

• Materiales sintéticos.

• Costosos

• ZrO2, SiC, BaTiO3

DIVISIÓN RÁPIDA

ELEMENTO % PESO

O 46.60

Si 27.72

Al 8.13

Fe 5.00

Ca 3.63

Na 2.83

K 2.59

Mg 2.09

Ti 0.44

H 0.14

Resto

elementos

0.83

> 80%

COMPOSICIÓN DE LA CORTEZA

TERRESTRE

“La corteza terrestre es el mayor

material cerámico en la naturaleza”

COMPOSICIÓN (ÓXIDOS Y NO ÓXIDOS)

Componentes

principales

Tipos Ejemplos

Óxidos

Silicatos

Puros: SiO2 (cristalina, vítrea)

Parcialmente sustituidos:

Aluminosilicatos (SiO2+ Al2O3 + otros)

No silicatos

Puros: Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2, BaO,

BeO, Cr2O3, UO2, GeO2, WO3, etc.

Parcialmente sustituidos:

ferritas (NiFe2O4)

Sales: yeso (CaSO4)

No óxidos

Mono-

elementales

Grafito (C)

Azufre (S)

Binarios

Carburos (SiC, B4C3, WC, etc.)

Boruros (ZrB2, etc.)

Nitruros (BN, Si3N4)

Fosfuros (AlP)

Silicluros (MoSi2)

Calcogenuros (S + otro elemento)

Halogenuros (F, Cl, Br, I + otro elemento)

Arseniuros (GaAs)

Ternarios, etc.

Los anteriores parcialmente sustituidos

Mezclas de óxidos y no óxidos (SIALON:

Si3N4+Al2O3)

ESTRUCTURA

• Teniendo en cuenta el ordenamiento de largo

alcance de lo átomos:

1.Monocristalinos: naturales (cuarzo, rubí,

diamante), sintéticos (diamante)

2.Policristalinos: obtenidos por sinterización

(inmensa mayoría de cerámicos cristalinos)

3.No cristalinos: estructura amorfa (vidrios)

Diamante (C puro) Cuarzo (SiO2) Escapolita (silicato de Al)

Modelo atómico en un

material ordenado

(cristalino)

Modelo atómico en un

material amorfo

(vidrio)

Alúmina (Al2O3) Vidrio (con inmiscibilidad

líquida)

IMÁGENES DE MISCROSCOPIA

ELECTRÓNICA DE BARRIDO

VITROCERÁMICA

MICROESTRUCTURA DE UN

VITROCERÁMICO

PRODUCTOS

DENOMINACIÓN DEFINICIÓN GENERAL Y EJEMPLOS

Cerámica roja Productos de arcilla cocida, generalmente porosos: ladrillos,

tejas, objetos artísticos, etc.

Cerámica blanca Productos de caolín-feldespato-cuarzo, pueden ser porosos

o no: lozas, porcelana para vajillas, sanitarios, etc.

Refractarios Productos resistentes a altas temperaturas: Sílico-

aluminosos, de alta alúmina, básicos, etc.

Vidrios Productos no cristalinos, generalmente transparentes:

vidrios planos, envases, fibras, etc.

Cementos Productos que presentan características aglomerantes y

adhesivas al ser mezclados con agua. Cemento Pórtland,

yeso, cal, etc.

Abrasivos Productos de alta dureza usados para cortar y pulir: carburo

de silicio, diamante, carburos metálicos, etc.

Cerámicos

especiales

Los productos no comprendidos en los grupos anteriores

FUNCIÓN

FUNCIÓN EJEMPLOS Y USOS

Eléctrica y

electrónica

Aislantes: Porcelanas, Al2O3, etc. → aisladores

Ferroeléctricos y piezoeléctricos: BaTiO3, etc. →

capacitores, osciladores, transductores, etc.

Semiconductores: óxidos de metales de transición →

termistores, varistores

Superconductores: Tl2Ba2Ca2Cu3Ox

Conductores iónicos: β-Al2O3, ZrO2, etc. → electrolitos

sólidos, sensores.

Magnética Ferritas: memorias, sensores

Óptica Lentes, filtros ópticos, etc.: vidrios

Química Sensores de gases: ZrO2, SnO2

Soportes de catalizadores: Al2O3, vidrios, etc.

Electrodos: grafito, etc.

Térmica Refractarios: sílico aluminosos, básicos, etc.

Mecánica Materiales de construcción: cerámica roja (ladrillos, etc)

Abrasivos: Al2O3, diamante, TiC, SiC, etc.

Nuclear Combustibles nucleares: UO2, PuO2

Protección: vidrios con PbO

Biológica Prótesis óseas y dentales: Al2O3, etc

Recubrimientos: hidroxiapatita

Huesos artificiales: biovidrios

MICROESTRUCTURA TÍPICA DE

LOS MATERIALES CERÁMICOS

En gran medida, la

microestructura

define las

propiedades del

cerámico

Ejemplo distribución de fases:

OBTENCIÓN DE UNA PORCELANA

MATERIAS PRIMAS

45% caolinita (Al2O3·2SiO2·2H2O)

25% cuarzo (SiO2)

25% feldespato (K2O·Al2O3·6SiO2)

5% comp. Minoritarios (Fe2O3, TiO2, etc.)

Principales transformaciones

durante la cocción de la porcelana

Caolinita:

3(Al2O3·2SiO2·2H2O) → 3Al2O3·2SiO2 + 4SiO2 + 6H2O

Caolinita mullita cristobalita

Cuarzo: SiO2 → SiO2

cuarzo cristobalita (hexag., 2,65 g/cm3) (tetrag., 2,33 g/cm3)

Feldespato:

feldespato → vídrio (silicato K)

45% caolinita

(Al2O3·2SiO2·2H2O)

25% cuarzo (SiO2)

25% feldespato

(K2O·Al2O3·6SiO2)

5% comp. minoritarios

(Fe2O3, TiO2, etc.)

40% mullita

(3Al2O3·2SiO2)

15% cristobalita (SiO2)

15% cuarzo (SiO2)

30% fase vítrea

(todos los elementos)

1000 a

1500°C

Micrografías de una

porcelana sinterizada

a 1475°C

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS

MATERIALES CERÁMICOS

• Casi el 90% de los elementos metálicos

cristalizan en los sistemas cúbico y hexagonal.

• El sistema cristalino de la mayoría de cerámicos

es diferente al cúbico y al hexagonal.

• Las propiedades de los cerámicos dependen en

gran medida de su arreglo atómico.

• Debido a sus enlaces iónicos y covalentes, los

cerámicos por lo general son:

Duros, frágiles, con alto punto de fusión, baja

conductividad eléctrica y térmica, estables

química y térmicamente y tienen elevada

resistencia a la compresión.

• Ejemplos de excepciones:

- El SiC y AlN tienen conductividades térmicas

parecidas a la de los metales.

- El FeO, ZnO, TiO2 son semiconductores

- El YBa2Cu3O7-x es superconductor

FACTORES DE LOS QUE DEPENDE

LA ESTRUCTURA DE LOS CERÁMICOS

1.Estequiometría del cristal

2.Tamaño de los átomos presentes

3.Grado de direccionalidad de los enlaces

ESTEQUIOMETRÍA DEL CRISTAL

Balance de cargas para mantener la neutralidad

eléctrica global.

N° cargas positivas = N° cargas negativas

Dependiendo de su estequiometría el cerámico

tiene tendencia a algunas estructuras en particular.

AX

MgO

Mg

O

AX2

ZrO2

Zr

O

ABX3

CaTiO3

Ca

O

Ti

TAMAÑO DE LOS ÁTOMOS PRESENTES

(Relación entre radios)

Los átomos se arreglan de tal forma que alcancen

el estado de menor energía posible.

Se maximizan las fuerzas de atracción entre

átomos y se minimizan las de repulsión.

Cada catión se rodea del mayor número posible de

aniones.

Críticamente

estable

Inestable

(Vibración del catión)

Estable

La estabilidad del

sistema aumenta con

la relación de radios

del catión y el anión:

rc/ra

Número de

coordinación

Arreglo de iones

alrededor del ion

central

Rango de rc/ra Estructura

3

4

6

8

12

Esquinas de un

triángulo

Esquinas de un

tetraedro

Esquinas de un

octaedro

Esquinas de un

cubo

Esquinas de

cuboctaedro

≥ 0.155

≥ 0.225

≥ 0.414

≥ 0.732

≈ 1.000

RELACIONES CRÍTICAS DE RADIOS PARA

VARIOS NÚMEROS DE COORDINACIÓN

La estructura más estable es aquella con el máximo número de coordinación

permitido por la relación de radios

¿Cuáles son las estructuras esperadas

para el CsCl y el MgO?

Para el CsCl:

rCs+/rCl- = 0.170 nm/0.181 nm = 0.94

Número de coordinación = 8

Estructura cúbica

Para el MgO:

rMg2+/rO2- = 0.065 nm/0.144 nm = 0.45

Número de coordinación = 6

Estructura octaédrica

GRADO DE DIRECCIONALIDAD DE

LOS ENLACES (Carácter covalente)

Muchos compuestos con rc/ra ≥ 0.414

cristalizan con arreglos tetraédricos y no

octaédricos (como habría de esperarse).

Esto sucede cuando aumenta el carácter

covalente del enlace.

ENLACES EN LOS CERÁMICOS

IÓNICO COVALENTE MEZCLA

Enlace iónico Enlace covalente

Electronegatividades muy

diferentes

Electronegatividades similares

Un átomo donor y otro aceptor Los átomos comparten electrones

Estructuras compactas Estructuras no compactas

Enlace no direccional Enlace direccional

La resistencia del enlace

aumenta con la carga

Compuestos con resistencias y

temperaturas de fusión altas

MgO, Al2O3, ZrO2 Nitruros, carburos, etc.

Electronegatividad: Capacidad de un átomo para atraer

hacia él los electrones compartidos en el enlace con otro

átomo.

• Entre más diferentes sean las electronegatividades de los

átomos, mayor es el carácter iónico del enlace.

Pauling:

XA y XB son las electronegatividades del catión y del anión

Cationes con alto poder polarizante (Cu2+,

Al3+, Zn2+, Hg2+) enlazados a aniones que

son fácilmente polarizables (I-, S2-, Se2-).

Catión

polarizante

Anión

polarizable

Nube de electrones

distorsionada

La distorsión es

equivalente a que un par

de electrones se

movieran hacia la región

entre los dos núcleos y

formaran un enlace

covalente.

Distorsión de la nube de electrones de un anión

Átomos que favorecen la

hibridización sp3 (Si, C, Ge) tienden a

estabilizar la coordinación tetraédrica.

Configuración electrónica

del átomo de carbono 1s22s22p2

1s 2s Dos orbitales

2p semillenos

1s Cuatro orbitales equivalentes

y semillenos sp3

Los cuatro orbitales híbridos

sp3 están dirigidos

simétricamente hacia los

vértices de un tetraedro

Los cuatro orbitales

híbridos sp3 forman

cuatro enlaces

covalentes

EJEMPLOS DE ESTRUCTURAS

TÍPICAS EN LOS CERÁMICOS

La mayoría de estructuras cristalinas consisten

de arreglos compactos de los aniones con uno o

mas tipos de cationes posicionados en los

huecos tetraédricos u octaédricos. Aquí

predomina el enlace iónico.

H. octaédricos H. tetraédricos

Otras estructuras consisten en tetraedros y/o

octaedros aislados que se unen entre sí

compartiendo vértices o caras. Poseen alto

grado de enlace covalente direccional.

(Pirosilicato)

ESTRUCTURAS CERÁMICAS CON

UN SOLO ELEMENTO

No son muy abundantes. La más importante es

la tipo Diamante.

Diamante (C)

Estructura derivada de la estructura FCC, rellenando

la mitad de los huecos tetraédricos con átomos

iguales a los del empaquetamiento.

Otros elementos con esta estructura son: Si, Ge, Sn.

Compuesta de

átomos de C con

hibridización sp3

Grafito

Estructura en capas: átomos de C con arreglo

hexagonal. Cada átomo está unido por enlaces

covalentes a tres átomos.

Las fuerzas de unión entre capas son muy

débiles (tipo Van der Waals).

• Es buen conductor eléctrico

(los e- se pueden mover

entre planos).

• Se usa como lubricante

seco (débiles enlaces

interplanares).

e-

ESTRUCTURAS CERÁMICAS BINARIAS

Cl-

Cs+

Cloruro de cesio (CsCl)

• Cúbica simple: enlace iónico entre el anión (Cl-)

y el catión (Cs+).

Ocurre cuando los

cationes son muy grandes

como para ocupar los

huecos tetraédricos u

octaédricos.

rCs+/rCl- = 0.94

• Encontrada en haluros con propiedades ópticas:

CsBr, CsI, TlCl, TlBr.

Cloruro de sodio (NaCl)

• Cúbica centrada en las caras: enlace iónico

entre el Cl- y el Na+.

• Los cationes ocupan los sitios octaédricos

intersticiales.

Cl

Na rNa+/rCl- = 0.64

N° coord. = 6

Arreglo octaédrico

• Es típica de sulfuros (PbS), carburos (TiC, NbC, TaC),

nitruros (ZrN) y algunos óxidos (MgO, CaO, SrO, BaO,

CdO, FeO y NiO).

• Muchos de ellos no son estequiométricos:

TiO: Ti0.85O a TiO

FeO: Fe0.90O a Fe0.96O

• La presencia de tales vacancias hacen que los metales

existan en dos estados de valencia y que tengan

propiedades semiconductoras.

• Algunos nitruros y carburos (NbC, TaC, ZrN) son

superconductores a baja temperatura.

• Los carburos (Ej. TiC) tienen alta dureza (2479 kg/mm2-

Knoop), químicamente inertes (resistente a la oxidación

hasta 1200ºC) y tienen altos puntos de fusión (3147ºC).

Blenda de zinc o esfalerita (ZnS)

• Cúbica centrada en las caras: Los cationes

ocupan la mitad de los sitios intersticiales

tetraédricos.

• Son generalmente semiconductores.

• Ejemplos: Carborundo (β-SiC), GaAs.

Prevalece el enlace

covalente (87% para

ZnS)

Wurtzita (ZnS)

• Estructura hexagonal compacta formada por

combinación de aniones y cationes.

Coordinación

tetraédricas entre

aniones y cationes

• Algunos compuestos (SiC, ZnS, AlN, GaN, BeO,

ZnO) sufren polimorfismo entre las estructuras

de la esfalerita (bajas T) y la wurtzita (altas T).

• El BeO y AlN han sido usados en la industria

electrónica por su alta conductividad térmica

(disipadores de calor). Los polvos son altamente

tóxicos.

• El GaN (semiconductor) produce luz azul y

verde (dispositivos láser, luces verdes de los

semáforos, etc.)

Fluorita (CaF2)

• Los cationes forman una estructura cúbica

centrada en las caras.

• Aniones localizados en las ochos posiciones

tetraédricas dejando vacío el centro de la celda

unitaria.

rCa2+/rF- = 0.80

N° coord. = 8

Arreglo cúbico

• Ejemplos: UO2, CeO2, ZrO2, ThO2.

• El UO2 se usa como combustible de reactores

nucleares. Puede acumular productos de fisión

nuclear (como He) en el intersticio central sin

deformar la red.

• Los fluoruros con esta estructura tienen

aplicaciones ópticas, ya que son de los pocos

materiales transparentes a las menores

longitudes de onda del rango de luz UV (<0.13

µm)

Perovskita (CaTiO3)

• Hay tres tipos de iones. El catión grande (Ca2+)

se combina con el oxígeno para formar una

estructura FCC, mientras que el catión pequeño

y de mayor carga (Ti4+) ocupa los intersticios del

octaedro.

• Ejemplos: CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, SrSnO3,

CaZrO3, SrZrO3, KNbO3, NaNbO3, LaAlO3, YAlO3 y

KMgF3.

• La distorsión de la celda produce una señal

eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos

sirvan como transductores (señal eléct. a mec.)

• Las características más importantes de las

perovskitas son:

- Ferroelectricidad (polarización eléctrica

espontánea, sin aplicar campo eléctrico)

- Piezoelectricidad (convierten señal eléctrica a

mecánica y viceversa)

Corindón (α-Al2O3)

• Similar a una estructura hexagonal compacta.

• Los aniones ocupan los sitios de la estructura

HCP, mientras que los cationes las dos terceras

partes de los sitios intersticiales.

• Ejemplos: Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, Ti2O3, U2O3,

Ga2O3 y Rh2O3.

• Los principales usos de la alúmina son:

refractarios, aislantes eléctricos y abrasivos.

ESTRUCTURAS CERÁMICAS TERNARIAS

Espinela (MgAl2O4)

• Compuesta por dos tipos de cationes: uno divalente

(Mg2+) y otro trivalente (Al3+).

Al3+ Mg2+ O2-

Al4O4 MgO4

32 átomos de oxígeno

16 átomos de aluminio

8 átomos de magnesio

TIPOS DE ESPINELAS

Normal (AB2O4) Inversa [B(AB)O4]

A2+ en los sitios tetraédricos

B3+ en los octaédricos

A2+ y ½ de B3+ en los octaédricos

½ de B3+ en los tetraédricos

ZnFe2O4, CdFe2O4,

MgAl2O4, FeAl2O4, CoAl2O4,

NiAl2O4, MnAl2O4, ZnAl2O4

Con propiedades magnéticas

Ferritas: FeMgFeO4, FeTiFeO4,

Fe3O4, ZnSnZnO4, FeNiFeO4

Principales aplicaciones: Refractarios,

materiales magnéticos.

Silicatos cristalinos

• El tetraedro SiO4 es la estructura básica de los

silicatos.

• Los tetraedros de Sílice, SiO44- se comportan

como grupos iónicos, que se unen a otros iones

formando diversos arreglos

•Ortosilicatos (olivina)

Los tetraedros SiO44- son independientes unos a

otros. Los iones oxígeno se combinan a cationes

como Mg2+ o Fe2+. (Mg2SiO4, Fe2SiO4, etc.)

•Pirosilicatos

Cuando dos tetraedros comparten un vértice

formando un tetraedro doble (Si2O76-). No son

comunes.

•Metasilicatos

Cuando los tetraedros comparten dos vértices,

formando una variedad de estructuras de anillos y

cadenas (contienen los iones (SiO3)n2n-).

Wollastonita (CaSiO3)

(Anillos de Si3O9)

•Estructuras laminares

Los tetraedros comparten tres vértices formando

estructuras laminares (arcillas, mica, talco).

Caolinita

(Al2Si2O5(OH)4)

Montmorillonita

(Al2(Si2O5)2(OH)2)

•Estructuras tridimensionales

Los tetraedros comparten los cuatro vértices entre

ellos. Ejemplos: sílice, feldespatos [Albita

(NaAlSi3O8), Anortita (CaAl2Si2O8), Ortoclasa

(KAlSi3O8), etc.]

PROCESAMIENTO DE LOS

MATERIALES CERÁMICOS

PROCESOS CERÁMICOS UNITARIOS

• Obtención de materias primas de alta calidad

PREPARACIÓN DE LAS MATERIAS

PRIMAS

• Mezcla de materias primas con un aglomerante (agua) y otros aditivos

OBTENCIÓN DE LAS PASTAS CERÁMICAS

• Darle forma a las piezas cerámicas (prensado, extrusión, colado, etc.)

CONFORMADO

• Eliminación de agua libre SECADO

• Darle resistencia y demás propiedades a los cerámicos

COCCIÓN

I. PREPARACIÓN DE LAS

MATERIAS PRIMAS

TIPOS DE MATERIAS PRIMAS

1. DE ORIGEN MINERAL

2. PRODUCTOS QUÍMICOS

3. MATERIALES RECICLADOS

MATERIAS PRIMAS

1. MATERIAS PRIMAS

MINERALES

ALUMINO-SILICATOS

CARBONATOS

ÓXIDOS METÁLICOS Y OTRAS

ALUMINO-SILICATOS

COMPOSICIÓN

DE LA CORTEZA

TERRESTRE

ELEMENTO % PESO

O 46.60

Si 27.72

Al 8.13

Fe 5.00

Ca 3.63

Na 2.83

K 2.59

Mg 2.09

Ti 0.44

H 0.14

Resto elementos 0.83

> 80%

ARCILLAS

Son hidrosilicatos de aluminio (nAl2O3∙mSiO2∙xH2O)

•Caolinita (2SiO2∙Al2O3∙2H2O)

•Montmorillonita (6SiO2∙3Al2O3∙Na2O∙2H2O)

•Illita (14SiO2∙5Al2O3∙K2O∙4H2O)

FELDESPATOS

(Alum.-silicatos

de Ca, Na y/o K.

Ricos en SiO2)

•Ortoclasa (6SiO2∙Al2O3∙K2O)

•Anortoclasa [6SiO2∙Al2O3∙(K2O, Na2O)]

•Albita (6SiO2∙Al2O3∙Na2O)

•Anortita (2SiO2∙Al2O3∙CaO)

OTROS SÍLICO-

ALUMINATOS

•Nefelina (8SiO2∙4Al2O3∙3Na2O∙K2O)

•Sillimanita (SiO2∙Al2O3)

•Espodumeno (4SiO2∙Al2O3∙Li2O)

SILICATOS

•Cuarzo,Cristobalita, Tridimita (SiO2)

•Wollastonita (SiO2∙CaO)

•Forsterita (SiO2∙2MgO)

•Circón (SiO2∙ZrO2)

ALUMINO-SILICATOS

CARBONATOS

•Calcita (CaCO3)

•Magnesita (MgCO3) → P.F. MgO: 2800°C

•Dolomita (Ca, Mg)(CO3)2

OTRAS MATERIAS PRIMAS

•Bauxita (Al2O3·xH2O) → Alúmina

•Fluorita (CaF2) → fluidez a las escorias y vidrios

•Cromita (FeO·Cr2O3) → Refractarios

•Rutilo (TiO2) → Esmaltes (color blanco), nucleante (vitrocerámicos)

•Grafito (C) → Resiste temp. hasta de 3800°C (atmósfera inerte)

2. PRODUCTOS QUÍMICOS

Obtenidos por procesos de síntesis (alta pureza):

• Componentes principales de los cerámicos (TiO2,

FeO, NiO, ZnO, etc.).

• Insumos minoritarios: NaOH (defloculante), Bórax:

Na2B4O7·10H2O (fundente), Cr2O3 (colorante

verde), Co2O3 (colorante negro), SnO2 (colorante

blanco).

3. MATERIALES RECICLADOS

• Vidrio (hasta 80-90% de la mezcla)

• Chamota (cerámico cristalino, piezas desechadas)

ETAPAS DE LA PREPARACIÓN DE

MATERIAS PRIMAS

1.Conminución

2.Clasificación

3.Purificación

1. REDUCCIÓN DE TAMAÑO DE PARTÍCULA

• Las propiedades físico-mecánicas de los

cerámicos dependen estrechamente de la

distribución de tamaño de partículas de la

materia prima.

Distribución de tamaño partículas

Compactación de partículas

durante el conformado

(Porosidad)

Densificación del cerámico en verde y luego de

sinterización

Propiedades mecánicas

¿CUÁL ES EL TAMAÑO DE PARTÍCULA MÁS

ADECUADO?

Se requiere heterogeneidad en el tamaño de las

partículas para maximizar su empaquetamiento.

Empaquetamiento de las partículas

30% porosidad 26% porosidad 23% porosidad

DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑO DE PARTÍCULAS

PARA UN MÁXIMO EMPAQUETAMIENTO

Ejemplo (densificación de la alúmina)

Se ha estimado que con partículas menores a

1 μm se consigue la densificación ideal

(teórica) luego de la sinterización.

CRECIMIENTO DE GRANOS DURANTE LA

SINTERIZACIÓN DE UN CERÁMICO

¿SIEMPRE SE DESEA OBTENER LA MÁXIMA

DENSIFICACIÓN DEL CERÁMICO?

• En algunas aplicaciones una alta porosidad en el

cerámico es benéfica: Ej. Refractarios aislantes.

• En tales casos conviene minimizar el material

fino.

EQUIPOS DE MOLIENDA

La molienda puede ocurrir por:

• Impacto: fuerzas compresivas (golpes con los

cuerpos moledores y la pared del molino).

Ej. Molino de bolas

• Atrición o desgaste: los golpes no quiebran

completamente las partículas (separación de

pequeños fragmentos). El producto es más fino.

Ej. Molino de atrición

Molino de bolas Molino de atrición

•Por los fuertes golpes dentro del

molino se produce un gran

desgaste de los cuerpos

moledores y de la pared interior

del molino → CONTAMINACIÓN

•Se puede controlar la atmósfera

al interior del molino (Ej. Vacío,

inerte).

•Hay menor contaminación del

material.

SOLUCIONES AL PROBLEMA DE CONTAMINACIÓN

• Usar cuerpos moledores muy duros y pesados

como el carburo de tungsteno (WC).

• Usar cuerpos moledores del mismo material que

se está moliendo (ó de uno que no afecte las

propiedades del cerámico en desarrollo).

• Recubrir la pared interior del molino con

poliuretano u otro material resistente al desgaste

y no contaminante.

La molienda puede hacerse en seco o en húmedo

Molienda en seco

•Se evita el secado de la

muestra.

•Se evita una posible

reacción partícula-líquido.

•Menor desgaste de los

cuerpos moledores y de la

pared del molino.

Molienda en húmedo

•Menor consumo de energía

(por la mayor eficiencia en la

molienda).

•Se facilita el tamizaje en

mallas finas.

•Buena homogenización.

•Producto más fino que en la

molienda en seco.

2. CLASIFICACIÓN

Se usa en el proceso de fabricación de

cerámicos tradicionales a partir de materias

primas minerales.

• Tamizaje

• Ciclones

• Hidrociclones

• Sedimentación

3. PURIFICACIÓN

Eliminación de impurezas.

• Flotación

• Separación magnética (Fe2O3, Fe3O4, TiO2, etc.)

• Lixiviación (óxidos de hierro con ácidos)

PROCESOS CERÁMICOS UNITARIOS

• Obtención de materias primas de alta calidad

PREPARACIÓN DE LAS MATERIAS

PRIMAS

• Mezcla de materias primas con un aglomerante (agua)

OBTENCIÓN DE LAS PASTAS CERÁMICAS

• Darle forma a las piezas cerámicas (prensado, extrusión, etc.)

CONFORMADO

• Eliminación de agua libre SECADO

• Darle resistencia y demás propiedades a los cerámicos

COCCIÓN

II. MEZCLADO Y

PREPARACIÓN DE PASTAS

•La finalidad del mezclado es homogenizar el material en

cuanto a composición y tamaño de partícula.

•Durante el mezclado las pastas de arcillas adquieren

plasticidad.

Mezclado artesanal

Mezclado mecánico (Recipiente con paletas giratorias)

La humectación necesaria depende del proceso de

conformado:

Proceso % H2O Observaciones

Prensado normal 4-20 Límite máximo: adhesión al molde

Límite mínimo: no mantiene la forma

Prensado en seco 0-1 Puede requerir secado previo

Colado 40-60 Límites: dependen de la fluidez que

se requiera en la barbotina

Extrusión 10-20 Límites: dependen de la forma y

espesor de las piezas y de la

plasticidad de la materia prima

Fusión (vidrios) 2-5 No es parámetro crítico

REQUISITOS DE LAS PASTAS CERÁMICAS

1.Uniformidad en cuanto a composición y

distribución granulométrica.

2.Plasticidad adecuada para su conformado.

3.Alta fluidez (con el menor contenido de agua)

para el caso de las barbotinas (suspensiones

acuosas).

PLASTICIDAD

Es la propiedad de la pasta de deformarse bajo la

acción de un esfuerzo y de mantener la forma

conferida una vez retirada la fuerza actuante.

Forma

original

Deformación Forma

final

Curva

esfuerzo-

deformación

Ejemplos

Material

plástico

•Pastas cerámicas

•Mezclas cemento-agua

•Vidrios fundidos

•Materiales plásticos, etc.

Material

elástico

•Metales y aleaciones

frágiles

•Materiales cerámicos,

etc.

Límite

elástico

ε

σ

ε

σ σ

ε

ε

σ

DETERMINACIÓN DE LA PLASTICIDAD

El método más popular es mediante los Límites

de Atterberg (Norma ASTM D4318-05).

Consiste en determinar los límites de contenido

de agua en la pasta entre los cuales ella es

plástica:

1.Límite Líquido (LL): % agua con el cual la pasta

pasa al estado líquido o de barbotina.

2.Límite Plástico (LP): % mínimo de agua que

necesita la pasta para ser moldeable.

Vis

co

sid

ad

% Agua LP LL

Sólido Pasta

plástica

Barbotina

Efecto de la cantidad de agua sobre la viscosidad de

la pasta cerámica (mezcla arcilla-agua)

DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO

Se utiliza la “Cazuela de Casagrande”

Ranurador Cazuela

Manivela

Procedimiento

1.Se preparan pastas con distintos % de agua, las

cuales se colocan dentro de la cazuela. La pasta

se separa en dos partes con ayuda de una paleta

estandarizada (ranurador).

2. Con ayuda de la manivela se levanta la cazuela a una

altura de 1 cm y se deja caer golpeando su base con una

superficie plástica dura. Se repite este paso hasta que se

cierre la ranura creada inicialmente en la pasta.

3. El límite líquido es el % agua (en peso) para el cual el

surco de la pasta se cierra en 25 golpes.

% H

um

ed

ad

N° golpes 25

LL

DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO

Moldeando manualmente pequeños cilindros con la pasta

(partiendo de un contenido de agua correspondiente al

LL) y disminuyendo el % agua.

El límite plástico (LP) corresponde al % agua para el cual

ya no se puedan moldear cilindros con un diámetro

inferior a 3 mm.

ÍNDICE DE PLASTICIDAD (IP)

Es la diferencia entre los límites líquido y plástico

IP = LL – LP

Los resultados se ubican sobre la Carta de Plasticidad de

Casagrande

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Límite líquido

Ind

ice d

e p

lasti

cid

ad

Arcillas

inorgánicas de

baja plasticidad

Arcillas

inorgánicas

de mediana

plasticidad

Arcillas inorgánicas

de alta plasticidad

IP = 0.73 (LL - 20)

Suelos no

cohesivos

Limos inorgánicos de alta

compresibilidad

Limos inorgánicos de

baja compresibilidad Limos inorgánicos de

mediana compresibilidad y

limos orgánicos

●

▲

Arcilla LL LP IP

Antes

beneficio

41.3 25.0 16.3

Después

beneficio

72.7 42.5 30.2

III. CONFORMADO DE LAS

PIEZAS CERÁMICAS

El conformado es la etapa en la cual se le da la

forma deseada a las piezas.

Técnicas de conformado más usadas:

• Moldeado a mano

• Torneado mecánico

• Prensado

• Extrusión

• Colado o colaje de barbotinas

• Moldeo por inyección

1.MOLDEADO A MANO

Método más antiguo, limitado a la producción

artística o artesanal.

2.TORNEADO

Se le da forma a las piezas con ayuda de un

torno: equipo sencillo, constituido de un plato

giratorio. Con ayuda de la fuerza centrífuga se da

forma a la pieza a partir de la pasta cerámica.

Método muy usado en alfarería, para fabricación

de recipientes (vasijas, materos, platos, etc).

3.PRENSADO

La pasta cerámica se coloca en un molde o

matriz y se le aplica presión para compactarla.

La materia prima se mezcla con aditivos

especiales que facilitan la compactación de las

partículas:

• Aglomerantes

• Plastificantes

• Lubricantes

a) AGLOMERANTES

Le dan resistencia a las piezas en verde para

que puedan ser manipuladas. (0.5-5% en peso)

ORGÁNICOS

• Polivinil alcohol (PVA)

• Dextrina, almidón

• Celulosa

• Resinas termoplásticas

• Gelatinas

• Ceras, gomas, etc.

INORGÁNICOS

• Arcillas

• Silicatos de Mg, Al

• Sílice coloidal

• Alúmina coloidal

• Fosfatos, etc.

La selección del aglomerante depende

principalmente del tipo de prensado: seco o

húmedo, pequeña o gran escala.

BLANDOS (en seco)

• Sensibles a las temperatura (ceras, gomas, etc.).

• No requieren adición de humedad ni de lubricantes.

• Pueden extruirse entre los componentes de la matriz.

• No se usan para producción a gran escala.

DUROS (en húmedo)

• Dextrina, almidón, etc.

• Requieren el uso de agua y lubricante.

• Producen gránulos duros y dimensionalmente estables.

• Se usan para producción a gran escala.

El comportamiento de los aglomerantes

orgánicos depende de la temperatura y de la humedad.

Transición dúctil-frágil

(Tg: Temperatura de transición vítrea)

Comportamiento Frágil (T < Tg) Comportamiento Dúctil (T > Tg)

Defo

rmació

n

Tiempo

Recuperación

Eliminación carga

Carga aplicada

0

+

_

Defo

rmació

n

Tiempo

Eliminación carga

Carga aplicada

0

+

_

Recuperación

• Mayor tendencia a fracturarse

que a deformarse

• Excelente capacidad

aglomerante y lubricante

Este comportamiento a la deformación puede variarse con la

adición de PLASTIFICANTES.

b) PLASTIFICANTES

Aumentan la plasticidad del material.

Se adiciona junto con los aglomerantes no

plásticos.

Ejemplos: polietilenglicol (PEG), glicerol, etc.

c) LUBRICANTES

Reducen la fricción entre partículas y entre el

polvo y la pared de la matriz.

Se adicionan en pequeñas cantidades (≤ 3%).

La selección debe hacerse teniendo en cuenta la

química de la materia prima y la pureza

necesaria del cerámico.

MATERIALES CON BAJA RESISTENCIA A LA

CIZALLA USADOS COMO LUBRICANTES

Estearato de zinc Parafina

Ácido esteárico Cera sintética

Ácido oleico Estearato de Litio

Aceites Estearato de potasio

Ácido nafténico Estearato de sodio

Ácido bórico Estearato de amonio

Nitruro de boro Estearato de magnesio

Grafito Talco

EFECTO DE LOS LUBRICANTES

Obtención de piezas uniformes

Aumento de la densidad en verde

Disminución de la presión para sacar la pieza de la matriz

(ρalúmina: 3.96 g/cm3)

Cera sintética

Acido esteárico

Estearato de zinc

MÉTODOS DE PRENSADO

• Prensado en una dirección Uniaxial

• Prensado en diferentes direcciones

Isostático

a) PRENSADO UNIAXIAL

Los polvos se compactan en una matriz rígida

aplicando, mecánica o hidráulicamente, presión a

lo largo de una dirección axial simple mediante

un punzón.

Polvos

Tolva alimentadora

de los polvos

Punzones

superiores

Pieza en

verde

1. Preparación matriz 2. Llenado 3. Compresión 4. Eyección

Cuerpo

del molde Punzones

inferiores

• Ciclos: 6 y 100

veces por minuto.

TIPOS DE PRESIÓN UNIAXIAL

Clase Definición Tipo presión

uniaxial

Ejemplos (sección transversal)

I Piezas delgadas

de un solo nivel

Acción simple

II Piezas gruesas

de un solo nivel

Acción doble

III Piezas de dos

niveles

Acción doble

Movimiento

múltiple

IV Piezas con

múltiples niveles

Acción doble

Movimiento

múltiple

TIPOS DE PRENSADO DE ACUERDO

A LA HUMEDAD DEL POLVO

• Humedad ≤ 4%.

• Usado principalmente en equipos automatizados.

• Muy útil para fabricar piezas de poco espesor (0.5 mm) con un buen nivel de tolerancia dimensional (±1%). (Especialmente para componentes electrónicos.)

En seco

• Alto contenido de humedad (10-15%).

• Materia prima con alta plasticidad en húmedo (arcillas).

• Deformación plástica durante el prensado.

• La pasta puede extruirse entre las partes de la matriz.

• Nivel de tolerancia dimensional: ±2%.

En húmedo

PROBLEMAS DURANTE EL

PRENSADO UNIAXIAL

• Aire atrapado

• Desgaste de la matriz

• Rebote de la pieza durante su expulsión

• Fricción con las paredes de la matriz

Agrietamiento

• Incorrecta selección del tipo de presión uniaxial

• Fricción entre partículas y entre ellas y la pared de la matriz

• Llenado no uniforme de la matriz

• Presencia de aglomerados duros

Densidad inadecuada

EJEMPLOS TÍPICOS DE FORMACIÓN

DE GRIETAS

Al liberar la presión desde el

punzón superior

Al expulsar la pieza con el

punzón inferior

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DURANTE

EL PRENSADO UNIAXIAL

Las diferencias de densidad en la

pieza son típicas del prensado

uniaxial desde un solo lado. Las diferencias de densidad

aumentan con la relación

espesor/diámetro.

b) PRENSADO ISOSTÁTICO

Se aplica presión en todas las direcciones.

Produce mayor uniformidad de compactación.

P. isostático P. uniaxial

Variaciones de la densidad en verde en las paredes de un crisol

prensado isostática y uniaxialmente

Prensado isostático

Bolsa húmeda

Bolsa seca

PRENSADO ISOSTÁTICO

DE BOLSA HÚMEDA

Polvo

Molde de goma

(flexible)

Fluido

Cierre hermético

del molde

Mandril metálico

Recipiente

presurizado

Cesta de malla

de alambre

Cierre hermético

del recipiente

Entrada del

líquido a presión

Para la compresión del polvo se usan fluidos

incompresibles (agua, aceite o glicerina).

La presión aplicada es de alrededor de 400 Mpa.

• Uniformidad de densidad

• Bajo costo de la operación

• Versatilidad del proceso (piezas de diferentes tamaños y formas)

Ventajas

• Baja producción (largos tiempos del ciclo: 1-10 minutos/ciclo)

• Difícil automatización del proceso

Desventajas

PRENSADO ISOSTÁTICO

DE BOLSA SECA

La matriz no está inmersa en el líquido. Posee

canales internos por los que se bombea el fluido

a alta presión.

La parte crítica es lograr una transmisión

uniforme de la presión:

• Posicionamiento de los canales

• Moldes compuestos (piezas de diferentes

elastómeros).

Automatización del proceso: alcanzando 1000 a

1500 ciclos/hora.

PRENSADO ISOSTÁTICO

DE BOLSA SECA

Tapa

Primer

elastómero

Contenedor rígido del molde

Segundo elastómero

Canal para la

distribución del líquido

Eje Entrada del líquido a presión

Conformado del

Aislante de una

bujía

Esquema del proceso automatizado de

prensado isostático de bolsa seca

Eje del

molde

Molde

de goma

Llenado

del

molde

Ciclo de

prensado Preparación

del molde

Extracción

de la pieza

prensada

Pieza

final

APLICACIONES DEL PRENSADO

• Piezas pequeñas para usos eléctricos (aislantes, capacitores, etc.)

• Tejas, ladrillos, crisoles, etc.

Uniaxial

• Piezas grandes: tubos catódicos de rayos X, clasificadores de cono, etc.

• Piezas pequeñas con relación grande longitud/ancho

Isostático

4. COLAJE Ó COLADO: “SLIP CASTING”

Consiste en el vertido de una suspensión

de partículas cerámicas (barbotina) dentro

de un molde poroso (yeso). El líquido es

removido por los poros del molde,

permitiendo que las partículas se

compacten dentro de éste.

COLADO DE LA BARBOTINA

Se realiza dentro

de moldes porosos

de yeso, lo que

permite la remoción

del agua por acción

capilar: Colado con

drenaje ó “drain

casting”.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO

DE COLADO DE BARBOTINAS

1 • Preparación de la barbotina

2 • Colado

3 • Desagüe y consolidación

4 • Remoción de la pieza en verde

5 • Secado

6 • Sinterización

7 • Maquinado

PREPARACIÓN DE LA BARBOTINA

Se parte de materias primas muy finas: - 325# (44

µm).

Si se necesita una alta resistencia mecánica, la

granulometría debe ser más fina: -5 µm.

Requisito básico de la suspensión: Baja viscosidad

con la menor cantidad posible de agua:

• Buena fluidez (vertido en el molde).

• Fácil eliminación de burbujas atrapadas luego

del colado.

• Velocidad de colado razonable.

¿DE QUÉ FACTORES DEPENDE LA

VISCOSIDAD DE UNA SUSPENSIÓN?

1 • Viscosidad del líquido

2 • % sólidos

3 • Carga superficial y grado de

dispersión de las partículas

4 • Tamaño y forma de las partículas

VISCOSIDAD DEL LÍQUIDO

Y CONTENIDO DE SÓLIDOS

F. No Newtoniano

(alto % sólidos)

F. Newtoniano

(bajo % sólidos)

Vis

co

sid

ad

re

lativa

(ηr =

η/η

0)

% Sólidos Ec. Einstein

η: Viscosidad suspensión

η0: Viscosidad del líquido

V: fracción volumétrica de las partículas sólidas

(Partículas esféricas)

CARGA SUPERFICIAL Y GRADO DE

DISPERSIÓN DE LAS PARTÍCULAS

Carga superficial

• A mayor carga mayor repulsión entre partículas.

• Potencial zeta (relacionado con la carga).

Dispersión

• A mayor repulsión entre partículas mayor estabilidad de la suspensión (dispersión).

• La ausencia de carga conlleva a la aglomeración.

Viscosidad

• A mayor dispersión mayor fluidez y, por tanto, menor viscosidad.

DOBLE CAPA ELÉCTRICA Y POTENCIAL ZETA

+

Partícula

(-)

+ +

+ + +

+

+ + +

+ + +

+ + + + + +

+ +

+

+

+

+

+ +

+

+

+ +

+

+

+

- -

-

-

-

-

- - -

-

-

-

-

+

+

+

+

+

Distancia desde la

superficie de la partícula

Po

ten

cia

l (m

V)

Capa difusa

Capa de Stern

(Contraiones) - 100

0

Potencial superficial

Potencial de Stern

Potencial zeta

Plano de

deslizamiento

MEDIDA DEL POTENCIAL ZETA POR

ELECTROFORESIS

Se realiza en un equipo denominado “zeta-metro”.

Se mide la velocidad de movimiento de las

partículas en suspensión cuando se aplica un campo

eléctrico a través de la solución (movilidad

electroforética).

ZETAMETRO

El cálculo del potencia zeta se hace con ayuda de

la ecuación de Henry:

Donde:

z: potencial zeta

UE: movilidad electroforética

ε: constante dieléctrica

η: viscosidad

f(ka): función de Henry → 1.5 (Dp ≥ 0.2 µm)

1.0 (Dp < 0.2 µm)

Relación entre el potencial zeta y la estabilidad de

una suspensión:

Potencia zeta (mV)* Estabilidad suspensión

60 – 100 Muy buena (dispersión extrema)

40 – 60 Buena

30 – 40 Moderada

15 – 30 Umbral de leve dispersión

10 – 15 Umbral de aglomeración

< 10 Fuerte aglomeración y

precipitación

* Valor absoluto del potencial (puede ser + ó -)

¿Cómo modificar el potencial zeta?

Formas de modificar el potencial zeta

Variando el pH de la solución

Adicionando un defloculante (dispersante) adecuado

EFECTO DEL pH SOBRE EL

POTENCIAL ZETA

El potencial zeta se puede aumentar adicionando

un ácido o una base, dependiendo del tipo de carga

superficial de la partícula:

Superficie cargada

negativamente (por ionización de grupos ácidos en agua)

COOH

COOH

COOH

COO-

COO-

COO-

H+

H+

H+

Superficie cargada

positivamente (por ionización de grupos básicos en agua)

OH

OH

OH

+

+

+

OH-

OH-

OH-

Al disminuir el pH: Neutralización

Al aumentar el pH: Aumenta carga (-)

Al aumentar el pH: Neutralización

Al disminuir el pH: Aumenta carga (+)

CURVA TÍPICA POTENCIAL ZETA vs. pH

Material IEP

Sílice (SiO2) 2

Alúmina (Al2O3) 9

Circonia (ZrO2) 5-6

El punto isoeléctrico (IEP) ó punto

de carga cero (ZPC) es el pH al cual

el potencial zeta es igual a cero.

Po

ten

cia

l ze

ta (

mV

)

pH

Punto

isoeléctrico (+)

(-)

RELACIÓN ENTRE POTENCIAL ZETA,

VISCOSIDAD Y TIEMPO DE SEDIMENTACIÓN

EFECTO DE LA ADICIÓN DE UN

DEFLOCULANTE SOBRE EL POTENCIAL

ZETA

El defloculante (dispersante) se adsorbe

sobre la superficie de la partícula modificando

su carga eléctrica (aumentando las fuerzas

repulsivas electrostáticas):

1. Polielectrolitos aniónicos (orgánicos)

2. Defloculantes inórgánicos

1) POLIELECTROLITOS ANIÓNICOS

Compuestos de largas cadenas hidrocarbonadas

con muchas entidades ionizables a lo largo de toda

la cadena polimérica.

Ejemplos:

•Polímeros de ácido acrílico y sus sales.

•Co-polímeros de acrilamida y ácido acrílico

Na - PAA

NH4 - PAA

Na - PMAA

NH4 - PMAA

Sales de sodio y de amonio de los ácidos poliacrílico (PAA) y polimetacrílico (PMAA)

-

+ NH4+

Se adsorben sobre las superficies sólidas aumentando

su carga negativa.

Ionización de la sal de amonio del

ácido polimetacrílico (PMAA)

¿Qué carga debe tener la superficie?

(¿positiva o negativa?)

Gracias al carácter hidrofóbico de las cadenas

hidrocarbonadas, el agua las empuja hacia afuera

de la solución y hacia la superficie de las partículas.

Estos dispersantes actúan tanto sobre las

partículas con carga positiva como negativa.

- - - - - - - - - - - - - - -

Parte hidrofílica

(Grupo ionizado)

Parte hidrofóbica

(Cadenas hidrocarbonadas)

Fuerzas hidrofóbicas

A. Pettersson, Journal of Colloid and Interface Science 228, 73–81 (2000)

Dispersión de alúmina con ácido

polimetacrílico (PMAA) con peso molecular de

13.000 g/mol

¿Qué efecto tiene la

adición de este

dispersante sobre la curva

potencial zeta vs. pH?

La adición del dispersante

mueve la curva de

potencial zeta vs pH hacia

abajo (por el aumento de

la carga negativa de las

partículas)

2) DEFLOCULANTES INORGÁNICOS

Aportan cationes monovalentes (Na+, NH4+,

Li+) a la solución:

•Silicato de sodio (Na2SiO3)

•Pirofosfato de sodio (Na4P2O7)

•Oxalato de amonio ((NH4)2C2O4)

•Oxalato de sodio (Na2C2O4)

•Hidróxido de litio (LiOH), etc.

Los defloculantes inorgánicos promueven la

desorción de cationes multivalentes (que son

altamente floculantes): Mg++, Ca++, Al+++, etc.

- - - - - -

H+

H+

H+

H+

OH-

H+

H+

OH-

Caolinita a pH ≥ 6

(carga neta negativa)

- - - - - -

Al+3+

OH-

H+

H+

OH-

Caolinita en presencia de sales de

Fe ó Al (10-5 M)

(la carga neta se aproxima a cero)

Al+3+

Al+3+

Al+3+

El sulfato de aluminio (Alumbre) es muy usado como floculante para

la limpieza de aguas.

Al adicionar pequeñas cantidades (0.05 –

0.3%) de defloculantes inorgánicos (silicato de

Na) se aumenta la repulsión entre partículas.

- - - - - -

Na+

Na+

Na+

Na+

Al3+

Al3+

Al3+

Al3+

carga neta negativa grande

(dispersión)

- - - - - -

Al3+

Al3+

Al3+

Al3+

carga neta negativa muy

pequeña (floculación)

- - - - - -

Al3+ Na+

Al3+

Al3+

Al3+

Na+

Na+

Na+

Adición de silicato de sodio

(Los iones Na+ desplazan

a los Al3+)

EFECTO DEL TAMAÑO Y FORMA

DE LAS PARTÍCULAS SOBRE LA FLUIDEZ

DE LA SUSPENSIÓN

La zona de atracción de las partículas es de

aproximadamente 20 Å.

Cuando las partículas se acercan a esta

distancia límite (20 Å), ellas tienden a

interactuar. (se necesita aplicar mayor fuerza

para moverlas).

Distancias medias de separación de

partículas esféricas en una suspensión

dependiendo de su tamaño:

Diámetro partículas

(µm)

Distancia separación

en suspensiones con

40% v/v de sólidos (Å)

10 9200

1 920

0.1 92

0.05 20

0.01 9.2

Las partículas con tamaños iguales o menores a 0.05 μm tienden a

aglomerarse en una suspensión del 40% en volumen.

Efecto de la forma: partículas planas (típica

de las arcillas), en las cuales su longitud mide

10 veces su espesor.

Longitud

lámina

(µm)

Espesor

lámina

(µm)

% v/v sólidos al cual la

distancia de separación

es de 20 Å

10 1 30

1 0.1 30

0.1 0.01 28

0.01 0.001 17

Distribución de tamaño de las partículas

• Los rangos amplios de tamaño permiten

aumentar el % sólidos en la suspensión sin

afectar su viscosidad.

El acondicionamiento de la suspensión con

los aditivos químicos se realiza dentro del

molino de bolas, a la vez que se muele la

materia prima.

USOS

• La aplicación más común del conformado por

colado es para la fabricación de piezas grandes y

ahuecadas: sanitarios, crisoles, etc.

Variantes del colado con drenaje:

• Colado al vacío: Con una bomba de vacío se

succiona el agua a través de los poros del molde.

•Colado centrífugo: El molde rota y se facilita el

llenado del molde (piezas con formas difíciles).

•Colado a presión: La suspensión entra a presión,

acelerando la consolidación de las partículas.

Inicialmente el colado a presión se realizaba en

moldes de yeso, pero luego se cambió a moldes

plásticos porosos que resisten mayores presiones.

Tiempo necesario para obtener por colado a

presión piezas de porcelana de 6 mm de espesor:

Presión (MPa) Tiempo (min)

0.025 45

0.4 15

4 1

FACTORES CRÍTICOS DEL PROCESO

DE COLADO

Conseguir una suspensión con baja viscosidad y

alto % sólidos.

La barbotina debe estar libre de aire atrapado.

La pieza debe liberarse fácilmente (se puede

untar aceite o silicona sobre las paredes del molde).

La pieza en verde debe tener suficiente resistencia

para su manipulación (adición de aglomerantes).

5. EXTRUSIÓN

Método de conformación plástica: La

pasta cerámica se empuja a través de un

troquel (boquilla) que tiene la sección

transversal deseada en la pieza.

Permite obtener fácilmente piezas con

secciones complejas.

Su desventaja obvia es que está limitada

a productos con sección transversal

constante.

La extrusión se puede aplicar a materias

primas de naturaleza plástica o no

plástica.

Para conformar las materias primas no

plásticas (óxidos, carburos, nitruros, etc.)

es imprescindible usar aglomerantes

orgánicos (entre 25 y 50% de aditivos)

PARTES DE UNA EXTRUSORA

Dos tornillos sin fin

(amasado)

Ejes de los

engranajes y motor

Entrada del

material

Amasadora

Cámara de

desaireamiento

Eje al motor

Cámara de

compactación

Matriz

(boquilla)

Corte de una

boquilla simple

Corte del mecanismo (tipo

taladro) de compactación y

extrusión

ADITIVOS PARA LA MATERIA

PRIMA EN EL PROCESO DE EXTRUSIÓN

Básicamente, los mismos que para el

prensado:

• Agua

• Aglomerantes

• Plastificante

• Lubricantes

• Surfactantes: cuando la mojabilidad de la

materia prima es muy baja

EJEMPLOS DE DEFECTOS EN LAS

PIEZAS EXTRUÍDAS

Laminaciones

(Grietas internas con una

orientación específica)

• Mezclado incompleto de la

pasta luego de ser cortada por el

taladro o luego de pasar por los

soportes de las piezas interiores

de la boquilla.

Soportes de la barra central

de la boquilla

Partes (hembra y macho) de

una boquilla para la extrusión

de un tubo

Cortes o grietas superficiales

• Se forman cuando la pieza

va saliendo de la matriz.

• Debidas a fricción con la

pared.

Otras causas de defectos:

• Separación de líquido de la pasta (pobre mojabilidad

de las partículas).

• Poros (aire atrapado).

APLICACIONES DE LA EXTRUSIÓN

Ladrillos, baldosas, tejas, etc.

Tubos para hornos.

Tubos para protección de termocuplas.

En general, la extrusión se aplica para la obtención

a gran escala de piezas con sección transversal

constante.

IV. SECADO DE LAS PIEZAS

CERÁMICAS

Durante el secado se elimina la mayor parte del

agua libre (poros y cavidades).

La temperatura de secado es del orden de 95°C.

El secado debe ser lento (puede ser mayor a una

semana), pero no hay un tiempo de secado típico

pues depende de múltiples factores:

• Relación superficie/volumen

• % agua en las piezas

• Temperatura y humedad del ambiente

• Porosidad del material.

En esta etapa la pieza sufre la mayor contracción

(2 al 20%) linealmente.

V. SINTERIZACIÓN DE LAS

PIEZAS CERÁMICAS

SINTERIZACIÓN

Es la etapa de densificación del cerámico,

en la cual los polvos conformados y secados

se llevan a una temperatura suficientemente

alta para desarrollar la microestructura que le

confiera las propiedades útiles al material.

TIPOS DE SINTERIZACIÓN

Sólido

Líquido Poros

En

verde

SSS LPS

VCS

VGS

1. Sinterización en estado sólido (SSS)

2. Sinterización con fase líquida (LPS): < 20% líquido

3. Sinterización vítrea-viscosa (VGS): fabricación de vidrios

4. Sinterización de un compuesto viscoso (VCS): > 20% líquido

(Ej. porcelanas)

1. SINTERIZACIÓN EN ESTADO SÓLIDO

70

100

60

90

80

1300 1400 1600 1800

Etapa

inicial

Etapa

intermedia

Etapa final

Temperatura sinterización (°C)

% D

en

sif

icació

n

Curva de sinterización para la alúmina

ETAPA INICIAL

• Ocurre el reacomodamiento (desplazamiento)

de las partículas y la formación de un cuello en

los puntos de contacto.

Estado inicial Estado final

• La densificación aumenta un 10% aprox.

• Máxima densificación entre 60 y 70%.

Cuello de unión

entre partículas

Poros abiertos

ETAPA INTERMEDIA

• Las partículas continúan acercándose cada vez

más.

• Ocurre el crecimiento de algunos de los granos al

consumir otras partículas.

• Ocurre la mayor contracción de todo el proceso de

sinterización.

• La etapa termina con el aislamiento de los poros

(90% densificación).

Poros cerrados

ETAPA FINAL

• Ocurre la remoción final de porosidad por la difusión

de vacancias a lo largo de los límites de grano.

• La densificación en esta etapa es mínima (≈1%).

•Si los granos crecen muy rápido, los límites de grano

se mueven más rápido que los poros, quedando éstos

últimos atrapados dentro de los granos. Lo cual es

controlado por la velocidad y tiempo de calentamiento.

En conclusión:

La sinterización en estado sólido ocurre

gracias a la difusión de materia desde la

superficie de los granos a la zona de

contacto entre ellos.

Este tipo de sinterización se presenta en

materiales puros:

• Óxidos: Al2O3, ZrO2, MgO, etc.

• No óxidos: SiC, BN, C, etc.

2. SINTERIZACIÓN CON FASE LÍQUIDA

La inmensa mayoría de cerámicos se

sinterizan en presencia de fase líquida.

Al calentar los polvos compactos ocurre la

fusión incipiente del material (en la superficie de

las partículas).

El líquido viscoso cubre las partículas y las

enlaza.

Líquido

La formación del líquido se facilita por la

presencia de sustancias fundentes (boratos,

fluoruros, álcalis (Na2O, K2O)) y por la

presencia de impurezas que forman

eutécticos.

Ventaja: La densificación es muy alta

(cercana al 100%).

Desventaja: El cerámico tiene menor

resistencia mecánica por la fase vítrea.

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL

PROCESO DE SINTERIZACIÓN

Temperatura de cocción: fase líquida.

Atmósfera: depende de la composición del cerámico:

oxidante (óxidos), reductora o inerte (no óxidos).

Ciclo de calentamiento:

• Tiempo de permanencia: densificación y tamaño de grano.

• Velocidad de calentamiento: formación de grietas por

cambios bruscos de volumen.

• Velocidad de enfriamiento: recristalización de fases.

T

tiempo

Se debe determinar

experimentalmente la curva

de cocción más adecuada

para cada caso.