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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA Departamento Académico de Ingeniería Química ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

Laboratorio de cerámica ASIGNATURA: CE-441 CERAMICA I PRÁCTICA Nª 7 FORMULACIÓN Y FORMULACIÓN DE PASTAS CERÁMICAS PROFESOR(A) DE TEORÍA: Dr. Ybar Gustavo PALOMINO MALPARTIDA PROFESOR(A) DE PRÁCTICA: Ing. Pedro INGA ZARATE ALUMNOS: Quijano Ramírez, Luis Ángel : López Sachez, Rene : Aguilar pacheco, Edder Enrique DÍA DE PRÁCTICAS: viernes

HORA: 07:00 am -10:00 am

AYACUCHO - PERÚ 2018

FORMULACIÓN Y FORMULACIÓN DE PASTAS CERÁMICAS. I.

OBJETIVOS:  La presente técnica tiene por objetivos describir el procedimiento de ensayo para formular preparar pastas cerámicas por el método de diagrama triaxial de componente.

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO. 1. Arcillas de Cocción Blanca: Son arcillas illítico-caoliníticas, con alta proporción de caolinita y en ocasiones elevadas cantidades de cuarzo, como componentes mayoritarios. Tiene una baja proporción de componentes colorantes (hierro y titanio). Son arcillas tipo ball cay, caolinítico-illíticas, con cuarzo libre y materia orgánica, muy plástica y con una buena blancura después de la cocción. Se utilizan principalmente para aumentar la plasticidad, y por tanto mejorar la compactación y resistencia mecánica en seco. Como características de estas arcillas blancas pueden citarse:  Son pegajosas y muy plásticas  Una vez cocidas tienen colores blancos o cremas.  Su grano es muy fino, lo que les otorga gran plasticidad y elevada resistencia en verde. Propiedades.  La mayoría de ellas poseen elevado punto de fusión.  Su contracción lineal durante el secado oscila entre 3.4–12 %.  Su contracción lineal durante la cocción varía entre 1.6–20 %. Según sea la temperatura alcanzada.  Su absorción después de ser cocidas a la temperatura de 950 °C puede llegar al 12 %.  El módulo de rotura correspondiente es de 11–73 kg/cm2.  Estas arcillas son empleadas para la fabricación de lozas y porcelanas de alta temperatura. Metodología de Formulación de Pastas Antes de formular una pasta se debe tener información acerca de:  Materias primas disponibles  Propiedades del producto a fabricar  Características del proceso de fabricación. La pasta formulada se deberá, por tanto, ajustar al proceso de fabricación y conferir al producto todas las características exigidas. El costo, lógicamente, debe ser el mínimo posible. Como se ha observado en este esquema en primer lugar han de definirse las propiedades exigibles al producto a fabricar. Se hace referencia a aquellas características técnicas que necesariamente debe reunir éste y

que depende de la composición de la pasta y del proceso de fabricación, tales como:  Constancia dimensional  Resistencia mecánica  Porosidad, etc. Se deberá definir también el comportamiento que esperamos de la pasta durante el proceso de fabricación (la elección de esta vendrá condicionada por el tipo de productos a fabricar):

   

Prensabilidad Plasticidad Comportamiento en secado. Comportamiento en cocción.

En la fabricación de productos cerámicos con arcillas rojas y blancas, es fundamental utilizar mezclas o formulaciones con uno o más arcillas y para ello se debe tener en consideración el análisis racional, ya que se trata de coordinar para un determinado fin el contenido de los cuatro componentes principales: sustancia arcillosa, feldespato, cuarzo y greda.

Formulación de Pastas Cerámicas Empleando el Análisis Racional de Arcillas Rojas y Blancas.

Pastas Cerámicas: Existe una gran diversidad de clasificación de pastas cerámicas en función a la propiedad que se toma como referencia. Así tenemos:  Pastas de porcelana de alta temperatura  Pastas para la cerámica artesanal de baja temperatura.

Una porción considerable de las pastas de cerámica fina que hoy se fabrican, corresponde a un diagrama de equilibrio de fases del tipo ternario lo que significa que los principales compuestos son: Arcilla-Cuarzo-Feldespato. Estos materiales se pueden extraer de la naturaleza puros y a bajo costo: la pasta que forman es manejable, y lo que es más importante, con un tratamiento térmico se obtienen micro estructuras apropiadas. (Norton F.H.1975) Sistemas ternarios Los campos de composición se ilustran con un gráfico del sistema ternario como el de la figura N° 01. Cada vértice del triángulo equilátero representa el 100 por ciento de los componentes de las materias primas que intervienen en la formulación de las pastas. Así, el campo triangular tiene la propiedad de que cualquier punto situado en su interior representa la suma de tres fracciones de los componentes que totalizan el 100 por ciento. Por ejemplo, en la figura N° 01, el punto 1 representa un 10 por ciento de la sustancia arcilla, el 20 por ciento de cuarzo y el 70 por ciento de feldespato; el punto 2 representa el 30 por ciento de sustancia arcilla, el 25 por ciento de cuarzo y el 45 por ciento de feldespato; para el punto 3 los porcentajes son, respectivamente, 60, 40 y 0. En el punto 4 se situarían las proporciones clásicas de la porcelana (50 de sustancia arcilla, 25 de cuarzo y 25 de feldespato). Antes de hablar de la composición de las pastas del sistema ternario, conviene ver la composición mineralógica de las materias primas de partida a base de situar las áreas de composición de los materiales comerciales en la figura N° 02.  Cuarzo: El pedernal de alfarero y la arena de vidrio molido se pueden considerar, aquí, como SiO2 puro. No obstante, algunas de estas arenas en Europa contienen algo de arcilla y feldespato como se aprecia en la zona I y otros muchos feldespatos, como se ve en la K.  Arcillas: Los caolines lavados contienen cuarzo y feldespato, casi siempre en pequeñas dosis, tal como muestra la zona L. En cambio, los caolines naturales pueden contener grandes cantidades de minerales, según la zona F. Las arcillas de gres son muy parecidas a las arcillas grasas en cuanto a composición, pero pueden contener más cuarzo y feldespato, según la zona H.  Feldespatos. Estos minerales contienen cuarzo casi siempre, y está parcialmente descompuesto, como en algunas pegmatitas, de forma que también habrá caolín. En el área J aparecen los caolines comerciales. La composición general de varias pastas en el sistema ternario se ha esquematizado en los gráficos triangulares de las Figuras 02, 03 y 04. Los datos para las pastas europeas se han tomado del excelente artículo de Wolf y del de Kempoke y Von Trenfels (Citado en Norton F.H; 1975). Se han añadido las composiciones de las pastas ternarias preparadas en los Estados Unidos.

Hay una dispersión considerable de composiciones para para cualquier tipo de pasta y un solape de las zonas respectivas. Sin embargo, estos tres diagramas dan una idea general de las composiciones del sistema ternario y, por tanto, no requieren una explicación detallada. Este diagrama de fases del sistema ternario a formular mezclas de 12 variedades para la industria cerámica (desde la A hasta la L), luego de una lectura de varios puntos en el diagrama para las distintas variedades se formulan las diferentes barbotinas y/o pastas cerámicas que luego son empleadas en la conformación del producto cerámico deseado. Igual consideración se tiene con las figuras 03 y 04. Figura N° 03: Diagrama de Fases del Sistema Ternario

Figura N° 04: Diagrama de Fases del Sistema Ternario

Consideraciones para la Preparación de Barbotinas y/o Pastas rojas  La preparación de barbotinas resulta muy dificultosa, esto porque las arcillas ferruginosas fusibles no son aptas para el moldeo.  La barbotina para el moldeo debe ser lo suficientemente fluida con un mínimo de agua, con el fin de evitar la humidificación excesiva y rápida de los moldes que trae consigo el desgaste rápido de los moldes.  La composición de las barbotinas debe ser lo más cercana a la de las pastas para que se adapten a ella.  En términos generales no hay fórmula exacta para preparar pastas de moldeo.  La formulación de pastas no solo dependen de la calidad de las materias primas, sino de muchos factores, como de la naturaleza de los coloides; los cuales en una pasta de moldeo deben pasar del estado gelatinoso al estado de solución (soluble) mediante la adición de una solución fluidificante apropiada compuesta principalmente de álcalis que neutralicen la solución, el uso de estos está de acuerdo a la naturaleza de la arcilla, pudiendo ser carbonato de sodio, silicato de sodio o la mezcla de ambos.  Las arcillas calcáreas reaccionan mal en presencia de los álcalis, ya que forman la mayoría de las veces parte del grupo de la illitas.  Las arcillas calcáreas solo se hacen fluidas en presencia de mucha agua y dan barbotinas muy frágiles, que seden en el desmoldeo. La corrección de este defecto en las arcillas y pastas puede hacerse agregando de 10 a 30%

de arcilla refractaria, que reaccionan muy bien con el silicato o el carbonato de sodio.  En una pasta muy plástica, la adición de chamota muy finamente molida, arena, o talco evita la deformación de los productos durante el secado y cocción.  Si en una pasta hay deficiencia de carbonato de calcio, puede introducirse como greda.  Cuando se adiciona greda, sílice o chamota a la pasta, estos deben ser muy finamente molidos. Defectos y Correcciones de Pastas  Una pasta ferruginosa con alto contenido de arcilla refractaria y pequeño tamaño de partícula puede provocar encogimiento del esmalte estannífero.  Una pasta de alfarería que no contenga aproximadamente 14% de CaCO3, tiene tendencia a resquebrajarse cerca de los 980 °C, Por otra parte, cuando las pasta contienen poca cantidad de carbonato de calcio pero gran cantidad de óxido férrico, el vidriado se adapta bien a la pasta por encima de 1000 °C.  Generalmente una pasta de alfarería con alto contenido de sílice y de partícula muy finas, provoca el descascarillado o pelado.  Si una pasta presenta partículas finas de carbonato de calcio y va acompañada de sílice, tenderá a desmoronarse.  Una pasta con pequeñas cantidades de carbonato y sílice, el vidriado tenderá a desprenderse; para evitar se debe moler más tiempo la pasta o eliminar la arcilla que contenga carbonato.  Cuando la pasta contiene más del 25% de carbonato de calcio, los productos presentan tendencia a rajarse ante los cambios bruscos de temperatura.  Una pasta de alfarería estannífera bizcochada (primera cocción) a baja temperatura, provoca la formación de burbujas durante la cocción del vidriado.  La presencia de carbonato de calcio en una pasta aclara ligeramente el color y no así la presencia de sílice provoca la formación de silicato de hierro. A continuación, se muestra en los cuadros N° 01 y 02 la formulación de barbotinas y pastas cerámicas con arcillas rojas para los procesos de elaboración por colage, torneado y modelado. Los porcentajes para cada formulación se determinan en base a la caracterización de las materias primas. En el cuadro N° 03 podemos observar los parámetros adecuados de producción y la selección de las pastas más óptimas.

Cuadro N° 01: Formulación de Barbotinas o Mezclas para el Proceso de Colage

Cuadro N° 02: Formulación de Pasta para el Proceso de Torneado

Cuadro N° 03: Evaluación de las Propiedades Físicas de las Pastas

Donde: B = Bueno D = Descartado O = Óptimo Comentario  C-M1, C-M2, C-M7 y T-M2 presentan buen comportamiento en la elaboración de objetos por el método de colage y torneado, no se rajan durante el secado al medio ambiente y su contracción es adecuada.  C-M3, C-M4, C-M5 y C-M8 se descartan porque presentan rajaduras durante el conformado y en el secado al medio ambiente.  C-M6 y T-M1: son las formulaciones óptimas tanto como para colage, torneado y paleteado. (Palomino, 2005 Lambayeque). III.

MATERIALES, EQUIPOS E INSTRUMENTOS DE LABORATORIO Y REACTIVOS QUÍMICOS UTILIZADO MATERIALES:  Arcilla de San Miguel I  Arcilla de San Miguel II  Arcilla Potter  Arcilla Salazar  Arcilla Avispa  Mortero con pilón  Balanza analítica  Vaso de plático de 2 L  Balde pequeño  Espátula

IV.

EQUIPOS:  Agitador  Malla 40  Malla 80  Molino de bolas de porcelana PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Acciones previas Molture y tamice a malla 80 0´ 100 ASTM de acuerdo a la pasta que se desea formular y prepare las materias primas requeridas en cantidades adecuadas Desarrollo de la técnica Formulación 1. En el diagrama de pastas defina el tipo de pasta que desea obtener. 2. Ubique en el área seleccionada un punto y determine sus componentes porcentuales en peso de la pasta. 3. Registre valores del porcentaje en peso de: a. Sustancia arcilla b. Feldespato y c. Cuarzo Preparación 1. Precise la cantidad total de masa en kilos de la pasta a preparar 0.5, 1.0, 1.5 Kg u otra cantidad. 2. Pese independientemente cada material de acuerdo al porcentaje en la pasta, más el 5% de su peso y molture. 3. Tamice independientemente cada material a malla 80 ASTM (arcilla roja) 0 100 ASTM (arcilla blanca), de tal forma de todo el material molido pase la malla. 4. Pese independientemente cada material en función al porcentaje en peso determinado. Mezcla en seco los componentes. 5. Coloque en un recipiente de plástico o similar agua, el doble de la masa de la pasta a preparar. 6. Vacié la mezcla de materiales sobre el agua. Deje reposar por 10 minutos y agite por 10 minutos, y deje en reposo por 25 horas. 7. Retire el líquido sobre nadante del pastel, agite por 15 minutos tamice empleando el número de mal de acuerdo a la pasta que se desea preparar. Pasta roja M-80, pasta blanca M-100. 8. Defina el método de conformado a emplear (colado torneado modelado) y acondicione la pasta en suspensión para tal fin: a. Torneado: elimine el agua, en recipiente de escayola y guarde herméticamente la pasta húmeda de 2 a 7 días. Amasa y proceda a conformar. b. Colada: guarde por 24 horas la pasta fluida (barbotina) herméticamente, ajuste el peso específico y viscosidad y proceda

Representación del diagrama para la formulación y preparación de barbotinas y pastas cerámicas

Cabe resaltar que el diagrama anterior es válido tanto para la segunda y tercera formulación realizada en la práctica. Definiendo brevemente cada uno de los pasos del proceso: 1) Materia prima: En nuestro caso cogimos como materia prima a 3 tipos de arcillas: Arcilla de San Miguel I, Arcilla Potter y Arcilla Avispa. 2) Trituración grosera: En esta etapa, las muestras tomadas, se llevaron (como su propio nombre lo indica) a una trituración primaria o grasera. 3) Formulación: En este caso, las tres arcillas antes mencionadas se juntaron y luego se mezclaron hasta lograr la homogenización completa. 4) Disgregación: Se hizo la disgregación con agua en una proporción (1:1), es decir 1 de soluto y 1 de solvente que en este caso corresponden a la mezcla homogenizada de la arcilla y agua respectivamente. Cabe resaltar que este proceso se dejó por un tiempo de 72 horas aproximadamente (3 días). 5) Agitar: En este punto, la solución formada se procedió a la agitación mediante el equipo del agitador por un tiempo de 20 minutos hasta formar una solución homogénea.

6) Tamizado I: La solución previamente homogenizada se llevó a una primera tamización en este caso se utilizó la malla 40 para dicho proceso. 7) Tamizado II: En este caso, por tratarse de una solución más fina que el anterior se utilizó la malla 80 para dicho efecto. 8) Decantación: Una vez realizado las tamizaciones, se procedió con la decantación y/o suspensión de la solución por un tiempo de 24 horas aproximadamente. 9) Eliminación de agua por sifonación: Después del tiempo necesario, y ya viendo que se formó la decantación, se retiró cuidadosamente la parte líquida de la solución mediante un tubito de plástico hasta eliminar casi en su totalidad, tal proceso se denomina como sifonación. Cabe resaltar que, hasta este punto, el proceso a seguir es lo mismo tanto para cubeta de yeso como para barbotina para colage. 10) Eliminación de agua en yeso: En este punto del proceso, la solución se puso en unos moldes de yeso con la finalidad de eliminar agua es exceso. El tiempo necesario para este paso varía según el tamaño de los moldes, cantidad de la solución, presencia de agua en la solución, Etc. Pero el tiempo óptimo es hasta lograr y/o notar que cuando se saque la pasta de la cubeta éste se desprenda sin dejar huella alguna. 11) Envejecimiento: En este punto del proceso, se dejó la masa en una bolsa de polietileno por 3 días aproximadamente. 12) Amasado: Finalmente, la pasta se llevó al amasado, para ello se hicieron una serie de maniobras similares al amasamiento en la elaboración del pan hasta logara y eliminar completamente las burbujas de aíre que podrían estar presentes en dicha pasta, la cual se comprobó cortando la pasta en forma de cruz en cuatro porciones semejantes para lo cual dichos cortes deben estar perfectamente lisos sin alguna abertura, pero si el caso no es así, entonces debe repetirse el proceso del amasado hasta obtener dichos parámetros del corte. V. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS DATOS: base de cálculo 2000 gr Arcilla

62%

1240 gr

Feldespato

21%

420 gr

Sílice

17%

340 gr

Después de evacuar el agua se ajustó a una densidad de 1.6 – 1.7 g/mL

VI.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES:  Se realizó la formulación y preparación de pastas cerámicas.  Asimismo, se pudo diferenciar la propiedad física de la formulación realizada en la práctica. RECOMENDACIONES:  Para obtener resultados óptimos, las masas deben pesarse exactamente.  Para la molienda de las arcillas “duras”, es recomendable usar el molino de bolas de porcelana, ya que allí se realizan en menor tiempo posible y a la vez en mayor cantidad y calidad. Pero para ello se debe hacer previamente en chancado Y/o triturado generalmente en el piso y con la ayuda de las pesas  Al momento de cargar la mezcla al balón de porcelana y una vez finalizada, tener muy en cuenta en el sello de la tapa, la cual debe ser ajustado lo más que se pueda, para así evitar posibles derrames al momento de la molienda.

VII.

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA.  PALOMINO MALPARTIDA, Ybar Gustavo. 2005 “Pastas y Vidriados Cerámicos”. Texto Universitario. Ayacucho.  HALD, Peder. 1973. “Técnicas de la Cerámica”, 2da edición. Ediciones Omega S.A. Baecelona. España.