Appunti Materiali ceramici

NESOSILICATI

SOROSILICATI

INOSILICATI

FILLOSILICATI

TECTOSILICATI 2.4. Le Argille

Reologia della sospensione.

Plasticità all’impasto (Proprietà di un solido di deformarsi sotto l’azione di una forza esterna e

di mantenere la forma acquisita permanentemente).

Carico di rottura Sia sul materiale cotto che su quello crudo.

Microstruttura del materiale cotto.

Composizione mineralogica del cotto.

2.4.1. Gruppo della Caolinite

La caolinite è una argilla con struttura T-O. La struttura ottaedrica è simile a quella della

gibbsite.

Ogni strato T-O è elettricamente neutro perciò il legame tra strato e strato è debole e dovuto a

legami di tipo van de Waals. La caolinite ha la seguente formula chimica Al Si O (OH) .

2 2 5 4

Si forma da processi idrotermali di silicoalluminati. Rocce ricche di feldspati sono spesso

+ + 2+ 2+

degradate a caolinite. Durante tale processo ioni quali Na , K , Ca , Mg , e ioni ferro sono

eliminati. Un pH acido favorisce la loro eliminazione.

Rocce granitiche, ricche di feldspati, sono una fonte comune di caolino. La caolinite non

assorbe acqua e non espande quando entra a contatto con l’acqua.

L’Halloysite, ha una struttura simile a quella della caolinite e differisce da questa per la

presenza di molecole di acqua tra i fogli T-O. La sua formula: Al Si O (OH) 4H O.

2 2 5 4 2

2.4.2. Gruppo della Ilite

3+ 4+

Le argille illitiche hanno una struttura di tipo T-O-T. Ioni Al sostituiscono ioni Si nei tetraedri.

La deficienza di cariche positive che si generano vengono integrati da ioni alcalini. Le Illiti si

formano per degradazione di rocce ricche (Muscovite e feldspati) di potassio K e allumina Al,

in condizione di pH elevato. Le Illiti sono le principali costituenti di rocce antiche.

La formula generale dell’illite è la seguente: K Al (Si ,Al )O (OH)

y 4 8-y y 20 4

2+ 2+ +

Con 1 < y < 1,5, ma inferiore a 2 Ioni Ca e Mg possono avvolte sostituire il potassio K come

bilanciatori di carica.

+ 2+ 2+

Gli ioni K , Ca , o Mg si pongono negli interstrato tra uno strato T-O-T e il successivo.

Impediscono l’entrata di molecole di H O, pertanto le illiti non sono argille che si espandono o

2

si contraggono in funzione del contenuto di acqua.

2.4.3. Gruppo delle Cloriti

Per clorite si intende un gruppo di fillosilicati complesso dove le diversità nascono dalla

quantità di ioni Al che sostituiscono Mg e Si. La struttura è quella T-O-T con uno strato tipo

brucitico [Mg(OH)2] parzialmente sostituito. 2+

Lo strato brucitico è formato da 2 strati di ioni OH i quali racchiudono ioni positivi come Mg ,

2+ 3+

Fe , o Al al centro degli ottaedri. La carica totale dello strato è positiva e neutralizza

totalmente o parzialmente la carica negativa dello strato T-O-T.

In quest’ultimo l’eccesso di carica negativa viene bilanciato da cariche positive assorbite

dall’esterno sulla superficie 2.4.4. Gruppo delle Smectiti

Le smectiti rappresentano una famiglia di minerali fillosilicatici di tipo T-O-T. In questa gruppo

sono compresi: 

Montmorillonite (Na,Ca) (Al,Mg) Si O (OH) ·n(H O)

0,3 2 4 10 2 2



Beidellite Na Al (Si Al )O (OH) ·n(H O)

0.5 2 3.5 0.5 10 2 2

++



Saponite (Ca/2,Na) (Mg,Fe ) (Si,Al) O (OH) · (H O)

0,3 3 4 10 2 4 2

+++2



Nontronite Na Fe (Si,Al) O (OH) ·n(H O)

0.3 4 10 2 2

E altre specie minori.

Nelle Smectiti si assiste a sostituzioni nei tetraedri e negli ottaedri

2+ 2+ 2+ 3+



Ottaedri Mg , Fe , Mn Al

3+ 3+ 4+



Tetraedri Al (o Fe ) Si

Queste sostituzioni determinano un eccesso di cariche negative che vengono neutralizzate da

ioni alcalino e alcalino terrosi che si posizionano nell’interstrato.

Lo spazio tra gli strati può essere occupato anche da molecole di H O. Ciò determina la

2

possibilità di un allontanamento degli strati all’aumentare delle molecole di acqua.

Argille ricche di Smectiti possono variare in volume anche di un 30%. Queste variazioni può

produrre fratture nel corpo ceramico durante la fase di essiccamento. I cationi presenti

nell’interstrato possono essere scambiati con l’ambiente esterno.

Questo scambio deve mantenere la elettroneutralità globale dell’argilla. Le smectiti

presentano valori di scambio cationico nell’ordine del 80-150 meq/100 g.

2.5. Argille ceramiche

Le argille utilizzate in ceramica sono costituite da numerosi e vari minerali argillosi, con diversi

gradi di impurezza:

ARGILLE CAOLINITICHE

ARGILLE QUARZIFERE

ARGILLE REFRATTARIE FIRE CLAYS

ARGILLE CALCAREE

ARGILLE FERRUGINOSE

ARGILLE ALCALINE O DA GRES (BALL CLAYS)

2.5.1. Argille Caolinitiche

Contengono prevalentemente caolinite, e sono relativamente plastiche e refrattarie. Utilizzate

per:

Ceramiche fini terraglie, gres artistici, vitreous, porcellane tenere.

Refrattari. 2.5.2. Argille Quarzifere

Contengono quantità variabili di quarzo (SiO ) più o meno grossolano. Scarsamente plastiche.

2

Danno prodotti porosi più o meno colorati.

Refrattarietà legata alla percentuale di ossidi fondenti.

Generalmente si usano come correttivi di altre argille.

2.5.3. Argille Refrattarie fire clays

Scarsamente plastiche.

Refrattari e chamottes refrattarie. 2.5.4. Argille Calcaree

Presenza di carbonato di calcio (CaCO ) e di magnesio (MgCO ). Costituite da:

3 3

Minerali argillosi a tre strati (illite, montmorillonite)

A quattro strati (Clorite)

Calcare, quarzo, componenti del ferro.

Plasticità variabile a seconda del tenore di minerali argillosi. Per terrecotte e faenze vengono

utilizzate argille con un contenuto di calcare attorno al 6-20% (argille marnose).

Fusibili. lo stesso impiego hanno le argille calcaree con tenori in carbonati del 20-40% dopo

miscelazione con altre argille in modo da riportare il contenuto in carbonati alla percentuale

precedente.

Con maggior contenuto di carbonati vengono utilizzate soprattutto per la produzione di calci e

cementi. 2.5.5. Argille Ferruginose

Presenza di composti del ferro.

Colorazione e fusibilità.

Alta plasticità dovuta al tipo di minerale argilloso.

2.5.6. Argille Alcaline o da gres (Ball Clays)

Sono costituite da minerali argillosi a due o tre strati, mescolati a composti insolubili di sodio

Na e potassio K (elementi alcalini) e a quarzo estremamente fine. I composti di sodio e

potassio durante la cottura, esercitano una azione fondente.

La massa essiccata presenta una grande resistenza meccanica alla flessione. Queste argille

vengono utilizzate negli impasti per aumentarne la plasticità e la tenacità in crudo.

2.6. Quarzo

Diminuisce la plasticità del crudo.

Equilibratore della viscosità e dei flussi vetrosi.

Base della fase cristallina presente nel prodotto finito.

Controllo del ritiro in essiccamento e cottura (Costituisce uno scheletro nella massa

ceramica).

Influisce sulla porosità del manufatto ceramico.

Inerte.

È uno degli ossidi più diffusi sulla terra. Si trova sia in forma libera (Quarzo e forme similari) che

combinata. Abbiamo diversi tipi di quarzo:

Quarzo α.

Quarzo β.

Cristobalite α.

Cristobalite β.

Tridimite α.

Tridimite β. 4-

Differiscono per come i tetraedri di [SiO ] si legano tra loro, non per la formula chimica che

4

rimane per tutti SiO .

2

Il quarzo in un impasto ceramico ha le seguenti funzioni:

Inerte.

Aumenta la porosità e la refrattarietà del manufatto.

Riduce il ritiro in essiccamento e cottura.

Diminuisce la plasticità.

Aumenta la possibilità di interscambio di gas tra manufatto ed ambiente esterno.

2.7. Carbonati

Principalmente CaCO e MgCO :

3 3

Calcite.

Dolomite CaMg(CO ) .

3 2

Comportamento nell’impasto ceramico: 2.8. Feldspati

Feldspati di sodio e calcio:

Albite NaAlSi3O8.

Anortite CaAl2Si2O8.

Feldspati di potassio:

Microclino KAlSi3O8.

Sanidino KAlSi3O8.

Ortoclasio KAlSi3O8.

Le rocce feldspatiche sono il tipo di fondente più noto in campo ceramico. Entra direttamente

o indirettamente, come impurezza presente in altre materie prime, nella composizione di tutti

gli impasti. Il feldspato potassico contiene sempre una certa quantità di feldspato sodico. Dal

punto di vista commerciale e dell'impiego, i feldspati sono tanto più pregiati quanto più piccola

è la quantità di ferro presente nella loro composizione; inoltre possono contenere quantità

variabili di quarzo con diminuzione del potere fondente. Trovano utilizzo:

Impasti per ceramiche pregiate.

Miscele per vetri e fritte. 2.9. Fondenti

Permettono l’ottenimento del prodotto a temperature inferiori. Possono essere già presenti

naturalmente in alcune materie prime naturali. Alcuni fondenti agiscono creando nuovi

composti che conferiscono al corpo ceramico insolubilità e resistenza meccanica a

temperature più basse:

Carbonati di calcio e di magnesio.

Silicato di calcio naturale o sintetico (wollastonite).

Silicato di magnesio (talco).

Altri fondenti agiscono creando una "fase vetrosa" liquida che porta alla fusione dell‘impasto

in un intervallo più lungo, entro il quale il materiale attraversa stati successivi di sempre

maggiore fluidità. Questi fondenti provocano la "greificazione" che porta ad una diminuzione

progressiva della porosità aperta, un aumento della resistenza meccanica.

3. La macinazione

3.1. Definizione

La macinazione è un processo industriale che ha come scopo la riduzione controllata della

distribuzione granulometrica di materiale solido.

Ci sono 5 ragioni per fare la macinazione:

1. Per preparare le materie prime per successive separazioni: Esempio: Separazione dei

minerali preziosi dai loro materiali accessori.

2. Per preparare le materie prime per successive reazioni chimiche: Un aumento della

superficie specifica del solido permette di aumentare la velocità di reazione.

3. Per ottenere una granulometria definita per la qualità del prodotto finale: Esempio:

Riempitivi come carica nelle pitture, materie plastiche, ed agrochimici. etc.

4. Produce un miscelamento tra le diverse componenti del solido.

5. Preparazione di prodotti di scarto per il riciclaggio.

Fattore coinvolto:

Durezza del materiale: 

Soft size reduction Moh's hardness 1-3



Medium-hard size reduction Moh's hardness 4-6



Hard size reduction Moh's hardness 7-10

3.2 Fenomeno della frattura

La frattura si basa sulla teoria della frattura fragile di Griffith (1921). Secondo questa teoria,

affinche una frattura si propaghi in un materiale occorre che siano soddi