INTRODUCCIÓN A LAS PASTAS Y ESMALTES CERÁMICOS

 

Rosalba Fuentes, Omar Mejía, Bartolo Caudillo y Guadalupe de la Rosa

Facultad de Química

 

Resumen

En este trabajo se enmarca la importancia que tiene la formulación de pastas, esmaltes cerámicos y las  pruebas para determinar sus características. Se busca familiarizar con diversos términos empleados en la industria cerámica mientras se describe la secuencia del proceso y las pruebas que se realizan.  Todo lo anterior en un contexto de la importancia de esta  industria en el país y el papel que deberían tomar las instituciones de educación.

 

Introducción:

Tabiques,  floreros, vajillas, pisos, lavabos y sanitarios, entre otros, son productos de cerámica. En la actualidad, esta industria en nuestro país enfrenta una dura competencia en el mercado mundial, ya que a pesar de que la cerámica popular tiene una gran tradición a nivel industrial, no ha logrado un buen desarrollo. La mayoría de las líneas de negocios de este sector enfrentan  una fuerte competencia en el mercado, por lo que se deberían buscar estrategias para que los productores de cerámica invirtieran en nuevas plantas, en automatización y  capacitación de  personal, con el objetivo de lograr una mayor calidad y reducir las pérdidas económicas. La capacitación continua permitirá a pequeños productores conocer la forma de manipular las pastas y los esmaltes de manera más técnica,  ya que la comprensión de su comportamiento y el conocimiento sobre las  pruebas para conocerlo son esenciales si se quiere fomentar el desarrollo.  A continuación  se explica que es y como se prueban  las pastas y esmaltes cerámicos.

Pasta Cerámica

Ésta se obtiene de la mezcla de distintas arcillas y sustancias. Una vez que se han elegido  las materias primas que conformarán la pasta, se mezclan, se trituran y se efectúa la conformación o moldeado de piezas. En el conformado se añade agua a las arcillas con el fin de plastificar la mezcla para poder moldear, cuidando siempre de mantener la  rigidez necesaria para evitar que las piezas sufran fractura, figura 1. Luego viene la fase de cocción, en donde se pretende conseguir la máxima densidad aparente que proporcione a la pieza cerámica las características físicas, químicas y térmicas que de ella se espera. Así pues, y a grandes rasgos, el proceso cerámico es sinónimo de densificación, la cual, se logra con el conformado y la cocción

Para diseñar correctamente la pasta se debe tener información sobre las materias primas disponibles, las propiedades del producto a fabricar y las características del proceso de fabricación. El acabado depende de:

- a) la composición y estructura de la arcilla

- b) las condiciones de cocción: temperatura y su perfil en tiempo  y atmósfera del horno.

- c) el colorante añadido (si se usa esta técnica).

Las arcillas que contienen óxido férrico, (Fe2O3) tienen un color rojo. A medida que se aumenta la temperatura de cocción el color se oscurece, en parte porque una parte del óxido férrico se convierte en magnetita (Fe3O4), que es de color negro.

 En las arcillas calcáreas, la alteración del color (del rojo hacia amarillo) depende del contenido en carbonato de calcio (CaCO3). La tabla 1 muestra los  tipos de arcillas con su composición química.

Tabla 1. Clasificación de arcillas.

En la tabla 2 se presenta una relación de propiedades y como cambia dicha propiedad  con la presencia de tres de las arcillas más abundantes y comúnmente usadas.

Tabla 2. Propiedades esperadas para caolinita, illita y montmorillonita.

Secado

Cuando la pasta cerámica ha sido moldeada con la forma deseada, debe tratarse para  eliminar el exceso de agua.  Para ello se somete a un secado, el cual es un fenómeno en donde el agua de humedad emigra a  la superficie para su evaporación. A medida que avanza el secado, las partículas se van aproximando y la contracción aumenta. Entonces, se va eliminando el agua que se encontraba tanto absorbida como en los poros,  van apareciendo poros vacíos. La suma del volumen de poros más el volumen de arcilla seca equivale a la dimensión final de la pieza.

 

El ceramista no suele tomar en cuenta el volumen, sino la contracción lineal que a efectos prácticos es lo mismo. Para ello, utiliza distintas pruebas, una de ellas consiste en moldear una pieza en forma de paralelepípedo y hacer marcas antes y después del secado con el fin de medir la contracción, como se observa en la figura 2. También pesa la pieza antes y después del secado con lo cual puede estimar la plasticidad.

 Figura 2. Briqueta de pasta.

Durante el secado, también puede ser determinada la curva de Bigot. Estas curvas permiten conocer el comportamiento al secado (ubicación del punto crítico, declive de la curva %contracción contra %humedad). Una vez determinada la curva de Bigot, el cruce entre las prolongaciones de los tramos correspondientes a la primera y segunda etapa de secado corresponde a la llamada humedad crítica. Este punto depende únicamente de la pasta y debe determinarse en cada caso.

Cocción

La cocción cerámica es un proceso de densificación. El calor que llega a la pasta sirve para desencadenar todo un conjunto de reacciones, entre las que cabe distinguir: Reacciones químicas,  porosidad, Transformaciones cristalinas polimórficas, Producción de microgrietas.

El proceso de cocción se inicia con reacciones en estado sólido: rotura de enlaces químicos, descomposición de minerales y formación de puentes de unión. Más tarde se inicia la generación de líquido, ya que una parte de los componentes funden. Todo ello conduce a una densificación de la masa y el cuerpo adquiere una rigidez que le confiere las propiedades esperadas.

 

En la etapa de calentamiento de la pieza, la periferia está más caliente que el interior, así pues, existe un gradiente de temperatura que provoca una deformación. Durante el enfriamiento, el fenómeno es el contrario. Ahora la temperatura mayor se haya en el núcleo y las fuerzas exteriores quedan sometidas a tracción, esfuerzo mecánico que la cerámica resiste con mucha dificultad. De ahí el hecho que sean más frecuentes las roturas en el enfriamiento que en el calentamiento.

A la salida del horno el producto cerámico presenta una porosidad cerrada y una porosidad abierta. La calidad, cantidad y distribución de los poros condiciona y clasifica los productos cerámicos, así como también lo hizo la composición de la arcilla, como puede verse en la figura 3.

Figura 3. Ubicación de productos de arcilla en diagrama de fases sílice-arcilla-feldespato (Askeland, 1998).

Esmalte

El esmalte o barniz es una suspensión líquida de minerales muy finamente molidos, y que se aplica a las piezas cerámicas, por lo general una vez que ésta han tenido un precocido por medio de pincel, baño de inmersión, o aspersión con algún tipo de pistola, spray o soplete. Estas piezas barnizadas se queman nuevamente en el horno, hasta la temperatura necesaria para obtener la fusión de la mezcla de los ingredientes, la mezcla se convierte entonces en un recubrimiento vítreo firmemente adherido al cuerpo de arcilla. Existen diversas maneras de clasificar los esmaltes: de alta o baja temperatura, según la temperatura a que deban llegar para alcanzar su punto de madurez; plúmbicos (de plomo), alcalinos o feldespáticos según los fundentes utilizados en su preparación; también podemos distinguirlos según su textura, aspecto visual o táctil, en barnices mates, cristalinos, transparentes, opacos, semimates, satinados, iridiscentes y otros.

 

Para diseñar un esmalte se prueba con distintas formulas Seger para conocer el comportamiento del esmalte. La fórmula de Seger se utiliza para expresar la composición de los esmaltes cerámicos. Para calcularla los óxidos se clasifican en básicos (M2O, MO), anfóteros  (M2O3) y ácidos (MO2) y se indica la cantidad de sustancia de cada tipo de óxido con respecto a un mol de óxidos básicos totales.

Con cada fórmula se fabrica un botón que se coloca sobre la pasta cerámica formulada y se somete a cocción en el horno a la temperatura escogida, para conocer la respuesta. Puede observarse en la figura 4, un botón de los polvos que formulan el esmalte, antes y después de su cocción en el horno.

Figura 4. Botón de material para esmalte antes y después su cocción.

Los esmaltes para ser utilizados deben ser mezclados con agua y su cantidad dependerá de las características del esmalte y de la naturaleza y porosidad del soporte. En líneas generales se utiliza un 60/80 % de agua. Es muy conveniente después del mezclado pasarlo por un tamiz de 80 o 100 # para eliminar partículas que no estén bien molidas y homogeneizar el esmalte. Es importante dejar reposar la suspensión de esmalte antes de su aplicación, debido a que las espumas formadas en el mezclado pueden dar origen a defectos de ampollado.

Figura 5. Aplicación de Esmalte

Una vez aplicado, debe darse tiempo para que seque antes de someterlo a la cocción; en caso contrario la humedad superficial al evaporarse bruscamente puede provocar que el esmalte se abra, separe, desconche o se formen burbujas.

La Frita es un  Barniz parcial o completo, fundido en el horno hasta alcanzar la condición de vidrio, enfriado y luego molido. Luego se usa para esmaltar piezas o en la preparación de otros barnices. Con este procedimiento se elimina la toxicidad del plomo y la solubilidad de los fundentes alcalinos.

El Fundente se agrega al esmalte además de la sílice y la alúmina, para lograr que el punto de fusión sea más bajo, esto es, reduce la temperatura de maduración de las dos primeras. Según las temperaturas que se deseen alcanzar, los compuesto que se agregan como fundentes varían: el plomo y los álcalis para las temperaturas más bajas,  y  el sodio y el potasio de los feldespatos para las altas.

Algunos defectos que se presentan en los esmaltes son:

Cuarteo: Se caracteriza por la aparición de finas rajaduras en la superficie vidriada. Este defecto se debe a que el coeficiente de dilatación del esmalte utilizado es excesivamente alto respecto al coeficiente de la pasta cerámica.

Saltado del esmalte: Es el defecto inverso del cuarteo y es producido cuando el coeficiente de dilatación del esmalte es muy bajo respecto a la pasta.  Se detecta por partes de vidriado que saltan o se despegan,  particularmente en superficies curvas y bordes. Este problema, generalmente es causado por defecto de la pieza previamente cocida, por alto contenido de cuarzo o por estar muy finamente molido.

Recogido del esmalte: El esmalte se recoge dejando ver la pasta como si este no hubiera sido “mojado” por el esmalte. El problema es debido, a veces, a que el tamaño de partícula de esmalte es muy pequeño respecto al de los granos sintetizados de la pasta previamente cocida.

Pinchado del esmalte: Se detecta como pequeños poros en la superficie ya vitrificada. Es muy frecuente por causas de contaminación de pequeñas partículas de suciedad. Pero en muchos caos son varios los motivos que producen este problema. Así, aparece pinchado cuando la pieza de pasta  esta excesivamente cocido; cuando el caolín o arcillas como aditivo de molienda en el esmalte contienen laminillas de mica, si el agua es muy dura, cuando hay gases en el horno, cuando se utilizan esmaltes muy viscosos.

Reventado del esmalte: ocurre cuando el esmalte ya vitrificado salta como si reventara en pequeñas áreas o zonas, dejando ver el bizcocho.  El defecto se debe siempre a que la pasta contiene granos de cal.

Piel de Naranja: La superficie vitrificada no esta lisa, presenta un defecto como de pequeños granos u olas, similar al efecto que le da nombre.

Este problema la mayoría de las veces aparece cuando el esmalte es aplicado por pistola. El volumen del aire de atomización por unidad de volumen de esmalte es el factor predominante, también puede influir en el ángulo de incidencia, que debe ser  de 60° o más.

 

Se puede identificar fácilmente cuando la pieza quedo cruda o fue sobrecocida. Las piezas crudas se caracterizan por: (a) Presentar pequeños cráteres en la superficie del vidriado como consecuencia de un hervido incompleto; (b) Pinchado, indicando de falta de maduración del esmalte; (c) Falta de brillo; (d) Falta de estirado; (e) Mal desarrollo de los colores de los esmaltes si estos son coloreados; y  (f)Cuarteo.

Las piezas sobrecocidas se caracterizan por: (a) Pobre desarrollo de colores o colores atacados por el esmalte muy fluido; (b) Esmalte corrido por exceso de fluidez; (c) Piezas deformadas por exceso de temperatura; y (d) Superficie del esmalte con pequeñas burbujas, ampollas, falta de brillo, piel de naranja.

 

Comentarios Finales

La industria Cerámica, es de vital importancia para el desarrollo de un país. Para lograr la comodidad para el humano, en todo  tiempo es indispensable el uso de  ladrillos, vajillas, sanitarios, pisos, etc.  Por tal motivo, debería analizarse a mayor profundidad esta área en las universidades y con ello trabajar para impulsar su desarrollo.  Existen diversas pruebas para determinar tanto el comportamiento de una pasta como de un esmalte. En general, los pequeños productores no están capacitados para aplicarlas, por eso es indispensable desarrollar programas de capacitación, solo así podrán en un futuro entrar a un plano de competencia.

 

Agradecimientos:

A Concyteg por el apoyo a través del convenio 06-16-K117-96 A02

 

Bibliografía Recomendada

Introducción a la tecnología de la cerámica, Paul Rado, Ed. Omega, S. A., 1990.

Tecnología de los materiales cerámicos, Juan Morales Güeto, Editor Díaz de Santos, 2005.

Esmaltes, Joaquim Chavarria, Parramón, 1998.

Cerámica, A.I. Avgustinik, Editorial Reverté, 1983.

Ciencia y tecnología de Materiales, D. Askeland, Grupo Editorial Iberoamericano, 1998.

 

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