ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE CERÁMICA
Prácticas N° 4 y N° 5 PREPARACIÓN DE PASTAS CERÁMICAS Y ELABORACIÓN, SECADO Y COCCIÓN DE PIEZAS CERÁMICAS Grupo N° 4 Integrantes Arévalo Kenny Encalada Katherine Pazmiño Katherine
Fecha de realización: 28 – 11 – 2012 Fecha de presentación: 07 – 12 - 2012
Contenido 1.
RESUMEN .................................................................................................................................
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2.
INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................
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3.
OBJETIVOS ..............................................................................................................................
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3.1.
OBJETIVO GENERAL ...................................................................................................
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3.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..........................................................................................
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4.
FUNDAMENTO TEÓRICO ....................................................................................................
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5.
EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS .........................................................................
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5.1
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS .....................................................................................
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5.2
MATERIALES ..................................................................................................................
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6.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ................................................................................
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6.1
PREPARACIÓN DEL MOLDE ......................................................................................
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6.2
DOSIFICACIÓN DE MATERIAS PRIMAS .................................................................
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6.3
ELABORACIÓN DE BARBOTINA ...............................................................................
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6.4
FORMADO DE PIEZAS POR VACIADO ....................................................................
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6.5
COCCIÓN DE LA PIEZA ...............................................................................................
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7.
RESULTADOS..........................................................................................................................
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8.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................................................................
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9.
CONCLUSIONES .....................................................................................................................
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10.
RECOMENDACIONES .......................................................................................................
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11.
BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................
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12.
ANEXO N° 1 ..........................................................................................................................
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12.1
Cálculo mineralógico para la Arcilla (Plan Milagro): ...................................................
12.2
Cálculo mineralógico para el Feldespato (La Ercilla): ................................................
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12.3
Cálculo mineralógico para el Cuarzo (Misahuallí): .....................................................
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12.4
Cálculo de la dosificación de las materias primas: .......................................................
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13.
ANEXO N° 2 ........................................................................................................................
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1. RESUMEN Esta práctica de laboratorio consiste en la parte final del proceso de fabricación de una pieza cerámica por medio del método de vaciado. Para este proceso es necesario limpiar adecuadamente el molde de yeso, realizar de manera correcta los cálculos mineralógicos, preparar correctamente la barbotina, entre éstas las especificaciones más importantes para que la pieza cerámica tenga las características adecuadas. De acuerdo a los resultados obtenidos, se usaron 210 gramos de arcilla y 45 gramos de feldespato. No fue necesario añadir cuarzo ya que los requerimientos del mismo ya fueron llenados con las otras dos materias primas. Los procesos de vaciado, secado y cocción cumplieron con las expectativas esperadas y finalmente se obtuvieron tres piezas pequeñas de la forma de un zapato.
2. INTRODUCCIÓN Sin duda alguna, uno de los procesos más utilizados en la fabricación de la cerámica es el vaciado, este proceso es sencillo, pero debemos tener en cuenta varios detalles que por su importancia pueden aportar gran calidad a nuestro producto, y a la vez abaratar los costos de producción. Cuando se trabaja con cerámica, el primer paso es obtener el bizcocho que se va a pintar, esto se logra adquiriéndolo directamente a través del molde para cual se requiere obtener una arcilla líquida, lo cual no consiste solamente en agregar agua y batir sino que se debe formar una emulsión y que ésta se mantenga por mucho tiempo. Por otro lado para lograr que la pieza obtenga la dureza y resistencia necesarias, debemos recurrir a los procesos de secado y cocción donde es importante controlar factores como la humedad el aire, las contracciones de la pieza, el ciclo de cocción adecuado, etc.
3. OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO GENERAL
Elaborar una pieza cerámica por el método de vaciado y posteriormente someterla a proceso de secado y cocción.
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar la dosificación de materias primas requeridas para la obtención de un tipo específico de material cerámico. Utilizar el método de vaciado para la formación de piezas cerámicas y conocer las variables que se deben cuidar en el mismo.
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4. FUNDAMENTO TEÓRICO BARBOTINA La barbotina es una suspensión de partículas coloidales (pequeñas que no se asientan) de cerámica en un líquido inmiscible (mutuamente insoluble) que en general es agua. Algunos aspectos para obtener una buena reología en nuestra barbotina son:
Escoger buenas materias primas.
Entender la función que cumple la química adicionada (desfloculantes y/o floculantes)
Aprender a medir algunas propiedades físicas de la barbotina y que afectan la reología de la misma. Es importante entender que cada materia prima utilizada cumple una función específica en nuestra barbotina, este concepto no es desconocido para ninguno de nosotros, es por esto que los materiales en conjunto deben aportar: Plasticidad Resistencia en verde y durante la quema. Vitrificación Control de expansión térmica Tamaño adecuado de las partículas Color Dado que ninguna materia prima aporta todas estas propiedades a la vez, es necesario hacer mezclas de materiales plásticos y no plásticos; materiales que dependiendo de su mineralogía, composición química y tamaño de partícula influyen en la reología de las barbotinas, para lo cual es de vital importancia realizar los cálculos correctos de la dosificación de las materias primas. Para los ceramistas, es importante entender que la elaboración de la barbotina debe cambiar si por algún motivo cambian las propiedades individuales de los materiales, debemos enfrentar a una alta variabilidad en cuanto a las propiedades químicas, mineralógicas y tamaño de partículas. La variabilidad puede provenir de la misma mina de donde se extrae el material, o ser causada por malos métodos de trabajo llevados a cabo por aquellos dedicados a la simple comercialización de este tipo de productos. Todo lo anterior obliga a ejercer un mejor control sobre las materias primas antes que éstas entren a formar parte de la barbotina y sobre esta última antes de ser enviada o utilizada en el proceso de vaciado.
VACIADO En este proceso la barbotina se vierte en un molde poroso de yeso. Debe tener la fluidez suficiente y la viscosidad baja para fluir con facilidad hacia el molde poroso de yeso. El proceso detallado consiste en: a) Colocar bandas de goma bien ajustadas alrededor del molde 4
b) Para vaciar, use un recipiente con mayor capacidad que el molde para que no tenga que detener el vaciado por falta de barbotina. c) Vierta la barbotina en el molde lentamente, a una velocidad constante y sin detenerse, hasta que lo haya llenado completamente. Si el agujero para vaciado es demasiado pequeño utilice la barbotina un poco menos espesa de lo normal, reduzca la velocidad de llenado y cerciórese de que está entrando suficiente aire en el molde, para que la barbotina no cree ningún vacío que haga colapsar la pieza. d) Observe el grosor de la capa de barbotina que se está formando en la boca del molde y una vez obtenido el grosor deseado, vacíe lentamente el exceso de barbotina del molde y déjelo secar hasta que la barbotina haya adquirido una consistencia parecida al cuero. e) El tiempo de secado varía de acuerdo al tamaño del molde. f) Retire los excesos de la boca del molde insertando una cuchilla entre el barro y la pared de la boca. Quite las bandas elásticas. g) Levante lenta y cuidadosamente la mitad superior del molde directamente hacia arriba, no la mueva de lado a lado. Si esta mitad no afloja con facilidad, déjela secar unos minutos más.
SECADO Y COCCIÓN El siguiente paso en el procesamiento de la cerámica es secar y cocer, procesos en los cuales se le comunica a la pieza su resistencia y dureza adecuadas. El secado es una etapa crítica, por la tendencia de la pieza a torcerse o agrietarse, debido a variaciones en el contenido de humedad y de espesor. Es importante controlar la humedad y temperatura atmosférica, para reducir el torcimiento y agrietamiento. La pérdida de humedad causa contracción de la pieza, hasta de 15 a 20%, respecto al tamaño húmedo original. En un ambiente húmedo, la rapidez de evaporación es baja, y en consecuencia el gradiente e humedad a través de la pieza es menor que en un ambiente seco. A su vez, ese bajo gradiente bajo permite que haya uniformidad en el encogimiento desde la superficie al interior del secado.
Figura 1. Contracción de arcilla húmeda causada por la remoción de agua durante el secado.
El cocido, horneado o sinterizado implica calentar la pieza a una temperatura elevada en un ambiente controlado. Se presenta cierta contracción durante el cocido. Esta operación produce la dureza y la resistencia de la pieza de cerámica. El ciclo de cocción consta de calentamiento, maduración y enfriamiento.
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5. EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS 5.1
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
5.2
Estufa Balanza Tamiz #100 (abertura de 150 [µm) Jarra plástica Botella plástica Esponja Brocha pequeña Molde de yeso Horno eléctrico
MATERIALES
Arcilla, feldespato y cuarzo purificados Agua
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 6.1
PREPARACIÓN DEL MOLDE
6.2
DOSIFICACIÓN DE MATERIAS PRIMAS Realizar los cálculos mineralógicos, de acuerdo a la formulación
6.3
Limpiar el molde de yeso a utilizar en la práctica. Este proceso se lo realiza con la ayuda de una esponja y una brocha, que juntos remueven el material adherido en las paredes internas del molde. Colocar el molde completamente limpio dentro de la estufa a una temperatura de 60°C durante 3 horas. Esparcir una fina capa de talco sobre el molde. Sellar adecuadamente las paredes del molde utilizando ligas de caucho.
recibida que es de 60% de arcilla, 20% de feldespato y 20% de cuarzo. Con los datos obtenidos de los cálculos mineralógicos (expresados en el Anexo N°1), pesar la cantidad necesaria de cada una de las materias primas.
ELABORACIÓN DE BARBOTINA
Mezclar manual y cuidadosamente las cantidades pesadas de las materias primas. Si es necesario utilizar un tamiz para que el proceso de mezclado sea más rápido y eficiente. Esta preparación homogénea mezclar con un litro de agua en una jarra plástica hasta obtener una pasta consistente. 6
6.4
FORMADO DE PIEZAS POR VACIADO
6.5
Una vez que se obtiene una pasta bien mezclada, trasvasar este contenido a una botella plástica de tamaño grande. Agitar fuertemente la botella para obtener un mejor mezclado de la pasta. Dejar madurar la barbotina por al menos 48 horas. Eventualmente agitar la barbotina durante este tiempo.
Verter la barbotina de manera continúa dentro del molde, sin llegar a que la barbotina desborda éste. Revisar el nivel de la barbotina dentro del molde, añadiendo barbotina de ser necesario. Por lo general es necesario que el espesor de la pieza formada sea de 5 a 6 mm. Una vez alcanzado el espesor deseado, vaciar la barbotina. Colocar el molde en posición inclinada. Mantener el molde en esta posición por aproximadamente 5 minutos. Retirar las ligar del molde. Corregir las faltas de la pieza con ayuda de un pincel y la barbotina sobrante Secar la pieza en la estufa o al ambiente.
COCCIÓN DE LA PIEZA
Encender el horno. Colocar adecuadamente la pieza dentro del horno. Realizar la programación explicada en la tabla N° 3 de la sección de resultados. Cerrar adecuadamente la puerta del horno e iniciar el ciclo de cocción. Una vez finalizado el ciclo de cocción, por ninguna razón abrir la puerta del horno y dejar que la pieza se enfrié lo suficiente. Retirar la pieza del horno cuando la temperatura de éste sea lo suficientemente baja.
7. RESULTADOS Tabla N° 1. Especificaciones de la composición de la barbotina para nuestro grupo
Materia Prima Arcilla Feldespato Cuarzo
Porcentaje 60 20 20
Tabla N° 2. Valores del peso de cada materia prima utilizada en la práctica de preparación de pastas cerámicas.
Materia Prima
Masa Subtotal [g]
Masa Total [g] 7
Arcilla (Plan Milagro) Feldespato (La Ercilla) Cuarzo (Misahuallí)
208.08 41.92 0
210 45 0
Tabla N° 3. Datos sobre el ciclo de cocción de piezas cerámicas
Temperatura Inicial [°C] 20 550 600 850 1050 1050
Temperatura Final [°C] 550 600 850 1050 1050 40
Tiempo Horas Minutos 4 00 0 30 1 45 3 45 1 00 El que sea necesario
8. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Con respecto a la tabla N°2, al referirse a la masa subtotal es aquella que se la ha considerado directamente como los cálculos han salido (expresados en el Anexo N°1). Con respecto a la masa total también expresada en la tabla N°2, es aquella en la que se ha considerado añadir aproximadamente el 10% de la masa subtotal (considerada como pérdidas) debido a que en algunos de los procedimientos posteriores se pueden perder algunos gramos tanto de las materias primas como de la barbotina ya preparada. La cantidad de cuarzo correspondiente a 0 gramos, se debe a que debido a las especificaciones dadas acerca de la barbotina (expresadas en la tabla N°1), las otras dos materias primas, es decir la arcilla y el feldespato ya cumplen con los requerimientos de cuarzo para este tipo de barbotina. Esto se debe a que tanto la arcilla como el feldespato no son materias primas puras, sino que vienen contaminadas con algunos componente entre ellos se encuentra el cuarzo. También dado a las especificaciones de la barbotina es obvio que la materia prima predominante en esta pasta cerámica será la arcilla, que en nuestro país proviene de la zona de Plan Milagro.
9. CONCLUSIONES
La masa total es la que se utiliza para preparar la barbotina, ya que hay que considerar pérdidas por los procesos posteriores que se realizan. 8
En la dosificación de materias primas, nuestro grupo no agregó el cuarzo proveniente de Misahuallí. El ciclo de cocción se realizó satisfactoriamente a pesar de que se presentaron algunas dificultades en la práctica.
10. RECOMENDACIONES
Realizar correctamente los cálculos mineralógicos y la dosificación de las materias primas para que la pieza cerámica pueda ser concluida satisfactoriamente. .Limpiar adecuadamente el molde de yeso antes de vaciar la barbotina en él. .Cuidar que el molde que se va a utilizar no sea viejo ni se haya utilizado muchas veces, ya que se queda un residuo de pelusa en él, lo que provoca acabados no satisfactorios en la pieza cerámica.
11. BIBLIOGRAFÍA
“Del
Fuego
al
Frío”.
(2011).
Extraído
desde:
http://es.scribd.com/doc/51680899/3/PROCESO-DE-VACIADO
Kalpakjian S. y Schmid S. (México, 2002), “Manofactura: Ingeniería y tecnología”, Cuarta Edición, Pearson Education. Extraído desde:
http://books.google.com.ec/books?id=gilYI9_KKAoC&pg=PA462&dq=cerami ca+barbotina&hl=en&sa=X&ei=1EXBUKS6HYbA9QTAnICQBQ&ved=0CC oQ6AEwAQ#v=onepage&q=ceramica%20barbotina&f=false Extraída desde: “Reología en Barbotina”. http://ceramica.wikia.com/wiki/Reolog%C3%ADa_en_barbotina
12. ANEXO N° 1 Tabla N° 4. Composición química de las materias primas expresada en porcentaje. Arcilla Feldespato Cuarzo Compuesto (Plan Milagro) (La Ercilla) (Misahualli) 70.56 75.91 97.52 SiO2 16.49 15.33 0.02 Al2O3 1.53 0.68 0.26 Fe2O3 0.31 0.54 0 CaO 0.27 0.22 0 MgO 2.56 6.54 1.95 NaKO 5.31 0.79 0 P.C.
Ejemplo de cálculo para la correcta dosificación de cada una de las materias primas: 12.1 Cálculo mineralógico para la Arcilla (Plan Milagro): 9
Determinación de feldespato
Determinación del material arcilloso
Determinación de cuarzo -
12.2 Cálculo mineralógico para el Feldespato (La Ercilla):
Determinación de feldespato
Determinación del material arcilloso
Determinación de cuarzo 10
12.3 Cálculo mineralógico para el Cuarzo (Misahuallí):
Determinación de feldespato
Determinación del material arcilloso
Determinación de cuarzo
12.4 Cálculo de la dosificación de las materias primas: Materia Prima Arcilla (Plan Milagro) Feldespato (La Ercilla) Cuarzo (Misahuallí)
Arcilla 39.88 16.75 0
Cuarzo 49.26 41.73 88.52
Feldespato 17.72 45.28 13.5
Total 60 20 20
A continuación se detallan las ecuaciones para la matriz anterior:
Obteniendo los resultados mediante haber resuelto el sistema de ecuación anterior:
Si se desea preparar 250 g de barbotina: 11
Finalmente añadiendo aproximadamente el 10 % de pérdidas:
13. ANEXO N° 2
Figura N°2. Pieza final formada y terminada.
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