ES2896353T3 - Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos caracterizado por comprender una fase de conformado (1) de la pieza de material cerámico, una fase de preparación (2) del recubrimiento, una fase de tratamiento térmico (3), en la que se produce la cocción de la pieza de material cerámico, y una fase de radiación local (4), realizada durante la fase de tratamiento térmico coincidiendo con el paso de la pieza por la zona del horno de temperatura más alta, en la que se produce un incremento de temperatura superficial que realiza la cocción del recubrimiento decorativo; la fase de tratamiento térmico y la fase de radiación local se llevan a cabo en un horno cerámico mixto (5) caracterizado porque la radiación comprende radiación electromagnética, caracterizado porque la fase de tratamiento térmico (3) se realiza a temperaturas comprendidas entre 600 ºC y 800 ºC y caracterizado porque la fase de radiación (4) se realiza generando una temperatura superficial en la pieza comprendida entre 1050 ºC y 1200 ºC.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos
La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, basado en el uso de un horno cerámico mixto. De esa forma se pueden conseguir materiales cerámicos de propiedades mecánicas y estéticas acordes a lo que la industria cerámica puede usar hoy en día, pero con tratamientos térmicos a temperaturas muy inferiores, lo que propicia un considerable ahorro energético.
Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de la fabricación industrial de materiales cerámicos decorados partiendo de polímeros inorgánicos, también referenciados frecuentemente en la literatura técnica como geopolímeros, y especialmente de aquellos obtenidos por activación alcalina de metarcillas tratadas térmicamente.
Estado actual de la Técnica
Para comprender este procedimiento es útil definir previamente una serie de términos utilizados en la descripción: Geopolímeros - Son polímeros sintéticos inorgánicos de aluminosilicatos que proceden de la reacción química que se produce bajo condiciones altamente alcalinas entre un polvo de aluminosilicato y una solución activadora (basada en una mezcla de hidróxido sódico o potásico y un silicato alcalino, de sodio o de potasio respectivamente) en condiciones ambientales. A nivel de laboratorio se suele usar metacaolín como material de partida para la síntesis de geopolímeros, siendo éste generado por el tratamiento térmico de caolinita entre 550 °C y 950 °C.
Activación alcalina - Es un proceso químico en el cual un material pulverulento de naturaleza silicoaluminosa se mezcla con un activador alcalino para generar una pasta con capacidad de fraguar y endurecer en un corto período de tiempo. El principal producto de reacción en este proceso es un gel de silicoaluminato alcalino (gel N-A-S-H), amorfo a la DRX, que presenta estructura tridimensional. Estos materiales, a los que genéricamente se les denomina polímeros inorgánicos alcalinos, y también geopolímeros, geocementos, zeocerámicas, etc., pueden presentar una amplia variedad de propiedades y características: elevada resistencia mecánica inicial, resistencia al fuego, a los ácidos, etc., dependiendo de las condiciones en las que se desarrolla el proceso (tipo de activador, temperatura, tiempo, etc.).
Material silicoaluminoso - En general es todo aquel material que contiene silicio y aluminio. En este ámbito concreto se refiere a materiales que son capaces de reaccionar a temperatura ambiente con el activador alcalino. Típicamente se refiere a productos puzolánicos tales como cenizas volantes, metarcillas y perlita.
Metarcillas - Son arcillas tratadas a una temperatura elevada aunque no lo suficiente para hacer que la estructura colapse. La más conocida es el metacaolín, que se obtiene por tratamiento de caolín en el rango de 550-950 °C para producir la deshidroxilación de la caolinita y reorganizar su estructura, si bien existen referencias para metarcillas basadas en esmectitas e ilitas. Caolín, esmectitas e ilitas son típicas arcillas aluminosilicosas. Como siempre, estas arcillas pueden llevar en su composición multitud de componentes minoritarios como arenas, feldespatos, carbonatos, ópalo, cuarzo, etc.
Arcillas - Mineralógicamente se denomina arcillas a un grupo concreto de filosilicatos. La estructura de estos filosilicatos se basa en el apilamiento de planos de iones oxígeno e hidroxilos. Los grupos tetraédricos de SiÜ44' se unen compartiendo tres de sus cuatro oxígenos con otros vecinos formando capas de extensión infinita y fórmula Si2Ü52', que constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos. El silicio tetraédrico puede estar en parte sustituido por Al3+ o Fe3+. Estas capas tetraédricas se unen a otras octaédricas de tipo gibbsita o brucita. El plano de unión entre ambas capas está formado por los oxígenos apicales no compartidos por los tetraedros SiÜ44' y por los grupos OH' de la capa octaédrica.
Una unión similar puede ocurrir en la superficie opuesta de la capa octaédrica. Así, los filosilicatos pueden estar formados bien por dos capas, tetraédrica más octaédrica, denominándose entonces filosilicatos 1:1, bien por tres capas, una octaédrica y dos tetraédricas, denominándose entonces filosilicatos 2:1. La unidad formada por la unión de estas dos o tres capas, se denomina lámina. Si todos los huecos octaédricos están ocupados, la lámina se denomina trioctaédrica. Si sólo están ocupadas dos tercios de dichas posiciones y el resto está vacante, se denomina dioctaédrica.
Como filosilicatos 1:1 encontramos el grupo de las canditas y de las serpentinas. Al primero de ellos pertenecen minerales tales como caolinita, nacrita, dickita y halloisita. Como filosilicatos 2:1 se engloban los grupos talcopirofilita, esmectitas, vermiculitas, ilitas, micas y clorita.
También pertenecen a este grupo de minerales la sepiolita y la paligorskita, a pesar de presentar diferencias estructurales con el resto de los filosilicatos. Estructuralmente están formadas por láminas discontinuas de tipo mica. A diferencia del resto de los filosilicatos, que son laminares, éstos tienen hábito fibroso, ya que la capa basal de oxígenos es continua, pero los oxígenos apicales sufren una inversión periódica cada 8 posiciones octaédricas (sepiolita) o cada 5 posiciones (paligorskita). Esta inversión da lugar a la interrupción de la capa octaédrica que es discontinua.
Asociados a la presencia de arcillas pueden encontrarse minerales como feldespato sódico, feldespato potásico, plagioclasas, cuarzo, carbonatos (calcita, dolomita, siderita y otros), cloritas, pirita, óxidos de hierro (hematites, goethita), gibbsita, sericita, vermiculita, etc. La industria ha desarrollado métodos mecánicos, físicos y químicos bien conocidos para el beneficio y purificación de las arcillas.
Activador alcalino - Se refiere a una disolución de MOH (M= Na, K, Rb, Cs), con una concentración típica de 8-10 M. Puede usarse sola o en combinación con silicato sódico o potásico, bien ya preparado o partiendo de sus componentes. Aporta la cantidad de metal alcalino necesario para la reacción e incrementa la cantidad de silicio reactivo (a través del silicato). La concentración típica de silicato en la disolución de MOH es del 15%, si bien pueden usarse cantidades inferiores o superiores.
Silicato sódico/silicato potásico - Los silicatos solubles pueden presentarse en muy distintas formas y composiciones. En función de la naturaleza del ión alcalino se diferencian los silicatos de sodio nSiO2:Na2O, y los silicatos potásicos nSiO2:K2O.
Relleno o filler - Aquí nos referiremos a ellos como materiales que no forman parte de la reacción pero mejoran las propiedades (sílices, arenas, cuarzo, feldespatos, arenas feldespáticas, otras arcillas, fibras, etc.)
Curado - En este ámbito se refiere al tratamiento de la muestra en condiciones de baja temperatura (20 °C a 90 °C) y alta humedad relativa (40% a 100%), por un tiempo de entre 1 hora y 7 días, preferentemente entre 5 y 24 horas, y más preferentemente entre 20 y 24 horas.
Horno cerámico mixto - En este ámbito se refiere a la combinación de un horno cerámico continuo, para el proceso de piezas en materiales cerámicos, que puede emplear como fuente básica de energía calorífica ya sea quemadores, resistencias eléctricas o cualquier otra fuente, al que se le ha acoplado un dispositivo emisor de radiación térmica de cualquier tipo capaz de lograr un incremento de temperatura de forma local en la superficie de la pieza.
Horno Mixto con Barrido por radiación Láser (abreviadamente Horno MBL) - En este ámbito se refiere a una variación de horno cerámico mixto consistente en la combinación de un horno cerámico continuo, para el proceso de materiales cerámicos, que puede emplear como fuente básica de energía calorífica ya sea quemadores, resistencias eléctricas o cualquier otro sistema convencional, al que se le ha acoplado un dispositivo emisor de radiación láser el cual, mediante un proceso de barrido oscilatorio, proporciona una fuente extra de energía calorífica que permite un importante incremento de la temperatura en una estrecha banda en la zona de cocción.
Recubrimiento cerámico - Llamado así por el material sobre el que se emplea habitualmente y conocido también, genéricamente, como esmalte vidriado, se refiere a toda la gama de materiales inorgánicos basados en silicatos, que se aplican sobre los materiales cerámicos y que, tras el correspondiente tratamiento térmico (cocción), adquieren naturaleza vítrea o vitrocristalina.
Antecedentes de la invención
Existen varias patentes y documentos científicos publicados, relacionados con aplicaciones de los polímeros inorgánicos. La primera referencia a este tipo de compuestos proviene de mediados del siglo XX (V. D. Glukhovsky: “Soil silicates", 1959, Kiev, Gosstroyizdatukrainy Publishing), si bien es en los últimos años cuando parece existir un mayor interés. Se conocen algunos documentos generales sobre polímeros inorgánicos, denominados aquí geopolímeros:
- H. Xu. Ph D. Thesis. “Geopolymerisation of aluminosilicate minerals". University of Melbourne, Department of Chemical Engineering, 2002
- J. Davidovits." Geopolymer’. Chemistry & Applications. 2008
- J. Davidovits: “30 years of successes and failures in geopolymer applications. Market trends and potential breakthroughs”, Proc. Int. Conf. Geopolymer 2002, Melbourne, Australia, October 2002.
- Behzad Majidi. “Geopolymer technology, from fundamentáis to advanced applications: a review”. Materials Technology 2009, 24, 2, 79-87
- Khale, R. Chaudhary. “Mechanism of geopolimerization and factor influencing its development: a review". J.
Mater Sci. (2007), 42, 729-746.
- “Alkali-activated geopolymers: A literature review”. Julio 2010. Air Force Research Laboratory. Materials and Manufacturing Directorate.
- Miladin Radovic et al. Effects of Water Content and Chemical Composition on Structural Properties of Alkaline Activated Metakaolin-Based Geopolymers. J. Am. Ceram. Soc., 1-9 (2012)
De forma absolutamente dominante, el estudio de los geopolímeros se ha centrado siempre en ellos como alternativa ecológica al cemento, siendo un tema ya bien conocido. Podemos encontrar gran número de referencias, como por ejemplo las patentes:
- US2012156381A1 "Geopolymer mortar and method'
- US2012152153A1 "Geopolymer composite for ultra high performance concrete"
- US2012037043A1 "Construction materials and method of production",
presentando las principales características de ser un proceso donde no se produce CO2 y presentar propiedades mejoradas en cuanto a residencia mecánica, durabilidad, resistencia a los agentes atmosféricos, resistencia al fuego, aislamiento térmico y acústico. De igual forma, se han propuesto para estructuras prefabricadas, con diversas geometrías.
Otras aplicaciones conocidas tienen que ver con que estos productos químicamente son similares a las zeolitas y se han propuesto como absorbentes y/o inertizantes de residuos, en particular radiactivos, como catalizadores del cracking para el refinamiento del petróleo y como elementos retardantes del fuego, tal como podemos encontrar reflejado en las patentes:
- FR2651270 "Fireproof structure, in particular for a door, window or the like"
- GB2482732 "Building component with fire retardant foam"
- DE102004051712 "Production of a body having a ceramic base body used in chimney construction comprises arranging a molding tool in the region of an opening of the base body, pouring a geopolymer mortar into the tool, hardening and removing the tool"
Finalmente, también se han descrito algunas aplicaciones de cerámicas técnicas avanzadas, especialmente aplicadas para aeronáutica, Formula 1, etc., tal y como, por ejemplo, encontramos descrito en las patentes:
- WO2005019130A1 “Geopolymers and methods for their production’’.
- MX2008001086A1 “Geopolímero fotoluminiscente’’.
- US7846250B2 “Geopolymer and CO2 storage’’
- US2011132230A1 “Geopolymer precursor dry mixture, package, processes and methods’’.
Asimismo, los antecedentes marcan que la activación alcalina de metarcillas ya es conocida. Existen algunas publicaciones sobre la obtención de materiales cerámicos a través de estas reacciones químicas:
- WO2006121823A2 "Geopolymer composites and structures formed therefrom"
- WO8303093A1 "Método para la fabricación de cerámicas decoradas con geopolímeros silico aluminatos" - US4888311A "Ceramic-ceramic composite material and production method"
- US2007221100A1 “Process for the preparation of self-glazed geopolymer tile from fly-ash and blast furnace slag
- “Activación alcalina de metacaolín. Efecto de la adición de silicato soluble y de la temperatura de curado’’.
Bol. Soc. Esp. Ceram. V., 47, 1, 35-43 (2008)
- “Formation of Ceramics from Metakaolin-Based Geopolymers. Part I: Cs-Based Geopolymer•”. J. Am.
Ceram. Soc., 92 [1] 1-8 (2009)
- “Formation of Ceramics from Metakaolin-Based Geopolymers. Part II: K-Based Geopolymer•”. J. Am. Ceram.
Soc., 92 [3] 607-615 (2009)
Sin embargo, en todos los casos anteriores el material se ha conformado por encofrado o por compresión, métodos bien conocidos, pero no se plantea la posibilidad técnica de la extrusión.
Se conocen asimismo algunas publicaciones donde se usa la extrusión en geopolímeros, pero no para la obtención de materiales cerámicos:
- WO2011110834A1 "Window or door frame"
- EP2209963B1 “Extruded geopolymer frame profiles for Windows or doors"
- “Short Fiber Reinforced Geopolymer Composites Manufactured by Extrusion". Journal of materials in civil engineering. November/ December 2005.
Pero estas publicaciones únicamente se refieren a la fabricación de perfiles para ventanas o puertas, sin incluir ningún proceso específico de tratamiento de los materiales.
En la solicitud de patente EP2727894A1 “Forming of ceramic materials made with inorganic polymers’’ se describe el conformado de polímeros inorgánicos mediante un proceso de extrusión para la obtención de materiales con las propiedades técnicas y estéticas requeridas en los materiales cerámicos. En dicha solicitud se describe la introducción de una arcilla plástica (no calcinada) en la fórmula como el hecho diferencial que permite la obtención de las propiedades cerámicas (en particular de resistencia mecánica).
Obviamente, y dado que hasta ahora la técnica de los polímeros inorgánicos se ha centrado de forma casi exclusiva en su utilidad como sustitutivos del cemento tradicional, se ha prestado muy poca atención a la decoración de estos elementos. Para abordar el uso de polímeros inorgánicos como elementos cerámicos, más concretamente baldosas de revestimiento y pavimento, es preciso disponer de un procedimiento que permita obtener decoraciones variadas, con acabados vitrificados, distintos colores y texturas (mates o brillos), e incluso efectos especiales, como las superficies con brillos metalizados o lustres, tal y como ya existen en el mercado con elementos cerámicos convencionales no basados en polímeros inorgánicos.
Obviamente, se ha planteado el someter los elementos cerámicos basados en polímeros inorgánicos a cualquiera de los procesos clásicos de decoración cerámica, basados en esmaltes, fritas, engobes y, por último, tintas ink-jet. Sin embargo, dichos métodos presentan el gran inconveniente de que requieren siempre el procesado en hornos cerámicos a altas temperaturas (típicamente 950 °C 1300 °C), con lo que se perdería la ventaja intrínseca del ahorro energético que supone la obtención de materiales cerámicos a partir de polímeros inorgánicos. Hay que tener en cuenta, además, el problema añadido de que muchas de las fórmulas propuestas para la obtención de polímeros inorgánicos pierden propiedades mecánicas si son sometidas a ese rango de temperaturas (950 °C a 1300 °C). Ha habido algunas tentativas para intentar soslayar estos problemas. Los más destacables intentos para la obtención de decoración de polímeros inorgánicos sin precisar el empleo de altas temperaturas han venido por varias vías diferentes:
- El uso en la composición de materiales vítreos. El conformado de la pieza se hace por moldeo y posterior vibrado. En el proceso de curado esos materiales vítreos difunden a través de la pieza, dando lugar a una cara de aspecto brillante, en lo que se suelen denominar “self-glazed geopolymer’ o “geopolímeros autoesmaltados” como por ejemplo en US20070221100A1, “Process for the preparation of self-glazed geopolymer tile from fly ash and blast furnace slag". El inconveniente reside en que el método de conformado impide obtener materiales cerámicos con las propiedades mecánicas requeridas y, además, el rango de posibles decoraciones es muy pequeño.
- El uso en la composición de materiales especiales que proporcionen efectos decorativos. Tal es el caso de la patente MX2008001086A1 “Geopolímero fotoluminiscente’’. Aparte de los problemas ya comentados en el punto anterior, se precisa una gran cantidad de material fotoluminiscente, por lo que se encarece el coste final.
- El uso de equipamiento específico que pueda conferir a la pieza una cara con un aspecto estético: el ejemplo más claro es el uso en sistemas de prensado seco o semi-plástico de una superficie muy lisa opuesta al pistón que aporta la fuerza de presión al material geopolimérico. Ello hace que la cara en contacto con dicha superficie adquiera también un aspecto muy liso y pueda obtenerse una superficie brillante tras el curado. Aparte de los problemas anteriormente comentados, se trata de un sistema de difícil traslado a las producciones industriales de materiales cerámicos (baldosas) implantadas en la actualidad. También nombrar el uso que se ha hecho de los propios polímeros inorgánicos molidos en la obtención de suspensiones para recubrir piezas cerámicas y aportar, tras un tratamiento térmico estándar de la industria cerámica, una superficie esmaltada (“Effect on strength and hardness of clay ceramic substrate after treatment using kaolin based geopolymer glaze", Key Engineering Materials Vols. 594-595 (2014) pp 575-580).
El uso de polímeros inorgánicos como materiales cerámicos, como por ejemplo baldosas, es una vía interesante para mejorar la eficiencia energética del proceso cerámico sin pérdida de propiedades mecánicas, pero para seguir conservando la tremenda variedad estética y cromática que la industria cerámica posibilita hoy en día es preciso aportar un nuevo procedimiento que permita la decoración de polímeros inorgánicos.
El procedimiento presentado en esta memoria se basa en la decoración de productos cerámicos obtenidos a partir de polímeros inorgánicos mediante el uso de un horno cerámico mixto, que combina un horno continuo para el procesado de materiales cerámicos junto con un dispositivo emisor de radiación electromagnética como fuente de calor.
Como emisor de esta radiación electromagnética se puede emplear un láser, acrónimo que proviene de la expresión “light amplification by stimulated emission of radiation". En esta definición el término “light” no se aplica únicamente al rango de luz visible, sino que se refiere a radiaciones electromagnéticas en general, de todo tipo de frecuencias, incluyendo además de la visible: infrarroja, ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
El láser es una herramienta que se utiliza habitualmente en el procesado de materiales, siendo una práctica habitual su uso en operaciones de corte, marcaje, soldadura y modificación superficial de materiales. El láser es un sistema que aporta fiabilidad y que permite desarrollar procesos con importantes ventajas medioambientales. El avance tecnológico que se está produciendo en el desarrollo de nuevos sistemas láser está abriendo nuevas oportunidades en la obtención de nuevos materiales con mejores propiedades.
El láser ha sido una herramienta que también se ha utilizado en el procesado de materiales cerámicos y vitreos convencionales, como puede observarse en las siguientes patentes y publicaciones a modo de ejemplo:
- US6064034A. “Laser Marking Process for Vitrification of bricks and other vitriscent objects"
- US8232502B2. “Laser engraving of ceramic articles"
- “Laser machining of structural ceramics - A Review”, Journal of the European Ceramic Society, 29, 969-993 (2009)
- “Laser Machining of Structural Ceramics: Computational and Experimental Analysis”, University of Tennessee (2009).
- ES2529090. “Procedimiento de impresión directa destinada al esmaltado y decoración".
Dadas las propiedades intrínsecas de los materiales cerámicos, en muchas ocasiones estos procesos con láser inducen grandes gradientes de temperatura en la muestra, los cuales pueden ser responsables de la aparición de grietas y defectos, lo cual dificulta su utilización. Alguno de estos documentos, como por ejemplo el ES2529090, reivindican específicamente además tratamientos térmicos de alta temperatura posteriores a la conformación de la pieza, lo cual incrementa el riesgo de problemas mecánicos y fracturas en las piezas.
En la patente WO2007/101900A1 “Continuous furnace with coupled laser for the surface treatment of the materials’’ se presenta la combinación de un láser y un horno continuo para el procesado de materiales cerámicos, refractarios y vidrios. Al hacer un uso simultáneo de la radiación láser incidiendo sobre la pieza mientras ésta se desplaza en el interior de un horno continuo convencional, es posible alcanzar en la superficie de la muestra temperaturas extremadamente altas, manteniendo la pieza a una temperatura tal que con adecuado control de los parámetros de procesado permite evitar que se produzcan acumulaciones de tensiones asociadas a los gradientes de temperatura que puedan generar la formación de fisuras con el consiguiente deterioro de las propiedades mecánicas de la pieza. Además, esta combinación de horno con un láser, permite diseñar tratamientos que no son posibles con los métodos de procesado convencionales o a temperaturas más bajas que las que se requieren utilizando estos métodos. También abre la puerta a diseñar materiales que pueden alcanzar prestaciones de mayor valor añadido.
De esta forma, esta combinación de horno con un láser permite que el horno cerámico en sí no tenga que alcanzar la temperatura necesaria para que se produzca las reacciones que permiten que los esmaltes, engobes, fritas, tintas, etc., den el efecto cerámico que se busca. Esa energía la proporciona la radiación láser.
Pero dicho equipo presenta el inconveniente, si de decoración de materiales cerámicos convencionales hablamos, de que la temperatura a la que tiene que trabajar la parte del horno cerámico es todavía demasiado elevada. Para conseguir una buena interacción entre la pieza cerámica y los elementos decorativos la diferencia de temperatura entre la zona del horno cerámico convencional (que cuece la pieza) y el dispositivo láser (que produce el efecto decorativo) no puede ser mayor de 50 °C - 100 °C. Esto hace que la parte del horno cerámico trabaje con un mínimo de temperatura de 950 °C, con una temperatura típica de trabajo en el entorno de 1100 °C - 1250 °C. El mayor ahorro energético que así se podría obtener correspondería al uso de esos 950 °C, pero con el inconveniente de que sólo permitiría la obtención de materiales cerámicos de la gama baja en cuanto a propiedades mecánicas.
Para obtener materiales cerámicos con buenas propiedades mecánicas se precisaría un proceso de bicocción. En la primera cocción se trataría el soporte cerámico a una temperatura adecuada para rendir buenas propiedades mecánicas (típicamente 1100 °C a 1300 °C) antes de aplicar los elementos que constituirían la parte decorativa y someter a una nueva cocción en el horno MBL. La parte del horno podría, ahora sí, trabajar a baja temperatura, mientras que la parte del láser podría aportar el incremento de temperatura preciso para obtener el efecto decorativo. Obviamente, esta temperatura siempre sería superior a la usada en la primera cocción. Sin embargo, estos procesos de bicocción encarecen notablemente tanto el consumo energético como el coste económico asociado a su producción.
Además, como problema añadido, al utilizar procesos de alta temperatura en la mayoría de las formulaciones de polímeros inorgánicos obtenidos a partir de metarcillas, y que no incluyen una arcilla plástica en su composición, se observan frecuentemente grietas, roturas o pérdidas de propiedades mecánicas, tal como se refleja en algunas publicaciones:
- “Comparative performance of geopolymers made with metakaolin and fly ash after exposure to elevated temperatures". Cem. Concr. Res. 37 (12) (2007) 1583-1589.
- “Thermal evolution of metakaolin geopolymers: Part 1 - Physical evolution" J. Non-Cryst. Solids 352 (52-54) (2006) 5541-5555.
- “The thermal evolution of metakaolin geopolymers: Part 2 - phase stability and structural development”. J.
Non-Cryst. Solids 353 (22-23) (2007) 2186-2200.
- “Thermal stability of geopolymers used as supporting material for T1O2 film coating through sol-gel process:
Feasibility andimprovement’’. Constr. Build. Mater. 124 (2016) 1114-1126.
Estas grietas, roturas, o pérdidas de propiedades mecánicas originan una alta tasa de fallos que redunda en un coste económico más elevado del proceso.
Descripción de la invención
La problemática existente en la actualidad por el alto consumo de energía necesario y el elevado coste económico asociado tradicionalmente a la decoración de los materiales cerámicos basados en polímeros inorgánicos se resuelve mediante un procedimiento que posee las características de la reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se reivindican realizaciones ventajosas del procedimiento.
Las características de las piezas cerámicas obtenidas a partir de polímeros inorgánicos permiten incrementar la diferencia entre la temperatura a la que trabaja el horno cerámico convencional y la temperatura que proporciona el horno cerámico mixto en la parte de horno cerámico. De esta forma se produce una reducción en la temperatura de trabajo en la parte de horno cerámico del horno cerámico mixto, que tradicionalmente había sido la mayor fuente de consumo energético.
Un horno cerámico mixto permite incidir localmente con una radiación electromagnética, preferentemente lumínica de tipo láser, sobre una pieza cerámica producida con polímeros inorgánicos cuando ésta se desplaza en el interior de un horno cerámico. Mediante los oportunos medios de control de los parámetros de la radiación y de movimiento se consigue que la temperatura de una franja de la superficie de la pieza cerámica perpendicular a la dirección de desplazamiento alcance localmente valores de hasta 1200 °C. El horno dispone de un dispositivo de desplazamiento, normalmente basado en rodillos, que permite mover la pieza y lograr que la franja se desplace a lo largo de toda la superficie de la pieza.
El procedimiento de decoración aquí presentado se caracteriza por el uso de un recubrimiento cerámico sobre la pieza previamente producida con polímeros inorgánicos. Este recubrimiento constituye la parte decorada, y está compuesto por diferentes capas de materiales (esmaltes, engobes, fritas, tintas, etc.) que al fundirse sobre la pieza con la ayuda del incremento local de temperatura conseguido en la superficie mediante la radiación local, proporcionan el acabado (de naturaleza vítrea o vitrocristalina) con los efectos decorativos que se desean obtener. Para lograr una perfecta interacción entre la base de polímeros inorgánicos y estas capas de materiales cerámicos, la base de polímeros inorgánicos se somete a un tratamiento térmico en la parte de horno cerámico del horno MBL. Dicho tratamiento térmico se lleva a cabo a temperaturas menores de lo habitual, entre 600 °C y 800 °C. Las capas de materiales cerámicos, que definirán la parte decorativa de la pieza, se someten a la radiación láser, alcanzando una temperatura mayor para esa parte decorativa que puede llegar a valores de hasta 1200 °C. Así se obtienen productos cerámicos, como por ejemplo baldosas, con tratamientos térmicos de entre 600 °C y 800 °C, pero con propiedades mecánicas elevadas y con todas las posibilidades de decoración, tanto de efectos como de colores, que ofrece la industria cerámica hoy en día.
Este procedimiento de decoración mediante el uso de un horno cerámico mixto es viable para cualquier polímero inorgánico, bien en cuanto a composición, bien en cuanto a sistema de conformado, como puede ser moldeo, prensado en seco, prensado semi-plástico y extrusión. De forma preferente la formulación usada corresponde a las descritas en EP2727894A1 “Forming of ceramic materials made with inorganic polymers’’. Dicha composición contiene una arcilla plástica (no tratada térmicamente) que posibilita un proceso de extrusión de calidad cerámica. Pero también es aplicable al resto de métodos de conformado anteriormente nombrados (moldeo, prensado en seco y prensado semi-plástico). Cualquier experto en la técnica podría acondicionar la fórmula variando la relación líquido/sólido para obtener la pasta de geopolímero adecuada a cada uno de esos sistemas. Desde el punto de vista de las propiedades mecánicas, la presencia de arcilla plástica asegura la calidad de la pieza cuando se somete a un tratamiento térmico entre 600 °C y 800 °C, no observándose grietas ni roturas, ni pérdida de propiedades mecánicas.
Ventajas de la invención
Este procedimiento de decoración de materiales producidos con polímeros inorgánicos que se presenta aporta múltiples ventajas sobre los procedimientos conocidos en la actualidad, siendo la más importante y destacable que se pueden conseguir materiales cerámicos de propiedades mecánicas y estéticas acordes a lo que la industria cerámica puede usar hoy en día pero con tratamientos térmicos a temperaturas muy inferiores a las utilizadas en cerámica convencional, lo que permite un considerable ahorro energético.
Este ahorro energético redunda en un menor coste económico del proceso productivo de los materiales cerámicos, y por tanto en una mayor rentabilidad.
Otra importante ventaja del procedimiento estriba en su fiabilidad y flexibilidad, ya que permite realizar todas las posibilidades de decoración existentes mediante un proceso más eficaz desde un punto de vista energético.
No debemos olvidar que el procedimiento presenta la ventaja adicional de requerir únicamente un módulo de radiación acoplado a un horno cerámico convencional, reduciendo la inversión necesaria y facilitando su rápida amortización.
Debe destacarse asimismo que el procedimiento descrito permite el uso con polímeros inorgánicos de toda la gama de posibles recubrimientos decorativos que ofrece hoy en día la industria cerámica en términos de efectos y de colores.
El procedimiento descrito tiene la ventaja de que permite el uso de toda la gama de posibilidades que ofrece hoy en día la industria cerámica desde el punto de vista de los recubrimientos decorativos. En este sentido hay que tener en cuenta que los recubrimientos habitualmente empleados para la decoración de baldosas cerámicas son esmaltes vidriados que están diseñados para ser cocidos en ciclos de temperatura máxima de entre 1050 °C y 1200 °C, los cuales son perfectamente alcanzables sumando la potencia calórica de la radiación a la temperatura del tratamiento térmico anteriormente comentada, 600 °C y 800 °C. De esta manera, cualquiera de los vidriados que se emplean para la decoración de baldosas cerámicas podría ser empleado en la decoración de las piezas de geopolímero, adaptando la potencia de la radiación láser. Sin embargo, el procedimiento aquí descrito ofrece una ventaja adicional, y es que se pueden emplear vidriados de más baja temperatura, de entre 800 °C y 1050 °C, con un mínimo aporte energético del láser. Este tipo de vidriados de baja temperatura no pueden emplearse en la decoración de las baldosas cerámicas estándar a no ser que se realice mediante una cocción posterior a la de la propia pasta, lo que se conoce como bicocción, técnica que ha quedado en desuso por su mayor coste energético.
Descripción de las figuras
Para comprender mejor el objeto de la presente invención, en el plano anexo se ha representado una realización práctica preferencial del procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos. En dicho plano la figura 1 muestra un diagrama simplificado de las fases del procedimiento.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques simplificado de un horno cerámico mixto.
Realización preferente de la invención
El procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos objeto de la presente invención, comprende básicamente
una fase de conformado (1) de la pieza de material cerámico,
una fase de preparación (2) del recubrimiento,
una fase de tratamiento térmico (3), y
una fase de radiación local (4), realizada durante la fase de tratamiento térmico coincidiendo con el paso de la pieza por la zona de temperatura más alta.
En la fase de conformado (1) se forma una pieza de material cerámico a partir de un polímero inorgánico mediante cualquier procedimiento de los empleados en la industria cerámica, elegidos del grupo formado por moldeo, prensado en seco, prensado semi-plástico y extrusión. Está prevista una realización preferente en la que, en la fase de conformado (1), se forma una pieza de material cerámico, mediante un proceso de activación alcalina de metarcillas tratadas térmicamente, que comprende extrusión, curado en condiciones de baja temperatura, y secado de un polímero inorgánico constituido por un material silicoaluminoso que incluye metarcillas, materiales puzolánicos, o una combinación de ambos, con una disolución activadora.
A continuación, en la fase de preparación (2) del recubrimiento, sobre la pieza obtenida en la fase 1 se aplican diferentes capas sucesivas de esmaltes vidriados elegidos del grupo formado por esmaltes, engobes, fritas, tintas y una combinación de ellos.
Se continúa el procedimiento en un horno cerámico mixto (5), en donde se realizan la fase de tratamiento térmico (3) y la fase de radiación local.
El horno cerámico mixto (5) utilizado comprende un horno cerámico (6) con movimiento lineal de la pieza, que lleva intercalado al menos un módulo de calentamiento por radiación (7) en la zona correspondiente a la temperatura más alta del horno cerámico (6). La parte de horno cerámico (6) del horno cerámico mixto (5) es de cualquier tipo usado en la industria cerámica, y puede ser elegido del grupo formado por los hornos de gas, eléctrico ó microondas. El módulo de calentamiento por radiación (7) del horno cerámico mixto (5) es de radiación electromagnética, elegido del grupo formado por láser, ultravioleta UV, infrarrojos IR, microondas, radiofrecuencia RF, o una combinación de varios de ellos.
En una realización preferente del procedimiento se utiliza un horno mixto con barrido por radiación láser como horno cerámico mixto (5). El horno MBL es similar a un horno de tipo convencional con movimiento lineal de la pieza y con resistencias eléctricas de calentamiento. El movimiento lineal se obtiene con una sucesión de rodillos que son arrastrados por un sistema mecánico convencional de motor-reductor-piñones-cadena. El horno MBL está dividido en diferentes zonas en las que se controla la temperatura para realizar el ciclo completo de tratamiento desde que entra la pieza por una zona hasta que sale por el lado opuesto del horno y simular en la medida de lo posible un ciclo en un horno industrial. En la zona de más alta temperatura, el horno dispone de una apertura en la parte superior por donde incide el haz láser. El módulo láser usado en los ejemplos es un láser CO2 Rofin SLAB, con una potencia de 1000 W y lente de 1200 mm. El haz láser se desplaza sobre la pieza describiendo una trayectoria en forma de círculos de 3 mm de diámetro y con una frecuencia de 100 Hz. La velocidad de desplazamiento del haz es de 25 m/s.
La fase de tratamiento térmico (3) produce la cocción de la pieza de material cerámico, y se realiza a temperaturas comprendidas entre 600 °C y 800 °C.
La fase de radiación local (4), realizada durante la fase de tratamiento térmico (3) coincidiendo con el paso de la pieza por la zona de temperatura más alta, produce un incremento de la temperatura superficial de la pieza que realiza la cocción del recubrimiento, sin afectar al resto de la pieza. Esta fase de radiación local (4) se realiza generando una temperatura superficial en la pieza comprendida entre 1050 °C y 1200 °C.
El procedimiento descrito permite el uso en materiales cerámicos obtenidos con polímeros inorgánicos de todas las posibilidades que ofrece hoy en día la industria cerámica desde el punto de vista de los recubrimientos decorativos. En este sentido hay que tener en cuenta que los recubrimientos habitualmente empleados para la decoración de baldosas cerámicas son vidriados que están diseñados para ser cocidos en ciclos de temperatura máxima de entre 1050 °C y 1200 °C, los cuales son perfectamente alcanzables sumando la potencia calórica de la radiación local (4) a la temperatura del tratamiento térmico (3) anteriormente comentada, comprendida entre 600 °C y 800 °C. De esta manera, cualquiera de los vidriados que se emplean para la decoración de baldosas cerámicas podría ser empleado en la decoración de las piezas de materiales cerámicos obtenidos con polímeros inorgánicos, simplemente adaptando la potencia de la radiación local (4) para obtener el incremento de temperatura necesario para el recubrimiento. Este procedimiento permite emplear recubrimientos vidriados de más baja temperatura, de entre 800 °C y 1050 °C, con un mínimo aporte energético de la radiación local (4).
La persona experta en la técnica comprenderá fácilmente que puede combinar características de diferentes realizaciones con características de otras posibles realizaciones, siempre que esa combinación sea técnicamente posible.
Como información de la investigación y actividad experimental realizada y que ha llevado a la obtención de este procedimiento de decoración específicamente adaptado a materiales cerámicos basados en polímeros inorgánicos, se muestran a continuación los siguientes ejemplos:
Ejemplo 1
Este ejemplo ilustra la obtención de las piezas cerámicas producidas con polímeros inorgánicos con los que se lleva a cabo posteriormente el proceso de decoración en el ejemplo 2. AC1 es una arcilla que contiene caolinita, illita y montmorillonita, todas ellas arcillas silicoaluminosas, tratada a 850 °C durante 2 horas y molida a una granulometría tal que el residuo a 63 pm es menor del 25 %.
A-1 es una arcilla con un contenido en caolinita de más del 40 %, pero puede utilizarse cualquier tipo de arcilla que sea lo suficientemente plástica para su uso.
2400 g de AC1 y 600 g de A-1 fueron mezclados con 1330 g de NaOH 10M y 236 g de silicato sódico en solución (composición en peso de 25,5 - 28,5 % SiO2, 7,5 - 8,5 % Na2O y densidad de 1,296 - 1,396 g/cm3 a 20 °C) durante 12 minutos.
Para obtener probetas conformadas por extrusión, se utilizó una máquina universal de ensayos, en la cual se acopló un cilindro rígido que se ensambló a una boquilla de extrusión rectangular de dimensiones 100 mm x 5 mm. Una barra rígida, adherida a una célula de carga, se desplazó por el interior del cilindro a una velocidad de 15 mm/min. Con lo cual, se conformaron probetas paralelepípedas por extrusión de 5 mm de espesor y 100 mm de ancho. Las probetas fueron cortadas a una longitud de 100 mm.
Una vez obtenidas las probetas, se sometieron al proceso de curado:
- Tiempo: 20 h
- Temperatura: 85 °C
- Humedad relativa: 100 %
Posteriormente a la etapa de curado, las muestras se mantuvieron en condiciones ambientales durante un mínimo de 24 horas.
Ejemplo 2 (no según la invención)
En este ejemplo se ilustra la aplicación de la decoración y tratamiento térmico posterior de las piezas cerámicas producidas con polímeros inorgánicos del ejemplo 1, en un horno MBL.
Soporte: Pieza producida con polímeros inorgánicos, de 10 x 10 cm2 de superficie y 5 mm de espesor.
Recubrimiento (decoración): El recubrimiento de naturaleza vítrea o vitrocristalina, se prepara por superposición de 3 capas:
1) Composición de engobe para baja temperatura, según la fórmula de la tabla 1:
Tabla 1. Composición de la capa de engobe
Componente % en peso
Frita opaca para 1050 °C 30
Nefelina 50
Arcilla 20
2) Esmalte brillante transparente, correspondiente a una frita borácica para 980 °C - 1020 °C de temperatura de uso.
3) Decoración con tintas digitales para cerámica azul y negra, empleando un diseño geométrico con combinación de tonos grises y azules.
Cocción en horno de laboratorio: en un horno MBL de rodillos, de laboratorio, de 10 metros de longitud total, equipado con resistencias eléctricas y dotado de una fuente láser de CO2 de 1000 W de potencia máxima.
Condiciones del horno: Temperatura en la zona de tratamiento de 450 °C (la proporcionada por las resistencias eléctricas) y velocidad de desplazamiento de la muestra de 8.5 m por hora. El tiempo total de permanencia en el horno fue de 70 minutos, con 10 minutos de permanencia a temperatura máxima.
Tratamiento láser: Láser de CO2, incidiendo con una potencia de 700 W, velocidad de desplazamiento del haz sobre la muestra 25 m por seg., modo de desplazamiento con wobbling (definido como proceso en el que el haz de láser se mueve con una pequeña amplitud transversal a la trayectoria seguida) a una frecuencia de 100 Hz y con un diámetro de 3 mm.
Para este ejemplo (diámetro de 3 mm del haz láser, velocidad de desplazamiento de la pieza en el horno de 8.5 m por hora), el haz láser actúa sobre cada punto concreto de la pieza durante 1.2 segundos.
Durante el tratamiento sin la radiación láser la temperatura máxima de la muestra es de 450 °C, mientras que por la acción del láser la temperatura en la superficie de la muestra alcanza un valor de 980 °C al comienzo del tratamiento, incrementando su valor progresivamente hasta los 990 °C al final de la placa. Con estas condiciones, la superficie adquiere un aspecto brillante tanto en las zonas sin decorar como en las que se aplicaron las tintas negra y azul.
Toda la información referida a ejemplos o modos de realización forma parte de la descripción de la invención.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. - Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos caracterizado por comprender
una fase de conformado (1) de la pieza de material cerámico,
una fase de preparación (2) del recubrimiento,
una fase de tratamiento térmico (3), en la que se produce la cocción de la pieza de material cerámico, y una fase de radiación local (4), realizada durante la fase de tratamiento térmico coincidiendo con el paso de la pieza por la zona del horno de temperatura más alta, en la que se produce un incremento de temperatura superficial que realiza la cocción del recubrimiento decorativo; la fase de tratamiento térmico y la fase de radiación local se llevan a cabo en un horno cerámico mixto (5) caracterizado porque la radiación comprende radiación electromagnética, caracterizado porque la fase de tratamiento térmico (3) se realiza a temperaturas comprendidas entre 600 °C y 800 °C y caracterizado porque la fase de radiación (4) se realiza generando una temperatura superficial en la pieza comprendida entre 1050 °C y 1200 °C.
2. - Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, según la anterior reivindicación, caracterizado porque en la fase de conformado (1) se forma una pieza de material cerámico a partir de un polímero inorgánico mediante cualquier procedimiento de los empleados en la industria cerámica, elegidos del grupo formado por moldeo, prensado en seco, prensado semi-plástico y extrusión.
3. - Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, según las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque en la fase de conformado (1) se forma una pieza de material cerámico mediante un proceso de activación alcalina de metarcillas, que comprende extrusión, curado en condiciones de baja temperatura, y secado de un polímero inorgánico constituido por un material silicoaluminoso que incluye metarcillas, materiales puzolánicos, o una combinación de ambos, con una disolución activadora.
4. - Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, según las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque en la fase de preparación del recubrimiento (2) se obtiene un recubrimiento que es aplicado a la pieza en diferentes capas de vidriados elegidos del grupo formado por esmaltes, engobes, fritas, tintas y una combinación de ellos.
5. - Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, según las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el horno cerámico mixto (5) utilizado comprende un horno cerámico (6) con desplazamiento lineal de la pieza, que está equipado con al menos un módulo de calentamiento por radiación (7) situado en la zona correspondiente a la temperatura más alta del horno cerámico (6).
6. - Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, según las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el horno cerámico (6) del horno cerámico mixto (5) es de cualquier tipo usado en la industria cerámica y puede elegirse del grupo formado por los hornos de gas, eléctricos o microondas.
7. - Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, según la reivindicación 5, caracterizado porque el módulo de calentamiento por radiación (7) del horno cerámico mixto (5) es de radiación electromagnética y puede elegirse del grupo formado por láser, ultravioleta UV, infrarrojos IR, microondas, radiofrecuencia RF, o una combinación de varios de ellos.
8. - Procedimiento de decoración de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, según las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el horno cerámico mixto (5) es un horno mixto con barrido por radiación láser.
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