ES2762188T3

ES2762188T3 - Composición cerámica

Info

Publication number: ES2762188T3
Application number: ES11858456T
Authority: ES
Inventors: Marti Joaquin Piquer; Daniel Vivona
Original assignee: Ceilook Sl
Current assignee: Ceilook Sl
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2031-02-08
Also published as: WO2012107599A1; PL2674409T3; EP2674409A4; EP2674409B1; PT2674409T; EP2674409A1

Abstract

La presente invención se refiere a una composición cerámica que permite obtener piezas cerámicas con una baja densidad en cocido que comprende compuestos carbonates, percarbonatos y/o bicarbonatos de elementos que comprenden en sus estados de valencia la valencia + 1 y/o peróxidos de elementos que comprenden en sus estados de valencia las valencias +1 y/o +2 en un porcentaje superior al 6% en peso seco de la composición total. La presente invención también se refiere al uso de dicha composición para fabricar piezas cerámicas de baja densidad y aislantes térmica y acústicamente.

Description

DESCRIPCIÓN

Composición cerámica

CAMPO DE LA INVENCIÓN

[0001] El campo de la presente invención es el sector de la construcción, en concreto en el sector de la industria cerámica e industria química de fritas y esmaltes cerámicos, pero es igualmente aplicable en cualquier otro ámbito en el que se requiera una composición cerámica como la que constituye el objeto de la presente invención.

[0002] El objeto de la presente invención se refiere a una nueva composición cerámica para revestir fachadas, suelos, techos y paredes.

[0003] La presente invención también se refiere al uso de dicha composición para fabricar piezas para su colocación en suelos, paredes y techos, así como elemento conformador para producir elementos de blindaje de bajo peso.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0004] Existen numerosas patentes y artículos a nivel mundial, que hacen referencia a la obtención de esta tipología de productos cerámicos. Sin embargo, en ningún caso utilizan una composición como la descrita en esta patente.

[0005] De las patentes existentes para la elaboración de cerámica ligera de elevada porosidad, hay que destacar los siguientes procedimientos:

- Obtención de cerámica ligera por incorporación de material orgánico, cuya descomposición en cocción permite obtener bajas densidades. Dentro de esta familia de patentes, cabe destacar la patente n.° US 5,177,036 of Kunst, donde se incorpora lignito junto a la arcilla para, después de la conformación de la pieza, producir la descomposición del lignito en el proceso de cocción, obteniendo de esta forma una pieza cerámica ligera o de baja densidad. Dentro de esta línea de trabajo, se puede encontrar la patente n.° KR 20040003201 de CHAE YEONG, donde se incorpora antracita como material necesario para la formación de porosidad interna. Por último, dentro de este apartado, podemos destacar la patente LV12402 de la Universidad Tecnológica de Riga y la patente JP11246279 de Kenmoku Seizo , que hacen referencia a la introducción de material comburente procedente de desecho del proceso de pulido o de residuos de incineradores, como material precursor de la porosidad interna necesaria para la disminución de la densidad aparente del producto cocido.

[0006] Ninguna de estas tecnologías y conocimientos en la elaboración de baldosas cerámicas de baja densidad, facilita el conformado mediante prensado. Estas piezas conformadas por prensado, que posteriormente son decoradas mediante una aplicación de esmaltes, presentan la tendencia a la aparición del defecto denominado «corazón negro», debido al exceso de materia orgánica y falta de oxígeno en la atmosfera de cocción. El defecto denominado «corazón negro» da lugar a deformaciones en las piezas y defectos en el acabado superficial de la misma.

- Obtención de cerámica ligera mediante la incorporación de materias primas con baja densidad. Estas materias primas deben ser de origen volcánico. Dentro de esta familia de patentes, se puede destacar en la patente n.° US 5,827,457 de Tseng, la incorporación de un mineral volcánico expandible como la obsidiana, perlita o piedra pómez. La patente estadounidense US 5,033,721 de Gnyra describe la incorporación de vermiculita sin molturar como material de baja densidad que permite obtener piezas ligeras, con la finalidad de incrementar el aislamiento térmico así como la resistencia a altas temperaturas y ataque químico. La patente n.° US 6,664,205 incorpora perlita como constituyente esencial en la obtención de material cerámico de baja densidad con el objeto de actuar de aislante acústico en un amplio espectro de frecuencias. La patente n.° KR 930011276 incorpora Zeolita y agalmatolita como materiales necesarios para la obtención de piezas cerámicas de baja densidad y elevada resistencia mecánica y química.

[0007] Sin embargo, en la presente invención, no se incorpora esta tipología de materias primas para la obtención de baldosas cerámicas de baja densidad, la razón principal es permitir la conformación de las baldosas con los actuales procesos productivos, especialmente, mediante prensado. Los materiales anteriormente descritos presentan una elevada porosidad interna, que les confiere una baja densidad. Cuando a dichos materiales se les somete a una molturación y, posteriormente, a una presión para la conformación de las piezas cerámicas, la porosidad interna de dichos materiales es parcialmente cerrada. Esta oclusión produce un aumento de la densidad del material conformado y dificulta alcanzar densidades aparentes de la pieza cocida tan bajas como la descrita en la presente invención.

- Obtención de baldosas ligeras por formación de espumas cerámicas. En la patente n.° US 5,015,606 de Lang , se describe la obtención de productos cerámicos con baja densidad mediante la calcinación de espumas cerámicas, obtenidas por el mezclado de arcillas con surfactantes. Dentro de esta línea de trabajo, se encuentra la patente n.° KR 20030044733 de Kim Yun Ju donde se añade un surfactante a la barbotina cerámica para el posterior conformado. Por último, cabe destacar la patente DE 1934855, que utiliza como material espumante el bicarbonato de sodio o amonio y/o el carbonato de amonio. Estos materiales son mezclados en un porcentaje no superior al 6 % con materiales cerámicos, silicatos alcalinos solubles y agua. Mediante calentamiento a temperatura inferiores a los 300 °C, se produce el burbujeo debido a la descomposición de los bicarbonatos de sodio o amonio o del carbonato de amonio, que da lugar a una espuma. Para conferir cierta manejabilidad a la espuma, se utilizan silicatos alcalinos solubles activados por compuestos, como es entre otros, el ácido silícico. Gracias a la consistencia derivada de la utilización a los silicatos alcalinos, las espumas pueden ser moldeadas (no prensadas) y cocidas a temperaturas elevadas. La utilización de este proceso de elaboración de cerámica con baja densidad supone una limitación en el conformado de las piezas. La utilización de espumas, disminuye la densidad hasta valores muy bajos, pero limita su conformación, especialmente mediante prensado, e impiden su posterior manipulación y decoración con esmaltes inorgánicos en las actuales líneas de esmaltado. El hecho de utilizar presión para la conformación de las piezas, supondría la eliminación de la porosidad interna de las espumas, con lo cual, se perdería el efecto buscado de baja densidad.

- Obtención de baldosas ligeras por reacción a baja temperatura. Dentro de esta familia destaca la patente n.° KR 19910018075 de Kim Su-Tae, donde inicialmente se propone una calcinación de carbonato a alta temperatura para la eliminación de dióxido de carbono. El producto obtenido de esta calcinación es tratado con bicarbonato de amonio para que reaccione a baja temperatura (igual o inferior a 150 °C). Esta patente permite obtener piezas a baja temperatura, aunque dichas piezas no pueden ser decoradas con esmaltes tradicionales o nanopartículas a temperaturas de trabajo habituales (superiores a los 800 °C). Por tanto, aunque es una alternativa válida para obtener piezas de baja densidad, limita los procesos de decoración de la misma.

[0008] El documento EP2618037 proporciona un material de aislamiento al vacío que presenta un aislamiento térmico excelente incluso en un entorno de altas temperaturas durante un largo periodo de tiempo, y también proporciona un método para producirlo. Una composición de material de partida del núcleo se moldea en una forma predeterminada, conteniendo la composición de material de partida del núcleo un mineral de arcilla basado en talco, un compuesto de potasio seleccionado de entre carbonato de potasio y bicarbonato de potasio, y agua, y la composición de material de partida del núcleo resultante se cuece a una temperatura menor al punto de fusión del material de arcilla basado en talco, para producir un material de núcleo formado por un cuerpo cocido poroso en el que una estructura laminar del mineral de arcilla basado en talco se exfolia y al menos una porción de la estructura exfolia se une de manera parcial. Después, este material de núcleo se envasa al vacío en un embalaje estanco al gas, para producir un material de aislamiento al vacío.

[0009] El documento US4755493 da a conocer una composición cerámica para cuerpos cerámicos dieléctricos, presentando un componente principal que consiste en un compuesto que presenta una estructura de perovskita o una estructura de perovskita compleja. La composición cerámica incluye al menos un peróxido inorgánico seleccionado del grupo que consiste en peróxido de calcio, peróxido de estroncio y peróxido de bario.

[0010] Finalmente, el documento GB1272009 da a conocer un proceso para fabricar un producto cerámico de bajo peso que comprende 1) mezclar (a) materia prima cerámica pulverizada, (b) una solución acuosa de una sustancia orgánica de alto peso molecular soluble en agua, siendo tal la cantidad de la solución que proporcione un contenido de sustancia orgánica de alto peso molecular soluble en agua de entre un 1 y un 20 % en función del peso de la materia prima cerámica, y (c) un agente espumante capaz de producir gas por descomposición cuando se calienta hasta una temperatura de entre 50 °C y 300 °C, para formar una mezcla que presenta una viscosidad de entre 5 000 y 50000 cps; 2) situar la mezcla en un molde y calentarla en el molde a una temperatura a la que el agente espumante se active para que haga espuma y endurezca la mezcla en un moldeado espumado de la forma deseada, y 3) cocer el moldeado espumado a una temperatura de entre 800 °C y 1600 °C.

[0011] Así, se observa que los documentos del estado de la técnica anterior, aunque ofrecen posibilidades, no solucionan de una manera efectiva el problema de obtener un material cerámico para fabricar piezas de baja densidad que pueden fabricarse con los procesos habituales existentes en el mercado, ofreciendo la ventaja de la versatilidad en el uso en procesos generalmente utilizados en el estado de la técnica.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

[0012] La presente invención hace referencia a una composición cerámica según la reivindicación 1. La presente invención permite obtener piezas cerámicas con una baja densidad en cocido. La principal ventaja de esta composición es poder ser elaborada y decorada con los sistemas habituales de producción de baldosas cerámicas y permite la conformación de las piezas cerámicas mediante el prensado.

[0013] Para el objeto de la presente invención, se entiende por «elementos con valencia 1» tanto aquellos átomos, elementos, moléculas o grupos químicos que han perdido un electrón y que por tanto tienen como valencia el número de valencia 1, así como elementos alcalinos o alcalinotérreos o grupos como el grupo amonio (NH4)+.

[0014] Para la presente invención, se utilizará de forma indistinta los términos «composición cerámica», «pasta cerámica» o «material cerámico».

[0015] Estos materiales junto con las materias primas cerámicas naturales o artificiales y los aditivos adecuados, permiten la conformación de la pieza cerámica.

[0016] El objetivo de la presente exposición es obtener una pieza cerámica de baja densidad que permita ser conformada y decorada utilizando los sistemas actuales de fabricación, y de forma particular, la conformación mediante prensado, lo que permite la obtención de geometrías y formatos, que son inviables o presentan una elevada dificultad en el caso se ser obtenidos mediante otros sistemas de conformación (colado o extrusionado).

[0017] De hecho, si se analizan los resultados de los documentos anteriormente citados en el apartado de antecedentes de la invención, los inventores de la presente invención observan que los resultados obtenidos no son óptimos para los fines perseguidos por la presente invención.

[0018] El objetivo principal de este análisis comparativo es valorar si se puede obtener la conformación de las piezas mediante el sistema de prensado.

[0019] Inicialmente se evaluaron composiciones que incorporaban materias primas de baja densidad, generalmente de origen volcánico. Estas materias primas han sido vermiculita mineral y expandida, perlita mineral y expandida y pumita, combinadas con otras materias primas habituales en el sector cerámico tradicional (carbonatos, arcillas, caolines, feldespatos, cuarzos, etc.).

[0020] Una vez conformadas las piezas mediante prensado y cocidas a una temperatura donde se alcanza una absorción de agua superior al 10 %, se observó que la densidad aparente de la pieza era superior a 1400 kg/m3 y en muchas ocasiones superiores a 1500 kg/cm3. Si se tiene presente que la densidad aparente de las baldosas pertenecientes al grupo Billa es aproximadamente de 1800 Kg/cm3.

[0021] Sin embargo, la disminución de la densidad aparente debido a la introducción de materiales con elevada porosidad interna, no justifica su utilización debido a:

- Difícil manipulación.

- Elevado coste.

- Imposibilidad de ser molturado en seco, por pérdida porosidad interna de la materia prima.

[0022] El siguiente paso, fue incorporar un elevado porcentaje de materias primas orgánicas a las composiciones. Inicialmente se evaluaron las materias primas recogidas en las patentes anteriores citadas o en artículos técnicos, como son las materias primas procedentes de lignitos, compuestos procedentes de la celulosa y otros compuestos orgánicos de bajo peso molecular que facilitan la desgasificación de la composición.

[0023] Sin embargo, en las piezas conformadas por prensado se observó la aparición del denominado «corazón negro» que consiste en una franja oscura en la zona central de la pieza que da lugar a defectos en la estabilidad dimensional de las piezas y en el acabado superficial de la decoración o recubrimiento funcional

[0024] Por tanto, se recurrió a incorporar elevados contenidos de carbonatos alcalinos y alcalinotérreos en la composición. Sin embargo, aun introduciendo porcentajes superiores al 50% de forma individual o una combinación de carbonatos de calcio, magnesio y/o sodio, se lograban densidades aparentes en cocido próximas a 1400 Kg/cm3.

[0025] Sin embargo, las piezas formuladas con estos elevados porcentajes de carbonatos presentaban defectos dimensionales por excesiva refractariedad en los casos donde se incorporaba porcentajes elevados de carbonatos de calcio y/ o magnesio, o una excesiva presencia de sodio en la superficie, en el caso de incorporar altos contenidos de carbonato de sodio a la composición, que podría dar lugar a problemas durante la cocción de las piezas.

[0026] Con el objeto de solucionar estas limitaciones del estado de la técnica, la presente invención proporciona una pasta cerámica o material cerámico que consiste en la incorporación de materias primas inorgánicas con elevada pérdida por calcinación. Estas materias primas son: percarbonatos y/o bicarbonatos de elementos con valencia 1, principalmente, elementos alcalinos (como sodio y potasio) y/ o elementos amónicos, y/o peróxidos de elementos con valencia 2, principalmente, elementos alcalinotérreos (como calcio y magnesio).

[0027] La incorporación de estos materiales permite lograr elevadas pérdidas por calcinación, y por lo tanto, bajas densidades aparentes en cocido, sin introducir una gran cantidad de elementos metálicos que den lugar a defectos en la estabilidad dimensional y en la decoración de estas piezas cerámicas.

[0028] Las materias primas descritas en la presente invención en porcentajes superiores al 20 % en peso, respecto al peso en seco de la composición se combinan con las materias primas cerámicas naturales o sintéticas, como son los silico-aluminatos alcalinos o alcalinotérreos, cuarzos, ligantes orgánicos e inorgánicos, arcillas, caolines, carbonatos alcalinos o alcalinotérreos, fritas cerámicas, vidrios, alúminas, silicatos de circonio, etc.

[0029] La ventaja de incorporar materias primas inorgánicas con elevadas pérdidas por calcinación, es la ausencia del efecto «corazón negro», que causa numerosos problemas en el sistema productivo. Otra ventaja se deriva de la propia composición de la materia prima.

[0030] La disminución de la densidad debida a la calcinación de las materias primas inorgánicas que constituyen la misma, permite ser conformada mediante presión. Esto representa un avance frente a otras materias primas, cuya baja densidad es debido a las estructura interna de la materia prima, con gran cantidad de porosidad interna. Sin embargo, esta porosidad interna de la materias primas se elimina cuando se utiliza el sistema de conformado por prensado. La presión ejercida sobre el polvo, ocluye la porosidad interna que existe entre partículas y en el interior de las misma, por ello, queda limitado su uso a determinados sistemas de conformado donde no se utiliza la presión como sistema de fabricación, como pueden ser por colado o extrusión.

EJEMPLOS DE REALIZACIÓN

[0031] Los siguientes ejemplos específicos que se proporcionan aquí sirven para ilustrar la naturaleza de la presente invención. Estos ejemplos se incluyen solamente con fines ilustrativos y no han de ser interpretados como limitaciones a la invención que aquí se reivindica.

Ejemplo 1

[0032] Inicialmente se pesan las diferentes materias primas, según la fórmula descrita anteriormente:

[0033] Estas materias primas son molturadas en seco hasta lograr un grado de molienda cuyo rechazo a 63 gm es igual o inferior al 2 %. El polvo resultante se humedece en un granulador rotativo hasta el 14 % para la obtención de unos gránulos con suficiente fluidez que permitan la carga de la prensa. Dichos gránulos son posteriormente secados mediante un lecho fluidificado hasta el 6 % de humedad y posteriormente son tamizados para la eliminación de los aglomerados de elevadas dimensiones mediante la utilización de un tamiz con una malla superior a las 1000 gm. La distribución granulométrica obtenida del granulado es:

[0034] Posteriormente, los gránulos son prensados a una presión específica de 100 Kg/cm2 para alcanzar una densidad aparente de la pieza conformada y seca de 1600 Kg/m3.

[0035] Para acentuar la disminución del peso de la pieza sin disminuir el espesor máximo de la misma, además de utilizar la composición de la presente invención, se procedió a prensar con una costilla (parte posterior de la pieza) que presentaba un fuerte relieve.

[0036] De esta forma se obtuvieron piezas cerámicas de formato 500x500 mm con espesores máximos de 14mm y espesores mínimos de 3 mm.

[0037] Finalizada la conformación, se realiza el secado de la pieza hasta una humedad residual inferior a 0,5 %. En esta etapa, se utilizó un secador vertical industrial con dos quemadores y la temperatura máxima del segundo quemador fue de 175 °C. El tiempo de permanencia en el interior del secador fue de 90 minutos entre la entrada y la salida. En esta etapa el ligante orgánico, mediante el agarre que se ejerce sobre las partículas, incrementa la resistencia mecánica de la pieza (MOR) desde valores de 2,2 Kg/cm2 después del conformado hasta valores de 38,7 Kg/ cm2.

[0038] Estas piezas son cocidas en un horno industrial cuyo ciclo de cocción es:

[0039] Como resultado final, las piezas presentan una decoración cerámica sobre un soporte, cuya densidad aparente en cocido es inferior a 1250 Kg/m3e inferior a 1190 Kg/m3.

[0040] Finalmente, se han obtenido piezas cerámicas de formato 500x500 con espesores máximos de 14mm y espesores mínimos de 3mm y una densidad aparente de 1190 kg/m3, que presenta un elevado coeficiente de dilatación lineal debido a la cantidad de percarbonato introducido en el mismo. Este coeficiente de dilatación a las temperaturas comprendidas entre 50 - 300 °C es de 107 10-7 1/K. Además de una elevada absorción de agua (superior al 10 %) y una expansión de la pieza cocida (1 %), con una resistencia mecánica en cocido que cumple la norma ISO para baldosas Billa y espesores mínimos inferiores a 7,5 mm.

[0041] La resistencia mecánica de la pieza conformada y seca, se incrementa por la incorporación de aditivos orgánicos e inorgánicos a la composición. Estos aditivos crean puntos de unión entre las partículas, bien por enlaces químicos o por fusión a baja temperatura. Estos enlaces incrementan la resistencia mecánica hasta valores que facilitan la manipulación de las piezas durante el proceso de decoración o impregnación de nanopartículas. En el presente ejemplo se han utilizado ligantes polisacáridos, sin embargo, entre los ligantes de uso posible destacan los sulfonatos, celulosas, acrílicos, silicatos, fosfatos o mezcla de los anteriores, aunque es viable la utilización de otra tipología de ligantes (formaldehidos, caseínas, etc.)

[0042] La finalidad es utilizar estas piezas de baja densidad y peso, para su colocación en suelos, paredes y en techos. Además, el presente ejemplo es adecuado para la elaboración de piezas cerámicas de baja densidad con propiedades aislantes térmica y acústicamente,

[0043] La ventaja que ofrece la presente invención, es que además de ser conformada por prensado, lo que le confiere una mayor resistencia mecánica en crudo frente a otro tipo de sistemas de conformación (colado o extrusión), es la posibilidad de aditivar ligantes orgánicos e inorgánicos, que incrementan más dicha resistencia mecánica. Esto posibilita a la pieza ser manipulada con mayor facilidad, tanto en procesos de decoración como en procesos de mecanizado en crudo de la misma.

[0044] Otra ventaja de la presente invención es la posibilidad de reducir los ciclos de cocción frente a otro tipo de patentes, cuya baja densidad se obtiene por la combustión de productos orgánicos. Cuando se elaboran pastas cerámicas con altos contenidos de materia orgánica, los ciclos de cocción deben ser lentos, con el objeto de facilitar la combustión y desgasificación de la materia orgánica, por ser necesaria una difusión de oxígeno al interior de la pieza para que se lleve a cabo la calcinación del componente orgánico. En la presente invención, al utilizar bicarbonatos o percarbonatos, la descomposición de estos materiales y la desgasificación de los mismos, se produce a una mayor velocidad.

[0045] A modo de conclusión de todo lo anteriormente expuesto, un aspecto esencial de la presente invención es una composición cerámica que permite obtener piezas cerámicas con una baja densidad en cocido según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2.

[0046] Según cualquiera de las reivindicaciones 3 o 4, la presente invención se refiere al uso de la composición cerámica según la invención para fabricar piezas cerámicas de baja densidad y peso, para su colocación en suelos, paredes y, en concreto, en techos, así como un elemento conformador para la producción de elementos de blindaje de bajo peso.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Composición cerámica que consiste en:

percarbonatos o bicarbonatos de elementos alcalinos con una valencia de 1 en un porcentaje superior al 20 % en peso seco de la composición cerámica;

aditivos seleccionados de entre aglomerantes, defloculantes, suspensionantes o plastificantes; y materias primas naturales o sintéticas seleccionadas de entre silicoaluminatos alcalinos o alcalinotérreos, cuarzos, arcillas, caolín, carbonatos alcalinos o alcalinotérreos, fritas cerámicas, vidrios, alúminas o silicatos de circonio.

2. Composición cerámica según la reivindicación 1, donde los elementos alcalinos son sodio o potasio.

3. Utilización de la composición cerámica según las reivindicaciones 1 a 2 para fabricar piezas para su colocación en suelos, paredes y en techos.

4. Utilización de la composición cerámica según las reivindicaciones 1 a 2 como elementos conformadores para producir elementos de blindaje de bajo peso.