COMPORTAMENTO TECNOLOGICO DEI GRANDI FORMATI

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1 COMPORTAMENTO TECNOLOGICO DEI GRANDI FORMATI Confindustria Ceramica Dott. Mariano Paganelli 18 Giugno 2014

2 Iniziamo con una dotta citazione When you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it. Introduzione al libro: Electrical Units of Measurement Lord William Thomson - First Baron of Kelvin Quando siete in grado di misurare ciò di cui state parlando e di esprimerlo in numeri, ne sapete qualcosa.

3 Che cosa possiamo misurare per migliorare il comportamento tecnologico dei grandi formati? 1. Deformazione dei pezzi in smaltatura 2. Modulo di elasticità e comportamento visco-elastico in crudo 3. Intervallo di stabilità del ritiro in cottura 4. Deformazione dei pezzi in cottura 5. Deformazione dei pezzi dopo la cottura. 6. Resistenza all urto 7. Resistenza al carico dinamico concentrato

4 1) Deformazione dei pezzi in smaltatura La deformazione dei pezzi sulla linea di smaltatura è provocata dall aumento di volume dello strato superiore della piastrella che viene bagnata dallo smalto applicato in sospensione acquosa.

5 Misura del comportamento degli impasti in seguito alla bagnatura La tendenza degli impasti a deformarsi in seguito all assorbimento d acqua può essere misurata Utilizzando il flessimetro ottico è possibile studiare la flessione degli impasti in seguito alla bagnatura a freddo

6 Applicazione di acqua con un a siringa sul flessimetro ottico in dotazione a ELS

7 Misure di flessione per bagnatura di 7 impasti diversi

8 2) Modulo di Elasticità in crudo Il parametro che viene normalmente tenuto sotto controllo per prevenire le rotture in crudo è il Modulo di Rottura o il carico di rottura in essiccato Il modo più semplice per aumentare il modulo di rottura in essiccato è quello di ridurre l umidità residua all uscita dell essiccatoio, ma tutti sanno che è controproducente.

9 Il MODULO DI ELASTICITA è la pendenza della curva nel grafico Sforzo -Deformazione Se il materiale si rompe perché è sottoposto ad uno SFORZO, è meglio il materiale ROSSO, perché sopporta uno sforzo più alto.

10 Ma se il materiale si rompe perché è sottoposto ad una DEFORMAZIONE, allora è meglio il materiale VERDE, perché sopporta una deformazione più grande prima di arrivare al limite di rottura.

11 Misurare l elasticità in crudo con l analizzatore meccanico dinamico DMA E necessario misurare simultaneamente sia lo sforzo che la deformazione. Il DMA (Dynamic Mechanical Analizer) è in grado di misurare con grande precisione deformazioni piccole, prodotte da carichi piccoli. Si presta molto bene per eseguire prove cicliche di carico e scarico su provini piccoli da laboratorio

12 Misura della elasticità degli impasti crudi con il DMA in dotazione a ELS

13 Due impasti che si deformano in modo molto diverso

14 Comportamenti visco-elastici Se l ampiezza delle deformazioni rimane costante, ma la deformazione totale aumenta nel tempo, allora il comportamento è viscoelastico

15 Confronto tra 7 impasti diversi

16 3) Intervallo di stabilità del ritiro in cottura E possibile determinare la temperatura ottimale di cottura per un dato impasto? La temperatura di cottura ideale è quella per cui un dato impasto riesce a sinterizzare completamente, nel più breve tempo possibile, senza rigonfiare

17 Impasto completamente sinterizzato (80 C/min) Il materiale stabilizza le proprie dimensioni durante la stasi: ha raggiunto la massima densificazione.

18 Impasti sinterizzati: densità finale Q i Ae RT Al termine del processo di sinterizzazione, la densità tende a portarsi ad un valore massimo costante, che corrisponde alla somma della densità iniziale + un fattore esponenziale.

19 Impasto in rigonfiamento (80 C/min) Dopo aver raggiunto una completa sinterizzazione, il materiale mostra una tendenza al rigonfiamento durante la stasi a temperatura costante

20 Curva di sinterizzazione con 8 step di 10 C per la durata di 2 minuti

21 4) Le deformazioni in cottura Nei prodotti costituiti da un solo materiale, le deformazioni sono prevalentemente causate da fenomeni piroplastici. Nei prodotti smaltati e in doppio strato le deformazioni possono essere provocate dal diverso comportamento dei due strati sovrapposti sia durante il ciclo di cottura che durante il ciclo di raffreddamento

22 4a) deformazioni piroplastiche Negli impasti ceramici tradizionali la forza motrice del processo di sinterizzazione è la tensione superficiale delle fasi vetrose di neoformazione. La viscosità delle fasi vetrose si abbassa esponenzialmente all aumentare della temperatura, accelerando così il processo di sinterizzazione. L abbassamento della viscosità provoca però la tendenza alla deformazione del materiale sotto il suo stesso peso. La deformazione piroplastica si manifesta con una flessione verso il basso, dovuta all abbassamento della viscosità: le barrette, sospese sulle astine del flessimetro, si flettono verso il basso, e diventano concave

23 La deformazione piroplastica

24 Velocità di deformazione

25 4b) Il rigonfiamento da sovra-cottura La maggior parte degli impasti ceramici tradizionali, fatti con materie prime naturali, è soggetta a fenomeni di rigonfiamento, se la temperatura di cottura è troppo alta. Il rigonfiamento è provocato dal fatto che ci può essere sviluppo di gas ad alta temperatura. la viscosità delle fasi vetrose si abbassa all aumentare della temperatura e la pressione interna alle bolle di gas riesce a farle espandere

26 Curve di sinterizzazione con il dilatometro ottico verticale

27 Come si controlla il rigonfiamento Lo sviluppo di gas è correlato alla presenza di ossidi che possono cambiare stato di ossidazione. Ad esempio l EMATITE, che rilascia ossigeno 6 Fe 2 O 3 4 Fe 3 O 4 + O 2 o il Carbonio, che consuma ossigeno: C + O2 CO 2 Oppure di minerali che si decompongono: Ad esempio il GESSO, che sviluppa anidride solforosa e ossigeno CaSO4 CaO + SO2 + ½ O2 Oppure la PIRITE che consuma ossigeno. FeS2 + O 2 Fe2O3 + SO3

28 Misura dello sviluppo di gas durante la cottura con la TGA accoppiata allo Spettrometro di Massa in dotazione a ELS. Weight (%) Deriv. Weight (%/min) Sample: calcium oxalate Size: mg Method: Ramp 120 TGA File: Operator: cgs Run Date: 13-Nov-01 10:16 Instrument: TGA Q50 V2.34 Build % Water (0.8753mg) 19.47% Carbon Monoxide (1.355mg) % Carbon Dioxide (2.093mg) Temperature ( C) Universal V3.4A TA Instruments TGA derivative weight loss H2O m/e=18 CO m/e=28 CO2 m/e= Temperature ( C)

29 4c) Campioni crudi smaltati interferenza provocata dallo smalto o dall engobbio nella cottura dello strato superiore dell impasto La presenza dell engobbio o dello smalto possono interferire con il processo di sinterizzazione della faccia superiore della piastrella. Un esempio molto conosciuto è l effetto di alcune fritte vetroceramiche, che cristallizzano in riscaldamento e di fatto bloccano il ritiro della faccia superiore, mentre la faccia inferiore della piastrella continua a ritirare Un altro esempio è l effetto provocato dall engobbio troppo refrattario, che ritarda la sinterizzazione della faccia superiore, provocando una deformazione convessa.

30 TEST DI DEFORMAZIONE IN COTTURA DI UN PROVINO CON ENGOBBIO E SMALTO ESEGUITO CON IL FLESSIMETRO OTTICO

31 Aumento della deformazione piroplastica provocata dall engobbio

32 5a) Deformazioni dopo la cottura sul materiale sinterizzato Il materiale sinterizzato può manifestare deformazioni anche dopo diverso tempo dalla fine del trattamento termico. L effetto macroscopico è una evidente variazione della planarità, provocata da un aumento di volume dell impasto che si manifesta in modo asimmetrico.

33 Il gres porcellanato può evidenziare notevoli variazioni di volume se viene riscaldato oltre la temperatura di transizione vetrosa.

34 Durante l ultima fase del raffreddamento, il materiale, invece di continuare a contrarsi, inizia ad allungarsi

35 Curva di sinterizzazione su base tempo con raffreddamento

36 Stessa curva di sinterizzazione su base temperatura

37 Zoom sull ultima parte di raffreddamento

38 5b) Deformazioni dopo la cottura sul materiale poroso dopo molte ore o giorni dall uscita dal forno I materiali porosi possono subire un fenomeno di rigonfiamento in seguito all assorbimento di umidità. Questo rigonfiamento è reversibile con un trattamento termico e può essere misurato utilizzando un dilatometro ottico.

39 Misura della post-espansione con il dilatometro ottico

40 Studio quantitativo dello stato tensionale (FLESSIMETRO + DILATOMETRO) La misura della percentuale di compressione dello strato di smalto rispetto all impasto deve essere confrontata con la percentuale di espansione in seguito all assorbimento di umidità.

41 Misura della cinetica di assorbimento in funzione dell umidità relativa con l Analizzatore di Assorbimento di Vapore (VSA) in dotazione a ELS

42 6) RESISTENZA all URTO Norme ASTM C368 0,10 Nm in morsetto ISO ,27 Nm su massetto CSTB residenziale 0,48 Nm su massetto CSTB commerciale 4,00 Nm su massetto Regio Decreto ,96 Nm su sabbia EN ,49 Nm sopraelevato Ma quale di queste misure ha senso?

43 Test di urto su listone in materiale ceramico composito

44 7) RESISTENZA AL CARICO DINAMICO Nelle norme ISO non esiste un test specifico per la resistenza al carico dinamico per i pavimenti ceramici. Nelle norme ASTM, fin dal 1970, esiste un test standardizzato di resistenza al carico dinamico: il test C627, noto come Test di Robinson, dal nome dell Ingegnere che lo ha ideato.

45 Il test di ROBINSON ASTM C627

46 E per concludere un altra dotta citazione: If you can't measure it, you can't improve it Peter Drucker Se non puoi misurarlo, non puoi migliorarlo

47 Analisi Termo Gravimetrica con spettrometro di Massa fino a 1500 C Analizzatore Meccanico Dinamico -150 C +600 C Calorimetro Differenziale a Scansione C Analizzatore di assorbimento di vapore fino a 85 C Reometro fino C Dilatometro Ottico Verticale 1600 C Microscopio riscaldante 1750 C FLASH 1600 C Dilatometro ottico orizzontale + flessimetro ottico C

48 GRAZIE PER L ATTENZIONE