Fundamento Teórico

Arcilla

La arcilla es un suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio hidratados, procedentes de la descomposición de rocas que contienen feldespato, como el granito. Presenta diversas coloraciones según las impurezas que contiene, desde el rojo anaranjado hasta el blanco cuando es pura. Químicamente es un silicato hidratado de alúmina, cuya fórmula es: Al2O3 · 2Si O 2 · H2O. Se caracteriza por adquirir plasticidad al ser mezclada con agua, y también sonoridad y dureza al calentarla por encima de 800 °C. Estos minerales se constituyen de láminas de tetraedros con una composición química general de Si2O5 en donde cada tetraedro (SiO4) está unido en sus esquinas a otros tres formando una red hexagonal. Aluminio y hierro pueden parcialmente reemplazar por silicio en la estructura mientras. Los oxígenos ubicados en el ápice de los tetraedros de estas láminas pueden al mismo tiempo también formar parte de otra lámina paralela compuesta de octaedro. Estos octaedros suelen estar coordinados por cationes de Al, Mg,Fe3+ y Fe2+. Más infrecuentemente átomos de Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu o Zn ocupan dicho sitio de coordinación.

Ilustración 1: Capa de arcilla mostrando el ordenamiento laminar de los tetraedros de Silicio, Oxigeno(en rojo), los octaedros( Hierro en marrón, Magnesio en amarillo), y una capa intermedia de Potasio

Cerámicos

Un material cerámico es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Asimismo, su módulo de Young también elevado, además presentan un modo de rotura frágil. Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc.). Por esta razón, en las cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización. Este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. El producto obtenido dependerá de la naturaleza de la arcilla empleada, de la temperatura y de las técnicas de cocción a las que ha sido sometido. Así tenemos:

Materiales cerámicos porosos

No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo como la arena. Su fractura es terrosa,

siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas.

Materiales cerámicos impermeables y semi-impermeables

Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica completamente la arena de cuarzo. De

esta manera se obtienen productos impermeables y más duros. 

Cocido

Las temperaturas de cocido de las cerámicas y arcillas dependerán del tipo que se esté empleando. Generalmente se tiene:

Arcilla roja 900 º C – 1100 º CLoza Blanca 1060 º C – 1180 º CGres 1200 º C – 1300 º C.Porcelana 1280 º C – 1350 º CPorcelana China 1200 º – 1300 º C.

Proceso de elaboración de cerámicos

Los productos cerámicos tradicionales (piezas de cerámica porosa), desde los ladrillos hasta los refractarios, se obtienen mediante procesos semejantes aunque cada uno con particularidades según los tipos.

Las etapas de fabricación, de un modo general se pueden esquematizar de la siguiente manera:

Además que la preparación de las pastas se puede generalizar como:

Elaboración del vidrio

El proceso para la elaboración del vidrio se puede dividir en las siguientes etapas:

Recepción de Materias Primas:

En esta etapa se garantiza un control operativo y técnico en las materias primas para verificar su calidad físico - química, para la producción del vidrio.

La operación esencial en esta etapa es la realización de los análisis físicos y químicos realizados a la materia prima, los cuales verifican el cumplimiento de las especificaciones. Primero se debe cumplir con el requisito de la granulometría, es decir, el tamaño de los granos de cada material, el cual, debe estar entre ½ y ¾ de milímetro. Para el feldespato y la arena se debe cumplir unos requisitos, tales como tener una composición química estable y determinada. La arena no debe contener arcillas y su contenido de óxidos de hierro debe ser lo más bajo posible. De acuerdo al resultado del análisis, si el producto está conforme con las especificaciones se define su disposición para ser utilizado posteriormente; si la materia prima no cumple con las especificaciones se procede a darles el manejo preestablecido como productos no - conformes.

Preparación de las Mezclas:

La preparación de la mezcla se puede dividir en cuatro partes:

Almacenamiento: consiste en ubicar las distintas materias primas en diferentes sitios de almacenamiento en donde permanecerán hasta su utilización.

Pesaje: siguiendo la formulación previamente establecida se pesa cada uno de los componentes mediante mecanismos automáticos y en las proporciones determinadas.

Mezclado: Luego de ser pesadas cada una de las materias primas, son enviadas a las mezcladoras en donde, por un tiempo previamente establecido y con una adición específica de agua, los componentes son mezclados totalmente.

Transporte: Finalmente la mezcla es enviada por medio de elevadores y transportadores hasta los silos donde queda finalmente lista para ser cargada al horno.

Fusión de la Mezcla y Refinación del Vidrio:

El horno es el sitio donde se lleva a cabo la fusión de las materias primas. Consiste en un recipiente rectangular construido con materiales refractarios resistentes al desgaste producido por el vidrio líquido y las llamas. El horno utiliza como combustible el Crudo de Castilla para producir el calor, por medio de dos quemadores, los cuales funcionan alternadamente veinte veces cada uno. Por uno de sus extremos se carga la mezcla, mientras que por el otro se extrae el vidrio fundido. Posteriormente hay una entrada de aire de 1000ºC, con el fin de enfriar el vidrio que se encuentra dentro del horno. Los gases producidos por el horno son expulsados por lo regeneradores (1300ºC).

El primer proceso que se identifica claramente en el horno es el de fusión; aquí todas las materias primas no son propiamente fundidas, sino que al suministrarles calor primero se descomponen y después reaccionan; así pues los componentes que poseen menor punto de fusión se vuelven líquidos más rápido que los que tienen mayor punto de fusión (para la sílice es mayor de 1600ºC, y para el casco entre 1050 y 1100ºC); a medida que va aumentando la temperatura estos últimos también se funden y desaparecen como materiales cristalinos.

A continuación se realiza el proceso de refinación, en el cual se eliminan las “semillas” (gran número de pequeñas burbujas que se originan a partir de las reacciones de las materias primas); este proceso empieza

casi simultáneamente con el proceso de fusión y continúa hasta que la mezcla de materias primas esté completamente líquida.

Luego el vidrio fundido pasa a un segundo tanque, llamado tanque de refinación, donde se intenta igualar la temperatura del vidrio en toda su extensión, para posteriormente repartirlo a las máquinas formadoras por medio de los canales.

Acondicionamiento del Vidrio:

El canal es el encargado de enviar el vidrio desde el horno hasta el lugar donde están las máquinas formadoras de envases. Durante este trayecto se disminuye la temperatura del vidrio gradualmente (con lo cual aumenta su viscosidad), de tal manera que al final del canal se obtenga el vidrio en un estado en el que se pueda modelar, correspondiendo a una cierta temperatura para fabricar una botella determinada.

Se denomina acondicionar el vidrio al hecho de controlar la temperatura en el flujo del vidrio que está dentro de la canal desde refinación hasta el orificio refractario y se forme la gota.

La homogeneidad de la mezcla del vidrio se mide revisando las temperaturas existentes desde el fondo hasta la superficie y de lado a lado a la entrada del tazón (última sección del canal antes de las máquinas I.S.); estas temperaturas afectan directamente la distribución del vidrio en la botella, la forma de la gota, y su cargue en la máquina, por esto una falla en esta parte del proceso puede resultar en la formación de botellas deformes, con una masa mal distribuida y, por lo tanto más frágiles. Para obtener una temperatura uniforme en el vidrio se deben tener en cuenta las pérdidas de calor existentes a través del techo, las paredes y el piso del canal, así como el calor suministrado por los quemadores. Igualmente para acondicionar el vidrio, es necesario tener en cuenta el color del vidrio, la cantidad de vidrio que extrae cada máquina, la forma de la botella, la cantidad de aire disponible para enfriar el equipo de moldura de la máquina y la velocidad de fabricación de la máquina.

Materiales del vidrio

Las materias primas empleadas para la fabricación de vidrios pueden clasificarse, según el papel que desempañan durante el proceso de fusión, en cuatro grupos principales: vitrificantes, fundentes, estabilizantes y componentes secundarios.

Desde el punto de vista estructural, los vitrificantes corresponden a las sustancias que son formadores de vidrio, y principalmente son óxidos; los fundentes, a las sustancias modificadores de la red vítrea, y además favorecen la formación de vidrio rebajando su temperatura de fusión y facilitando su elaboración; y los estabilizantes que actúan con un carácter intermedio entre el de ls verdaderos formadores de red y de los modificadores.

En el grupo de los componente secundarios, se incluyen las materias primas que se incorporan en proporciones generalmente minoritarias, y cuya intervención no es esencial en lo que a la formación del vidrio se refiere; tales componente pueden ser afinantes(eliminan burbujas en vidrios fundidos), opacificantes(reducen o eliminan la transparencia del vidrio),colorante, decolorantes del vidrio(por ejemplo tierras raras de los cuales son más utilizados con esta finalidad en de Neodimio, Cerio y Erbio), etc.

Composición del vidrio

Químicamente los vidrios comerciales se producen a partir de Óxidos inorgánicos, de los cuales el sílice (arena) es generalmente el principal constituyente. Por otro lado, es posible enfriar ciertos materiales orgánicos sin cristalización. Tales materiales no son considerados como vidrio, aunque presenten igualmente un estado vítreo. Solo un número limitado de compuestos químicos son capaces de formar vidrios. Los principales óxidos son los de silicio (SiO2), boro (B2O3), y fósforo (P2O5). Los restantes Óxidos presentes en el vidrio solamente modifican las propiedades de la red vítrea. Excepto lo que hace a los Óxidos señalados, los vidrios no son compuestos químicos definidos, sino mezclas de Óxidos. Las propiedades de ciertos de los

diferentes elementos pueden ser variadas dentro de ciertos límites, fuera de los cuales la formación del vidrio llega a resultar imposible.

Ilustración 2: Grafica de proporcionalidad de un vidrio comercial

Temperatura de cocción del vidrio coloreado

Generalmente el espectro del tratamiento del vidrio oscila entre los 600ºC hasta un valor de 100ºC a 1200ºC dependiendo del tipo de vidrio que se vaya a tratar y que tipo de matizado se quiera obtener.

Elaboración de los vidrios coloridos

Existen varios métodos de producción de los vidrios, peros se los pueden clasificar de la siguiente manera:

Coloreado por adición de iones

El vidrio ordinario de sosa-caliza parece incoloro a simple vista cuando es fino, a pesar de que las impurezas de óxido de hierro producen un tinte verdoso que se puede ver en las piezas gruesas o con la ayuda de instrumentos científicos. Otros metales y óxidos metálicos se pueden agregar al vidrio durante su fabricación para cambiar su color, que puede aumentar su atractivo estético.

Vidrios llamativos

Los "vidrios llamativos" (striking glasses) o "vidrios coloidales" son diferentes de los vidrios coloreados por la adición de iones, principalmente por la absorción de casi cuantitativa de la luz blanca. Su color varía si se les somete a procesos cíclicos de calentamiento y enfriamiento, que reavivan esos colores.

Inclusiones de color

El óxido de estaño con los óxidos de antimonio y arsénico producen un vidrio opaco blanco (vidrio opalino), que se utilizó por primera vez en Venecia para producir una imitación de la porcelana. Del mismo modo, algunos vidrios ahumados se puede basar en inclusiones de color oscuro, pero con la coloración iónica también es posible producir colores oscuros (véase más arriba).

Color causado por dispersión

Los vidrios que poseen dos o más fases con diferentes índices de refracción muestran colores basados en el efecto Tyndall que pueden ser explicados por la teoría de Mie, si las dimensiones de las fases son similares

o mayores que la longitud de onda de la luz visible. La luz dispersada es azul y violeta, como se ve en la imagen, mientras que la luz transmitida es de color amarillo y rojo.

Vidrio dicroico

En el proceso para la fabricación del vidrio dicroico, se utiliza una cámara de vacío en donde el vidrio ya en placas y en caliente, se reviste con múltiples capas de óxidos metálicos que son vaporizados sobre el mismo. Se emplean óxidos de metales como titanio, silicio o magnesio, que se depositan en la superficie del vidrio a más de 150 °C en un horno de vacío.

Materiales de los vidrios coloridos

Básicamente se usan las mismas materia primas para un vidrio cualquiera solo que se le agregan óxidos metálicos o iones para cambiar su coloración tales como: Óxido de hierro (II), Azufre, Manganeso, Dióxido de manganeso, Cobalto, Óxido de cobre, Níquel, Cromo, Cadmio, Titanio, Uranio, Selenio, Cobre, Oro, óxidos de Antimonio, óxidos de Arsénico, etc.

Función de los Óxidos

Hierro (Fe): Tiende a otorgar un color azul verdoso.

Níquel (Ni): Dependiendo de su concentración va en un espectro del azul, al violeta o hasta inclusive negro.

Cobalto (Co): En cantidades minúsculas se usa como decolorante, pero pasado ese punto tiende a otorgar un color azul.

Manganeso (Mn): Dependiendo si está en oxido o puramente metálico, puede conferir un color morado oscuro, o amatista fuerte respectivamente, de cualquier forma se puede usar como decolorante de las imperfecciones ocasionadas por la presencia de hierro.

Diagrama Tanabe-Sugano

Los Siguientes diagramas de Tanabe-Sugano son diagramas utilizados para la predicción de la absorción de espectro UV, visible y electromagnético de compuestos de coordinación.

d2

d3

d4

d5

d6

d7

d8

Objetivo

General

Obtener tres muestras de la misma combinación de materias primas pero con distintas concentraciones cada una.

Específicos

-Poder ser capaz de predecir a través del uso de un diagrama de Tanabe-Sugano la coloración de un vidrio.

-Aprender los procesos de producción de los vidrios coloreados.

-Comprender las propiedades visuales de los vidrios coloreados.

Procedimiento

Ladrillo:

-Construir un molde con las dimensiones especificadas del ladrillo (5cm x 5cm x11cm)

-Amasar la arcilla hasta alcanzar la uniformidad (usar un poco de agua si no está muy platico).

-Rellenar el molde con la arcilla.

-Realizar los agujeros de llenado con un objeto cilíndrico.

-Dejar secar la arcilla en su totalidad durante un periodo de 3-5 días a temperatura ambiente.

Vidrios:

Para la realización de esta sección del experimento se necesitará:

-1 espátula

-1 balanza electrónica

-3 vidrios de reloj

-1 mortero

-El ladrillo totalmente seco

-1 hoja de papel

Los reactivos con sus respectivos porcentajes en masa son:

Y se seguirá el siguiente procedimiento:

-En base a la tabla provista calcular la cantidad de masa que se necesita para cada muestra de 2 g de vidrio (en gramos).

SiO2 Al2O3 Na2O B2O3 Fe2O3

0.6 0.08 0.32 0.96 0.040.28 0.06 0.28 1.28 0.080.6 0.12 0.1 1.08 0.1

-Ir pesando una muestra de cada reactivo en la balanza electrónica para la realización de una muestra de vidrio colorido avanzando en orden sucesivo e independiente (es decir primero completar una muestra de vidrio y pasar a la siguiente)

-Tras ya poseer las cantidades apropiadas de reactivos uniformizar la mezcla y rellenar el hueco respectivo en el ladrillo (realizar este proceso dos veces más con sus respectivas cantidades).

Justificación

Realizamos este procedimiento para poder entender y analizar cómo funcionan las reacciones de mezclas solidas a altas temperaturas.

Los vidrios surgen principalmente de la fundición de materiales cerámicos, esto ocurre que al proveerse energía al los enlaces de la estructura cristalina estos se ven excitados ocasionando mayor movilidad de los átomos permitiéndoles fluir, es decir formar un cuerpo líquido, de ahí cuando los átomos están en un estado de libertad, las moléculas de óxido de Hierro (III) empiezan a acomodarse entre las moléculas de SiO2, Al2O3 , B2O3 , y Na2O, descomponiendo las estructuras cristalinas y juntando de forma totalmente desordenada las moléculas, bajo un análisis usando los diagramas de Tanabe-Sugano en d6 se observa que

Bibliografia:

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http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/ricardo/PDF/Diagramas_de_Tanabe-Sugano_y_Orgel.pdfhttp://wwwchem.uwimona.edu.jm/courses/Tanabe-Sugano/TScalcs.html

17 de abril de 2015

Pre-Informe de Laboratorio N°3

Vítreo-Cerámicos

Jorge E. Loza A.

Materiales Para Ingeniería

UPB (Universidad Privada Boliviana)