Cerámica: Materias Primas y Estructura de las Arcillas

Cuerpo cerámico:

• Soporte: Cuerpos arcillosos (materiales plásticos: arcillas y caolines), desgrasantes (SiO₂, alúmina, chamota), fundentes (PbO, feldespatos), otros (pigmentos, floculantes, defloculantes).
• Revestimiento: Formadores de retículo (SiO₂, B₂O₃), modificadores del retículo (Na₂O, K₂O, PbO), propiedades intermedias (Al₂O₃, Fe₂O₃), otros (colorantes, opacificantes).

1. Soporte

a) Cuerpos Arcillosos

Confieren plasticidad al cuerpo cerámico. Son las arcillas y caolines (proceden de la descomposición de rocas feldespáticas). El H₂O es el principal disolvente, produce erosión y desintegración (en el proceso de transformación de rocas) de forma que la roca se fracciona en partículas cada vez menores.

Los caolines están presentes en el lugar de formación de las rocas (también llamadas arcillas primarias). Tienen mayor refractariedad, tamaño de partícula y escaso contenido de impurezas. Arcillas sedimentarias: son arrastradas por H₂O y depositadas lejos de la roca de la que proceden. Tienen granulometría fina, son arcillas secundarias, menos refractarias y con mayor número de impurezas adquiridas durante la migración y sedimentación.

Formación de caolinita: al disgregarse el feldespato por erosión, las partes alcalinas y calcáreas son arrastradas por H₂O y solo permanecen SiO₂ y Al₂O₃. Parte de SiO₂ se descompone a causa de reacciones químicas. El resto, tras pasar mucho tiempo sometido a humedad, se hidrata y se forma caolinita (=46% SiO₂ + 40% Al₂O₃ + 14% H₂O). Se encuentra en proporciones variables en caolines y arcillas refractarias.

b) Desgrasantes

En crudo, compensan el exceso de plasticidad. Tras la cocción actúan como armazón. Son los materiales más refractarios y aportan dureza, resistencia mecánica, térmica, al sonido y blancura. Principales desgrasantes: SiO₂, Al₂O₃ y chamota (materia cerámica ya cocida y triturada al estado de polvo). Propiedades que aportan: reducen las mermas producidas por secado y cocción y el riesgo de tensiones internas, aportan resistencia mecánica al cuerpo crudo, facilitan el secado y mejoran la resistencia al choque térmico.

c) Fundentes

Ingredientes con menor punto de fusión. Se ablandan y son absorbidos por otros componentes, al enfriarse se forma una matriz vítrea que sellará la porosidad. A mayor % de fundente, menor porosidad. Baja Tª: Pb y B; alta Tª: feldespatos.

Mezcla eutéctica: mezcla de 2 o más componentes que funde a la menor Tª posible (fundirían a mayor Tª si estuviesen separados). Al calentarse, los compuestos forman nuevos con menor Tª de fusión. Intervalo eutéctico: toda la gama de proporciones de la mezcla en que el punto de fusión es inferior al de los ingredientes por separado. Punto eutéctico: proporción que produce el punto de fusión más bajo.

d) Otros Materiales

Pigmentos: sustancias inorgánicas que, mezcladas con una matriz vítrea o pasta cerámica, dan coloración a estas. Defloculantes: electrolitos básicos que aumentan el poder de fluidificación de las pastas. Floculantes: electrolitos ácidos que provocan la coagulación de las pastas.

2. Estructura de las Arcillas

a) Estructura Cristalina de los Silicatos

La estructura del silicato es una estructura cristalina formada por tetraedros de silicio (1 átomo de Si central y 4 de oxígeno). El átomo de Si tiene 4 cargas +, el átomo de O 2 cargas -. El átomo central queda saturado y en los vértices queda una carga - en cada O. El SiO₂ son tetraedros unidos a través de un átomo de oxígeno común, de forma que la valencia del oxígeno quede satisfecha. Cada átomo de O une a 2 de Si. Cada átomo de Si une a 2 de O = SiO₂. En la naturaleza la encontramos en formas cristalinas (cuarzo, cristobalita...) o vítreas (obsidiana). Los silicatos son sales de ácido salicílico. El % en sílice es tal que forman estructura cristalina. Se diferencian en el orden, proporción y forma de conectarse los diferentes átomos. El talco y la caolinita son silicatos (se organizan formando retículos planos formados por cadenas de anillos hexagonales).

b) Estructura de las Arcillas

La caolinita (Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O) está formada por 2 capas: una capa de SiO₂O₅ (forma anillos hexagonales en la que los tetraedros se unen compartiendo 3 de sus 4 oxígenos) y una capa de octaedros de Al₂O₃ (cada átomo de aluminio coordina 6 iones). Se conectan compartiendo los 2 oxígenos del octaedro con el oxígeno del vértice del tetraedro. Esta estructura presenta cargas independientes y dependientes del pH.

c) Absorción de Agua

Las láminas de arcilla están unidas por fuerzas eléctricas débiles. Las moléculas de H₂O pueden introducirse entre ellas. La arcilla se hincha al aumentar la separación entre las placas. Al hincharse se hace plástica (las placas se deslizan entre unas y otras al aplicar presión). La arcilla con exceso de H₂O pierde cohesión y se desintegra. Cuando el H₂O se evapora, la arcilla se contrae.

d) Contenido de H₂O en la Arcilla

1. Agua de plasticidad (20%): Lubrica las partículas de arcilla (pueden deslizarse unas sobre otras). La plasticidad depende del tamaño y forma de las partículas. Dependiendo de la arcilla, necesitará diferente cantidad de H₂O. Se eliminará por evaporación a Tª ambiente.
2. Agua de poros (12%): Agua en equilibrio con el H₂O atmosférico (varía dependiendo del H₂O ambiental). Es el agua que queda en los poros de la arcilla seca por acción capilar, fuerzas de tensión superficial y acción de las partículas que las rodean. En estado plástico se mezcla con el H₂O de plasticidad. No se elimina totalmente hasta que la arcilla ha alcanzado Tª +120º.
3. Agua de constitución (14%): Llamada agua de cristalización. Forma parte de la estructura química del compuesto. No se elimina hasta alcanzar 600º. Se elimina a través de los poros. Proceso irreversible porque la arcilla pasa a ser barro cocido (cambio cerámico).

3. Propiedades de las Arcillas

a) Dimensiones de las Partículas

Cada arcilla tiene una granulometría propia. Depende de las dimensiones de las placas de caolín, materiales procedentes de la roca madre y añadidos durante el desplazamiento y sedimentación. El tamaño de las partículas también influye en la plasticidad y fluidificación.

b) Poder de Cambio y Absorción

La absorción es la absorción superficial del líquido que rodea las partículas de arcilla en su superficie. Puede producir variaciones en las fuerzas de atracción entre placas y variaciones de estado coloidal. Las cargas presentes en la superficie condicionarán el tipo de iones que absorba. Cuando prevalecen superficies cargadas -, los cationes tienden a aproximarse y podrán ser diluidos por otros. Esto se llama capacidad de cambio.

c) Fluidificación

La fluidez es la capacidad de un líquido para que sus componentes resistan a la fricción. Opuesto a la viscosidad. Las arcillas más fluidificables son alcalinas y ricas en sustancias orgánicas.

Factores que condicionan la fluidez:

• Tamaño de partículas: la fricción entre partículas es proporcional a la superficie de contacto entre ellas. A partículas finas, mayor fricción. Por estar inmersas en un líquido, reciben un empuje ascendente que contrasta con la gravedad.
• Fuerzas electrostáticas: partículas arcillosas en suspensión cargadas de energía -.
• Densidad: suspensiones con + densidad = - fluidas.
• Fluidez del medio de dispersión, tensión superficial, ácido húmico.

d) Plasticidad

Se llama plástico a un material que con determinada cantidad de líquido forma una pasta dotada de cohesión y que mantenga las deformaciones provocadas sin sufrir agrietamiento.

Causas:

• Tamaño y forma de la partícula: cuanto más fina sea la partícula, mayor será la superficie de contacto y el material más plástico.
• Verdadero contenido en arcilla: los componentes no arcillosos la harán menos plástica, por lo que se quitarán tamizándola.
• Contenido en humedad: la plasticidad aumenta con el contenido en H₂O.
• Plastificantes: potencian el desplazamiento de las partículas de arcilla (bentonita, CMC).