Materiale Didattico Ceramica


Presentazione

Queste dispense, che rappresentano la base per un corso di tecnologie ceramiche diretto agli studenti dell’Istituto Enrico Fermi di Modena, sono state realizzate raccogliendo e rielaborando il materiale proveniente da vari articoli, testi e dispense universitarie; per questo motivo il materiale esposto è solo in parte originale.

L’aspetto certamente innovativo è però l’approccio al mondo della ceramica. Nella maggior parte dei testi in circolazione si parte dallo studio del ciclo tecnologico e si introducono i vari aspetti teorici e le problematiche in funzione delle apparecchiature trattate.

Viceversa in questo lavoro si è seguito un processo logico inverso, partendo da una breve introduzione sulle tipologie di prodotti ed il ciclo tecnologico, necessaria per dare una visione d’insieme, sono stati trattati prima gli aspetti teorici dei materiali e delle trasformazioni che avvengono e da questi si sono ricavate le apparecchiature per realizzarle.

Questo approccio, scaturito dagli incontri degli autori con un gruppo tecnico istituito da Assopiastrelle e con il Presidente della Società Ceramica Italiana, ha lo scopo di focalizzare l’attenzione sugli aspetti teorici delle trasformazioni che avvengono nel ciclo ceramico, troppo spesso trascurati rispetto ad una conoscenza empirica, basata sull’esperienza personale.

Le nuove sfide della ceramica si giocheranno sempre di più sui prodotti tecnologicamente ed esteticamente più evoluti, per la produzione dei quali non sarà più sufficiente l’esperienza ma servirà un bagaglio di conoscenze teoriche in grado di progettare nuovi prodotti e macchinari.

L’obiettivo, certamente ambizioso, è quello di stimolare e fornire un punto di partenza non solo per la scuola ma anche per il mondo accademico e produttivo affinché approfondiscano lo studio e la comprensione del variegato universo ceramico.

Doverosi sono i ringraziamenti dovuti a tutte le persone senza le quali questo volume non sarebbe stato realizzato: innanzi tutti Assopiastrelle, nella figura del Dott. Pifferi presidente della commissione formazione e la Società Ceramica Italiana, nella figura del presidente Dott. Zannini che oltre a spronarci costantemente ha riletto e corretto le varie versioni delle dispense, ed infine tutti i nostri colleghi che ci hanno sopportato durante questi due anni.

Alberto Martignani Moreno Gazzotti   Lorenzo Turci

1. Definizione e classificazione dei prodotti ceramici

1.1 Definizione di prodotto ceramico

1.2 Classificazione dei prodotti ceramici

1.3 Ceramiche silicatiche a base argillosa

1.4 Materiali ceramici speciali

1.5 La classificazione delle piastrelle: norme UNI EN 87

1.5.1 Classificazione.

1.5.2 Classifícazione secondo le norme EN

2. I cicli tecnologici di fabbricazione

2.1 Processi di fabbricazione

2.1.1 Le materie prime per la preparazione degli impasti

2.1.2 La preparazione delle materie prime per il supporto

2.1.3 La formatura

2.1.4 L’essiccamento

2.1.5 La preparazione e l’applicazione degli smalti

2.1.6 La cottura

3. Lo stato solido

3.1 Introduzione: i tre stati di aggregazione della materia

3.2 Considerazioni generali sulla struttura e le proprietà macroscopiche dei solidi cristallini

3.3 Stato solido cristallino: proprietà cristallografiche

3.4 Fasi solide cristalline a più componenti

4. Mineralogia

4.1 Introduzione petrografica

4.1.1 Composizione chimica della crosta terrestre

4.1.2 Composizione petrografica della crosta terrestre

4.2 Classificazione strutturale dei silicati

4.2.1 Strutture con gruppi isolati di tetraedri − Gruppo I

4.2.2 Strutture con catene aperte o chiuse di tetraedri − Gruppo II

4.2.3 Strutture con fogli di tetraedri infinitamente estesi su uno o più piani − Gruppo III

4.2.3.1 Gruppo della caolinite

4.2.3.2 Gruppo delle smectiti

4.2.3.3 Gruppo delle miche: illite

4.2.3.4 Gruppo della clorite

4.2.4 Strutture tridimensionali ad estensione indefinita − Gruppo IV

4.2.4.1 Gruppo della silice

4.2.4.2 Gruppo dei feldspati e feldspatoidi

4.3 Considerazioni generali sui solidi amorfi: i vetri

4.3.1 Principali componenti che costituiscono fasi vetrose

4.4 Analisi delle materie prime per uso ceramico

4.4.1 La classificazione delle argille

4.4.2 Caratteristiche fisiche delle argille

4.4.3 Analisi delle materie prime argillose

4.4.3.1 Analisi granulometrica

4.4.3.2 Analisi meccanica e fisica

4.4.3.3 Analisi termica

4.4.3.4 Analisi chimica

4.4.3.5 Analisi mineralogica

5. Le proprietà delle argille 30

5.1 Dimensioni colloidali 30

5.2 Presenza di cariche superficiali 30

5.3 Adsorbimento di ioni e di molecole polarizzate 31

5.4 Scambio ionico 32

5.5 Potenziale Z 33

5.6 Flocculazione e deflocculazione 34

5.7 Tessitura dell’argilla 35

5.8 Il pH delle argille 35

5.8.1 Determinazione del valore ottimale del pH di un’argilla 36

6. La reologia delle argille

6.1 Reologia di un fluido

6.1.1 Reologia delle barbottine

6.2 Reologia di una massa plastica

6.3 La plasticità dell’argilla e degli impasti argillosi

6.4 La correzione reologica

6.4.1 I deflocculanti

6.4.2 Classi principali di addittivi

6.4.2.1 Impasti ceramici per atomizzazione

6.4.2.2 Smalti ceramici

7. Macinazione

7.1 Generalità

7.2 Macinazione a secco

7.2.1 Principali categorie di macchine e loro funzionamento

7.3 Macinazione a umido e miscelazione

7.4 La macinazione ad umido discontinua

7.4.1 Teoria dei mulini Alsing

7.4.2 Corpi macinanti

7.4.3 Carica del mulino

7.4.3.1 Carica dei corpi macinanti

7.4.3.2 Calcolo pratico di una carica

7.4.4 Materiali utilizzati per il rivestimento interno

7.5 Prove sulla barbottina

7.6 Macinazione ad umido e reologia

7.7 La macinazione continua

7.7.1 Descrizione del mulino

7.7.2 Descrizione dell’impianto

8. Atomizzazione

8.1 Generalità

8.2 Funzionamento e ciclo di un atomizzatore

8.3 Abbattimento delle polveri e depurazione dei fumi

8.3.1 Abbattimento delle polveri

8.3.2 Depurazione dei fumi

8.4 Caratteristiche della barbottina

8.5 Caratteristiche delle polveri atomizzate e conduzione dell’atomizzatore

9. Pressatura

9.1 Generalità

9.2 Tipi di presse

9.3 Il ciclo di pressatura

9.3.1 Tecnologia e difetti della pressatura, ottimizzazione del ciclo di pressatura

10. Essiccamento dei prodotti ceramici

10.1 Generalità

10.2 Elementi teorici

10.2.1 Analisi del processo di essiccamento

10.2.2 Meccanismi di trasferimento del calore

10.2.3 Il meccanismo di essiccamento interno al corpo

10.3 Il ritiro nell’essiccamento

10.4 Caratteristiche dei pezzi essiccati

10.5 Metodi di essiccamento

10.6 Impianti industriali per l’essiccamento continuo

10.6.1 Essiccatori a tunnel

10.6.2 Essiccatori rapidi verticali/orizzontali

11. Vetri industriali e smalti

11.1 Le fritte ceramiche

11.2 Cenni sul processo produttivo

11.3 Caratteristiche fisiche: proprietà e loro misura

11.3.1 Espansione termica

11.3.2 Viscosità

11.3.3 Tensione superficiale

11.3.4 Fusibilità

11.3.5 Grado di fusione

11.4 Materie prime per fusione

11.4.1 Il biossido di silicio (SiO2)

11.4.2 L’anidride borica (B2O3)

11.4.3 L’anidride fosforica (P2O5)

11.4.4 Gli ossidi alcalini (Na2O − K2O − Li2O)

11.4.5 Gli ossidi alcalino − terrosi (CaO − MgO − SrO)

11.4.6 Il piombo il bario e lo zinco (PbO − BaO − ZnO)

11.4.7 L’allumina (Al2O3)

11.4.8 L’ossido di zirconio (ZrO2)

11.4.9 I decoloranti

11.5 Formulazione: esempi di calcolo

11.6 Classificazione delle fritte

11.6.1 Fritte trasparenti

11.6.2 Fritte bianche lucide allo zirconio

11.6.3 Fritte matt (al calcio e allo zinco)

11.6.4 Fritte per usi speciali

12. La colorazione dei prodotti ceramici

12.1 La teoria del colore

12.2 Diffusione della luce: scattering

12.3 Interferenza su lamina sottile

12.4 La misura del colore

12.4.1 Colori soggettivi ed oggettivi

12.5 Materie prime coloranti

12.5.1 Ossidi coloranti semplici solubili nel vetro

12.5.1.1 Ossidi di ferro (FeO − Fe2O3)

12.5.1.2 Ossidi di cromo (Cr2O3 − CrO3)

12.5.1.3 Ossido di rame (CuO)

12.5.1.4 Ossido di cobalto (Co3O4 − CoO)

12.5.1.5 Ossido di manganese (MnO2 − Mn2O3)

12.5.1.6 Ossido di nichel (NiO − Ni2O3)

12.5.1.7 Ossido di uranio (UO2 − UO3 − U3O8)

12.5.1.8 Ossido di vanadio (V2O3 − VO2 − V2O5)

12.5.2 Metalli in forma colloidale

12.5.3 Composti insolubili nella fase vetrosa (Stains)

12.5.3.1 Caratteristiche strutturali degli spinelli

12.5.4 Opacificanti

12.5.5 Superfici matt, superfici opache

12.5.5.1 Ossido di stagno − SnO2

12.5.5.2 Ossido di titanio − TiO2

12.5.5.3 Ossido di zirconio − ZrO2

12.5.5.4 Silicato di zirconio − ZrO2 − SiO2

12.5.5.5 Ossido di cerio − Ce2O3 − CeO2

12.5.5.6 Fluoruri − CaF2 (fluorite) − Na3A1F6 (criolite) − Na2SiF6 (fluorosilicato sodico)

12.5.5.7 Ossidi di antimonio e di arsenico − Sb2O4 − As2O3

12.5.5.8 Fosfati di metalli bivalenti − Ca3, Mg3, Zn3(PO4)2

12.5.6 Gas opacificanti

12.5.7 Colorazione con sali solubili

13. Trasformazioni di fasi e diagrammi di stato

13.1 La regola delle fasi

13.2 Diagrammi di stato dei sistemi a un solo componente

13.3 Diagrammi di stato dei sistemi a due componenti

13.3.1 Diagrammi di stato dei sistemi binari liquido/solido

13.3.1.1 Sistema a due componenti completamente miscibili allo stato liquido, non miscibili allo stato solido e senza formazione di composti

13.3.1.2 Sistema a due componenti completamente miscibili allo stato liquido, non miscibili allo stato solido con formazione di composti a fusione congruente

13.3.1.3 Sistema a due componenti completamente miscibili allo stato liquido, non miscibili allo stato solido con formazione di composti a fusione non congruente

13.3.1.4 Sistema a due componenti completamente miscibili sia allo stato liquido che a quello solido

13.3.1.5 Sistema a due componenti completamente miscibili allo stato liquido, parzialmente miscibili allo stato solido

13.4 Sistema a tre componenti

13.5 L’utilizzo dei diagrammi di stato nell’industria ceramica

14. Il comportamento dei prodotti ceramici durante la cottura

14.1 Le principali reazioni che avvengono nel supporto durante la fase di cottura

14.2 La sinterizzazione

14.3 La sinterizzazione nel processo ceramico

14.4 Comportamento degli smalti in cottura

15. Tecnologia degli smalti

15.1 Tecnologia di produzione delle fritte

15.2 Tecnologia di produzione e applicazione degli smalti

15.2.1 Preparazione degli smalti

15.2.2 Applicazione degli smalti e linee di smaltatura

15.2.3 Decorazione serigrafica

15.2.4 Apparecchiature per l’applicazione serigrafica

15.2.5 Principali tecniche di decorazione serigrafica

15.2.6 Decalcomanie e decorazioni a pennello

15.3 Difetti di smalto

16. La cottura

16.1 Principi generali della cottura

16.2 Analisi termiche

16.2.1 Analisi termogravimetrica (TG)

16.2.2 Analisi termica differenziale (DTA)

16.2.3 Analisi dilatometrica

16.3 Definizione del diagramma di cottura

16.3.1 Diagramma di cottura per monocottura a pasta bianca e a pasta rossa

16.3.2 Diagramma di cottura per grès porcellanato

16.3.3 Considerazioni sui diagrammi di cottura

16.4 Forno rapido a rulli

16.5 Difetti dovuti alla cottura

17. Principali difetti di fabbricazione delle piastrelle

17.1 Difetti rilevabili prima della cottura

17.1.1 Non pressabilità dell’atomizzato

17.1.2 Alone del pezzo pressato

17.1.3 Difetti superficiali

17.1.4 Difetti di omogeneità dopo pressatura

17.1.5 Crepe e difetti di planarità nel prodotto pressato

17.1.6 Sbavature nel prodotto pressato

17.1.7 Fragilità in verde

17.1.8 Screpolature, fessurazioni e fragilità in essiccato

17.1.9 Deformazioni e crepe in essiccamento

17.1.10 Gocce da aerografi e dischi rotanti

17.1.11 Ondulazioni, rigature, applicazioni irregolari

17.1.12 Grumi di smalto

17.2 Difetti rilevabili dopo la cottura

17.2.1 Cuore nero

17.2.2 Difetti superficiali rilevabili dopo la cottura

17.2.2.1 Difetti superficiali causati da impurezze

17.2.2.2 Difetti superficiali causati dalla granulometria dell’atomizzato

17.2.2.3 Difetti provenienti dallo smalto e dalla smaltatura

17.2.3 Difetti strutturali rilevabili dopo la cottura

17.2.3.1 Bassa resistenza meccanica in cotto

17.2.3.2 Crepe e rotture

17.2.3.3 Eccesso di ritiro sul cotto e scalibrature

17.2.3.4 Difetti di planarità

17.2.3.5 Sovracottura o cottura insufficiente, incollamento dei pezzi ai rulli

17.3 La scelta

17.3.1 Esame visivo

17.3.2 Esame dell’integrità del supporto

17.3.3 Controllo tonalità

17.3.4 Controllo planarità

17.3.5 Controllo dimensionale

18. Il laboratorio nell’industria ceramica

18.1 Il laboratorio analisi materie prime e controllo qualità

18.2 Analisi chimica

18.2.1 Disgregazione del campione

18.2.1.1 Fusione alcalina

18.2.1.2 Attacco multiacido HF − H2SO4

18.2.1.3 Attacco multiacido HF − HCl

18.2.2 Silice

18.2.3 Zirconio

18.2.3.1 Metodo gravimetrico

18.2.3.2 Metodo spettrofotometrico

18.2.4 Ferro

18.2.4.1 Tiocianato

18.2.4.2 O−fenantrolina

18.2.4.3 a−a’ dipiridile

18.2.5 Titanio

18.2.6 Alluminio

18.2.6.1 Metodo volumetrico

18.2.6.2 Metodo colorimetrico

18.2.6.3 Metodo gravimetrico

18.2.7 Calcio e magnesio

18.2.8 Piombo

18.2.9 Zinco

18.2.10 Manganese

18.2.11 Litio e potassio

18.2.12 Fosforo

18.3 Umidità

18.4 Perdita al fuoco

18.5 Calcare

18.6 Carbonio e zolfo totali

18.7 Ritiro e/o espansione

18.8 Assorbimento d’acqua

18.9 Plasticità

18.10 Densità apparente

18.11 Viscosità dinamica

18.12 Residuo

18.13 Tempo di scorrimento

19. Schede di laboratorio

19.1 La preparazione dei provini ceramici

19.1.1 Aspetti generali

19.1.2 Formulazione degli impasti

19.1.3 Modalità operative

19.1.3.1 La pulizia nel laboratorio ceramico

19.1.3.2 Campionamento e cernita

19.1.3.3 Determinazione dell’umidità

19.1.3.4 Formulazione dell’impasto

19.1.3.5 Macinazione ad umido in mulino rapido

19.1.3.6 Essiccamento della barbottina

19.1.3.7 Reidratazione

19.1.3.8 Pressatura

19.1.3.9 Acquisizione dei dati

19.1.3.10 Cottura

19.1.3.11 Prove finali e relazione

19.1.3.12 Formule di calcolo

19.1.3.13 Dati finali

19.1.3.14 Relazione finale

19.2 Analisi classica delle materie prime ad uso ceramico

19.2.1 Disgregazione del campione

19.2.1.1 Fusione alcalina

19.2.1.2 Attacco multiacido tradizionale

19.2.1.3 Attacco multiacido con disgregatore a microonde

19.2.2 Silice

19.2.2.1 Metodo gravimetrico

19.2.2.2 Metodo colorimetrico

19.2.3 Titanio

19.2.4 Alluminio

19.2.4.1 Metodo volumetrico

19.2.4.2 Metodo spettrofotometrico

19.2.5 Calcio e magnesio

19.2.5.1 Metodo gravimetrico

19.2.5.2 Metodo volumetrico

19.2.6 Piombo

19.2.6.1 Metodo spettrofotometrico

19.2.6.2 Metodo gravimetrico

19.2.7 Zinco

19.2.7.1 Metodo spettrofotometrico

19.2.7.2 Metodo volumetrico

19.2.8 Manganese

19.2.8.1 Metodo spettrofotometrico

19.2.8.2 Metodo colorimetrico

19.2.9 Litio

19.2.10 Cromo

19.2.11 Sodio

19.2.12 Potassio

19.2.13 Zirconio

19.2.13.1 Metodo gravimetrico

19.2.13.2 Metodo volumetrico

19.2.13.3 Metodo colorimetrico

19.2.14 Cobalto

19.2.15 Boro

19.2.16 Fosfati

19.2.17 Ferro

19.2.17.1 Tiocianato

19.2.17.2 O−fenantrolina

19.2.17.3 a−a’ dipiridile