MATERIALI CERAMICI MATERIALI CERAMICI TRADIZIONALI INTRODUZIONE La tecnologia di preparazione di manufatti da una pasta di terra ed acqua e successivo indurimento per riscaldamento entra nella storia già in tempi antichissimi e, stranamente, viene tuttora sfruttata praticamente senza grosse innovazioni nelle operazioni di preparazione. Le materie prime usate sono in pratica sempre le stesse: - un materiale che renda la pasta lavorabile (argilla) - un materiale che permetta una parziale fusione (feldspato o altri materiali felspatoidi) - un materiale che dia la resistenza meccanica (sabbia) che mescolate opportunamente e con l'aggiunta di altri materiali accessori danno i vari tipi ceramici. Le operazioni per la preparazione di un qualsiasi pezzo ceramico sono pressoché uguali e possono essere sintetizzate nel seguente schema: - scelta delle materie prime - miscelazione e macinazione - formatura - cottura - scelta. I tipi di produzione di solito si distinguono a seconda del manufatto ceramico in: - materiali da costruzione (mattoni, tegole, ecc,) - piastrelle - stoviglieria - sanitari - refrattari - porcellane tecniche. L'industria ceramica italiana è tra le maggiori nel mondo, sia nel campo della produzione che nel campo della impiantistica con grosse innovazioni riguardanti l'ottimizzazione del ciclo di produzione e l'introduzione di macchine che permettano di abbreviare tale ciclo. Negli ultimi 40 anni, ad esempio, nel campo di produzione delle piastrelle si è passati in fase di cottura da cicli di 20 ore in forno a tunnel a cicli di 37 minuti in forni a rulli. Ciò significa la produzione di una piastrella al secondo per un impianto di dimensioni medie, quello che i produttori di Sassuolo definiscono "ceramico avanzato" Classificazione dei ceramici tradizionali Sono state fatte diverse classificazioni per i materiali ceramici tradizionali, una accettabile è la seguente: a) materiali a pasta porosa 1- a pasta rossa vetrificata (semigres o cottoforte) 2- a pasta bianca vetrificata b) materiali a pasta compatta (vetrificata) 1- gres rossi non smaltati 2- gres rossi smaltati 3- gres bianchi smaltati 4- gres ceramico fine 5- porcellane 1
Le caratteristiche di tali materiali dipendono dalle materie prime, dal metodo di formatura e dal tempo e temperatura di cottura: a partire dalle stesse materie prime si possono ottenere manufatti con caratteristiche decisamente diverse. L'industria ceramica italiana di prodotti tradizionali ha una produzione tale da essere annoverata tra le maggiori nel mondo. Questo fatto è dovuto, oltre che a motivi di tradizione e di styling, anche all'apporto di una industria produttrice di impianti, sempre italiana, che investe una grossa fetta dei suoi utili nella innovazione. Se l'esportazione di ceramici tradizionali è diffusa in tutto il mondo, grazie anche alla moda "Italia", l'esportazione di impianti chiavi in mano per la ceramica tradizionale praticamente non ha concorrenti: la Germania, la Francia, gli Stati Uniti ed altri paesi sia europei che emergenti, importano impianti dall'italia. Negli ultimi 10 anni anche paesi come la Cina, l India, il Vietnam, le Coree, e nei momenti di pace anche l Iran e l Iraq acquistano tecnologia dall Italia per le loro produzioni interne e per l esportazione. Le materie prime e la tecnologia di fabbricazione: aspetti generali 1 - Le materie prime e i criteri di progettazione degli impasti Le materie prime che sono usate per la preparazione dei ceramici possono essere divise in tre categorie: - un materiale che renda la pasta lavorabile (argilla) - un materiale che permetta una parziale fusione (feldspato o altri materiali felspaoidi) - un materiale che dia la resistenza meccanica (sabbia) Le argille sono considerate le materie prime per eccellenza nei ceramici tradizionali. Mineralogicamente rientrano nella classe dei caolini e delle bentoniti. I componenti chimici delle argille sono, allumina ed acqua. Possono inoltre contenere ossidi di metalli alcalini e/o alcalino terrosi. La struttura cristallina delle argille dipende dalla loro composizione chimica e precisamente dal numero di tetraedri di ossigeno con al centro un atomo di silicio e da come questi tetraedri sono collegati tra loro e con gli altri atomi presenti. Le argille caolinitiche bianche e rosse (per la presenza di ossidi di ferro) sono quelle più usate negli impasti ceramici tecnici. Le argille caolinitiche migliori (più bianche) provengono dalla Germania (bacino del Westerwald), dall'inghilterra e dagli USA. In Italia argille caolinitiche bianche si trovano in Piemonte mentre le tipiche argille appenniniche presentano colorazioni rosse. Le argille caolinitiche vengono impiegate per una gran quantità di prodotti ceramici: laterizi, sanitari, piastrelle, ceramiche porcellanate, faenze, se sono molto pure e bianche anche per porcellane e per piastrelle a pasta bianca. I principali materiali feldspatici possono essere divisi nei seguenti gruppi: - feldspati,- nefeline,- pegmatite,- aplite e- felsite. Sono usati come fondenti perchè contengono quantità più o meno grandi di ossidi alcalini. Nota: quando sono presenti ossidi di ferro, sono questi a fare da fondenti. I materiali i sono in pratica costituiti da pura (sabbie e) la cui formula chimica è SiO 2. La esiste in diverse forme allotropiche : quarzo α e β, tridimite α, β e γ e cristobalite α e β. Le temperature a cui avvengono le trasformazioni più importanti dal punto di vista ceramico sono le seguenti: Trasformazione Temperatura ( C) quarzo - tridimite 870 quarzo α - quarzo β 573 con variazione di volume cristobalite α - cristobalite β 220 con variazione di volume La maggior parte delle materie prime contengono la sotto forma di quarzo. 2
I materiali i sono usati negli impasti in diversa percentuale a seconda del tipo di ceramico ed hanno essenzialmente una funzione di supporto visto l'alto punto di fusione di tali materiali e la loro resistenza meccanica. 2 La preparazione delle materie prime In uscita dalla cava le materie prime vengono quartate e sottoposte a vari tipi di controllo: analisi chimiche, diffrattometriche, termiche e dilatometriche. Se ne ricava l'indicazione sull'uso più opportuno nei vari tipi di produzione. E' opportuno eseguire sempre un controllo della presenza di zolfo e di carbonio organico: questi due componenti infatti danno il fenomeno del cuore nero soprattutto in cottura rapida. La scelta delle materie prime dipende dalle caratteristiche finali del materiale che si vuole ottenere e, compatibilmente con i sistemi di produzione, da criteri economici. A tutt'oggi non esistono materiali strategici, per cui l'approvvigionamento è relativamente semplice, Il problema più grosso è rappresentato dalla quantità di sostanze: 50.000 tonnellate anno possono essere la fornitura per una azienda media di produzione di ceramici da rivestimento e pavimento e avere materie prime con qualità costanti nel tempo non è molto facile. Scelte le materie prime, queste vengono trattate in modo da ottenere un impasto omogeneo con caratteristiche adatte al tipo di formatura scelta per la produzione. Attraverso un sistema di pesatura e di trasporto attraverso tramogge l'impasto viene miscelato e macinato: le due operazioni vengono eseguite in pratica nello stesso tempo. Nell'operazione di macinazione si ottiene lo scopo di diminuire le dimensioni delle particelle di solido fino a dimensioni prestabilite, per permettere una migliore reazione fra le particelle. Le proprietà dei solidi che influiscono sulla macinazione sono: - le dimensioni delle particelle - il tipo di forma delle particelle - la durezza in particolare: la resistenza meccanica, la resistenza all'urto e la resistenza all'abrasione - la struttura del materiale - il peso specifico - l'umidità e l'igroscopicità - la tendenza all'agglomerazione o alla flocculazione. Le azioni che si svolgono durante la macinazione sono: - compressione semplice - percussione (del corpo macinante sul materiale) - impatto - abrasione - taglio. I vari tipi di mulino che si trovano in commercio per la macinazione di materie prima e di impasti ceramici privilegiano una o l'altra di queste azioni. La macinazione delle materie prime ceramiche può essere a secco o ad umido: la macinazione ad umido permette una migliore omogeneizzazione ma risulta più costosa, per tale motivo, se le materie prime non sono molto pure o se il prodotto finale non è di alta qualità si preferisce la macinazione a secco. Per miscele di due o più argille con caratteristiche chimiche e fisiche analoghe e basso contenuto di materiali duri come sabbia, o silicati, si preferisce la macinazione a secco e si possono produrre, negli altri casi si preferisce la macinazione ad umido. Gli impianti per la macinazione a secco si usano nella prima parte della macinazione. in cava si ottengono pezzature di argille di 20 cm che vengono ridotte con ruspe a 6 cm circa (l'umidità è attorno al 4-5%). Con frantoi a piastra si porta il materiale ad un "tout venant" con 3
particelle di dimensioni massime dell'ordine di 5 mm e si raggiunge il gradi di finezza richiesto con mulini a pioli, a martello e a rulli. Per la macinazione ad umido l'umidità deve essere tra 12 e 16% e con una prima macinazione si devono ottenere argille con dimensioni massime tra 6 e 8 cm, che vengono quindi inviate a turbodissolutori per essere portate in sospensione, oppure a mulini rotanti in continuo o in discontinuo. Per i materiali duri sono usati mulini rotanti in discontinuo. La scelta di una appropriata tecnica di macinazione permette di raggiungere i seguenti risultati: - riduzione delle dimensioni delle impurezze - omogeneizzazione di vari componenti a durezza e peso specifico diverso - macinazione fine di materiali non argillosi - granulometria molto fine con particelle con superfici non spigolose. Visto il grosso interesse che presenta la macinazione ad umido, sono stati sviluppati alcuni modelli teorici che hanno portato alle seguenti leggi: - Legge di Kick E = C lg (D/d) dove con E si indica l'energia richiesta, C è una costante che dipende dal materiale, D il diametro medio prima della macinazione e d quello dopo la macinazione: ciò significa che la quantità di energia necessaria per ridurre le dimensioni di una certa quantità di materiale dipende dai rapporti tra le dimensioni dei diametri medi e non dalle dimensioni iniziali. - Legge di Rittinger E = K 1 ( 1/d - 1/D ) dove K 1 è una costante che dipende dalla forma delle particelle: ciò significa che la quantità di energia necessaria per macinare una determinata quantità di materiale è proporzionale alla quantità di superficie che si forma. Per i mulini ad umido in discontinuo il ciclo di lavoro può essere diviso nelle seguenti operazioni: - carica (materie prime, acqua, fluidificanti e corpi macinanti) - macinazione - scarica della barbottina Come mezzi macinanti si possono usare ciottoli di fiume () o palle di porcellana, allumina sinterizzata. Più alto è il peso specifico e migliore risulta la macinazione: i mulini di (allumina sinterizzata brevettata) con sfere di sono molto efficaci ma il loro costo è molto alto (una industria media produttrice di smalti spende circa 2,5 milioni di all'anno in sfere di ). L'efficacia di macinazione aumenta fino ad un 50% di riempimento del mulino con corpi macinanti e quindi diminuisce; per la carica delle materie prime non esiste una regola generale, ma è opportuno mettere materia prima fino a ricoprire tutti i corpi macinanti. Si trovano in commercio diversi tipi di mulini costruiti con diversi materiali: per la macinazione di materie prime del corpo ceramico copertura gomma gomma mezzi macinanti 4
per la macinazione degli smalti copertura mezzi macinanti porcellana porcellana. I mulini ad umido in continuo sono impianti introdotti da poco nella ceramica tradizionale; in questo caso l'impianto è conveniente se la quantità di materiale da macinare è molto grande. La tendenza da parte dei produttori di macchine è di fare anche impianti piccoli, ma finora l'uso non è stato ancora accettato. Sono costituiti da un impianto di caricamento in continuo, un cilindro rotante che raggiunge anche i 16 metri di lunghezza ed i 3 metri di diametro, con una velocità controllata e con uno scarico di entrata nell'atomizzatore. La teoria per la macinazione in continuo è alquanto complessa, ma i parametri che influenzano i risultati finali sono gli stessi che per la macinazione in discontinuo. Si prevede inoltre l'introduzione di macchine per la macinazione che lavorano sul principio del passaggio del materiale tra due cilindri che sono spinti uno contro l'altro con una forte pressione: questo tipo di macinazione è molto efficace e viene per ora applicato al campo dei cementi. Per gli impasti per le produzioni a alta tecnologia viene usato un sistema di atomizzazione. Il sistema che viene usato è chiamato anche spray-drying ed in pratica è un essiccamento della barbottina (cioè della miscela impasto acqua) in condizioni controllate in modo da avere alla fine degli agglomerati a forma sferica e di dimensioni opportune, che permettano una migliore formatura. Il funzionamento è relativamente semplice: il sistema viene alimentato con una barbottina a densità e viscosità controllata, che viene ridotta in goccioline e, attraverso una valvola o con una turbina vengono accelerate e quindi riscaldate con aria calda in controcorrente; ad un certo punto aumenta la densità della particella in quanto si perde l'acqua e si agglomera la polvere per cui la particella cade e viene raccolta. I parametri che influenzano le dimensioni delle particelle sono: a) parametri del materiale: densità della barbottina, viscosità della stessa (può essere corretta con opportune aggiunte di additivi organici appositi) e tipo di materie prime b) parametri di macchina: dimensioni dell'atomizzatore, tipo di valvola o di turbina e velocità della stessa e temperatura dell'aria Il controllo sia dei parametri del materiale che di quelli di macchina permettono di raggiungere risultati opportuni. Anche in questo caso i risultati migliori si ottengono per dimensioni dell'impianto piuttosto grandi. 3 La formatura Diverse sono le tecniche di formatura ed in particolare si possono ricordare: l'estrusione, il colaggio in stampi, la forgiatura, lo stampaggio, l'elettroforesi e la pressatura. In pratica durante la formatura devono essere raggiunti i seguenti scopi: - dare la forma all'oggetto - compattare l'oggetto - rendere i vuoti tra le particelle minori possibili. Per la ceramica tradizionale industriale più avanzata (produzione di piastrelle) il metodo più usato è la pressatura in quanto presenta i seguenti vantaggi: - il green (materiale formato e non cotto) presenta un alta resistenza meccanica e quindi può essere movimentato - alto numero di pezzi nell'unità di tempo - facilità di essiccamento. Sono allo studio diverse macchine per permettere di applicare la pressatura anche a pezzi ceramici che finora si producono per colaggio, come ad esempio sanitari, o per forgiatura, come i piatti o per trafilatura, come i mattoni. 5