Desarrollo de nuevas composiciones de gres porcelánico y estudio de su funcionalización a través de la tecnología láser
- Autores: Jorge Llop Pla
- Directores de la Tesis: Juan Bautista Carda Castelló (codir. tes.), Xermán Francisco de la Fuente Leis (codir. tes.), Isaac Nebot Díaz (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Jaume I ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Barba Juan (presid.), Ruth Lahoz Espinosa (secret.), Rafael Ibáñez Puchades (voc.)
- Materias:
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- Resumen
1 Introducción.
Las baldosas cerámicas son materiales inorgánicos que presentan propiedades muy atractivas como pueden ser su resistencia a elevadas temperaturas, elevada dureza y resistencia química entre otras.
A nivel mundial, España es uno de los principales países productores de baldosas cerámicas, aunque la utilización de materias primas de importación, encarece el proceso frente a otros países productores. Uno de los principlales problemas de las arcillas españolas para la fabricación de baldosas ceramicas, es la falta de blancura, aspecto demandado hoy en día por este mercado.
En este estudio, se han realizado diversos procesos de blanqueamiento a una arcilla española y, en base a los resultados, se ha elegido uno de ellos para aplicarlo a un total de 4 arcillas de origen nacional. Se han formulado distintas composiciones de gres porcelánico con estas arcillas nacionales tratadas y, se han comparado los resultados con unas composiciones formuladas con materias primas de importación.
En una segunda fase, con vistas a conocer como afectan la introducción de nuevos fundentes a las propiedades del gres porcelánico, se han introducido tres nuevos fundentes a las composiciones nacionales elegidas en la primera fase del estudio y se han estudiados sus efectos.
Por último, en una tercera fase, se han sinterizado capas de forsterita sobre las piezas obtenidas en la fase anterior, mediante la tecnología del horno láser.
2 Objetivos Los objetivos generales planteados en esta tesis han sido los siguientes: 1. Estudiar la viabilidad de utilización de materias primas de origen nacional para la formulación de composiciones de gres porcelánico.
2. Estudiar la viabilidad técnica de introducir nuevos fundentes dentro de estas composiciones de gres porcelánico.
3. Funcionalizar las composiciones obtenidas anteriormente mediante la aplicación de capas de forsterita y su cocción mediante horno láser.
3 Metodología La primera fase del estudio, ha consistido en estudiar 4 procesos distintos de blanqueamiento aplicados a una arcilla de origen nacional ampliamente utilizada dentro del sector de fabricación de productos de revestimiento y pavimentos cerámico. Los procesos utilizados han sido: 1. Desleido y tamizado a 150 micrómetros de luz de malla.
2. Desleido y tamizado a 63 micrómetros de luz de malla.
3. Separación magnética.
4. Ataque químico con ácido concentrado y posterior neutralización.
En vista a los resultados obtenidos en esta fase, se ha elegido el proceso de tamizado a 150 micrómetros de luz de malla como proceso idóneo para aplicar al resto de arcillas nacionales, obteniendo con ello, un total de 4 arcillas nacionales tamizadas a esta luz de malla.
Con estas arcillas, se han elaborado diferentes composiciones, comparando las formuladas 100% con materias primas nacionales frente a otras con materias primas de importación. Finalmente, en base a su comportamiento en cocción y sus coordenadas cromáticas, se han elegido dos composiciones formuladas con materias primas nacionales.
En una segunda fase del estudio, se ha sustituido parte del feldespato potásico nacional de las dos composiciones elegidas en la fase anterior, por otros fundentes, como son: ¿ 10% y 5% de Nefelina ¿ sienita.
¿ 10% y 5% de Espodumeno.
¿ 10% y 5% de Talco.
¿ 5% de vidrio reciclado.
Se han caracterizado todas estas nuevas composiciones desde el punto de vista de su comportamiento frente a a la cocción, así como su microestructura, las fases cristalinas presentes y sus coordenadas cromáticas, todo ello a las temperaturas idóneas de cocción para cada composición. En base a todo ello, se ha elegido la composición P9-5T, con un 5% de talco como sustituto parcial del feldespato potásico, como composición idónea de entre todas las estudiadas, para la formulación de piezas de gres porcelánico.
Por último, en una tercera fase del estudio, se ha procedido a la funcionalización de estas piezas de gres porcelánico obtenidas, mediante la sinterización de capas de forsterita (Mg2SiO4) en su superficie. Para ello, se ha comparado la sinterización mediante hornos eléctricos convencionales a temperaturas de 1150ºC ¿ 1320ºC - 1500ºC, frente a la sinterización mediante la utilización de un horno monoestrato de rodillos al cual, se le a acoplado un láser de CO2 en la zona de máxima temperatura de cocción.
Se han probado diversas variables de sinterización, como potencia del láser y su velocidad de barrido sobre la superficie de la baldosa, caracterizando posteriormente las piezas obtenidas, mediante análisis de microscopía electrónica de barrido con energías dispersivas de rayos X (MEB-EDX) así como ensayos de difracción de rayos X.
Por último, se han caracterizado probetas monolíticas de forsterita mediante el horno láser, para poder comparar los resultados con las capas depositadas sobre las piezas de gres porcelánico.
4 Conclusiones 1. Del estudio realizado para mejorar la blancura a una arcilla de la zona de Teruel (arcilla AA) mediante diferentes tratamientos de tamizado en vía húmeda, el que mejores resultados ha aportado es el tamizado a 150 micrómetros, ya que logra mejorar sensiblemente el grado de blancura obteniendo además el mayor rendimiento de proceso.
2. La mejora del grado de blancura para la arcilla AA tamizada a 150 micrómetros de luz de malla, se ha obtenido tanto con la cocción de la arcilla individual a 1180ºC, como cuando esta forma parte de una composición de gres porcelánico.
3. En base al estudio sobre la arcilla AA, se ha realizado el proceso de tamizado a 150 micrómetros a todas las arcillas de partida y, se ha constatado la mejora del grado de blancura que esto origina en todas las arcillas nacionales.
4. Se han preparado diversas composiciones de gres porcelánico modificando el contenido y naturaleza de las arcillas tamizadas y de los feldespatos (P1-P10), de modo que se han obtenido composiciones formuladas únicamente con materias primas de origen nacional.
5. Se han comparado mediante diversos métodos de caracterización, las composiciones con materias primas nacionales frente a las de importación, eligiendo las composiciones P9 y P10 como las composiciones nacionales que mejores características técnicas poseen.
6. Tomando como base las composiciones P9 y P10, se ha sustituido parcialmente el feldespato potásico por otros fundentes como la nefelina-sienita, espodumeno, talco o vidrio reciclado.
7. La introducción de estos nuevos fundentes en una proporción de un 10% genera una drástica reducción del intervalo de temperaturas de cocción.
8. La introducción de un 5% de espodumeno y talco, consigue reducir la temperatura de cocción del soporte. Esto supone una disminución de 30ºC en la composición P9 y de 60ºC en la P10.
9. Se ha elegido la composición P9-5T como la mejor de las composiciones nacionales estudiadas, debido a su coloración, baja absorción de agua y alta estabilidad dimensional a la temperatura de 1150ºC 10. Se ha estudiado la síntesis de capas de forsterita mediante la utilización de tratamientos térmicos convencionales en hornos eléctricos de resistencias, siendo inviable la síntesis de estas capas depositadas sobre un soporte de composición P9-5T, debido a las diferencias de temperaturas necesarias para sinterizar cada una de las dos composiciones.
11. La sinterización de piezas monolíticas de forsterita con hornos convencionales según las condiciones estudiadas, indica que a 1500ºC la forsterita posee una estructura muy bien definida, con una densidad aparente muy elevada.
12. Se han ajustado los parámetros del módulo láser para conseguir obtener capas homogéneas de forsterita sobre un soporte de gres porcelánico. Con una potencia de láser de 1500W , una longitud de línea de 300mm y una velocidad de barrido de 20m/s, se obtienen unos resultados equivalentes a un tratamiento térmico convencional a unos 1320ºC ¿ 1500ºC aproximadamente. Pese a ello, hay que mejorar el ángulo de mojado de ambas capas para evitar que el material retire de la superficie al ser tratado con el láser.
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