ES2954835B2 - Compuesto ceramico blanco, traslucido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio - Google Patents
Compuesto ceramico blanco, traslucido y coloreable basado en una frita de calcio y sodioInfo
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Description
DESCRIPCIÓN
Compuesto cerámico blanco, traslúcido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente memoria descriptiva se refiere a una invención relativa al desarrollo de una composición de frita cerámica de calcio y sodio que desvitrifica anortita sódica en el sistema SiO2-Al2O3-CaO- Na<2>O para ser utilizado como materia prima principal (del 60% - al 90%) en composiciones de gres porcelánico para fabricar láminas de gran formato (hasta 2 metros). La frita proporcionará piezas con una blancura elevada sin la necesidad de introducir opacificantes como el silicato de zirconio, aunque también podría añadirse, junto con alúminas, para obtener mayor blancura. Por otra parte, proporcionará a la composición cerámica una elevada translucidez, lo que le permitirá poseer un elevado desarrollo de color con la adición de pigmentos inorgánicos. De esta manera, se conseguirá una amplia paleta de colores, desde tonalidades muy intensas hasta tonos pastel. Además, la composición cerámica resultante es procesable en un horno cerámico convencional, por lo que aspectos como la viscosidad en fundido o la adherencia a los rodillos se ha tenido en cuenta en el desarrollo. El material cerámico puede ser utilizado para la fabricación de piezas cerámicas de todo tipo de formatos y espesores y también puede ser utilizado para la fabricación de tablas de gran formato en las que se puede mezclar en toda su masa (incluso en forma de vetas imitando a la piedra natural) los diferentes blancos y colores que se van a desarrollar, procedentes de este nuevo material cerámico. Hasta ahora, las composiciones cerámicas blancas eran difícilmente mezclables con las coloreadas, para imitar vetas naturales en toda su masa, en una tabla de gran formato, debido a que existen tensiones durante el proceso de cocción, por diferencia de coeficiente de dilatación (CDT) y contracción lineal entre ellas. Las composiciones cerámicas blancas y las coloreadas proceden de formulaciones diferentes con características diferentes, en el caso de los blancos con CTD bajos, debido sobre todo a la utilización de opacificantes, como el silicato de zirconio. La gran ventaja de utilizar el mismo material para conseguir diferentes blancos y colores es la posibilidad de que pueden ser mezclados en la misma tabla sin provocar deformaciones ni tensiones en la tabla final cocida.
CAMPO DE LA INVENCION
Esta invención tiene su aplicación en la industria de fabricación de materiales cerámicos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
En el campo del tratamiento de materiales cerámicos ya existen composiciones de material cerámico para alcanzar una determinada blancura, o una determinada transparencia o una determinada pigmentación.
No obstante, dichos tratamientos se logran de forma independiente, mientras que la presente invención logra al mismo tiempo una elevada blancura y translucidez, con la posibilidad de ser coloreable, basado en una composición específica de frita de calcio y sodio que permite utilizar el mismo material para conseguir diferentes blancos y colores mezclados en la misma tabla, sin provocar deformaciones ni tensiones en la tabla final cocida.
Podemos citar la patente europea n° 19382876.1 que se refiere a un material de piedra aglomerada artificial que comprende rellenos inorgánicos y un aglutinante endurecido, en el que el aglutinante es una resina orgánica y los rellenos inorgánicos comprenden feldespato. Sin embargo, esta invención hace referencia a un material distinto al utilizado en la patente solicitada, concretamente el "Quarzo", que consiste en una tabla hecha de polvo/arena de Quarzo / Feldespato y una resina. Básicamente se mezcla el polvo con la resina, después compactan la mezcla en un vibrocompactador y dejan curar la resina; una vez curado pulen la superficie.
Mientras que, en la patente solicitada, el producto final consiste en un compuesto cerámico atomizado prensado, cubierto de una capa fina vítrea de esmalte, sometido a un tratamiento térmico a partir de 1100°C en un ciclo determinado, dependiendo del espesor (3 a 30 mm)
DESCRIPCION DE LA INVENCION
El material cerámico de elevada blancura, translúcido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio que desvitrifica anortita sódica, que se propone, está compuesto por un soporte cocido en un horno cerámico convencional, conformado por prensado uniaxial de un polvo atomizado mediante una prensa hidráulica, que puede también estar recubierto de un esmalte en su cara vista.
El polvo atomizado se ha producido por secado, en un atomizador, de una barbotina cerámica molturada vía húmeda en molino de bolas. La barbotina está compuesta por una frita, arcilla, caolín, agua, defloculante y un aditivo plastificante. Pueden añadirse también, opcionalmente, pigmentos inorgánicos en función del color del soporte cocido que se desee obtener.
La realización preferente de esta invención, la frita tiene como función incrementar la traslucidez del material cerámico, sin comprometer la blancura del material. La arcilla y el caolín tienen una función diferente en cada parte del proceso:
• por una parte, facilitar la suspensión de la barbotina, para poder realizar con garantías el proceso de molturación y atomización y,
• por otra parte, proporcionar al atomizado la plasticidad adecuada, lo que le permite ser prensado en una prensa hidráulica sin dificultad. Además, la arcilla y el caolín permiten que el soporte absorba parte de la humedad del esmalte, manteniendo la consistencia de la pieza, en el proceso de esmaltado y decoración.
El procedimiento de obtención del material cerámico:
1. Características de la frita.
2. Características del soporte.
• 2.1 Soporte Crudo
• 2.2 Soporte Cocido
• 2.2.1 Coordenadas cromáticas del soporte cocido
• 2.2.2. Caracterización del soporte.
3. Conclusiones.
I.Características de la frita.
La frita es una mezcla de sustancias químicas inorgánicas obtenida por enfriamiento rápido de un fundido, convirtiendo las sustancias químicas así elaboradas en compuestos vítreos insolubles que se presentan en forma de gránulos.
Para la obtención de las fritas, las diferentes materias primas se mezclaron vía seca, la mezcla obtenida se introduce posteriormente en un crisol de alúmina y se somete a un ciclo térmico, en un horno eléctrico de laboratorio, que consiste en un calentamiento desde la temperatura de 500oC hasta la temperatura máxima (1500-1550oC), a una velocidad de 10oC /min. El crisol con la mezcla se mantiene a temperatura máxima durante un tiempo mínimo determinado en función de las características de la frita (<3 0> 45 minutos), transcurridos los cuales se procede al enfriamiento de la masa fundida vertiéndola sobre agua, obteniéndose así la frita.
Para la obtención de la frita se ha partido de la fórmula del mineral anortita (aluminosilicato de calcio) pura.
Dado que esta última fórmula no se podía fritar se fue adicionando K<2>O para proceder a su fusión. Posteriormente se procedió a la sustitución del K<2>O por Na<2>O. Finalmente sobre las fritas con Na<2>O se optimizó la relación SiO<2>/ALO<3>y la proporción Na<2>O/CaO.
Los componentes principales de las fritas finales ensayadas, expresados en óxidos se presentan a continuación. El porcentaje de cada óxido dependerá de los valores de fundencia, blancura, traslucidez y desarrollo de color que se quiera conseguir.
Tabla 1. Componentes óxidos de las fritas
En las formulaciones de las fritas se emplearon feldespatos sódicos, cuarzos, alúminas, carbonatos de cal y nitrato sódico.
La fórmula de carga utilizada se presenta a continuación:
Tabla 2. Formula de carga de las fritas ensayadas
De entre los compuestos cerámicos ensayados (frita arcilla y caolín), las obtenidas con la frita formulada para la realización preferente son las que mejor balancean las propiedades buscadas (blancura, traslucidez y optimo desarrollo de color).
Mediante un microscopio de calefacción se ha determinado la curva contraccióntemperatura, así como las temperaturas características de la frita producida.(curva de contracción y temperatura Fig. 1)
La frita comienza a contraer a una temperatura de 865oC. En el intervalo de temperaturas 950 - 1150oC la frita experimenta una cristalización. Seguidamente la frita continúa contrayendo hasta una temperatura de 1335oC. El reblandecimiento tiene lugar a 1370°C y la fusión a 1380°C. Dada la naturaleza del material no fue posible detectar su temperatura de esfera (TE).
Tabla 3. Temperaturas características de la frita
2.Características del soporte.
2.1 Soporte Crudo
El soporte crudo se conforma mediante prensado uniaxial en una prensa hidráulica de un polvo atomizado obtenido por el secado, en un atomizador, de una barbotina cerámica molturada vía húmeda en molino de bolas.
Para la molturación se utiliza un defloculante (0,7 % sobre el sólido seco), que nos va a permitir regular la densidad y la viscosidad de la barbotina, pudiendo así obtener una curva granulométrica del atomizado adecuado para la posterior etapa de prensado. Antes de atomizar, la barbotina es mezclada con un aditivo plastificante (1% sobre el sólido seco), que le otorgará al soporte prensado la resistencia mecánica adecuada para soportar el proceso de transporte por la línea de esmaltado y decoración, previo a la cocción.
Tabla 4. Formula de carga de la composición cerámica
2.2 Soporte Cocido
Se comprobó la densidad aparente y la absorción de agua para establecer la temperatura idónea para la cocción del soporte.(Fig 3. Evolución de la densidad aparente y la absorción de agua del soporte con la temperatura de cocción)
2.2.1 Coordenadas cromáticas del soporte cocido.
Además de que el soporte presente una elevada blancura, también es interesante que la composición cerámica resultante desarrolle bien los colores. Para ello se han elegido los colores blancos (alúmina calcinada), pigmento inorgánico negro y pigmento inorgánico azul.
Tabla 5. Coordenadas cromáticas del compuesto cerámico pigmentado.
Se observa que el desarrollo de color negro es adecuado, no tanto en el azul, que muestra valores de la coordenada b* poco negativos. La adición de alúmina a esta última composición proporciona valores elevados de blancura a temperaturas adecuadas, que era uno de los objetivos propuestos inicialmente. ;;2.2.2 Caracterización del soporte ;Por medio de un dilatómetro se ha determinado el coeficiente de la dilatación térmica (CDT) del compuesto cerámico. El CDT mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido cambia de temperatura. ;;Tabla 6. Coeficientes de dilatación del compuesto cerámico. ;;; ;;;
Para la caracterización del soporte se han identificado sus fases cristalinas por difracción de rayos X (DRX). ;;La Figura 2(Identificación de fases cristalinas por DRX de la composición cerámica)muestra el difractograma obtenido de la muestra del soporte, en el que se ha etiquetado los picos de máxima intensidad de las fases identificadas, así como otras reflexiones características de menor intensidad. Se observa lo siguiente: ;;• Se detecta como fase mayoritaria Anórtica sódica ((Ca<2>Na)AhSi<2>O<8>) y como fase minoritaria Silicio aluminato cálcico (estructura hexagonal) (Ca2Na6Al8Si8O32) ;;3. Conclusiones ;;Se ha observado la complejidad de obtener una única frita que optimice la totalidad de requerimientos: adecuada temperatura de cocción sin y con alúmina calcinada, buen desarrollo de los colores y blancura elevada, sin y con la adición de alúmina calcinada. ;;De entre las composiciones ensayadas, la obtenida con la frita de la realización preferente es la que mejor balancea estas propiedades: ;;• El compuesto cerámico que se propugna proporciona una densidad aparente en seco correcto, presenta una elevada densidad aparente en cocido, aunque estable a las temperaturas de trabajo (1100-1200°C) y no muestra deformación piroplástica a la temperatura de vitrificación. ;;• El desarrollo de color negro es adecuado, no tanto en el azul, que muestra valores de la coordenada b* poco negativos. La adición de alúmina a este compuesto cerámico proporciona valores elevados de blancura a temperaturas adecuadas.
Figura 4. Aspecto de las probetas cerámicas sin la adición de pigmento.
Figura 5. Aspecto de las probetas cerámicas con 2% de pigmento negro.
Figura 6. Aspecto de las probetas cerámicas con 2% de pigmento azul.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Las figuras muestran gráficos explicativos y difractogramas del material cerámico de elevada blancura, translúcido y coloreable basado en una frita de calcio.
Figura 1: Muestra un gráfico de la curva de contracción y temperatura de la frita.
Figura 2: Muestra un difractograma que identifica las fases cristalinas por difracción de rayos X (DRX) del compuesto cerámico.
Figura 3: Muestra un diagrama de gresificación del compuesto cerámico.
Evolución de la densidad aparente y la absorción de agua del soporte con la temperatura de cocción.
Figura 4: Aspecto de las probetas cerámicas sin la adición de pigmento. Figura 5: Aspecto de las probetas cerámicas con 2% de pigmento negro. Figura 6: Aspecto de las probetas cerámicas con 2% de pigmento azul.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
El compuesto cerámico preferente se prepara por atomización de la mezcla de las materias primas (frita, arcilla y caolín) molturadas vía húmeda (con agua y defloculante). Posteriormente se prensa, se esmalta y se cuece. El proceso de atomizado solo le da la fluidez necesaria para que se pueda repartir de manera homogénea en el molde y pueda ser prensado. La tabla prensada se cuece y es este material cerámico cocido el que posee las características mencionadas de blancura, traslucidez y optimo desarrollo de color, al añadirle pigmentos inorgánicos.
El compuesto cerámico se basa en una composición basada en la frita (60-90)% más una mezcla de arcilla y caolín (10-40)%, tal y como se indica en la tabla 4. La utilización de esta frita proporcionará piezas con una elevada blancura sin la necesidad de introducir opacificantes e incrementará su traslucidez sin comprometer la blancura del material, permitiendo a su vez poseer un elevado desarrollo de color con la adición de pigmentos inorgánicos.
Las temperaturas características de la frita producida quedan reflejadas en la curva contracción-temperatura(Figura 1)determinada por un microscopio de calefacción, que demuestra que la frita comienza a contraer a una temperatura de 865oC, después en el intervalo de temperaturas 950 - 1150oC experimenta una cristalización, y seguidamente continúa contrayendo hasta una temperatura de 1335oC. Finalmente, el reblandecimiento tiene lugar a 1370oC y la fusión a 1380oC, sin que sea posible detectar su temperatura de esfera debido a la naturaleza del material.
En cuanto al soporte del compuesto cerámico, se comprobó a través del diagrama de gresificación de la composición cerámica (Figura 3) la evolución de la densidad aparente y la absorción de agua del soporte con la temperatura de cocción. De este diagrama podemos concluir que la temperatura de máxima densificación se sitúa en torno a 1100--1200°C y que se mantiene en valores altos durante las temperaturas posteriores. Además, se observa que durante todo el rango de cocción no se detecta absorción de agua de las piezas cocidas.
Para completar la caracterización del soporte cocido se han identificado, a través de un difractograma de rayos x (DRX), las fases cristalinas presentes. (Figura 2).
Por último, se ha comprobado la idoneidad del compuesto cerámico para el desarrollo de color, comprobando los altos valores cromáticos obtenidos con la adición de pigmentos inorgánicos, y la posibilidad del aumento de blancura, con la adición de alúminas. Así, cabe la posibilidad de que el material cerámico resultante pueda ser utilizado para la fabricación de tablas de gran formato, en las que se puede mezclar en toda su masa los diferentes blancos y colores que se van a desarrollar, sin provocar deformaciones ni tensiones en la tabla final cocida.
Claims (2)
- REIVINDICACIONES 1.- Compuesto cerámico blanco, traslúcido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio, caracterizado porque se compone: • De un 60% a un 90% de frita en el sistema SiO<2>-AhO<3>-CaO-Na<2>O para ser utilizado como materia prima principal en composiciones de gres porcelánico, que proporcionará piezas con una blancura elevada sin la necesidad de introducir opacificantes como el silicato de zirconio. La frita tiene la siguiente composición expresada en porcentaje de óxidos principales:La fórmula de carga de la frita es la siguiente:De un 10% a un 40% de "materia prima inorgánica". (mezcla de caolín (10%-30%) y Arcilla (10%-20%)). Por tanto, la fórmula del compuesto cerámico que la invención propugna es la siguiente:
- 2. - Procedimiento para la elaboración de un compuesto cerámico blanco, traslúcido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio, según la primera reivindicación, caracterizado porque el producto consiste en una composición cerámica atomizada prensada y/o extrusionada, pudiendo estar cubierta de una capa fina vítrea de esmalte, sometido a un tratamiento térmico a partir de 1100°C en un ciclo de determinada duración dependiendo del espesor (3 a 30 mm). 3. - Compuesto Material cerámico blanco, traslúcido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio, según la primera reivindicación, caracterizado porque para dar blancura a la composición desvitrifica, durante la cocción, como fase mayoritaria, anórtica sódica ((Ca<2>Na)Al<2>Si<2>Os) y como fase minoritaria Silicio aluminato cálcico (estructura hexagonal) (Ca<2>Na<6>AlsSisO<32>). 4. - Compuesto cerámico blanco, traslúcido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio, según la primera reivindicación, caracterizado por poder adicionar pigmentos inorgánicos tales como Negro de base Fe,Cr con estructura cristalina de Hematita, Marrón de base Ti,W,Cr con estructura cristalina de Rutilo, Marrón de base Fe,Cr,Al con estructura cristalina de Hematita, Rosa de base Al,Mn con estructura cristalina de Corindón, Naranja de base Ti,Sb,Cr con estructura cristalina de Rutilo o Azul de base Zr,Si,V con estructura cristalina de Zircón. 5. - Compuesto cerámico blanco, traslúcido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio, según la primera reivindicación, caracterizado por poder aumentar su blancura con la adición de alúminas y opacificantes como el silicato de zirconio. 6. - Uso para la fabricación del compuesto cerámico blanco, traslúcido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio, según la primera reivindicación, caracterizado porque puede ser utilizado para la fabricación de piezas cerámicas prensadas y/o extrusionadas de cualquier espesor y formato. 7.- Uso para la fabricación del compuesto cerámico blanco, traslúcido y coloreable basado en una frita de calcio y sodio, según la primera reivindicación, caracterizado porque puede ser utilizado para la fabricación de tablas de gran formato en las que se puede mezclar en toda su masa (incluso en forma de vetas imitando a la piedra natural) los diferentes blancos y colores que se van a desarrollar a partir de la composición reivindicada, sin provocar deformaciones ni tensiones en la tabla final cocida.
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