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PASTAS DE VACIADO

FUNDAMENTOS TCNICOS DEL VACIADO HECTOR A. RAMREZ DORANTES

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1. -INTRODUCCION

Las barbotinas cermicas para vaciado pueden definirse como suspensiones de alto volumen de slidos (fracciones de volumen entre 45-60%) de uno o ms materiales polidispersos en un medio lquido (generalmente agua), fluidificadas por la accin de uno o ms agentes defloculantes.

Las barbotinas cermicas para vaciado tradicionales estn generalmente compuestas de arcillas y caolines, fundentes (feldespatos carbonato de calcio, dolomita, talco, etc.), agentes para estructura y permeabilidad (slice, chamota o grog, almina calcinada, etc.), carbonato de sodio, silicato de sodio y agua.

El proceso de vaciado puede considerarse como la consolidacin de las partculas suspendidas mediante la remocin de una parte del medio lquido (agua) por un molde absorbente (usualmente yeso), acercando entre s las partculas y permitiendo la accin de las fuerzas naturales de atraccin interparticular. Durante este proceso tienen lugar gradientes de tensin, humedad y contracciones que conllevan a la aparicin de roturas y mermas a lo largo de las etapas subsecuentes de manufactura.

Las barbotinas de vaciado son sistemas complejos que ameritan ser considerados en el contexto de la fsica y de la qumica. Se ha encontrado que las numerosas propiedades que se manifiestan durante la preparacin y el procesamiento de las barbotinas son consecuencia de las interrelaciones entre un limitado nmero de caractersticas determinantes.

Las propiedades reolgicas y de vaciado de las barbotinas cermicas dependen de la interaccin de:

a) Especies minerales presentes

b) Distribucin de tamaos de partculas

c) rea especfica o superficial.

d) Coloides modificadores

Las barbotinas de vaciado consisten de:

a) Fase lubricante de partculas coloidales ionizadas de minerales arcillosos, electrolitos, coloides protectores y agua

b) Partculas semi-coloidales de arcillas y de desgrasantes (componentes no plsticos).

c) Partculas no-coloidales de arcillas y de desgrasantes.

La fluidez de una barbotina es funcin de:

a) La cantidad de arcilla coloidal.

b) La proporcin entre este coloide y el agua

c) El Grado de ionizacin de la arcilla

d) El rea superficial de las porciones semi-coloidales y no-coloidales.

Todos los componentes estn involucrados en el comportamiento del cuerpo en la defloculacin. La produccin por vaciado de barbotinas demanda del cuerpo o pasta las siguientes caractersticas:

Bajo contenido de agua

Drenado limpio

Desmoldeo fcil y rpido del artculo

Vaciado firme y consistente

Vaciado relativamente rpido

Plasticidad para facilitar el recorte

Facilidad de manejo de las piezas antes del quemado

Contraccin adecuada del artculo

Estabilidad de la barbotina durante su almacenamiento

Compatibilidad con el esmalte

Durante la defloculacin el equilibrio alcanzado entre las partculas del cuerpo, agua y electrolito, el cual comprende la suma de las propiedades reolgicas del cuerpo, no alcanza la plena estabilidad debido a que las reacciones de intercambio inico solo se puede ajustar tericamente.

La meta ms importante de la defloculacin es siempre alcanzar una buena formacin del artculo con la barbotina con el mnimo posible de esfuerzos inherentes a gradientes de humedad y contraccin. En este sentido se puede resaltar lo siguiente:

Buena dispersin de las partculas plsticas = lenta formacin del artculo

Pobre dispersin de las partculas plsticas = rpida formacin del artculo

Partculas finas = lenta formacin del artculo

Partculas gruesas = rpida formacin del artculo

2. SISTEMAS POLIDISPERSOS

Las propiedades de flujo y de vaciado de las barbotinas cermicas dependen en gran medida de: a) la distribucin de las partculas slidas entre un tamao menor y un tamao mayor, y b) la aproximacin de la distribucin a un empaquetamiento particular ptimo. Las propiedades plsticas y de cohesin inter-particular en hmedo y seco estn determinadas por la fraccin de tamaos en el rango coloidal.

Existen diversos mecanismos por los que las partculas suspendidas afectan la viscosidad y propiedades de vaciado del sistema. Las barbotinas para cermica tradicional son normalmente dispersiones de una o ms arcillas y uno o ms componentes no arcillosos. Los componentes arcillosos consisten de una mezcla de caolines de bajo contenido coloidal y de arcillas bola altamente coloidales, en tanto que los minerales no arcillosos son relativamente no coloidales.

Las curvas de la Figura 1 ilustran las distribuciones de tamaos de partculas de una frmula de vaciado tpica de porcelana y de sus componentes.

Las distribuciones de tamaos de la Figura 2 se les denominan distribuciones de finos; esto es, porque representan partculas menores de 44 micras (menos malla 325 U.S. Testing Sieve Series) y mayores del lmite superior del rango coloidal.

La Figura 3 muestra la relacin entre el dimetro de partcula esfrica y el rea superficial. Se aprecia un incremento relativamente modesto en el rea superficial a medida que el dimetro disminuye de 6 micras hasta alrededor de 0.5 micras . Sin embargo, a medida que el dimetro se reduce por debajo de 0.5 micras, el rea superficial incrementa tremendamente. Las partculas menores de 0.2 micras se llaman partculas coloidales.

Las partculas coloidales influyen fuertemente en la viscosidad, coagulacin, plasticidad y resistencia en seco. La fraccin coloidal de un sistema cermico se aporta por los componentes arcillosos. Los sistemas cermicos son normalmente poli dispersos, con un rango amplio de tamaos de partculas.

Las distribuciones de tamaos de partculas de los sistemas polidispersos se representan normalmente mediante grficas de la fraccin masa (%) mas fina de cierto tamao como se muestra en la Figura 4 correspondiente a tres diferentes pastas cermicas. Obsrvese que la pasta refractaria prcticamente carece de fraccin coloidal, la almina tiene una fraccin coloidal modesta ( alrededor del 2%, aunque esta fraccin aporta ms del 50% de su rea superficial), y la pasta de porcelana tiene alrededor de 8 a 10% de fraccin coloidal que aporta entre el 75% y el 80% de rea superficial. (Ver Tabla I).

Las distribuciones de tamaos de partculas de los sistemas cermicos normalmente se determinan en la prctica hasta 0.2 micras, aunque es posible determinar fracciones en el rango coloidal. Las determinaciones de la fraccin coloidal se pueden realizar mediante tcnicas de adsorcin de un pigmento, sien do la ms comn la prueba de adsorcin de azul de metileno.

3. MECANISMOS FISICO-QUMICOS DEL PROCESO DE VACIADO

Casi todos los materiales cermicos son de naturaleza liofbica, esto es, floculan rpidamente en presencia de electrolitos que propician que las fuerzas de atraccin de Van der Waals mantengan las partculas formando aglomerados.

El mecanismo por el cual las partculas liofbicas se acercan entre s a la distancia en la que pueden actuar las fuerzas de Van der Waals es la difusin por movimiento browniano.

Mientras ms pequeas las partculas, ms rpido es su movimiento, por lo que la floculacin de las barbotinas cermicas depende de la finura de la fraccin coloidal, el porcentaje de coloides, y el grado de neutralizacin de las fuerzas de atraccin provocado por los agentes defloculantes.

La teora de la doble capa de Helmholtz y la existencia del potencial zeta explican el desarrollo de las fuerzas de repulsin entre las partculas arcillosas a travs de un selectivo intercambio de iones sobre su superficie, lo que da por resultado partculas con carga superficial negativa.

En el caso de barbotinas arcillosas, los agentes defloculantes ms comunes son el carbonato de sodio y los diversos tipos de silicato de sodio. Los iones como (Ca)2+, (Mg)2+, (SO4)2-, y (Cl)1-, tienden a reducir la defloculacin o, an ms, causan la floculacin.

En la barbotina operan entonces dos sistemas de fuerzas contrapuestos. El manejo correcto de estos dos sistemas de fuerza permite producir barbotinas de alto contenido de slidos en las que la coagulacin ocurre de manera controlada a travs de la remocin gradual del agua por accin capilar del molde. Las barbotinas de vaciado son siempre suspensiones concentradas en las que las distancias nter partculas estn crticamente controladas.

La distancia inter-particular promedio en una suspensin slidos-lquidos generalmente est controlada por la densidad de empaquetamiento de los slidos y la cantidad de agua presente, Sin embargo, no toda el agua debe considerarse como lquido; se tiene una pelcula de agua adherida tan firmemente a las partculas slidas que debe considerarse como una caja rgida que incrementa el radio efectivo de las partculas y que disminuye la disponibilidad de la fase lquida para lubricacin. (Figura 5)

Las partculas de tamao coloidal de las arcillas proporcionan la mayora del rea superficial de la frmula del cuerpo a pesar de que representan una pequea fraccin del total. La porcin no plstica opera esencialmente como carga o relleno durante el proceso de vaciado. Como tal, puede afectar significativamente la densidad de empaquetamiento, pero juega un papel secundario en el mecanismo de la floculacin-defloculacin.

Una barbotina de vaciado requiere del desarrollo de 1) carga negativas adecuadas y una capa de agua rgida lo suficientemente delgada para permitir el libre movimiento de las partculas y 2) suficiente agua libre para llenar todos los huecos y proporcionar una adecuada fase lubricante entre partculas. Sin embargo, la mayora de las buenas barbotinas de vaciado contienen una red estructural