La química de la cerámica
El origen y composición de la arcilla
La mayor parte de la corteza terrestre está compuesta de un número relativamente pequeño de elementos. El oxígeno, silicio y aluminio representan 82.7% en peso. Los diez elementos más abundantes que componen el 99.2% están en la Tabla 1.
Los minerales de silicato contienen una unidad básica en la cual cada átomo de silicio está unido a cuatro átomos de oxígeno en un arreglo tetraédrico. Una unidad vendría a representar el ion ortosilicato, SiO4-4. Este es el tabique elemental con que podemos construir los edificios moleculares que forman a los silicatos
Las estructuras de los silicatos más complejos generalmente poseen unidades que comparten átomos de oxígeno. De esta forma, dos unidades tetraédricas con un oxígeno compartido tendrían la fórmula Si2O76-. Es posible tener una hilera simple de silicatos en el cual el tetraedro comparte dos átomos de oxígeno para formar una cadena larga. En forma similar es posible para cada unidad tetraédrica compartir tres o incluso los cuatro átomos de oxígeno y formar un arreglo bidimensional o tridimensional.
Algunos silicatos también contienen Al+3 en lugar de Si+4. La diferencia en la carga es compensada por la inclusión de otros cationes como Na+, K+, Ca+2, Mg+2 y Fe+3. Estos minerales son llamados aluminosilicatos, un ejemplo común es un tipo de mica con el nombre de muscovita, KAl2(AlSi3O10)(OH)2. Los minerales del feldespato son también aluminosilicatos y son cerca del 54% de la corteza terrestre. Un tipo común de feldespato es la anortita, la cual tiene la fórmula CaAl2Si2O8.
Se cree que las arcillas se forman por el accionar lento del clima sobre los minerales de feldespato. Consideremos la conversión de anortita en arcilla por la reacción lenta con agua y dióxido de carbono.
CaO . Al2O3 . 2SiO2 + 3H2O +2CO2 → Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O + Ca(HCO3)2
El primer producto es el mineral arcilloso kaolinita. De esta forma el mineral anortita en lentamente convertido en este mineral arcilloso y bicarbonato de sodio; como el último producto producto es lavado, lo que queda son cristales de kaolinita. Estos cristales poseen una forma plana hexagonal. El tamaño promedio de partícula está en el rango 0.1 – 100 µm.
Esta fórmula “ideal” para la arcilla se llama kaolinita. La arcilla que se encuentra en depósitos en la corteza terrestre normalmente contiene muchas impurezas las cuales pueden alterar el color y otras propiedades del material.
Propiedades de la arcilla
La plasticidad de la arcilla, o su habilidad para se manipulada, es un fenómeno complejo. Hay varios factores relevantes tales como la naturaleza de los pequeños cristales teniendo una gran área de superficie por gramo, el tipo de cationes adsorbidos en la superficie de la arcilla, la gran tensión superficial del agua, y la temperatura del sistema. Es, a menudo, necesario combinar diferentes tipos de arcillas para obtener unas propiedades de trabajo adecuadas.
Plasticidad: Mediante la adición de una cierta cantidad de agua, la arcilla puede adquirir la forma que uno desee. Esto puede ser debido a la figura del grano (cuanto más pequeña y aplanada), la atracción química entre las partículas, la materia carbonosa así como una cantidad adecuada de materia orgánica.
Merma: Debido a la evaporación del agua contenida en la pasta se produce un encogimiento o merma durante el secado.
Refractariedad: Todas las arcillas son refractarias, es decir resisten los aumentos de temperatura sin sufrir variaciones, aunque cada tipo de arcilla tiene una temperatura de cocción.
Porosidad: El grado de porosidad varía según el tipo de arcilla. Esta depende de la consistencia más o menos compacta que adopta el cuerpo cerámico después de la cocción. Las arcillas que cuecen a baja temperatura tienen un índice más elevado de absorción puesto que son más porosas.
El “cocinado” de la arcilla
Después que se ha formado un cuerpo de arcilla, se pone a secar antes del proceso de horneado, que es usado para formar una masa dura y fuerte. Varios cambios ocurren durante este horneado, y la temperatura para los diferentes procesos dependen del origen la muestra de arcilla.
El agua residual es removida en el rango de 100–125°C. El agua químicamente unida es removida cerca de 350-525°C. Este proceso de deshidratación ocurre sin encogimiento.
El cuarzo es un componente normal de las arcillas, y ocurre un cambio de fase a 573°C. a esta temperatura, la forma α cambia a la forma β que ocupa más lugar, notándose un incremento del volumen.
La mayoría de las muestras de arcilla contienen algo de materia orgánica que es quemada durante el proceso de horneado. Este proceso de oxidación ocurre a una variedad de temperaturas, desde 200-1000°C, dependiendo del tipo de residuos orgánicos presentes.
El carbonato de magnesio se descompone a óxido de magnesio y dióxido de carbono a 790°C, mientra el carbonato de calcio sufre un cambio similar a 880°C. los sulfatos de calcio y magnesio se disocian en el rango de 1100 a 1300°C.
Cuando el kaolín es horneado al punto de deshidratarse completamente, ocurre un ligero cambio en la estructura que resulta en el nuevo producto llamado metakaolín. Su estructura no es bien conocida. El posterior calentamiento eventualmente lleva a una estructura alargada a cerca de 950°C. en el rango de 1000 a 1250°C se forman cristales de tipo aguja de mullita (3Al2O3 . 2SiO2), esto aumenta la resistencia de la estructura.
El proceso de horneado debe realizarse lentamente para permitir estos cambios sin dañar el cuerpo. La “sustancia verde” inicial que posee muy poca resistencia se transforma en una pieza que es muy dura, fuerte, resistente a la abrasión y que resulta químicamente inerte. Durante este proceso ocurre un encogimiento del 5-10%.
Las temperaturas del horno son muy importantes para el ceramista, pero de mayor valor es el “trabajo calórico”, una combinación de temperatura y tiempo. El horno está, a menudo, equipado con una termocupla.
Vidriado
Un vidriado cerámico es una delgada capa de vidrio aplicada a una superficie cerámica durante un proceso de horneado. La química involucrada en la formación del vitrificado difiere sólo ligeramente de la usada en la manufactura del vidrio. Otra diferencia importante es la necesidad de mantener una alta viscosidad del vidriado para prevenir que fluya de la superficie cerámica.
La sílica, SiO2, es la base para la formación del vidrio. Sin embargo, tiene una temperatura de fusión de 1710°C. Normalmente, uno o más materiales se agregan para disminuir significativamente este punto de fusión. Por ejemplo, la sílica mezclada con Na2O funde a 780°C. si la sílica es calentada con K2O y Na2O, la fusión ocurre a 540°C.
El óxido de plomo (II) o litargirio es un excelente agente fluidificante, produciendo un vidriado con muchas propiedades superiores. Generalmente son claros y suaves, se adhieren bien a la superficie e interactúan bien con óxidos usados para proveer color. Otro compuesto preferido a menudo es 2PbCO3 . Pb(OH)2 llamado plomo blanco.
También es comúnmente usado el óxido bórico que ayuda a reducir el coeficiente de expansión del vidrio. Dado que es soluble en agua, se agrega en la forma de mineral, la colemanita, 2CaO . 3B2O3 . 5H2O.
La alúmina es usada en pequeñas cantidades como un aumentador de viscosidad. Ayuda a prevenir el “corrimiento” en el estado líquido. También reduce la tendencia de los vidriados de cristalizar durante el enfriamiento. La alúmina se agrega en la forma de kaolín el cual contiene kaolinita prácticamente pura, Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O.
Un vidriado sirve para mejorar la calidad y la apariencia de la cerámica. Una característica importante es el color. El ceramista puede producir un espectro completo de colores al usar solamente ocho metales (titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre). En unos pocos casos especiales se usan el oro, cadmio y uranio; los no metales antimonio y selenio dan algunos colores únicos. Así, sólo trece elementos se usan para proveer un rango de colores casi infinito.
Los metales pueden ser agregados como óxidos cuando sea conveniente, pero se presentan en otras formas. Por ejemplo, el carbonato de cobalto (II) se usa dado su pequeño tamaño de partícula. Durante el proceso de horneado, el carbonato se descompone al óxido y dióxido de carbono.
Un determinado elemento puede a menudo ofrecer una variedad de colores dependiendo de varios factores. El cobre con carga +2 produce coloración verde, pero da rojo en su forma cargada +1.
La cantidad de elemento usado, normalmente en el 0.5-5% en peso, determina la profundidad del color. Los metales presentes en los agentes fluidificantes son capaces de influenciar el color observado. El plomo en presencia de Cu+2 produce un color verde, mientras que el sodio o potasio dan un color azul. El boro y el cobre da un color turquesa verde. Otros factores que afectan el color incluyen la cantidad de alúmina, temperatura de horneado y la presencia de un opacificante.
El vidriado se prepara como una suspensión acuosa, así que todos los ingredientes deben estar finamente divididos e insolubles. Esta suspensión puede ser dispersada o pintada sobre la superficie cerámica, o también la pieza puede ser sumergida en la suspensión. El vidriado se deja secar antes de ponerlo en el horno.
