Estudio del tamaño de cristalito en porcelanas industriales.

Resumen

El objetivo de la presente tesis en el estudio mediante técnicas de difracción de rayos X, con el apoyo en microscopía electrónica, de la microestructura de la mullita que se desarrolla en porcelanas industriales de formulación triaxial (caolín, feldespato y cuarzo). La porcelana es un material de gran importancia en la industria debido a su uso en campos tecnológicamente muy diversos, tales como la cerámica ornamental, pavimento y revestimiento, aisladores eléctrico o piezas resistentes a agentes físicos y químicos tales como material de laboratorio o partes de motores. Pese a estas características tecnológicas la porcelana ha sido poco estudiada desde el punto de vista científico, si bien existen numerosas aportaciones acerca de su historia y evolución artística. Solo en los últimos 50 años, debido al auge de las ciencias de los materiales y de la búsqueda de materiales con propiedades tecnológicas especiales, existe una importante aportación científica al conocimiento de la porcelana desde una perspectiva científica y tecnológica. Por otro lado la mullita es la fase fundamental en la formación de porcelana y su estudio es pertinente tanto como mineral sintetizado en solitario como en su aportación en el proceso de fabricación de productos cerámicos. El estudio de su crecimiento a partir de fórmulas de porcelanas triaxiales en procesos industriales, así como su microestructura final, resulta interesante desde el punto de vista científico, ya que existe bastante bibliografía sobre el crecimiento de mullita a partir de precursores aislados, pero muy poca que tenga en cuenta una mezcla compleja de caolín, feldespato y cuarzo. Es también interesante para la industria cerámica puesto que el desarrollo de la fase mullita determinará en buena medida las características físicas del producto final. En el presente trabajo se ha partido de fórmulas de porcelanas triaxiales en las que se han variado los tres componentes fundamentales añadiendo variables habituales en procesos industriales: • Caolín poco cristalino sustituido por muy cristalino. • Feldespato potásico sustituido por feldespato de litio. • Cuarzo de tamaño grueso sustituido por tamaño fino. Por otro lado se han empleado ciclos de cocción habituales en fabricación de porcelana: • Ciclo lento (2ºC/min) • Ciclo rápido (5ºC/min) Y por último cuatro temperaturas máximas de calentamiento: • 1270ºC • 1300ºC • 1320ºC • 1340ºC Con los materiales obtenidos se ha procedido a realizar el estudio microestructural mediante técnicas de difracción de rayos X, empleando diversas técnicas analíticas que analizan el perfil de pico de difracción. La microestructura estudiada mediante rayos X se fundamenta en la contribución a la forma del perfil de los picos de difracción de la existencia de cristalitos (dominios de difracción coherente) por una part así como de microdeformaciones de red por otra. Ambos componentes puden separarse mediante los métodos adecuados. Se han escogido dos métodos simplificados (realizan los cálculos de tamaño de cristalito y microdeformaciones empleando medidas de la anchura a mitad de pico): el método de Warren-Averbach y el método de la función de Voigt. También se ha empleado un método no simplificado que ofrece valores reales de tamaño de cristalito: el método de Kojdecki. Los resultados obtenidos mediante DRX se han comparado con la observación de las muestras mediante microscopía electrónica. Los resultados obtenidos ofrecen las siguientes conclusiones: 1. El método de Warren-Averbach es sencillo de realizar y ofrece complementariamente datos de distribución de tamaños. En el caso de mullita en porcelanas tiene la limitación de que solo puede aplicarse a la las reflexiones 110-220. 2. El método de la función de Voigt ha proporcionado resultados consistentes y diversos por poder aplicarse a distintas reflexiones. No ofrece datos de distribución. 3. El método Kojdecki proporciona una descripción más completa de la microestructura real. Necesita 5 picos bien definidos para implementarse con calidad, lo que probablemente ha sido limitante en este caso. Hemos obtenido resultados poco sensibles a las variables propuestas. 4. Las observaciones MEB se corresponden a la descripción de los procesos de mullitización y crecimiento cristalino descritos en la bibliografía. El tamaño de la base del prisma es comparable al del cristalito.El tamaño de la altura del prisma es de 4 a 8 veces el del cristalito. 5. Con un estudio de DRX normalizado se puede determinar muy exactamente el ciclo de cocción adecuado para tener el desarrollo de mullita óptimo. 6. La velocidad de cocción tiene importantes consecuencias: • Ciclo rápido produce prismas más pequeños. • Ciclo lento facilita disolución de mullita a T alta. 7. La sustitución de feldespato potásico por feldespato de litio no tiene consecuencias evidentes en ciclos lentos, pero si mejora el tamaño de cristalito en ciclos rápidos. 8. El tamaño de cuarzo afecta a: • La cantidad final de cuarzo tras cocción. • Cuarzo pequeño en ciclos lentos implica mullita más pequeña y redisolución a temperatura mayor. 9. La cristalinidad del caolín de partida es semejante en ciclos rápidos y lentos: • Un caolín poco cristalino proporciona un rápido crecimiento de los cristales de mullita a bajas temperaturas. • Un caolín muy cristalino proporciona un crecimiento más lento a temperaturas más bajas, alcanza un máximo y presenta redisolución a la temperatura más alta.