Minerali industriali 2

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1 Minerali industriali 2

2 Processi di fabbricazione Preparazione della miscela Processo di formazione Asciugatura e cottura Trattamenti

3 Preparazione della miscela Le materie prime sono pesate e miscelate Si utilizzano mulini a palle per miscelare, frantumare e polverizzare Per la ceramica bianca si deve evitare contaminazione di ferro se si vuole una fase plastica si disidrata Una pressa toglie il 20-25% di acqua Alternativa: Si seccano le materie prime Si miscelano e si aggiunge l acqua necessaria

4 Processo di formazione Esistono 3 metodi: slip casting Pezzo da una sospensione colato in una forma Fase plastica Pezzo modellato automaticamente o a mano Stato secco Pezzo modellato per mezzo della pressione

5 slip casting Lo slip casting è una invenzione abbastanza recente risalendo al XVIII secolo Una barbettina ceramica viene colata all interno di uno stampo di gesso, poi il materiale consolida si ritira e si distacca dallo stampo Oggi questa tecnica ha una grande importanza soprattutto nella lavorazione dei ceramici tradizionali (sanitari, bomboniere e vari oggetti di forma complessa) Rappresenta inoltre una metodologia semplice ed economica di formatura di ceramici avanzati di forma complessa

6 Slip Casting Gettata in una forma di gesso di Parigi (gesso purissimo) Per capillarità l acqua viene tolta dall argilla Solidificazione dell argilla (riduzione del volume) Il pezzo viene tolta dalla forma La velocità della gettata dipende dalle dimensioni della forma limitazioni nelle dimensioni del pezzo Per ridurre i tempi di solidificazione solo 30-40% di acqua deflocculanti permettono la giusta densità

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8 Deflocculanti Particelle di argilla in sospensione fenomeni di attrazione (flocculazione) e repulsione (deflocculazione) Flocculazione ambiente acido Deflocculazione ambiente alcalino DEFLOCULANTI: separano i grumi di argilla riducendo la viscosità Sostanza che aumenta le forze repulsive tra particelle Meccanismi: 1. innalzamento del ph aggiungendo basi o per idrolisi 2. sostituzioni di cationi flocculanti con cationi alcalini 3. aumento della carica negativa sulle particelle per assorbimento di anioni con elevato campo 4. aggiunta di colloidi protettivi 5. eliminazione di flocculanti per precipitazione PER ESEMPIO: o BaCO 3 + SO 4= = BaSO 4 + CO 3 = o Na 2 CO 3 + Ca2+ = CaCO3 + 2Na+ o BaCO3 + Ca2+ = CaCO3 + Ba2+

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10 Principali deflocculanti Acido Humico e derivati Policarbonati di sodio e ossalati di ammonio Lignosulfonati alcalini poliacrilati Citrato di sodio Gomma arabica Carbonati ed idrossidi di sodio e potassio Silicati di sodio Fosfati e polifosfati Defloculanti

11 Defloculanti Curva di deflocculazione Aggiungendo deflocculanti diminuisce la viscosità Troppo deflocculanti ha l effetto opposto Migliori deflocculanti per la ceramica: Silicato di sodio Polifosfati Elettroliti organici di sodio e ammonio

12 Defloculanti Più comuni deflocculanti Carbonato di sodio soda Na 2 CO 3 o Na 2 CO 3 10H 2 O Alza il ph Precipita il Ca come CaCO 3. SILICATO DI SODIO Il rapporto SiO 2 Na 2 O varia da 3.75 a 1:1 Aumento del ph per idrolisi Formazione di silice colloidale Na 2 O nsio 2 + H 2 O => nsio 2 + 2Na + + 2OH - Lignosulfati alcalini Composti idrosolubili provenienti dalla lavorazione della cellulosa Massa molecolare tra 200 and Polifosfati alcalini (Na o NH 4+ ) Dissociati in soluzione e assorbiti dalle particelle di argilla creando potenziali negativi Possono catturare cationi flocculanti (Mg e Ca)

13 Processo formazione plastica Plasticità: capacità della pasta di argilla di deformarsi senza perdere l aderenza delle particelle Fortemente dipendente dalla quantità d acqua Acqua in difetto: rotture del pezzo Acqua in eccesso: pezzo troppo soffice Per le argille è sufficiente l acqua Per materiali non argillosi si utilizza alcol polivinile

14 Processo formazione plastica Formazione del pezzo: Tramite applicazione di pressione manuale o automatica Se viene applicata una pressione eccessiva orientazione dell argille che possono provocare rotture in cottura

15 Formazione a secco La polvere semi-secca viene pressata in uno stampo Non si deve lasciare seccare il pezzo possibili rotture Problema di ridurre la porosità Con la pressione al minimo 26% Aggiunta di particelle di piccola dimensione Bisogna evitare frizioni e gradienti di pressione Limiti nella forma e dimensioni del pezzo Lunghezza/spessore<3 Utilizzo di lubrificanti Pressioni elevate danno anisotropie nel pezzo

16 Asciugatura L acqua deve essere eliminata prima della cottura Acqua adsorbita sulla superficie dell argilla Acqua nei pori tra le particelle Acqua addizionale tra le particelle La rimozione di questa acqua da una contrazione del pezzo Il rilascio dell acqua avviene alla superficie del pezzo Meccanismi di diffusione La velocità di diffusione deve essere uguale a quella di asciugatura Se l asciugatura è troppo rapida si ha rottura

17 Cottura Processi in fase di cottura: Trasformazione di minerali Perdita di acqua Trasformazione di fase Formazione del fuso di solito di forma un eutettico Reazioni chimiche La cinetica è prevalente (non si ha equilibrio) Il Fe si può ossidare effetto su vetrificazione e colore Cristallizzazioni Riduzione dei pori (diffusione) Spesso per ottenere la vetrinatura (glazing) si deve ricuocere Alcune ceramiche (porcellana) basta una cottura La ricottura è costosa!

18 Trattamenti post-cottura Vetrinatura: Rinforza, liscia ed impermeabilizza la ceramica Fritte: Sostanze che fondono sulla superficie Contengono fondenti e coloranti Vengono fusi e rimacinati Durante il raffreddamento comprimono la struttura rinforzo.

19 Decorazione Colori: Il tipo di colore dipende dalla temperatura di cottura Pigmenti sono ossidi di metalli Talvolta solfuri (no ad alte temperature) Decorazione sotto vetrinatura: Applicato al cotto e poi vetrificato Preserva da attacchi chimici (lavastoviglie) Colori limitati

20 Decorazione Colori: Decorazione sopra vetrinatura Viene applicato dopo la vetrinatura e poi ricotto Tutti colori disponibili Poco resistenti e a volte tossici (piombo) Decorazione nella vetrinatura Colore applicato sopra il vetro e poi ricotto alla stessa temperatura della vetrinatura Colori a cottura rapida (non hanno il tempo di reagire) Metallizzazione Oro e platino decorativi Argento conduttore elettrico Deposti per via chimica Differenti espansioni termiche stress

21 Pigmenti ceramici Materiali resistenti al calore Coloranti ceramici Pigmenti inorganici Vetrina e fondenti Collanti di alta temperatura Additivi inorganici Additivi organici

22 Pigmenti a spinello Utilizzati sia come termini puri sia in soluzione solida Sintesi deve essere completa Le materie prime possono interagire con la ceramica Metodo di miscelazione Ossidi miscelati, asciugati e cotti Metodo di dissoluzione Sali sciolti in acqua, asciugati e cotti

23 Pigmenti a zircone Zircone può accettare nella struttura altri ioni Sistemi ad alta resistenza termica Ioni V (blu), praseodimio (giallo), ferro (rosa) Basta poco materiale pregiato La zirconia utilizzata anche per la vetratura

24 Pigmenti tipo rutilo Cristallizzano con la struttura del rutilo Ti-Cr-Sb giallo Lacche e mosaici Stagno/vanadio zirconio/vanadio Normalmente gialli Con altri elementi cambiano colore Stagno/antimonio Grigio blu

25 Altri pigmenti Pigmenti tipo titanato Ca-Sn-Si-Cr Sintetizzato da ossidi Ca-silico-stannato Passa da rosso a marrone a seconda della quantità di Cr Pigmento tipo pirocloro Giallo Napoli (conosciuto dal medio evo) Unico giallo conosciuto fino a 1900

26 Vetrina e fondenti Pigmenti per ceramiche sono inclusi in una matrice vetrosa Silicati di piombo o piombo-boro Alluminati di alcali o alcalino terrosi Vetrina Composti di boro sciolti in acqua Entrano nei pori della ceramica Vetro non completamente raffinato Fondente Vetro utilizzato per legare i pigmenti

27 Vetrina e fondenti Tre diversi tipi di vetrine utilizzati per colorare Colorazione ionica Metallo disciolto nel vetro Utilizzato per piastrelle Colorazione da particelle colloidali Meccanismi combinati di assorbimento e diffusione della luce Au gold Ag gray Cu red CdS yellow Cd(S,Se) a red, orange Opacità da zircone Utilizzato per sanitari In precedenza utilizzato stagno e piombo (maioliche) Vetrina con zircone a 1150 C Le particelle di zircone in sospensione nel vetro

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29 Prodotti per l edilizia Mattoni e tegole Costi bassi materiali locali Argille di varie composizione + clorite, ossidi di ferro, quarzo e calcite Prodotte da argille plastiche tra C Importante il controllo della porosità: Isolamento termico Resistenza dei mattoni Controllo dell umidità Rottura a causa del ghiaccio La presenza di sali solubili può dare muffe Il bario stabilizza lo zolfo

30 Terrecotte Ceramica fine porosa Stoviglie, sanitari, piastrelle Argille selezionate, quarzo (40%), feldspati e calcite(<10%) Caolini aggiunti per rendere bianca e più plastica Di solito vetrata Per evitare rotture viene aggiunto cristobalite (trasformazione di fase)

31 Porcellana Ceramica fine con corpo bianco denso e tralucente Composizione di base: caolino feldspato e quarzo Europa: cotta a 1400 C UK-USA: cotta a 1250 C (più feldspati) Per materiali tecnici: resistente a shock termici no quarzo Resistenza meccanica 40% quarzo (o allumina)

32 Porcellana: reazioni Atmosfera riducente: Fe(III) (giallo) Fe(II) (azzurro) 920 C inizio fusione (eutettico) Dissoluzione del quarzo Formazione mullite Alcali migrano verso le argille Aumento del quarzo fuso dissoluzione mullite Alla fine poca fase cristallina tralucente 20% mullite, 10-20% quarzo e resto vetro

33 Steatite Due significati: Sinonimo di saponite (talco) Ceramica a base di saponite Ceramica di protoenstatite in vetro Materiali di partenza: saponite + fondenti (feldspati o carbonati di bario) Il bario da maggiore resistenza e più isolante elettrico Utilizzati per isolanti elettrici per alto voltaggio