Parte 1 a INTRODUZIONE ALLA CERAMICA Materie Prime Ceramiche: Giacimenti, Composizione, Proprietà Tecnologiche
Introduzione alla Ceramica: Contenuti Definizioni Classificazione delle ceramiche Terminologia Tipologie di ceramica Forma e funzione Processi ceramici Formatura Macinazione e granulazione Essiccamento e cottura Prodotti ceramici: fabbricazione Materie prime 1-2
Definizione La ceramica è un materiale fabbricato a partire da polveri alle quali è data una forma a freddo, che è poi consolidata attraverso un trattamento ad alta temperatura CERAMICA POLVERI FORMATURA COTTURA CEMENTO POLVERI COTTURA FORMATURA VETRO SABBIE FUSIONE FORMATURA Non c è riferimento alla composizione: dalla terracotta alla ceramica avanzata 1-3
Ciclo di produzione della ceramica MATERIE PRIME SMALTATURA PREPARAZIONE IMPASTO FORMATURA ESSICCAMENTO MATURAZIONE PRIMA COTTURA SMALTATURA COTTURA 1-4
Classificazione della ceramica Non esiste una classificazione della ceramica che sia organica e largamente condivisa La principale distinzione è per destinazione d uso (stoviglieria, sanitari, piastrelle, laterizi, refrattari) Per le piastrelle, le classi previste dalla normativa si riferiscono all assorbimento d acqua, così che uno stesso tipo di prodotto può ricadere in due classi La classificazione più semplice è quella basata su due parametri: colore e compattezza (o porosità) dell impasto (Emiliani, 1957) 1-5
Classificazione della ceramica tradizionale PORCELLANA TERRAGLIA GRES TERRACOTTA MAIOLICA STRUTTURA COMPATTA STRUTTURA POROSA IMPASTO INCOLORE IMPASTO COLORATO Emiliani, La tecnologia della ceramica (1957) 1-6
Terminologia La terminologia della ceramica tradizionale non è chiara: si può riferire sia al materiale (es. grès) che al processo (es. monocottura) che al prodotto (es. piastrella da rivestimento tipo monoporosa ) Occorre di volta in volta ricostruire, per ciascun termine commerciale, la terna materiale-processo-prodotto: Nome commerciale: Monoporosa Materiale: maiolica (impasto poroso e colorato) Processo: monocottura (cottura simultanea di impasto+ smalto) Prodotto: piastrella (da rivestimento) Nome commerciale: Vitreous china Materiale: porcellana (impasto compatto e incolore) Processo: bicottura (doppia cottura di impasto e impasto+smalto) Prodotto: stoviglieria (piatto piano o piatto fondo) 1-7
Terminologia: Piastrelle ceramiche GRES PORCELLANATO (gres/porcellana-monocottura rapida) GRES ROSSO (gres-monocottura lenta) MONOCOTTURA ROSSA (gres-monocottura rapida) MONOPOROSA ROSSA (maiolica-monocottura rapida) BIRAPIDA BIANCA (terraglia-bicottura rapida) Terminologia commerciale: PRODOTTO (materiale-processo) INCOLORE COLORATO BIII BIa MONOCOTTURA RAPIDA BICOTTURA TRADIZIONALE BIII BIb BIIa BIIb BIb 0,5% 3% 6% 10% ASSORBIMENTO D ACQUA nuovi materiali nuove applicazioni GRES PORCELLANATO 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 1-8
Innovazione tecnologica: Piastrelle ceramiche TECNOLOGIA DELLA BICOTTURA TRADIZIONALE Dimensione tipica: 15 x 15 cm Dimensione massima: 20 x 25 cm TECNOLOGIA DELLA COTTURA RAPIDA Dimensione tipica: 30 x 30 cm Dimensione massima: 60 x 60 cm TECNOLOGIA DEL GRES PORCELLANATO Dimensione tipica: 40 x 40 cm Dimensione max: 120 x 120 cm NUOVE TECNOLOGIE DI FORMATURA Dimensione tipica: 120 x 300 cm 1-9
Ceramica per l edilizia ( Casa ceramica ) Apparecchiature sanitarie Piastrelle da pavimento Mattoni e blocchi in laterizio Canne fumarie in laterizio Tramezze in laterizio Pannelli isolanti in lana di roccia Blocchi da solaio in laterizio Coperture in laterizio Calcestruzzo con aggregati leggeri Piastrelle da rivestimento Tubi per fognatura in grès 1-10
Ceramica per l industria Proprietà termiche Alto punto di fusione Resistenza termica REFRATTARI ISOLANTI TERMICI Proprietà elettromagnetiche Resistenza elettrica Piezoelettricità Suscettibilità magnetica, costante dielettrica, ecc. Durezza ISOLATORI ELETTRICI PIEZOELETTRICI COMPONENTI PER ELETTRONICA ABRASIVI Proprietà meccanichetribologiche Resistenza meccanica Resistenza abrasione CORAZZE BALISTICHE, ecc. ELEMENTI ANTI- USURA, ecc. 1-11
Progettazione dei materiali ceramici MATERIE PRIME DESTINAZIONE D USO QUALITÀ & NORMATIVA PREPARAZIONE IMPASTO FORMATURA ESSICCAMENTO PROCESSO CERAMICO funzioni tecnicoestetiche proprietà tecniche proprietà tecnologiche COTTURA caratteristiche geologiche composizione PRODOTTO CERAMICO GIACIMENTI MINERARI MATERIE PRIME 1-12
Funzione dei materiali ceramici: forma (prodotto processo) PROCESSO PRODOTTO Forma Geometria Simmetria Spessore Preparazione impasto: Macinazione Granulazione Tecnica di formatura: - Pressatura -Estrusione - Colaggio - Stampatura Trattamenti termici: Essiccamento Cottura MATERIE PRIME IMPASTI Variabili importanti: - Proprietà reologiche (es. plasticità, viscosità) - Macinabilità (es. durezza, friabilità) - Comportamento termico (es. fusibilità, sinterizzazione) 1-13
Forma (prodotto processo) ESTRUSIONE PRESSATURA UNIASSIALE forme simmetriche rispetto all asse di estrusione; spessori da 3 a 200 mm STAMPATURA forme quadrate e rettangolari; spessori da 5 a 15 mm COLAGGIO forme simmetriche e asimmetriche; spessori da 10 a 200 mm forme asimmetriche anche assai complesse; spessori da 1 a 20 mm 1-14
Tecniche di formatura: estrusione blocco di laterizio rullo refrattario 1-15
Tecniche di formatura: stampatura 1-16
Tecniche di formatura: pressatura PIASTRELLE 1-17
predisposizione stampo riempimento barbottina Tecniche di formatura: colaggio assorbimento di acqua dallo stampo e formazione dello strato di impasto svuotamento stampo rassodamento dell impasto apertura stampo estrazione del pezzo 1-18
Preparazione dell impasto: macinazione La macinazione è un processo di riduzione delle dimensioni delle particelle e aumento della superficie specifica Indice di Bond (lavoro di macinazione) Argilla 8 Granito 11 Feldspato 12 Vetro 14 Quarzo 15 Sabbia silicea 16 Zircone 25 1-19
Tecniche di macinazione disaggregazione Frammenti di argilla macinazione a secco Polvere secca macinazione ad umido Barbottina = sospensione acquosa 1-20
Impianti di macinazione AD UMIDO A SECCO 1-21
Tecniche di macinazione tecnica finezza della granulometria omogeneità di miscelazione flessibilità (numero di materie prime) costi disaggregazione macinazione a secco NON MODIFICATA (<1000µm) FINE (<300µm) SCARSA BUONA 1-2 1-5 BASSI MEDI macinazione ad umido MOLTO FINE (<60µm) OTTIMA 5-10 ALTI 1-22
Preparazione dell impasto: granulazione pellettizzazione essiccamento granulato a spruzzo atomizzato 1-23
Essiccamento Evaporazione in superficie Migrazione dell acqua dall interno verso la superficie Evaporazione all interno del corpo Formazione di condensa 1-24
Meccanismi dell essiccamento Condizione iniziale Prima fase di essiccamento: funicolare RITIRO r m r p Seconda fase di essiccamento: pendolare 1-25
INTERMITTENTE: prodotto fermo e condizioni di processo che variano nel tempo Essiccatoi CONTINUO: prodotto in movimento e condizioni di processo costanti nel tempo 1-26
Cottura La trasmissione di calore per unità di superficie (1 m 2 ) e per unità di tempo (1 ora) può essere rappresentata nella forma: q = W * (t a t s ) W = coefficiente globale di scambio (kcal/m 2 * h * C) t a = temperatura dell aria o dell elemento riscaldante ( C) t s = temperatura della superficie ( C) Conduzione Convezione Irraggiamento (differenza di temperatura) (corrente di aria calda che lambisce la superficie) (raggi infrarossi) 1-27
1200 1000 Reazioni durante la cottura formazione di nuove fasi cristalline e vetrose 800 600 400 200 0 dissociazione dei carbonati dissociazione dei solfati dissociazione dei cloruri transizione di fase quarzo α β deossidrilazione dei minerali argillosi ossidazione dei solfuri combustione materia organica disidratazione idrossidi Al- Fe condensa sali d ammonio disidratazione 1-28
FORNO A TUNNEL prodotto in movimento (su carri) fuoco fermo (temperatura costante) ciclo: velocità dei carri Tipi di forno FORNO A RULLI prodotto in movimento (su rulli) fuoco fermo (temperatura costante) ciclo: velocità dei rulli FORNO SHUTTLE prodotto fermo e fuoco variabile (temperatura varia nel tempo) ciclo: on/off bruciatori FORNI SPECIALI forni a nastro trasportatore forni multicanale forni per cottura smalti 1-29
Cicli e funzionamento Temp. ( C) 1200 800 400 0 VERDE camino emissione gas esausti bruciatori 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P=0 Lunghezza (metri) aria di raffreddamento COTTO 1-30
Fabbricazione dei prodotti ceramici PREPARAZIONE DELL IMPASTO FORMATURA TRATTAMENTI TERMICI MACINAZIONE GRANULAZIONE TECNICA DI FORMATURA ESSICCAMENTO smaltatura COTTURA 1-31
Fabbricazione dei LATERIZI PREPARAZIONE DELL IMPASTO FORMATURA TRATTAMENTI TERMICI FRANTUMAZIONE DISGREGAZIONE <1 mm ESTRUSIONE STAMPATURA ESSICCAMENTO essiccatoi continui ciclo 12-24 h MONOCOTTURA forni a tunnel ciclo di 18-36 h 1-32
Fabbricazione delle PIASTRELLE PREPARAZIONE DELL IMPASTO FORMATURA TRATTAMENTI TERMICI MACINAZIONE AD UMIDO <0,1 mm ATOMIZZAZIONE MACINAZIONE A SECCO <0,5 mm GRANULAZIONE PRESSATURA uniassiale ESTRUSIONE ESSICCAMENTO essiccatoi continui ciclo 30-60 min smaltatura MONOCOTTURA forni a rulli ciclo 30-60 min ESSICCAMENTO essiccatoi continui ciclo 24 h MONOCOTTURA forni a tunnel ciclo di 36 h 1-33
Fabbricazione dei SANITARI PREPARAZIONE DELL IMPASTO FORMATURA TRATTAMENTI TERMICI Materiali duri MACINAZIONE AD UMIDO MISCELAZIONE: barbottina Materiali argillosi DISAGGREGAZIONE AD UMIDO COLAGGIO in stampi di gesso o resina ESSICCAMENTO essiccatoi intermittenti ciclo 12-24 h smaltatura MONOCOTTURA forni a tunnel (a rulli) ciclo 12-24 h 1-34
Fabbricazione delle STOVIGLIERIE PREPARAZIONE DELL IMPASTO FORMATURA TRATTAMENTI TERMICI Materiali duri MACINAZIONE AD UMIDO MISCELAZIONE: barbottina PRESSATURA isostatica (es. piatti) COLAGGIO in stampi di gesso (es. zuppiera) ESSICCAMENTO ess. intermittenti ciclo 12-24 h COTTURA Biscotto forni a tunnel/shuttle ciclo 12-24 h smaltatura Materiali argillosi DISAGGREGAZIONE AD UMIDO STAMPATURA al tornio (es. tazza) COTTURA Smalto forni speciali ciclo 12-24 h 1-35
Fabbricazione dei REFRATTARI PREPARAZIONE DELL IMPASTO FORMATURA TRATTAMENTI TERMICI MISCELAZIONE PRESSATURA uniassiale (es. piastre) PRESSATURA isostatica (es. sfere) ESTRUSIONE (es. rulli) COLAGGIO (es. supporteria) STAMPATURA (es. ciotole) ESSICCAMENTO ess. intermittenti ciclo 12-24 h COTTURA forni a tunnel forni shuttle ciclo 24-36 h 1-36
Smalti MATERIE PRIME SOLUBILI IN ACQUA es. borati, carbonati alcalini FORNO FUSORIO 1300-1500 C FRITTAGGIO brusco raffreddamento in acqua MATERIE PRIME INSOLUBILI es. quarzo, feldspati, carbonati alcalino-terrosi, argille, zircone, ecc. composizione per SMALTO FRITTA (= vetro) 1-37
Pigmenti ceramici MATERIE PRIME MINERALIZZATORI ESSICCAMENTO MISCELAZIONE A UMIDO O A SECCO SINTESI PER CALCINAZIONE TEMPERATURA 900-1400 C ESSICCAMENTO MACINAZIONE A UMIDO O A SECCO PIGMENTO CERAMICO 1-38
Materie prime ceramiche MATERIE PRIME PLASTICHE MATERIE PRIME NON PLASTICHE Caolini Argille plastiche Argille comuni Fondenti Additivi Coloranti-Opacificanti 1-39
Struttura dei minerali argillosi STRUTTURA BASE DEI FILLOSILICATI Strato di ottaedri AlO 6 Strato di tetraedri SiO 4 CAOLINITE SMECTITE ILLITE T O 7Å T O T x 17Å CLORITE T O T T O T O 10Å 14Å 1-40
Proprietà dei minerali argillosi Unità Caolinite Illite Clorite Smectite CEC AEC Superficie specifica Indice plastico meq/ 100 g meq/ 100 g m 2 /g % peso 5-15 5-20 5-15 20 10-10 <10 60-110 50-65 10-40 <10 5-50 50-65 80-100 10-20 200-800 100-650 Limite liquido % peso 50 100-120 100-120 150-700 Stabilità termica C 400-500 900-1000 500-700 800-900 1-41
Proprietà dei minerali argillosi 0,03 0,3 µm SMECTITE 0,1-5 µm ILLITE 0,1-5 µm CLORITE 0,5 10 µm 1-2 (Ca, Mg, K) 3-7 (Na) 0,3 0,5 0,2 0,4 0,1 0,4 CAOLINITE Indice di attività [% IP / % <2µm] 1-42
Struttura del corso 1. Introduzione alla ceramica 2. Caolini 3. Argille plastiche bianche (Ball clays) 4. Argille plastiche rosse 5. Argille comuni 6. Fondenti feldspatici 7. Fondenti non convenzionali 8. Materie prime complementari 9. Impasti ceramici 1-43
Parte 1 a INTRODUZIONE ALLA CERAMICA FINE