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