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GRES PORCELANICO. INFLUENCIA DE LAS VARIABLES DE PROCESO SOBRE
LA CALIDAD DEL PRODUCTO ACABADO
(*) ITACA, S.A. (**) Instituto de Tecnologfa Ceramica de la Universitat de Valencia.
Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas (A.I.C.E.). Castellón
INTRODUCCION
El Comité Europeo de Normalización (CEN), en la norma EN87 clasifica los pavimentos y re- vestimiento~ cerámicos en doce grupos, según el tipo de moldeo empleado para conformarlos (pren- sado, extrusión, o colado) y según su porosidad abierta, medida como absorción de agua (EN99). (1)
El tipo de moldeo mayoritariamente empleado en la fabricación de pavimentos y revestimien- tos cerárnicos, es el prensado en seco, aunque conviene aclarar que el término prensado en seco se aplica impropiamente, ya que el polvo que se prensa tiene una humedad comprendida entre el 4 y el 8%. La extrusión se utiliza preferentemente para piezas no esmaltadas y define un campo de productos definidos por su efecto decorativo rústico. El colado tiene una aplicación casi insignifican- te y se emplea para la preparación de algunas piezas complementarias y de geometría difícil.
En España, país situado entre el segundo y tercer puesto mundial en cuánto a la producción de pavimentos y revestimientos cerAmicos, la casi totalidad de estos productos son esmaltados y se moldean por prensado más del 90%. La absorción de agua de los azulejos varía ampliamente según su utilización; en los que se destinan al revestimiento de interiores, la absorción de agua suele ser superior al 14% (grupo III), en cambio cuando se aplican como pavimento de y/o como pavimento y revestimiento de exteriores esta propiedad no suele superar el 5% (grupos BI y BIIa).
Existe un gama muy amplia de productos cerámicos de pavimento y revestimiento para un sin número de aplicaciones. Estos uulejos se diferencian no sólo en el formato, dimensión y color, sino tambi6n en sus características técnicas (físicas, químicas, mecánicas, etc.) Figura 1 .
Los ambientes públicos o los industriales requieren pavimentos con elevada resistencia a la abrasión y elevada resistencia mecanica en general, lo mismo ocurre en pavimentos de uso externo que deben tener una elevada resistencia a la abrasión, puesto que en las zonas circundantes puede existir arena y otro tipo de partículas que actuaran como abrasivo sobre el material cerámico favoreciendo el desgaste.
Los pavimentos cerárnicos esmaltados mas comunes (grupos BI y BIIa) no suelen cumplir las exigencias sobre características técnicas de estas aplicaciones, por lo que ha sido necesario la preparación de un producto ceramico que reúna estas propiedades.
El término gres porcelánico se utiliza para designar un tipo particular de pavimentos y reves- timientos cerárnicos. El gres porcelanico es un material no esmaltado, homogéneo, de muy baja absorción de agua, normalmente menor de 0.1%, lo que indica la elevada compactación de este producto en el proceso de prensado y sus muy altas prestaciones técnicas. (2)
La porosidad tiene una influencia considerable sobre las caractrísticas técnicas, principalenm- te sobre las características mecánicas (módulo de ruptura) y las superficiales (resistencia a la abra- sión, resistencia a las machas, resistencia a los agentes químicos).
Figura l. Propiedades físicas de pavimentos y revestimiento~ certimicos.
En algunos caso, estas caracteristicas técnicas limitan su uso, o son causa de reclamaciones, ademds si la porosidad abierta esta formada por poros de gran tamaño, la porosidad cerrada será muy superior, ya que la superficie debido a la orientación de las partículas arcillosas durante el moldeo, tienen siempre una porosidad muy inferior, y esto define dos líneas de origen de problemas. (3)
Una de ellas viene dada por la presencia de porosidad cerrada, si la porosidad cerrada es importante, indica que la compacidad de la pieza en crudo ha sido deficiente o bien por una composición de la pasta deficiente la contracción de cocción será mayor y la deformación piroplástica aumentará, así como la diferencia de compacidad dentro de la misma pieza y entre unas piezas y otras lo que podrá ser causa de descuadres y tamaños de pieza diferentes (calibres).
GRUPO BIIb
EN 178
6 < E < 1 0
6 11
5 18
3 16
>/5
3 6
6 540
*
\< 9
---
---
0.6
---
PROPIEDADES FISICAS
La otra línea origen de problemas se presenta en los productos de gres porcelánico pulidos, que
GRUPO BI
EN176
4 3
3.3
8 27 ---
3 5
>,6
S 205
*
S 9
---
---
---
GRUPO BIII
EN 159
> 1 0
315 esp. 7,5 mm >,12 esp. > 7,5 mm
3 3 revest.
3 5 pavim.
---
*
\< 9
---
---
---
---
EN 99
EN 'O0
EN 101
EN 102
EN 154
EN l o 3
EN 104
EN lo5
EN 155
EN 202
GRUPO BIIa
EN177
3 < E < 6
4 6.6
a 22
+20
3 5
3 6
345
*
$ 9
---
---
--e
---
Absor. de agua (% en peso). Valor medio
Módulo de ruptura (N/mm2)nValor medio
Dur. al rayado (Mohs) a) Azulejos esmaltados b) Azul. no esmaltados
es't. a la abr si 'n pr funda. &u\. no esrnaata~los.dqnmo vol. abrasionadoen mm Resi st. a la abrasiósupeficial Azul. esmaltados. Tipos de
Coeficiente de dilatación lineal desde 25 a 100" C (x 10SK-l)
Resistencia al choque tkrmico
Resistencia al cuarteo Azulejos esmaltados
Expansión por humedad Azulejos no esmaltados (m/nn)
Resistencia a la helada
presenten una porosidad cerrada importante. Al pulir las piezas cocidas se abrasiona la superficie y deja al descubierto el interior de la pieza con lo que en este caso disminuye la resistencia a las manchas y a la abrasión.
La investigación planteada h a consistido en el estudia de las relaciones entre las variables de prensado (distribución granulombtrica, humedad y presión de prensado) con las características de las piezas obtenidas (en crudo y en cocido), con objeto de definir los intervalos óptimos de trabajo de las variables del proceso y llegar a relaciones que definan las características del producto acabado en función de las variables del proceso.
Como se ha indicado anteriormente la estabilidad de las dimensiones y l a geometría correcta (ortogonalidad, planaridad, etc.) de las piezas cocidas son requisitos que anteriormente debe cumplir el producto acabado.
La falta de estabilidad dimensional de las piezas cerámicas cocidas, que se manifiestan en la obtención de varios calibres o tamaños muy próximos, se debe generalmente a que aqukllas experimentan diferente contracción lineal durante la cocción. En cambio los descuadres (falta de ortogonalidad de la pieza) son consecuencia de que en las distintas partes de una misma pieza se producen contracciones desiguales durante la cocción. En ambos casos las diferencias de contracción lineal son motivadas por una falta de uniformidad de l a porosidad en crudo de las piezas, bien entre ellas o bien dentro de ellas y10 por desigualdades en la temperatura de cocción. Los defectos de falta de planaridad pueden ser debidos a deformaciones piroplásticas, además de las causas anteriormente enunciadas.
Para que no se presenten los defectos mencionados, es preciso lograr que la compacidad (en crudo) de las piezas prensadas sean uniformes (dentro de la pieza y entre ellas) y que la composición del material utilizado, para confeccionar dichas piezas, cumpla los requisitos siguientes:
a) Debe poseer un intervalo de cocción lo suficientemente amplio para que las variaciones de contracción lineal que puedan tener lugar dentro de una misma pieza o entre las piezas, como consecuencia de las alteraciones de la temperatura de cocción que inevitablemente se presentas en esta operación, sean lo suficientemente reducidas para que no produzcan diferencias apreciables en su tamaño (calibres distintos) o en su forma (descuadres, falta de planaridad, etc,).
b) Debe conferir a la pieza, en el intervalo de temperaturas de cocción, las propiedades físicas requeridas (absorción de agua, resistencia mecánica, etc.) sin que se presenten deformaciones piroplásticas. El índice piroplástico (I.P.) de la composición debe ser lo suficientemente bajo para que las tensiones externas a que están sometidas las piezas durante la cocción (golpes, fuerza de gravedad, etc.) no ocasionen defectos de falta de planaridad en el producto acabado.
c) Es necesario que no requiera temperaturas de cocción demasiado altas, para reducir el consumo energético en lo posible, durante la etapa de cocción.
Intervalo de cocción
En la cocción de productos cerámicos de gres porcelánico, la vitrificación o sinterización, en presencia de una fase Iíquida viscosa, es el proceso de densificación que mayoritariamente contribuye a reducir la porosidad de las piezas cocidas y a conferirles las propiedades deseadas. Durante la cocción de estos productos se desarrolla una fase vítrea viscosa que rodea a las partículas más refractarias y que bajo las fuerzas de tensión superficial que se generan en los finos poros de la pieza, tienden a aproximar las partículas aumentando su contracción y reduciendo su porosidad. Paralela- mente al desarrollo de la vitrificación, debido a la fase Iíquida presente, el material deja de comportarse como un sólido rígido y al aplicarle una tensión (la fueza de la gravedad, por ejemplo) se puede producir una deformación'permanente denominada piroplástica. (4)
A igualdad de condiciones de preparación de las piezas (análoga composición, variables de prensado, etc.), l a evolución que sigue la absorción de agua, la contracción lineal y la deformación piroplástica depende fundamentalmente de la cantidad de fase Iíquida que se forma, de la viscosidad
de ésta, de su variación con la temperatura y del tamaño de las partículas de los constituyentes. Para que la composición presente un intervalo de composición apropiado, o sea lo suficiente-
mente amplio para que no se produzcan los defectos antes mencionados y para que la pieza alcance las características requeridas (porosidad, resistencia mecánica, etc.) es imprescindible que se cumplan los siguientes requisitos:
1 ) Debe desarrollar, durante la cocción, la suficiente cantidad de fase líquida, de viscosidad apropiada, para que la pieza pueda alcanzar la porosidad requerida (< 0.2%) sin deformarse.
2) En el intervalo de cocción, la variación del contenido entre fase líquida y/o de su viscosidad con la temperatura debe ser gradual, para que las alteraciones de contracción lineal, absorción de agua y deformación piroplástica tambibn lo sean.
La evolución de los diferentes componente de la pasta, arcillosos y no arcillosos h a sido ampliamente estudiada y se conoce el tipo de respuesta de las distintas especies mineralógicas y mezclas.
Adecuación al proceso de monococción rdpida
Para facilitar la oxidación interna de las piezas y evitar con ello, el defecto de corazón negro, debe evitarse la utilización, en el material de partida, de arcillas que contengan materia orgánica, sulfuros, etc., aún en pequeñas proporciones.
Idoneidad para el procesado en crudo
Además de los requisitos antes descritos que debe cumplir l a composición a utilizar, para que se comporte adecuadamente durante la cocción y proporcione al producto acabado las propiedades características requeridas, es necesario que reúna otras exigencias con vistas a su correcto procesado antes de la cocción. En efecto la relación plásticosídesgrasantes y el tamaño de la partícula deben ser cuidadosamente equilibrados en la composición del material de partida para que la suspensi6n acuosa sea fácilmente defloculable, para que el polvo resultante pueda moldearse adecuadamente, para que el secado de la pieza moldeada se efectúe sin dificultad y para que ésta posea una resistencia mecánica en crudo suficiente para poder ser procesada.
Disponibilidad de materias primas
Las arcillas, feldespatos y arenas feldespfíticas seleccionadas inicialmente para formular la composición de las pastas cumplían todos los requisitos enumerados anteriormente.
Debido a que se trata de un producto cerárnico con características técnicas que permiten sus elevadas prestaciones y de ser un producto no esmaltado, el coste de las materias primas deja de ser limitante como en otros productos cerárnicos y la elección puede realizarse a base de materias primas nacionales o de importación.
CARACTERIZACION DE LA PASTA
Para la realización del estudio se h a utilizado una pasta industrial constituída por arcillas blancas de naturaleza caolinitica, feldespato potásico, feldespato sódico y arena feldespática. Esta composición se ha procesado industrialmente por vía humeda y secado por atomización.
Los ensayos realizados pra caracterizar esta pasta industrial han sido los siguientes: (5)
Rechazo a 63 p : 1.1 % Tamiz de barbotina: 125 pm Presión de prensado: 400 Kg/cm3 Humedad de prensado: 5.5 % Densidad aparente en seco: 1.993 g/cm3
Temperatura Contracción Absorción Densidad ("1 Lineal (%) de agua (%) aparente (g/cm3)
Estos ensayos realizados ponen de manifiesto el buen comportamiento al prensado (densidad aparente en seco) y a la cocción (concentración lineal, absorción de agua y densidad aparente en cocido) de la pasta elegida.
CARACTERIZACION FISICA DE LAS PARTICULAS Y AGLOMERADOS
Para la realización de esta parte del estudio se ha partido de la pasta formulada, preparando la barbotina y realizando el secado por atomización industrialmente.
La caracterización h a consistido en la determinación de:
- Distribución de tamaños de las partículas primarias.
- Distribución granulometrica de los aglomerados resultantes de la molienda vía húmeda y posterior secado por atomización.
- Morfología y microestructura de los aglomerados obtenidos (gránulos).
- Densidad aparente de los aglomerados obtenidos por secado por atomización.
- Densidad aparente del lecho de aglomerados (polvo de prensa).
- Velocidad de flujo e Indice de Hausner de las distintas fracciones granulom6tricas de los aglomerados obtenidos.
Distribución granulométrica de las partículas primarias.
En la Tabla 1 se detallan los rechazos obtenidos al tamizar las particulas resultantes de mol- turar industrialmente por vía húmeda, la pasta utilizada en este trabajo.
TABLA 1 Rechazos de tamiz acumulados en las partículas resultantes de la molineda por vía húmeda.
Luz de malla (pm)
Rechazo (%)
La distribución granulom6trica de las partículas de tamaño inferior a 40 pm, determinada mediante Sedigraph, se detallan en la Figura 2.
Distribución granulométrica de los aglomerados resultantes de la molienda vía húmeda y posterior secado por atomización.
Los resultados obtenidos se detalla en la Tabla 11.
TABLA 11 Distribución del tamaño de los aglomerados del polvo resultante de l a
molienda vía húmeda y posterior secado por atomización.
Luz de malla (pm)
Cernidos acumulados (%)
En la Figura 3 se han representado estos resultados en forma de histograma de frecuencias, al objeto de resaltar aquellas fracciones granulométricas predominantes. Como puede apreciarse la práctica totalidad del polvo atomizado presenta un tamaño de gránulo comprendido entre 125 y 500 CLm.
Morfología y microestructura de los aglomerados de partículas (gránulos).
La forma y textura de los aglomerados utilizados en este trabajo se han determinado mediante microscopía electrónica de barrido. En las Figuras 4,5, y 6 aparecen las microfotografías correspon- dientes a las fracciones granulom6tricas más representativas del atomizado utilizado.
Asimismo se aprecia una mayor esfericidad y una menor rugosidad en la superficie de los gránulos al reducirse su tamaño. En las fracciones mayores (superior a las 400 pm) la superficie es mucho más rugosa y su superficie mucho menos esferica, debido fundamentalmente a que durante la operación de atomización, los gránulos más finos se pegan a la superficie de los de mayor tamaño. Este fenómeno se exagera, de un modo notable, en la fracción de 500-750 pm, en la que la forma de estos aglomerados es muy irregular.
Densidad aparente de los aglomerados obtenidos por secado por atomización.
La densidad aparente de los aglomerados preparados por atomización se ha calculado de forma indirecta a partir de la densidad del lecho de dichos aglomerados empaquetados mediante vibración (p,). Esta método se basa en el hecho comprobado de que la porosidad intergranular de un lecho de gránulos de tamaño similar, empaquetado por vibración, es del 40% (idéntica a la que se obtiene en un empaquetamiento de esferas monodimensionales). En consecuencia puede calcularse la densidad aparente de los gránulos (p,) dividiendo por 0.6 la densidad aparente del lecho empaquetado por vibración (pJ, (6).
FIGURA 4. Microfotografía de la fracción 80-1 25 pm
FIGURA 5. Microfotografía de la fracción 300-500 pm
FIGURA 6. Microfotografía de la fracción 500 pm
- 365 -
En la Tabla 111 se detallan las d e n s i d a d e c r e n t e s de los gránulos (p,) de las fracciones de diferente tamaño correspondientes a los aglomerados preparados.
TABLA 111 Valores de p, de las distintas fracciones de los aglomerados preparados por atomización.
Fracción Densidad granulométrica (pm) pc (g/cm3)
Las densidades aparentes de los aglomerados con un tamaño superior a 500pm no se han podido calcular, por este método, debido a que los gránulo presentaban una forma tan irregular que no podía admitirse la hipótesis de que la porosidad intergranular fuera próxima al 40%.
Como puede observarse en la Tabla 111 la densidad aparente disminuye con el aumento de tamaño. Esto se debe probablemente a que a medida que aumenta el tamaño de aglomerado, se incrementa también el espacio ocupado por crateres y huecos internos en el gránulo.
Densidad aparente del lecho de aglomerados (polvo de prensa).
En IaTabla N se detallan las densidades aparentes del lecho que resulta por simple vertido del polvo en el molde p,y del mismo sometido a vibración con el consiguiente empaquetamiento del polvo p,. Asimismo se indica el contenido en humedad.
TABLA IV Densidad aparente del lecho de aglomerados
Contenido en humedad X, Po
(Kg a g u a s. S) (g/cm3>
Puede apreciarse que el valor más alto de la densidad aparente del lecho obtenida por vertido corresponde al atomizado con un contenido en humedad X, = 0.050. Esto se debe probablemente a que en el caso del atomizado más húmedo, el contenido de agua es excesivamente alto y aparecen fuerzas de unión entre los gránulos debidas a la presencia del líquido en la superficie, y en el caso del atomizado con un contenido en humedad X, = 0.025 la humedad tan baja puede producir rotura de gránulos, menor fluidez y por lo tanto una densidad menor.
En cuanto a la densidad aparente obtenida por vibración, se observa un aumento de la misma con el contenido en humedad. Esto se debe a que las fuerzas atractivas son vencidas por la vibración y por lo tanto el empaquetamiento final es similar para los tres casos ensayados. Sin embargo el progresivo aumento del contenido en humedad se refleja en los valores de la densidad aparente calculada como la relación entre la masa del polvo y el volumen que ocupa.
Velocidad de flujo e Indice de Hausner de las distintas fracciones granulométricas de los aglomerados obtenidos.
En la Tabla V se detallan la velocidad de flujo y en índice de Hausner para las fracciones granulométricas representativas de los tamaños grueso, medio y fino. (6)
TABLA V Fluidez de los aglomerados
Fracción Velocidad de Indice de granulométrica flujo (cm3/ S) - Hausner (pt 1 p,)
De los resultados obtenidos se deducen las siguientes conclusiones:
1) La fracción comprendida entre 80-125 um presenta una fluidez menor que la fracción 200- 300 pm. Esto se debe a que a pesar de que el gránulo fino es más denso, por su menor tamaño presenta un mayor número de contactos entre partículas, lo que disminuye su fluidez. Asimismo en esta fracción fina también pueden encontrarse fragmentos de gránulos de tamaño superior que han podido fracturarse durante el proceso.
2) La fluidez de la fracción gruesa (400-500 pm) es menor que la de la fracción (200-300 pm). Esto se debe a la baja densidad del gránulo y a la menor esfericidad del mismo respecto a las demás fracciones. En esta fracción se encuentran gránulos formados por la unión de otros de menor tamaño que dan lugar a formas irregulares como se h a visto en la microfotografía.
Para determinar la influencia que la humedad ejerce sobre la fluidez, se ha obtenido el valor de estos parámetros para los aglomerados obtenidos con contenidos en humedad distintos (Tabla VI).
TABLA VI Influencia de la humedad sobre la fluidez
Contenido en Velocidad Indice de Humedad)$ de flujo Hausner
(Kg agua& s.s) (cm3/s)
Se observa que al aumentar la humedad disminuye la fluidez, lo que se aprecia tanto en la velocidad de flujo como en el índice de Hausner.
PRENSADO DEL POLVO ATOMIZADO. INFLUENCIA DE LAS VARIABLES DE PRENSADO SOBRE ELDESAFtROLLO DE ESTAOPERACIONY SOBRE LAS PROPIEDA- DES DE LA PIEZA MOLDEADA.
En la fabricación de gres porcelánico la distribución de densidad aparente en la pieza prensa- da y la distribución porosimétrica de esta en crudo, son fundamentales para producir el comporta- miento en la etapa de cocción y las características técnicas de la pieza cocida.
Para determinar el efecto que las variables de operación de prensado (presión y humedad de prensado) ejercen sobre la densidad aparente y la distribución de poros en las piezas prensadas se han realizado una serie de probetas a distintas presiones y humedades de prensado. Las presiones de prensado utilizadas han sido 150,300 y 600 Kg/cm2 y las humedades ()$) empleadas 0.0250,0.050 y 0.075 Kg agua /Kg sólido seco, intervalo de valores utilizados en la fabricación de gres porcelánico. (7)
La fase de compactación del polvo cerámico está también influenciada por el estado de aglome- ración de las partículas que forman los gránulos. El estado de aglomeración se cauntifica mediante las características siguientes: dureza, distribución de tamaños y densidad de los gránulos, tipo de gránulos, etc. Según los estudios realizados al aumentar la densidad del gránulo se reduce la deformabilidad (aumenta la dureza) lo que obliga a tener que utilizar presiones de prensado más
elevadas que las que se emplean con gránulos mas blandos, para que los resultados sean similares.
Para estudiar la influencia que el tamaño y la dureza de los aglomerados ejercen sobre la estructura porosa de la pieza seca, se han determinado las distribuciones porosimétricas mediante porosimetría de mercurio.
Para cada combinación presión-humedad de prensado se han moldeado seis probetas con objeto de reducir el error experimental.
Densidad aparente en seco
El procedimiento más adecuado para caracterizar el comportamiento de un polvo de prensas, durante la fase de compactación, consiste en determinar la variación que experimentala densidad del lecho de polvo compacta (p,) en función de la presión de prensado P.
En la figura 7 se han representado las densidades aparentes en seco medias (p,) en función del logaritmo de la presión de prensado a distintos valores de la humedad de prensado correspondientes a las tres series de probetas preparadas a distintas presiones (P) y humedades de prensado (&l.
Para expresar en forma analítica la influencia que estas variables de proceso ejercen sobre la densidad aparente en seco de la pieza prensada se ha relacionado esta propiedad (p,) con la presión de prensado mediante la ecuación.
En la Tabla VI1 se detallan los valores obtenidos para los parámetros A y B de esta ecuación. Estos valores se han obtenido ajustando por regresión lineal los valores de la Figura 7.
TABLA VI1 Influencia de la humedad X, sobre los parámetros A y B de la ecuación.
Se comprueba según estos resultados que la humedad de prensado ejerce un marcado efecto sobre la densidad aparente en seco de la pieza moldeada.
En efecto al aumentar )$ se incrementa linealmente el parámetro A y por lo tanto a presión constante, la densidad aparente en seco de la pieza. Por otra parte se reduce el parámetro B y por lo tanto la influencia que ejerce la presión del prensado sobre dicha propiedad de la pieza prensada.
Distribuciones del tamaño de los poros
Sobre las piezas prensadas a las humedades de prensado 0.025,0.050 y 0.075 Kg de agua /Kg sólido seco y a las presiones de 150,300 y 600 Kg/cm2 se han determinado las distribuciones del tamaño de los poros mediante porosimetría de mercurio.
En las Figuras 8 ,9 y 10 se pueden observar estas distribuciones porosimétricas que además se ajustan aceptablemente a la función de la distribución normal logarítmica, como puede deducirse del examen de las Figuras 11,12 y 13. En estas Figuras se representan estos mismos resultados en la
a2 a rn 2 ." k .c, 'a, E . H rn O k O
a rn a,
5 .H
S f 42
V)
E r( r(
10g 2R ( ~ m )
FIGURA 12. Distribuciones porosimétricas de piezas crudas prensadas a 300 kg/cm2 y humedad 5%
l o g 2R (pm)
Distribuciones porosimetricas de p i e z a s cr-udas prensadas a 300 Kg/crn 2
y humedad 7,5%
forma: volumen acumulado de los poros con un diámetro mayor o igual que 2R en escala de probabilidad, frente al logaritmo de 2R.
Como puede comprobarse en el intervalo de diámetros de poros comprendidos entre 75 y 0.01 pm al que corresponde el 90 % de volumen de los poros (mesaporos y macroporos), estas representa- ciones son líneas rectas.
En la Tabla VI11 se detallan los valores del diámetro medio geométrico (2RG).
TABLA VI11 Parámetros de la distribución porosimétricas de las probetas prensadas.
P (Kg/cm2>
x, (Kg aguakg sólido seco)
2%
En la figura 1 4 y 1 5 se representan la variación del diámetro medio geométrico (2RG) frente al contenido en humedad de prensado (q) y frente a la presión de prensado. Como puede apreciarse el diámetro medio geométrico disminuye con el aumento del contenido en humedad y con el aumento de la presión.
Del examen de los resultados obtenidos se desprende:
- El diámetro medio geom4trico (2RG) de los poros de las probetas de prensado a una misma presión de prensado (P) disminuye con el aumento de la humedad (%l.
- Esta misma tendencia se observa para las probetas prensadas con un mismo contenido en humedad (Xp) al aumentar la presión de prensado, es decir, disminuyen el diámetro medio geométrico.
S.S.
S.S.
S.S.
FIGURA 15. Variación del diametro medio geométrico con la presión del prensado
COCCION DE LAS PIEZAS PRIENSADAS
Influencia de las variables de prensado sobre el comportamiento de la pieza en la operación de cocción.
La falta de uniformidad dimensional y la aparición de porosidad interna en las piezas cocidas son dos de los defectos más comunes y a la vez preocupantes en la fabricación de gres porcelánico. Dado que estos defectos tienen su origen y10 están muy influenciados por la compactación de las piezas en crudo, se h a estudiado la relación existente entre la densidad aparente en crudo y algunas propiedades de la pieza cocida, (8) (9)
Contracción lineal de cocción
La falta de uniformidad dimensional entre diferentes piezas cocidas o entre diferentes partes de una misma pieza, está causada por diferencias en l a compactación del polvo atomizado en la operación de prensado, y/o por variaciones en la temperatura de cocción.
Para determinar el efecto que el grado de compactación y la temperatura de cocción ejercen sobre la contracción lineal, se han moldeado 9 series de probetas. Dentro de cada serie se han modificado la presión y la humedad de prensado. Las presiones de prensado (P) y las humedades (q) empleadas son las mismas con las que se obtuvo el diagrama de compactación. Cada serie se compone de 14 probetas, dos para cada una de las temperaturas de cocción a la que se realizan los ensayos.
Las probetas previamente secadas en estufa a 11 0 T, se han cocido a diferentes temperaturas, a una velocidad de calentamiento de 25 Wmin y con un tiempo de permanencia a esta temperatura de 6 min. En las probetas cocidas se ha determinado la contracción lineal de cocción, expresada como la relación entre l a diferencia de dimensiones antes y después de la cocción respecto de la medida inicial.
En la Figura 1 6 se representan los valores de la densidad aparente en seco (p,) frente a la contracción lineal de cocción (S), para cada temperatura de cocción.
Absorción de agua.
Para determinar el efecto que la compactación y la temperatura de cocción ejercen sobre la porosidad abierta de las piezas cocidas, medida como capacidad de absorción de agua (W), se han utilizado las mismas probetas prensadas y cocidas para la realización del ensayo anterior.
En la Figura 17 se han representado los valores de absorción de agua obtenidos para cada par de valores de densidad aparente en seco, temperatura de cocción.
Densidad aparente en cocido
En la Figura 1 8 se han representado gráficamente los valores de las densidades aparentes en cocido (p,) de las probetas correspondientes a las nueve series preparadas para el cálculo de la contracción lineal (S) y la absorción de agua (W), en forma: Densidad aparente en cocido (p,) frente a la densidad aparente en seco (p,) para distintas temperaturas de cocción (TI.
Del análisis de las Figuras 16, 17 y 1 8 se deduce que los efectos más significativos que ejerce la temperatura sobre cada una de las propiedades estudiadas con las siguientes:
Densidad aparente )
FIGURA1 6. Variación de la contracción lineal con la densidad aparente en seco para distintas temperaturas de cocción
Figura 17
VARIACION DE iA ABSORCION DE AGUA CON LA DENSIDAD APARENTE EN SECO PARA DISTINTAS TEMPERATURAS DE COCClON
1,6 1 S7 188 189 2,o 2,' 2#%
Densidad aparente en seco (g /cm3)
FIGURA 1 8. Variación de la densidad aparente en cocido con la densidad para distintas temperaturas de cocción
a) Al aumentar la temperatura de cocción, para una determinada densidad aparente en seco, se reduce la porosidad total de la pieza (aumenta la contracción lineal y la densidad aparente en cocido), hasta alcanzar una densificación máxima de la pieza.
b) Incrementos de l a temperatura posteriores al grado de densificación máxima, reducen mar- cadamente l a densidad de la pieza (aumentan su porosidad total).
La evolución 'de la densidad aparente en cocido y la de la contracción lineal con la temperatu- r a de cocción, corresponde al comportamiento, durante la vitrificación o sinterización en presencia de fase líquida, de composiciones formuladas a base de arcillas blancas illítico-caoliníticas y fundentes ricos en alcalinos (K, Na fundamentalmente). En efecto para estas composiciones y a temperaturas superiores a las que la pieza alcanza su máxima densidad, las variaciones de la contracción lineal y de la densidad en cocido con la temperatura, están condicionadas por dos efectos simultáneos y antagónicos que se van desarrollando en la pieza a medida que va disminuyendo su viscosidad aparente. Por una parte la tensión superficial de la fase líquida presente tiende a reducir el tamaño de los poros (abiertos y cerrados) lo que incrementa la contracción lineal y reduce la porosidad total de la pieza (abierta y cerrada). Por otra la expansión de los gases ocluídos en los poros y10 generados por la descomposición de la hematita presente (<1 .O %), para formar otras especies de óxido de hierro más reducidas (Fe,O,, Feo , etc.) tiende a incrementar la porosidad cerrada disminuyendo en consecuencia la contracción lineal de la pieza. La resultante de estos dos efectos contrapuestos que se desarrollan con el aumento de la temperatura de cocción hace que en el estado final la velocidad de la vitrificación vaya decreciendo progresivamente hasta una temperatura T,, determinada. A partir de T,, se produce un hinchamiento de la pieza provocado por una excesiva expansión de los gases contenidos en su interior.
A temperaturas de cocción mucho mayores a T,,, la viscosidad de la fase vítrea, puede llegar a ser lo suficientemente baja como para permitir que parte de los gases ocluídos escapen abriendo poros, aumentando de este modo la porosidad abierta.
Relaciones entre las variables de prensado y el grado óptimo de cocción.
El pavimento de gres porcelánico, se encuadra según clasificación por la norma UNE 87, dentro del grupo BI, es decir, que la absorción de agua no superará el 3%.
Esta clasificación es muy amplia y no refleja la realidad de este tipo de pavimento. El gres porcelánico es un material no esmaltado, que puede ser pulido y que tanto en su caso como en otro presentará una porosidad abierta mínima.
En la Figuras 19 y 20 pueden observarse dos fotografías aumentadas de piezas de gres porce- lanico de producción industrial, pulido, una de ellas con una absorción de agua mayor del 0.1% en la que se aprecian los poros y la otra con una absorción de agua menor de 0.1% y que presenta poros de tamaño mucho menor.
Como se ha mencionado anteriormente, el gres porcelánico normalmente se presenta pulido, por lo que la presencia de porosidad interna (porosidad cerrada), puede dar lugar al pulirse la pieza a poros de la superficie de la misma, como se observa en las fotografías.
FIGURA 19. Fotografía aumentada de pieza de gres porcelfinico pulido W > 0,1%
FIGURA 20. Fotografía aumentada de pieza de gres porcelánico pulido W < 0,1%
Relaciones entre la densidad aparente en seco y la temperatura Óptima de cocción (TcM)*
Como consecuencia de todo lo expuesto anteriomente se considera temperatura óptima de cocción (T,) aquella a la que una pieza con una densidad aparente p, debe ser cocida (según el ciclo de cocción se guido en este trabajo), para alcanzar una W c 0.1 % siendo máxima la densidad aparente en cocido de la pieza.
De la Figura 17 (representación griifica de la absorción de agua frente a la densidad aparente en seco, para distintas temperaturas de cocción), se han obtenido para cada una de las densidades aparentes en seco, con las que se han realizado los ensayos, las temperaturas a las que la absorción de agua es de 0.1%, interpolando gráficamente. (10)
Los resultados obtenidos aparecen el la Tabla IX.
TABLA IX Valores de p, y T para los que la W = 0.1%
Con estos valores se ha construído la gr8fica que aparece en la Figura 21, donde se representa la densidad aparente en seco frente a la temperatura para la que la absorción de agua es de 0.1%
Como se ha dicho anteriormente, la temperatura óptima es aquella a la que además de una absorción de agua mínima, la porosidad de la pieza es máxima. En el caso que nos ocupa se ha considerado un valor de W = 0.1% para obtener las distintas temperaturas óptimas, el siguiente paso será comprobar que las piezas cocidas a esta temperatura no están hinchadas.
Del análisis de los resultados obtenidos se puede concluir:
a) La temperatura óptima de cocción disminuye con el aumento de la densidad aparente en crudo.
b) Para valores de densidad aparente menores o iguales a 1.736, es imposible conseguir una porosidad abierta menor de 0.1 % sin que reduzca marcadamente la densidad aparente de la pieza (aumenta su porosidad total).
C) El aumento de la densidad aparente en seco de la pieza, produce una disminución de la porosidad total de la pieza cocida.
Por 10 tanto para conseguir, a igualdad de porosidad abierta, una porosidad cerrada mínima, deberá moldearse la pieza con una máxima densidad aparente en crudo.
I I 1 I 1 I 1 1.6 1,7 1,8 1,9 2.0 a 1 2,2
Densidad aparente en seco (g /cmS)
FIGURA 21. Relación de temperatura de cocción con la compactación necesaria para obtener una absorción de agua A. A. < 0,1%
Resistencia mecánica a la temperatura óptima (W = 0,1%)
Una de las características técnicas que diferencia al gres porcelánico del resto de pavimentos moldeados por el m6todo de prensado, es su elevada resistencia mechnica en cocido.
Para el cálculo de la resistencia mechnica en cocido, se han prensado 6 series de probetas a distintas presiones de prensado y con distintos contenidos en humedad.
Las presiones de prensado y las humedades utilizadas han sido 200,300 400 y 600 W c m 2 y 2.5, 5.0 y 7.5 % respectivamente.
Unavez secas las porbetas a 110" en estufa, se han dejado enfriar y se h a calculado la densidad aparente (p,).
Con la densidad aparente en seco (p,) y según la Figura 17 se ha obtenido la temperatura 6ptima a la cual la obsorción de agua sera de 0.1%.
Cada serie de probetas se h a cocido a su temperatura correspondiente y una vez cocidas se han sometido a un ensayo de resistencia a la flexi6n.
Realizado el ensayo, se h a calculado la resistencia mecánica y el módulo de elasticidad de las piezas.
En la Tabla Xaparecen los valores de presión yhumedad utilizados para el moldeo de las piezas, así como la densidad aparente en seco (p,) temperatura de cocción (TcM), absorción de agua calculada (W) y resistencia mecánica (oc).
Los valores que aquí aparecen corresponden a la media aritmética de las 8 probetas de cada una de las series:
A l a vista de los resultados obtenidos, puede concluirse que la resistencia mecánica en cocido es prácticamente independiente de la densidad aparente en seco.
Las probetas presentan una porosidad abierta medida como capacidad de absorción de agua, menor de 0.1 %y por lo tanto puede decirse que la resistencia mecánica en cocido depende únicamente de la porosidad total de l a pieza.
Relación entre el índice de piroplasticidad y la densidad aparente en seco.
Para intentar correlacionar la densidad aparente en seco y el índice de piroplasticidad (IP), se han prensado 6 series de 8 probetas cada una, con unas dimensiones de 3 x 11 cm de lado y 0.8 cm de espesor. (11)
Las presiones y humedades utilizadas así como las temperaturas de cocción han sido las indicadas en el apartado anterior.
En la Tabla XI se recogen los valores medios obtenidos para cada una de la series.
TABLA XI
En la Figura 22 se ha representado la variación del índice de poroplasticidad (IP) con la densidad aparente en seco y se observa que a medida que aumenta la densidad aparente en seco disminuye el indice de piroplasticidad.
FIGURA 22. Indice de piroplasticidad frente a la densidad aparente en seco
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