ES2364783A1 - Procedimiento de tratamiento superficial de piedra natural mediante plasma a presión atmosférica. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de tratamiento superficial de piedra natural, aglomerada y otros materiales inorgánicos mediante plasma a presión atmosférica.Este procedimiento para el tratamiento de la piedra natural, se caracteriza porque consta de los pasos siguientes:a) Se coloca el material a tratar en una cámara a presión atmosférica.b) Se selecciona un determinado gas, que puede se aire, argón u oxígeno.c) Se hace pasar el flujo del gas seleccionado, por uno o más electrodos de alto voltaje.d) Los electrodos crean iones cargados positivamente en las partículas de aire del medio, que se dirigen a la superficie del sustrato (piedra natural).e) Polarización de la superficie del sustrato mediante las partículas cargadas positivamente.Las condiciones del tratamiento son las siguientes:- Frecuencia de tratamiento: 19-23 kHz- Distancia piedra natural-plasma: 1-12 mm- Velocidad de tratamiento: 1-50 m/min- Número de tratamientos consecutivos: 1-10.
Description
Procedimiento de tratamiento superficial de
piedra natural, aglomerada y otros materiales inorgánicos mediante
plasma a presión atmosférica.
Sector industrial: Materiales de la
construcción.
Este invento consiste en un procedimiento para
el tratamiento superficial de la piedra natural, aglomerada y otros
materiales inorgánicos, con plasma a presión atmosférica para la
mejora de la adhesión de estos sustratos a distintos
recubrimientos.
En el campo de los polímeros y los plásticos es
conocido el tratamiento superficial con plasma. El objetivo de
dichos tratamientos es modificar la superficie de los polímeros, de
forma que se incremente su energía superficial, mojabilidad y sea
similar a la del otro material al que debe de unirse, de forma que
se incrementen sus propiedades de adhesión. Esto se consigue
mediante la creación de grupos, generalmente oxigenados, tipo
hidroxilo, carboxilo, carbonilo, etc. que son de mayor polaridad que
los grupos hidrocarbonados típicos de los materiales
poliméricos.
Por otra parte existe una gran cantidad de
consolidantes en el mercado para piedra natural, basados
mayoritariamente en polímeros orgánicos. Sin embargo, su utilización
está limitada por la escasa compatibilidad entre el polímero
(material orgánico) y la piedra (material inorgánico). Esta falta de
compatibilidad entre materiales conlleva una escasa mojabilidad y
penetración del agente consolidante en el seno del material.
El refuerzo con malla es habitual también en
piedra natural con objeto de disminuir el número de roturas. El
tratamiento superficial mediante plasma a presión atmosférica
incrementa la adhesión de la malla al sustrato de piedra natural,
así como de cualquier recubrimiento polimérico aplicado a la
superficie de piedra aglomerada o de otros materiales sustrato
inorgánicos.
No se ha encontrado en bibliografía ninguna
información que haga referencia al uso de tratamientos con plasma a
presión atmosférica para modificar la superficie de la piedra
natural, aglomerada y de otros materiales inorgánicos y mejorar sus
propiedades de mojabilidad y adhesión.
Uno de los principales problemas con los que se
enfrenta en la actualidad la industria de la piedra natural es el
elevado número de roturas que se produce al elaborar las baldosas,
sobre todo en las etapas de pulido y transporte, procesos durante
los cuales las piezas son sometidas a esfuerzos y vibraciones que
incrementan el número de fracturas. Este problema no supone
únicamente una considerable pérdida económica, sino también
disminución en la producción y la generación de grandes volúmenes de
piezas rotas, lo que conlleva problemas medioambientales derivados
de la creación de vertederos para su almacenamiento.
Estas roturas en piedra natural durante el
proceso de corte son debidas a la existencia de zonas débiles. Para
paliar este problema, debe reforzarse la estructura de estos
materiales. El procedimiento consiste en aplicar recubrimientos en
su superficie, proceso conocido en el sector de la piedra natural
como consolidación de la piedra.
El proceso de refuerzo por consolidación
consiste en la aplicación de un material que penetre con cierta
profundidad en el seno de la piedra natural, mejorando su cohesión,
propiedades mecánicas y su adhesión. Los principales métodos de
consolidación están basados en el refuerzo de piedra natural con
recubrimientos poliméricos con cierta capacidad de penetración para
unir los granos que se encuentran sueltos en el seno de la piedra.
Factores fundamentales para conseguir una resistencia estructural
con el consolidante, son máxima compatibilidad, mojabilidad y
adhesión a la piedra, para lo cual es fundamental la energía
superficial tanto del recubrimiento como del sustrato.
Además, es fundamental que el agente
consolidante sea compatible con la piedra natural, de forma que se
asegure una buena penetración del agente en el seno de la piedra y
no se modifique la microestrutura de la piedra ni se formen
productos secundarios.
Se propone con esta patente la descripción de un
procedimiento para el tratamiento con plasma a presión atmosférica
de la superficie de la piedra natural, con objeto de modificar su
energía superficial y mejorar la adhesión a recubrimientos y
consolidantes. Como consecuencia de la mejor compatibilidad y
adhesión, la durabilidad de los tratamientos consolidantes es
incrementada.
El plasma se basa en un principio físico simple.
Mediante la aplicación de calor a un material, se cambia su estado
físico, es decir se produce el cambio de fase de sólido a líquido y
de líquido a gas. Si a dicho material en fase gaseosa se le aporta
más calor, éste se ioniza y se convierte en plasma, que es el cuarto
estado de la materia. La energía del plasma, al entrar en contacto
con la superficie de cualquier material se libera y se transmite
sobre esta superficie, quedando así preparada para posteriores
tratamientos. De esta manera se crean superficies con óptimas
propiedades para decorar-imprimir, adherir o
espumar.
El tratamiento superficial con plasma es un
procedimiento muy eficiente para limpiar, activar o recubrir
superficies de diversos materiales tales como plástico, aluminio,
vidrio, piedra etc.
Por ejemplo durante el proceso de limpieza de la
superficie de plásticos, mediante la aplicación de plasma, se
eliminan los agentes de desmoldeo y los aditivos.
Para facilitar la adhesión de pegamentos y
revestimientos sobre la superficie de un material, mediante la
aplicación superficial de plasma, se modifica su ángulo de contacto,
debido a la baja tensión superficial inicial que pueda tener un
material.
En resumen el pre tratamiento superficial con
plasma mejora las propiedades de la superficie del material.
Mediante esta tecnología se pueden tratar
previamente diversos materiales de manera muy eficiente y de acuerdo
con propiedades individualmente predeterminadas. Se crean materiales
de muy alta calidad que cumplen con los requerimientos específicos
en múltiples procesos industriales - desde la tecnología médica,
automovilística, construcción etc.
Este tratamiento con plasma se ha aplicado hasta
el presente a diversos materiales, pero nunca a la piedra natural
que constituye el objeto de esta invención.
En el tratamiento superficial con plasma a
presión atmosférica intervienen distintos parámetros experimentales.
La variación de los distintos parámetros permite determinar el grado
de modificación superficial más adecuado, mejorando la interacción
en la interfase mineral-recubrimiento y
compatibilizando la naturaleza superficial de los dos materiales y
por tanto, mejorando la adhesión piedra
natural-recubrimiento.
El procedimiento es el siguiente: En una
cámara de tratamiento a presión atmosférica, se selecciona un
determinado gas, que puede se aire, argón u oxígeno etc., cuyo flujo
pasa por uno o más electrodos de alto voltaje, para aumentar su
temperatura hasta provocar el cambio de fase, con el objeto de
transformar dicho gas en plasma.
Los electrodos crean iones cargados
positivamente en las partículas de aire del medio, que se dirigen a
la superficie del sustrato (piedra natural). Debido a este contacto
directo, las partículas cargadas positivamente polarizan la
superficie del material, aumentando su energía superficial y
haciéndola más receptiva a recubrimientos o adhesivos.
Con el objeto de controlar el grado de
modificación superficial en el sustrato, se determina la variación
de los parámetros experimentales siguientes que afectan a la
efectividad del tratamiento:
(1) Tiempo de tratamiento.
(2) Distancia entre la fuente de plasma y el
sustrato de piedra natural. Éste también es un parámetro que afecta
a la efectividad del tratamiento, ya que distancias muy grandes
dificultan que el plasma llegue de forma homogénea a la superficie
de la piedra natural. Puede ser de 1 a 12 mm.
(3) Frecuencia de tratamiento con plasma:
19-23 kHz.
(4) Velocidad del tratamiento: Hasta 50
m/min.
(5) Número de tratamientos. Posibilidad de
realizar varios tratamientos con plasma a presión atmosférica de
forma consecutiva para aumentar el grado de modificación
superficial. Pueden ser de 1 a 10.
- El tratamiento superficial se realiza a
presión atmosférica, con aire y a temperatura ambiente (condiciones
ambientales), a diferencia de los tratamientos superficiales con
plasmas que trabajan en vacío.
- Permite su aplicación en materiales de piedra
natural, mármoles, granitos, areniscas.
- Permite la introducción de gases distintos al
aire para incrementar la efectividad del tratamiento.
- El incremento en energía superficial de la
piedra natural por el tratamiento superficial con plasma a presión
atmosférica mejora la compatibilidad y adhesión de recubrimientos a
piedra natural.
- La durabilidad de las uniones adhesivas piedra
natural tratada superficialmente con plasma a presión atmosférica
con los distintos recubrimientos aumenta.
- El tratamiento puede realizarse durante el
proceso continuo de fabricación del producto, integrándose en la
cadena de elaboración de la piedra natural, y por lo tanto no supone
un coste extra excesivamente elevado, ya que no requiere de costosas
instalaciones.
Resultados experimentales:
Tratamiento superficial con plasma a presión atmosférica en un
sustrato de piedra natural (mármol Crema
Marfil)
La medida de ángulos de contacto en la
superficie del mármol Crema Marfil tratado con plasma a diferentes
frecuencias de tratamiento muestra el incremento en la mojabilidad
de la superficie de piedra natural cuando se trata con plasma a
presión atmosférica respecto a la mojabilidad del mismo sustrato sin
tratamiento con plasma y cómo una mayor frecuencia de tratamiento
incrementa esta mojabilidad. Figura 1.
Para analizar la influencia de la distancia
entre la fuente plasma y el sustrato, se han utilizado una
frecuencia de 19 kHz y una velocidad de 40 m/min (condiciones menos
favorables para el tratamiento con plasma para poder analizar la
influencia de la distancia). Los valores de ángulos de contacto
medidos en la superficie de Crema Marfil después del tratamiento se
han representado en la Figura 2.
En esta figura se observa que la distancia entre
la fuente de plasma y el sustrato tiene gran influencia en los
efectos sobre la mojabilidad que produce el tratamiento. Para la
menor distancia estudiada (3 mm), se obtiene un ángulo de contacto
de 25º. El aumento de la distancia a la fuente de plasma incrementa
el ángulo de contacto, de forma que para una distancia de 12 mm, el
ángulo de contacto coincide con el obtenido para el mármol Crema
marfil sin tratar (59º), lo cual indica que para esta distancia el
plasma ya no modifica la superficie.
La velocidad de tratamiento se ha variado entre
4 y 40 m/min, de manera que cuanto mayor es la velocidad, menor es
el tiempo durante el que la pieza se trata con plasma (frecuencia 19
kHz, distancia 6 mm).
La Figura 3 muestra los ángulos de contacto para
Crema Marfil sin tratar y tratado con plasma a distintas velocidades
de tratamiento. Para todas las velocidades de tratamiento
estudiadas, se produce un incremento de la mojabilidad (menor ángulo
de contacto), cuando el mármol Crema Marfil se trata con plasma. Sin
embargo, se observa que cuanto mayor es la velocidad de tratamiento
el ángulo de contacto aumenta, lo cual indica que la velocidad de
tratamiento es un parámetro importante a controlar para estudiar los
efectos que produce dicho tratamiento.
El número de tratamientos realizados en la
superficie de Crema Marfil se ha variado desde 1 hasta 10
(frecuencia 19 kHz, distancia 6mm, velocidad 40 m/min). Los
resultados obtenidos indican que con sólo 1 tratamiento el ángulo de
contacto disminuye 20º respecto al mármol Crema Marfil sin tratar.
El incremento a 2 y 4 tratamientos consecutivos disminuye todavía
más el ángulo de contacto. La realización de 10 tratamientos
incrementa ligeramente el ángulo de contacto respecto a la
realización de 4 tratamientos, lo cual indica que el número de
tratamientos óptimo sería de 4, que es el que produce un mayor
incremento de la mojabilidad (menor ángulo de contacto). Ver Figura
4.
El análisis mediante Espectroscopia
Fotoelectrónica de Rayos X (XPS) permite evaluar las modificaciones
químicas producidas en superficie. La Tabla 1 incluye los
porcentajes atómicos obtenidos para las muestras tratadas y sin
tratar. Se produce una disminución en el porcentaje atómico de
carbono y un incremento en el porcentaje atómico de oxígeno. Esto
indica que con el tratamiento plasma se produce un incremento en la
polaridad superficial, lo cual permite esperar un incremento en la
compatibilidad y adherencia a los recubrimientos de carácter polar,
principalmente cuando se realizan 4 tratamientos consecutivos.
En las micrografías SEM se observa que la
realización del tratamiento plasma produce un proceso de limpieza
superficial, que es más notable cuando se realizan 4 tratamientos
consecutivos. De esta forma, se eliminan cristales que están sueltos
en superficie, de forma que es previsible que se consiga un mejor
anclaje mecánico entre el recubrimiento y la superficie de las
piezas de piedra natural. Figura 5.
Mediante AFM se han observado modificaciones
superficiales producidas por el tratamiento plasma similares a las
obtenidas con SEM, ya que se observa un proceso de limpieza
superficial, con la eliminación de los cristales sueltos en
superficie. Ver Figura 6.
Selección de una resina epoxi estándar utilizada
habitualmente para la consolidación de piedra natural para la
evaluación de las propiedades adhesivas en piedra natural tratada
superficialmente con plasma a presión atmosférica. En la Tabla 2 se
incluyen los valores del ensayo a tracción de uniones piedra
natural-resina epoxi-piedra natural
(sin tratar y tratada con plasma). Las propiedades adhesivas se han
evaluado a partir de la resistencia a la separación de la unión.
Con la aplicación del tratamiento superficial
con plasma se obtienen valores de resistencia a la tracción
superiores a los obtenidos para el mismo ensayo en uniones de piedra
natural sin tratar superficialmente con plasma a presión atmosférica
(Tabla 2).
Uniones adhesivas piedra
natural-resina epoxi-piedra natural
sin tratar y tratada superficialmente con plasma a presión
atmosférica sometidas a ensayo de envejecimiento acelerado durante 7
días (70ºC, humedad relativa del 70%).
En la Tabla 3 se recogen los resultados de
ensayo a tracción en las uniones adhesivas después de envejecimiento
acelerado. Las uniones adhesivas piedra
natural-resina epoxi-piedra natural
tratada con plasma a presión atmosférica tienen mayor durabilidad
que las uniones de piedra natural sin tratar con plasma.
Para complementar la descripción de este invento
y con el objeto de facilitar la comprensión de sus características,
se acompaña una serie de figuras en las que con carácter ilustrativo
y no limitativo, se han representado los siguientes dibujos cuyos
componentes principales son los siguientes:
La Figura 1 es un diagrama donde se representa
en ordenadas los ángulos de contacto en mármol Crema Marfil sin
tratar y tratado con plasma a presión atmosférica a distintas
frecuencias (en abcisas).
La Figura 2 es un diagrama donde se representan
los ángulos de contacto en mármol Crema Marfil sin tratar y tratado
con plasma a distintas distancias de la fuente de plasma.
La Figura 3 es un diagrama donde se representan
los ángulos de contacto (20ºC, 5 \mul) en mármol Crema Marfil sin
tratar y tratado con plasma a distintas velocidades.
La Figura 4 es un diagrama donde se representan
los ángulos de contacto en mármol Crema Marfil sin tratar y tratado
con plasma realizando varios tratamientos consecutivos.
La Figura 5 son Micrografías SEM de mármol Crema
Marfil, a) sin tratar; b) tratado con plasma, 1 tratamiento; c) 4
tratamientos.
La Figura 6 son imágenes AFM de mármol Crema
marfil, a) sin tratar; b) tratado con plasma 4 tratamientos.
Entre las diferentes posibilidades de aplicación
del tratamiento superficial mediante plasma atmosférico en piedra
natural, el procedimiento preferente es el que se describe a
continuación.
En una cámara de tratamiento a presión
atmosférica, se selecciona un determinado gas, que puede ser aire,
argón u oxígeno etc., cuyo flujo pasa por uno o más electrodos de
alto voltaje, para aumentar su temperatura hasta provocar el cambio
de fase, con el objeto de transformar dicho gas en plasma.
Los electrodos crean iones cargados
positivamente en las partículas de aire del medio, que se dirigen a
la superficie del sustrato (piedra natural). Debido a este contacto
directo, las partículas cargadas positivamente polarizan la
superficie del material, aumentando su energía superficial y
haciéndola más receptiva a recubrimientos o adhesivos.
- a)
- Se coloca el material a tratar en una cámara a presión atmosférica.
- b)
- Se selecciona un determinado gas, que puede se aire, argón u oxígeno.
- c)
- Se hace pasar el flujo del gas seleccionado, por uno o más electrodos de alto voltaje.
- d)
- Los electrodos crean iones cargados positivamente en las partículas de aire del medio, que se dirigen a la superficie del sustrato (piedra natural).
- e)
- Polarización de la superficie del sustrato mediante las partículas cargadas positivamente.
- -
- Frecuencia de tratamiento: 19-23 kHz.
- -
- Distancia piedra natural-plasma: 1-12 mm.
- -
- Velocidad de tratamiento: 1-50 m/min.
- -
- Número de tratamientos consecutivos: 1-10.
Claims (4)
1. Procedimiento de tratamiento superficial de
piedra natural, aglomerada y otros materiales inorgánicos de
construcción caracterizado porque, consta de los siguientes
pasos:
- a)
- Se coloca el material a tratar en una cámara a presión atmosférica.
- b)
- Se selecciona un determinado gas, que puede se aire, argón u oxígeno.
- c)
- Se hace pasar el flujo del gas seleccionado, por uno o más electrodos de alto voltaje.
- d)
- Los electrodos crean iones cargados positivamente en las partículas de aire del medio, que se dirigen a la superficie del sustrato (piedra natural).
- e)
- Polarización de la superficie del sustrato mediante las partículas cargadas positivamente.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento de tratamiento superficial de
piedra natural, aglomerada y otros materiales inorgánicos de
construcción, mediante plasma a presión atmosférica según
reivindicación primera caracterizado porque, la aplicación de
dicho tratamiento se realiza con un intervalo de frecuencia de
19-23 kHz.
3. Procedimiento de tratamiento superficial de
piedra natural, aglomerada y otros materiales inorgánicos de
construcción, mediante plasma a presión atmosférica según
reivindicaciones anteriores caracterizado porque, la
aplicación de dicho tratamiento se realiza a una distancia entre la
piedra natural y el plasma de 1 a 12 mm.
4. Procedimiento de tratamiento superficial de
piedra natural, aglomerada y otros materiales inorgánicos de
construcción, mediante plasma a presión atmosférica según
reivindicaciones anteriores caracterizado porque, para la
aplicación de dicho tratamiento se ejerce una velocidad de entre 1 y
50 m/min.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201000269A ES2364783B1 (es) | 2010-03-01 | 2010-03-01 | Procedimiento de tratamientoo superficial de piedra natural, aglomerada y otros materiales inorgánicos mediante plasma a presión atmosférica. |
| PCT/ES2011/000061 WO2011110705A1 (es) | 2010-03-01 | 2011-03-01 | Procedimiento de tratamiento superficial de piedra natural, aglomerada y otros materiales inorganicos mediante plasma a presion atmosferica |
Applications Claiming Priority (1)
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| ES201000269A ES2364783B1 (es) | 2010-03-01 | 2010-03-01 | Procedimiento de tratamientoo superficial de piedra natural, aglomerada y otros materiales inorgánicos mediante plasma a presión atmosférica. |
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| ES2364783B1 ES2364783B1 (es) | 2012-09-06 |
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Families Citing this family (1)
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- 2011-03-01 WO PCT/ES2011/000061 patent/WO2011110705A1/es active Application Filing
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| WO2011110705A1 (es) | 2011-09-15 |
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