MINERALES ARCILLOSOS

PROTOCOLO ESPECIALIZADO

DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA:

UNA REVISIÓN

CLAY MINERALS

SPECIALIZED CERAMIC CATEGORIZATION PROTOCOL:

A REVIEW

Rafael Uribe

, Francesco Camillo

& Luis Lascano

Recibido: 10 de noviembre 2020 / Aceptado: 24 de junio 2021

DOI 10.26807/ia.v9i2.202

Palabras clave: Arcillas, caracterización cerámica, minerales arcillosos, mine-

rales no metálicos, propiedades cerámicas.

Keywords: Clays, ceramic characterization, clay minerals,

non-metallic minerals, ceramic properties.

RESUMEN

Las relaciones entre la estructura-diseño-procesamiento-propiedades de los ma-

teriales cerámicos son por lo general complejas y objeto de continuos estudios,

sea el caso de predecir propiedades a partir de una estructura o lograr estructuras

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PROTOCOLO ESPECIALIZADO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA: UNA REVISIÓN

Uribe et. al., 15–57

1 Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Ingeniería Química. Quito, Ecuador (*corres -

pondencia: rafael.uribe@epn.edu.ec)

2 Instituto Universitario de Tecnología “Dr. Federico Rivero Palacio”, Dpto. de Tecnología de Mate -

riales, Caracas, Venezuela (francamil @yahoo.com)

3 Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Física. Quito, Ecuador. (luis.lascano@epn.edu.ec)

que garanticen ciertas propiedades. Así, el uso de técnicas espe cializadas de ca-

racterización de materias primas y productos es fundamental para prever el po-

tencial de uso de un lote, concertar su influencia en producción y prevenir las

variaciones que generan pérdidas, minimizan la productividad y la calidad en

los productos. En Latinoamérica, y en especial en el Ecuador, son desconocidas

la mayoría de las técnicas especializadas de caracterización de materiales cerá-

micos, que parten de la evaluación de las características más importantes de los

polvos y que tienen influencia significativa en los distintos procesos de fabrica-

ción de materiales y en el desarrollo de los denominados nuevos materiales. En

tal sentido, en este artículo se presenta una revisión minu ciosa de las técnicas

especializadas de caracterización y valoración de minerales arcillosos, que ser-

virán de guía al sector cerámico artesanal e industrial del Ecuador. Se describen

las propiedades más importantes de los materiales cerámicos, a fin de introducir

de manera directa a los interesados en el cono cimiento de un conjunto de téc-

nicas y métodos “convencionales” y “no conven cionales” de caracterización,

utilizados en la valorización especializada de materias primas, procesos y ma-

teriales cerámicos; incluidos los aspectos tecnológicos.

ABSTRACT

The relationships between the structure-design-processing-properties of ceramic

materials are generally complex and the subject of continuous studies, whether

it is the case of predicting properties from a structure or achieving structures

that guarantee certain properties. Thus, the use of specialized techniques for

the characterization of raw materials and products is essential to foresee the

potential of use of a batch, coordinate its influence on production and prevent

variations that generate losses, minimize productivity and quality in products.

In Latin America, and especially in Ecuador, most of the specialized techniques

for characterization of ceramic materials are unknown, which start from the

evaluation of the most important characteristics of powders, and which have a

significant influence on the different manufacturing processes of materials and

in the development of so-called new materials. In this sense, this article presents

a detailed review of the specialized techniques for characterization and valua-

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tion of clay minerals, which will serve as a guide to the artisanal and industrial

ceramic sector of Ecuador. The most important properties of ceramic materials

are described, in order to introduce directly to those interested in the knowledge

of a set of “conventional” and “unconventional” characterization techniques

and methods, used in the specialized recovery of raw materials ceramic mate-

rials and processes, including technological aspects.

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INTRODUCCIÓN

En pleno siglo XXI, la sociedad re-

quiere día a día de nuevos ma teriales

con propiedades y caracterí s ti cas que

le permitan satisfacer su creciente de-

manda de necesidades. La posibili-

dad de fabricar nuevos materiales con

propiedades más exac tas y reprodu-

cibles, se multiplican a medida que

los centros de investigación científica

y tecnológica van alcanzando y desa-

rrollando téc nicas y métodos más

precisos de caracterización y valori-

zación de materias primas naturales y

sintéticas, preparación, obtención y

conformado de materiales y, de eva-

luación precisa de la respuesta en ser-

vicio y uso que tendrán los mate-

riales, es decir sus propiedades (Uribe

et al., 2020).

Lo interesante de esta época, sin

lugar a duda, es que cualquier carac -

terística y propiedad de un material

o materia prima, puede ser contrasta-

ble en cualquier laboratorio del mun -

do, gracias a que se ha dado paso a

la normalización mundial de méto -

dos, ensayos y prácticas de aná lisis,

acompañadas éstas de equi pos de

medición de alta tecnología, de gran

precisión y exactitud (Hevia, 2012).

De esta manera, el aporte actual de

la ciencia e ingeniería de materiales

está dado por la posibi lidad no solo

de caracterizar sino también de eva -

luar, predecir y dise ñar el compor -

tamiento de los nuevos materiales y,

lo más importante, va lorar su utilidad

en diversas aplica ciones (Sánchez et

al., 1998).

Las relaciones entre la estructura-di-

seño-procesamiento-propiedades de

los materiales, y más aún en las del

denominado grupo de los nuevos

materiales, son por lo general com-

plejas, y objeto de continuos estu -

dios, sea el caso de predecir pro-

pie dades a partir de una estructura o

lograr estructuras que garanticen

ciertas propiedades; sin dejar de

considerarse, a su vez, que las pro-

piedades de los productos están de-

terminadas no solo por la

com posición y estructura de las fases

presentes sino por el arreglo de éstas

(Melgarejo et al., 2010). La distri -

bución de las fases o microestructura

del cuerpo final del producto depen -

de de las técnicas, condiciones y pro-

cesos de fabricación, las mate rias

primas utilizadas, y de ser el caso, las

relaciones de equilibrios y cinéticas

de cambios de fase, cre cimientos de

grano y sinteri zación, como ocurre

en los materiales cerá micos (Díaz et

al., 2002). Aspectos básicos que nos

inducen al estudio de un sinfín de sis-

temas, de los cuales solo se puede

obtener información gracias a un im-

portante conjunto de técnicas y mé-

todos “convencionales” y “no con-

vencio na les” de caracterización y

valori zación de materias primas, pro-

cesos y materiales (Guillen et al.,

2012).

En casi todas las industrias relacio -

nadas con el procesamiento y fabri-

cación de materiales metálicos,

poliméricos y cerámicos, se utiliza

materiales en polvo, los cuales están

constituidos por partículas primarias

o por aglomerados de ellas. Las par-

tículas primarias son moléculas o

cristales imperfectos que presentan

una estructura de tipo mosaico, con -

formada a su vez por unas pocas cel-

das unitarias. Por ejemplo, en el caso

de los materiales cerámicos, el ta-

maño de los monocristales es de 10

-6

a 10

-8

cm, tamaño de cristalito. Los

cristalitos se pueden organizar de

manera cooperativa y sistemática ge-

nerando partículas primarias mo no -

cristalinas, o simplemente estar

dispersos al azar produciendo partí -

culas primarias policristalinas (Gui-

llen et al., 2012). Un aglomerado o

partícula secundaria es un ensamble

de partículas primarias que contiene

una red de poros interconectados. En

el caso de los materiales cerámicos,

si los aglomerados se forman durante

la síntesis del polvo cerámico, su ta-

maño y forma son difíciles de contro-

lar; una situación diferente se

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presenta cuando se utilizan procesos

de granulación (Fernández et al.,

2003).

A la hora de seleccionar el material

cerámico más adecuado para una de-

terminada aplicación, debemos tener

en cuenta diversos factores como: el

trabajo que va a desarrollar la pieza,

la atmósfera en la que se va a encon-

trar, el proceso de conformado me-

diante el cual se le dará la forma

definitiva, la disponi bilidad de ese

material, su coste, el cual no debe su-

poner más de la mi tad del precio

final del producto, para que su venta

pueda resultar com petitiva (incluye

extracción, trans por te, transformación

en producto de primera fase y trans-

porte al lugar de la segunda transfor-

mación). Por lo tanto, un profundo

conocimiento de las propiedades y

de las formas en que se pueden me-

jorar es la clave para estar en condi-

ciones de deter minar cuál es el más

adecuado (Villalba, 2020).

La mayoría de las técnicas de carac -

terización más usuales de materiales

parten de la evaluación de las carac -

terísticas más importantes de los

polvos, que tienen influencia signifi -

cativa en los distintos procesos de fa-

bricación de materiales y en el desa-

rrollo de los denominados nuevos

materiales (Dávila et al., 2011). Se re-

alizan evaluaciones de las caracte -

rísticas físicas (tamaño, morfología y

distribución de partículas, densidad

y peso específico, superficie específi -

ca, porosidad, grado de agregación,

facilidad de separación por filtración,

sublimación, evaporación y/o destila -

ción, entre otras), características quí-

micas (composición en elementos y

óxidos, reactividad, estabilidad, solu-

bilidad, entre otras ) y en la ac tua -

lidad es fundamental considerar los

factores ecológicos, tales como la po-

sibilidad de reciclaje y reutiliza ción,

uso y costo mínimos de explotación

y/o procesamiento (Cely et al., 2015).

Los polvos cerámicos merecen espe-

cial atención, por encontramos en la

“Era del Silicio – Era de la Infor -

mación” (Belmonte et al., 2010),

sería imposible imaginar que ocurri-

ría hoy en día si todos los dispo sitivos

de Silicio dejarán de funcionar (Fer-

nández et al., 2003; Kingery, 1976).

Estos polvos presentan:

• Un valor alto de la relación área su-

perficial por unidad de peso, super-

ficie específica y de la energía

superficial.

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• Innumerables discontinuidades en

la superficie que hacen que sus

pro piedades superficiales (absor -

ción, reacción y reactividad) sean

más importantes que las relacio -

nadas con la estructura interna del

sólido.

• Propiedades fluctuantes de las par -

tículas como el tamaño, morfología

y distribución, que tienen gran in-

fluencia en el empaquetamiento y

grado de dispersión que ellas pre -

sentan. Fenómenos que hacen su

ocurrencia de naturaleza probabi-

lí s tica y estadística.

El conformado es la etapa del proce -

samiento en la que el sistema de par-

tículas aisladas se transforma en un

cuerpo consolidado con una geo -

metría y microestructura específica.

Un rasgo distintivo de los procesos

cerámicos es que están basados ma -

yoritariamente en la tecnología de

polvos, dado que los altos puntos de

fusión o descomposición de los ma -

teriales cerámicos impiden el empleo

de técnicas de deformación, típicas

de los metales (Souza et al., 2002).

La selección del método de confor -

ma do depende de la cantidad, geo -

metría y homogeneidad de las piezas

y de la reproducibilidad del proceso.

Esto exige el cuidadoso control y eva -

luación de las características fisico -

químicas del material particulado y

de los aditivos necesarios para opti -

mizar cada etapa del proceso (Fer -

nández et al., 2003). Nuevas técnicas

y métodos experimentales de evalua -

ción de materias primas naturales y

sintéticas y de nuevos materiales, han

dado paso al control tecnológico sis-

tematizado de los procesos clási cos

de obtención de materiales (pren sado

axial e isostático, extrusión, mol deo

por inyección, filtración, entre otros)

y han impulsado el avan ce procesos

no tradicionales de ob ten ción de

nuevos materiales como: deposición,

evaporación, coagula ción y gelifica-

ción, intercalación, deposición física

o química de pelí culas delgadas a

partir de la fase vapor, “physical va-

pour deposition” o PVD y “chemical

vapour depo sition” o CVD (Dávila et

al., 2011).

Dada la gran variedad en su com po -

sición y en su estructura los mate ria -

les cerámicos, presentan una ampli-

tud notable en los valores de sus pro-

piedades. Por lo cual, gracias a que

el empirismo sin dirección tecnoló-

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gica ha disminuido conside rable -

mente desde finales del siglo XX, po-

demos afirmar que en la ac tualidad

se tiene el control de las propiedades.

La experiencia ha de mo strado que el

enfocar la atención en la relación es-

tructura-diseño-procesamiento-pro-

piedades ha sido un poderoso y

efectivo tratamiento.

En tal sentido, en este artículo se pre-

senta un conjunto de técnicas espe-

cializadas de caracterización y

valoración de minerales arcillosos,

que servirán de guía al sector cerá -

mico artesanal e industrial del Ecua -

dor. Se describen las propiedades

más importantes de los materiales ce-

rámicos, a fin de introducir al lec tor

de manera directa en el conoci -

miento de un conjunto de métodos

“convencionales” y “no convencio -

nales” de caracterización, utilizados

en la valorización especializada de

materias primas, procesos y mate -

riales cerámicos; incluidos los aspec -

tos tecnológicos.

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MATERIALES Y MÉTODOS

Métodos de estudio de afloramientos

minerales no metálicos

El estudio que se realiza para la va -

loración de un afloramiento mineral

con frecuencia implica tan sólo el es -

tudio genérico de los elementos que

influyen en la comercialización del

depósito, obviándose en muchos ca -

sos el estudio mineralógico detallado

de las propiedades de los minerales

(García et al., 1985). No obstante, un

estudio detallado de la mineralogía

del afloramiento no tiene tan sólo

connotaciones científicas, como a

ve ces se cree, sino que ayuda a incre-

mentar el valor añadido de la explo-

tación, e incluso por sí solo puede

ayudar a descartar o confirmar el in-

terés del yacimiento (Torres et al.,

2011).

En su trabajo, Uribe et al. (2020) evi -

denciaron que en Latinoamérica, y

en especial en el Ecuador, es escasa

la información que se tiene sobre las

propiedades tecnológicas de las ma-

terias primas utilizadas en el sec tor

cerámico. Pocos industriales, arte -

sanos y centros de investigación reali-

zan estudios formales para minimizar

y controlar el efecto de las materias

primas en la productividad. Estos in-

vestigadores, ofrecieron una revi sión

de las técnicas básicas de ca -

racterización mineral más usuales. El

protocolo revisado permite obtener

datos importantes para evaluar la fac-

tibilidad de uso de las arcillas, como

potenciales materias primas dentro de

composiciones de pastas para la ela-

boración artesanal/industrial de pro-

ductos cerámicos.

El peso del factor materia prima en

las pérdidas de calidad de los pro -

duc tos, evidencia el carácter obliga -

torio de políticas gerenciales y el uso

de técnicas apropiadas, tales como el

control de la variabilidad de la mina,

la homogenización de la materia pri -

ma y/o el ajuste oportuno de los pa-

rámetros de trabajo en el proceso

productivo. Es importante conocer

las características y pautas de prepa -

ración de las muestras a ensayar, para

reducir el riesgo de cometer errores

en los ensayos y no obtener resul -

tados representativos de las carac -

terísticas y propiedades del lote a

ensayar.

En el caso de la caracterización fisi -

coquímica y cerámica de minerales

arcillosos tiene como prioridad cono -

cer las aplicaciones prácticas y po -

ten cialidades de uso, solas o com -

binadas en pastas cerámicas de las

materias primas en la industria cerá -

mica. Este estudio incluye: el control

por atributos, tanto cualitativo como

cuantitativo, el estudio de factibilidad

de uso cerámico artesanal y/o indus-

trial y, la caracterización cerámica

especializada de minerales arcillosos

(Uribe et al., 2020).

El procesamiento de un material ce-

rámico implica que las caracte rísticas

estructurales y constitucio nales de los

materiales de partida se van desarro-

llando y modificando en cada estadio

sucesivo que conlleva el procesa-

miento. Si se representa el pro -

cesamiento como una serie de ope-

radores, el producto final contendrá

términos que representan todas las

operaciones del proceso, así como

las características de los mate riales

de partida (Martín et al., 1977). Por

lo tanto, cualquier cambio en las ca-

racterísticas de los materiales de par-

tida o en cualquier operación del

procesamiento producirá cambios en

las características del producto final.

Una vez que se evidencian con la

evaluación anterior las propiedades

básicas de los minerales estudiados y

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en lo específico se observa un com -

portamiento plástico (arcillosos) de la

muestra de mineral, la misma es so -

me tida a distintos procesos de eva -

lua ción cerámica especializada a fin

de determinar su factibilidad de uso

cerámico artesanal y/o industrial (He -

via, 2012). Por lo general la muestra

de mineral arcilloso es sometida a:

• Tomas de muestras para realización

de ensayos especializados, de

acuer do con los requerimientos de

cada norma o protocolo de ensayo

específico.

• Proceso de beneficiado (trituración

y molienda).

• Proceso de preparación de pasta

(seca granulada, plástica o barbo -

tina).

• Elaboración de probetas de ensayo

(prensado, extrusión, vaciado).

• Proceso de secado de probetas y/o

muestras a 120 °C, durante 12 ho -

ras o hasta obtener un peso cons-

tante.

• Proceso de cocción bajo ciclos

controlados, en hornos eléctricos

de laboratorio, con un mínimo de

permanencia de media hora a la

temperatura máxima de cocción.

Las muestras se someten a distintos

ciclos de cocción, a temperaturas

máximas diferentes entre los 850 y

1200 °C, con el objeto de determi -

nar el intervalo de cocción más

adecuado para el tipo de mineral

arcilloso (Espinoza et al., 1978). En

la Tabla 1 se presenta una lista de

las normas ASTM que delinean los

procedimientos normalizados de

caracterización de materias primas

y productos cerámicos.

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Tabla 1. Listado de normas de caracterización cerámica especializada

Norma Título

ASTM C322 Standard Practice for Sampling Ceramic Whiteware Clays.

(Práctica estándar para el muestreo de arcillas de cerámica blanca)

ASTM C323 Standard Test Methods for Chemical Analysis of Ceramic Whiteware Clays.

(Métodos de prueba estándar para el análisis químico de arcillas

de cerámica blanca)

ASTM C324 Standard Test Method for Free Moisture in Ceramic Whiteware Clays.

(Método de prueba estándar para humedad libre en arcillas

de cerámica blanca)

ASTM C325 Standard Guide for Wet Sieve Analysis of Ceramic Whiteware Clays.

(Guía estándar para el análisis por tamizado húmedo de arcillas

de cerámica blanca)

ASTM C326 Standard Test Method for Drying and Firing Shrinkages of Ceramic

Whiteware Clays.

(Método de prueba estándar para el secado y cocción de contracciones

de arcillas de cerámica blanca)

ASTM C327 Method of Test for Linear Thermal Expansion of Fired Ceramic Whiteware Materials.

(Método de prueba para la expansión térmica lineal de materiales

de cerámica blanca cocidos)

ASTM C539 Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Porcelain Enamel

and Glaze Frits and Ceramic Whiteware Materials.

(Método de prueba estándar para la expansión térmica lineal de fritas

de esmalte y esmalte de porcelana y materiales de cerámica blanca)

ASTM C328 Test Methods for Test for Modulus of Rupture of Fired, Dry-Pressed

Ceramic Whiteware Specimens at Normal Temperature.

(Métodos de prueba para el ensayo del módulo de ruptura de muestras de

cerámica blanca cocidas y prensadas en seco a temperatura normal)

ASTM C674 Standard Test Methods for Flexural Properties of Ceramic Whiteware Materials.

(Métodos de prueba estándar para las propiedades de flexión

de materiales de cerámica blanca)

ASTM C329 Standard Test Method for Specific Gravity of Fired Ceramic Whiteware

Materials.

(Método de prueba estándar para la gravedad específica de materiales

de cerámica blanca cocidos)

ASTM C370 Standard Test Method for Moisture Expansion of Fired Whiteware Products.

(Método de prueba estándar para la expansión de la humedad de productos

de cerámica cocida)

ASTM C371 Standard Test Method for Wire-Cloth Sieve Analysis of Nonplastic Ceramic Powders.

(Método de prueba estándar para el análisis por tamiz de

tela metálica de polvos cerámicos no plásticos)

ASTM C372 Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Porcelain Enamel

and Glaze Frits and Fired Ceramic Whiteware Products by the

Dilatometer Method.

(Método de prueba estándar para la expansión térmica lineal de fritas

de esmalte y glaseado de porcelana y productos de cerámica cocida

por el método dilatómetro)

ASTM C373 Standard Test Method for Water Absorption, Bulk Density,

Apparent Porosity, and Apparent Specific Gravity of Fired Whiteware Products.

(Método de prueba estándar para absorción de agua, densidad aparente,

porosidad aparente y gravedad específica aparente de productos

de cerámica cocida)

ASTM D153 Test methods for specific gravity pigments.

(Métodos de prueba para pigmentos de gravedad específica.)

ASTM C501 Relative resistance to wear of unglazed ceramic tile by the taber abraser.

(Resistencia relativa al desgaste de baldosas de cerámica sin esmaltar

por el abrasivo taber)

ASTM C242 Terminology of ceramic whiteware and related products.

(Terminología de cerámica blanca y productos relacionados)

ASTM C554 Crazing resistance of fired glazed ceramic whiteware by a thermal shock method.

(Resistencia al agrietamiento de la cerámica esmaltada cocida por

métodos de choque térmico)

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ASTM C729 Density of glass by the sink-float comparator.

(Densidad del vidrio por el comparador de flotador-fregadero).

ASTM C824 Specimen preparation for determination of linear thermal expansion

of vitreous glass enamels and glass enamel frits by the

dilatometer methods.

(Preparación de muestras para la determinación de la expansión térmica

lineal de esmaltes de vidrio vítreo y fritas de esmalte de vidrio

mediante los métodos del dilatómetro)

ASTM C958 Particle size distribution of alumina or quartz by X-ray monitoring

of gravity sedimentation.

(Distribución del tamaño de partícula de alúmina o cuarzo mediante

monitoreo de rayos X de la sedimentación por gravedad).

ASTM C204 Standard Test Methods for Fineness of Hydraulic Cement by

Air-Permeability Apparatus. (Métodos de prueba estándar para determinar

la finura del cemento hidráulico mediante aparatos de permeabilidad al aire)

ASTM C1069 Specific surface area of alumina or quartz by nitrogen absorption.

(Superficie específica de alúmina o cuarzo por absorción de nitrógeno)

ASTM C1251 Determination of specific surface area of advanced ceramic materials

by gas adsorption.

(Determinación del área de superficie específica de materiales cerámicos

avanzados por adsorción de gas).

ASTM C1274 Advanced ceramic specific surface area by physical adsorption.

(Superficie específica de cerámica avanzada por adsorción física)

ASTM C1286 Standard classification for advanced ceramics.

(Clasificación estándar para cerámica avanzada).

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Estas normas cubren los proce di -

mientos especializados que van des -

de la determinación mediante pro to-

colos sencillos de la absorción de

agua, densidad aparente, porosidad

aparente y gravedad específica apa -

rente de piezas cerámicas sin es -

malte, hasta los métodos para

de ter minar los coeficientes lineales

de expansión térmica o la superficie

especifica de polvos, dentro de los

cuales se requiere de equipos costo-

sos de alta tecnología. La medi da de

estas propiedades, en conjun tos con

las técnicas de análisis térmico, mi-

neralógico y microestructural, que se

discutirán en los apartados subsi-

guientes, conforman herramientas

para la determinación del grado de

maduración de un cuerpo cerámico

o para la deter minación de las pro-

piedades estructurales que pueden

ser requeridas para una aplicación

dada.

Estudio especializado de factibilidad

de uso de minerales arcillosos

Medidas de las propiedades físicas

Densidad

La composición de la corteza terres-

tre primitiva era uniforme en toda la

superficie del globo. La variedad que

caracteriza a la superficie terrestre

actual ha sido la consecuencia de los

cambios posteriores, inducidos por

los distintos fenómenos y eras geo -

lógicas. Sin embargo, estos cambios

han afectado sólo a la superficie. Los

materiales más pesados, como el ní -

quel (densidad 8,9 g/cm³) y el hierro

(densidad 7,8 g/cm³), se fueron hun -

diendo hacia el interior de las capas

más profundas; mientras que los más

ligeros, como el silicio (d = 2,42

g/cm³) y el aluminio (d = 2,7 g/cm³),

se fueron concentrando en las capas

más superficiales (Fernández, 2010).

La densidad absoluta o masa volú -

mica específica de los materiales es

una propiedad física que define su

grado de concentración de masa, es

decir, el grado de compactación o

empaquetamiento de la estructura.

En los materiales cerámicos es una

característica primordial para contro-

lar tanto en la materia prima como en

el producto final. Así, por ejemplo,

en el caso de las barbotinas, es pará-

metro primordial para la obten ción

de suspensiones con niveles de con-

centración de sólidos y fluidez sufi-

ciente para ser colada (controlada

esta última por el uso de deflo cu -

lantes); y en otros casos el nivel de

densificación de un producto termi -

nado (densidad aparente) da una idea

clara de su estado de sinterización,

caracterizando el uso de los mate -

riales como lozas, gres, refractarios,

aislantes térmicos (Gómez et al.,

1990). En la Figura 1 se muestra un

esquema de los métodos más comu -

nes de determinación de densidad,

utilizados en función de estado de

materia. Es importante acotar que el

valor obtenido de la densidad de un

material depende mucho del método

de preparación de la muestra, por lo

que es aconsejable que siempre se

indique el protocolo o la norma se-

guida para la determinación de esta

propiedad. La densidad de los feldes-

patos alcalinos varía entre 2,5 y 2,6

g/cm

, la de los caolines varía entre

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

2,4 y 2,65 g/cm

, las arenas/ sílice

entre 2,5 y 2,8 g/cm

y las arcillas va-

lores promedio del orden de los 2,7

g/cm

(Uribe, 2015).

Figura 1. Esquema de métodos

comunes de determinación

de densidad

Superficie específica

Un problema de enorme trascenden -

cia tanto desde el punto de vista fun -

damental como aplicativo es conocer

la magnitud absoluta del área super -

ficial de los sólidos, conocida como

Superficie Específica (S

) (Albella,

1999). La superficie específica de un

sólido sin poros es aproximadamente

igual al área superficial geométrica,

pero para sólidos porosos esta super -

ficie puede ser muy grande, la S

expresa en cm

de superficie por

gramo de material en polvo, o bien

por unidad de volumen del cuerpo.

Entre los métodos más utilizados se

pueden mencionar: (Pinto, 2011)

• Métodos microscópicos: Tediosos

pero preciso, no apto para control

de calidad.

• Permeabilidad de un gas: Se deter -

mina la S

para un grado de com -

pactación (densidad aparente) de

un polvo, midiendo la variación de

flujo de aire. consiste esencialmen -

te de un mecanismo que permite

pasar una cantidad definida de aire

a través de una camada o pastilla

preparada con una porosidad de -

finida. El número y tamaño de los

poros en una camada preparada de

porosidad definida es una función

del tamaño de las partículas y de -

ter mina la velocidad de flujo del

aire a través de la camada.

• Método BET (desarrollado por Bru -

nauer, Emmett y Teller): Es una me -

dida directa de la superficie es pe-

cífica, S

, se basa en la absorción

de nitrógeno a baja temperatura

(-196 °C). Permite determinar la S

tanto de un polvo como de los po -

ros abiertos de un material poroso.

La evaluación de la S

a partir de

una isoterma de absorción física re-

quiere de la determinación del vo-

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lumen de gas necesario (V

) para

formar una capa molecular recu-

briendo la totalidad de la su perficie

del sólido. Por lo tanto, a partir del

valor de la capacidad de la mono-

capa (V

) obtenido de la corres-

pondiente isoterma de absor ción,

se puede calcular el valor de la S

Para dar idea de valores, puede men -

cionarse que la superficie específica

de un ladrillo refractario puede estar

entre 0,2 y 1,0 (m

/g), una arena para

fabricar vidrio tiene entre 1,0-1,5, las

arcillas dependiendo de su natura -

leza mineralógica: Montmorillonitas

entre 80-300, Illita hasta 50, Halloy-

sita hasta 60, Caolinita de baja cris-

talinidad hasta 50 y Caolinita de

elevada cristalinidad hasta 15 (m

/g)

(Kingery, 1976).

Tamaño de grano

El análisis granulométrico de un pro -

ducto consiste en conocer las dimen -

siones de sus componentes y su repar-

tición en clases granulométricas. Las

dimensiones de un grano es una no-

ción difícil de definir, a causa de las

formas variadas que se pueden en-

contrar (plaquetas, pajas, agujas, es-

feras). La forma y el tamaño de las

partículas son conceptos implicados

en la descripción de numerosos fenó-

menos de interés científico y tec -

nológico, entre estos cabe citar

(Curso, 2000; Gómez et al., 1990):

• Ecuaciones de estimación de la ci -

nética y consumo energético en

procesos de adecuación morfoló -

gica, como molienda y sinteriza -

ción; y establecimiento de criterios

de la eficacia de clasificación en

seco, como tamices, filtros, ciclo -

nes e impactadores.

• Modelos de distribución de fuerzas

y tensiones en almacenamiento de

gráneles, como apilamientos, silos

y tolvas; y cálculos de flujo de grá -

neles a través de sistemas de vacia -

do y conducciones.

• Modelos de transmisión de calor y

difusión molecular, particularmen -

te lechos fijos y fluidizados.

• Modelos macroscópicos de reacti -

vidad química heterogénea y hete -

rocatálisis.

Si bien en las universidades no se en-

señan cursos específicos de tecno -

logía de partículas, desde el punto de

vista científico es una ciencia bas -

tante desarrollada. En la Tabla 2 se

presenta una lista general de los mé-

todos de análisis de la tecnología de

partículas disponibles en el mercado.

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

Tabla 2. Métodos de análisis

de la tecnología de partículas

La composición granulométrica tiene

una gran importancia en la industria

cerámica ya que de ella depende la

superficie específica. Cuanto más fi -

na sea la arcilla mayor resultará la su-

perficie, más alto el porcentaje de

humedad de moldeo y la contracción

de secado y más angosto el diámetro

de los capilares existentes en la pieza

verde, lo cual dificultará el proceso

de secado. Al reducirse la sección de

los poros y aumentarse el número de

contactos entre las partículas arcillo-

sas se incrementará la resistencia me-

cánica en seco (Albella, 1999). En

cocción, dado que el proceso de vi-

trificación comienza por la superficie

de las partículas, cuanto mayor sea

ésta más rápidamente y a más baja

temperatura vitrificará, obteniéndose

una pieza cocida de menor poro -

sidad y mayor resistencia mecánica.

Así, por ejemplo, en la Figura 2 se

muestra una curva típica de distribu-

ción granulométrica de una arcilla

caolinítica de la región sierra del

Ecuador. La caolinita presenta tama -

ños de grano sensiblemente mayores

que otras clases de arcillas (Guillen

et al., 2012). Así, por ejemplo, orien -

tativamente en una muestra, el por -

cen taje de partículas comprendidas

entre 0,5 y 5 micras suele indicar el

contenido en caolinita, mientras la

fracción inferior a 0,5 micras repre-

senta el contenido en montmorillo-

nita. Como consecuencia de esta

granulometría más gruesa, las arcillas

caoliníticas presentan una plasticidad

algo baja, pero secan con rapidez y

sin problemas a causa de su mayor

porosidad en seco (Fernández, 2010).

MINERALES ARCILLOSOS

PROTOCOLO ESPECIALIZADO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA: UNA REVISIÓN

Uribe et. al., 15–57

Métodos de propieda-

des eléctricas:

•Principio Coulter.

•Analizador de movili-

dad diferencial,

DMA.

•Movilidad electroforé-

tica.

•Potencial zeta.

Métodos de

Clasificación:

•Clasificación de célu-

las activadas por

•Fluorescencia, FACS.

•Fraccionamiento de

flujo de campo, FFF.

•Clasificación de aire.

•Impactadores inercia-

les.

Métodos de

interacción ligera:

•Difracción láser.

•Dispersión de luz de

una sola partícula.

•Dispersión de luz de

múltiples ángulos

•Oscurecimiento de luz

de una sola partícula.

•Doppler de fibra óp-

tica.

•Anemometría.

Métodos Mecánicos:

•Tamizado

•Ultrafiltración

Método de

sedimentación:

•Foto sedimentación.

•Sedimentación centrí-

fuga

•Sedimentación de

rayos X.

Métodos de

microscopía:

•Óptica

•Microscopía electró-

nica de transmisión,

MET.

•Microscopía electró-

nica de barrido, MEB.

•Microscopía de fuerza

atómica, MFA.

•Análisis de imágenes.

Figura 2. Curva de análisis granulométrico, difracción láser.

Arcilla caolinítica – Región Sierra. Ecuador

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

Porosidad

Los poros se suelen agrupar en tres

grandes grupos, en función de su diá -

metro medio de acceso. Los

macro po ros (∅ > 50 nm), mesopo-

ros (2 < ∅ < 50 nm) y microporos (∅

< 2 nm). Para la deter minación del

tamaño de poro se emplean por regla

general las siguientes técnicas: (Albe-

lla, 1999; Espinoza et al., 1978).

• Métodos basados en procesos de

ad sorción de gases, siendo de par -

ticular interés los basados en fenó -

menos de histéresis, los cuales

están asociados a efectos de con -

den sación capilar. Estos métodos

son válidos para tamaños de poros

entre (2 < ∅ < 20 nm).

• Porosimetría de mercurio, que per -

mite determinar poros entre

(10 < ∅ < 150 nm).

• Difracción de rayos-X a bajo án-

gulo, que da información sobre

poros entre (1 < ∅ < 100 nm).

La técnica más utilizada para deter -

minar la porosidad abierta y la distri -

bución de tamaños de poros abier tos

en nuevos materiales y en especial

los cerámicos, es la porosimetría de

mercurio. Esta técnica determina el

volumen de mercurio forzado a en-

trar en los poros como una función

de la presión, la cual está relacionada

con el tamaño de poro mediante la

ecuación de Washburn (Van Brakel et

al., 1981):

Donde P es la presión aplicada, (g) es

la tensión superficial del mercurio

medida a la temperatura del ensayo,

(q) el ángulo de contacto entre el

mercurio y las paredes del capilar o

poro, y (r) el radio equivalente del

poro que se llena con mercurio.

Las muestras se colocan en un re -

cipiente impermeable el cual es so -

me tido a vacío y rellenado con un

volumen conocido de mercurio, pos -

te riormente se aplica presión al mer -

curio de forma progresiva. A baja

presión el mercurio sólo es forzado a

penetrar en canales porosos de gran

diámetro de la muestra, así el cambio

de volumen es pequeño. Cuando se

aumenta la presión, el mercurio pe-

netra en los poros más pequeños y

hay una gran reducción de volumen.

En equipos como el porosímetro de

mercurio modelo Autopore II 9220

de la casa Micromerics, el intervalo

de medida de poros del equipo es

aproximadamente entre 3 nm a 360

mm y el rango de presiones de intru-

sión de mercurio de 4x10

-3

a 414

MPa. Los ensayos se realizan uti -

lizando distintas cantidades de mues-

tra (0,6–1,0 g), comprobándose que

la distribución de tamaños de poro

no presenta dependencia con esta

variable experimental. Por el contra-

rio, la proporción relativa de poro -

sidad abierta de las muestras, calcula-

da a partir de la masa y de la canti-

dad total de porosidad abierta, pre-

senta un incremento sistemático al

aumentar la cantidad de muestra uti-

lizada. Por ello, para contar con re-

sultados comparables de este pará-

metro se utilizan iguales cantidades

de muestra para todos los materiales.

En la Figura 3 se muestra la distri bu -

ción de tamaños de poros, obte nida

por porosimetría de mercurio, de

compactos en verde de Al

, obte -

nidos por prensado isostático (A-P-v)

y procesamiento coloidal (A-S-v), las

curvas nos indican cuant it ativamen -

te diferencias en el empaquetamiento

de las partículas, en estos compactos.

Las distribuciones de poros son mo -

no modales y estrechas para todos los

compactos. Para los compactos obte -

MINERALES ARCILLOSOS

PROTOCOLO ESPECIALIZADO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA: UNA REVISIÓN

Uribe et. al., 15–57

nidos a partir del procesamiento co -

loi dal las distribuciones se encuen-

tran desplazadas hacia tamaños infe-

riores; la diferencia, superior al 45 %,

entre los valores del tamaño medio

de poros de los compactos prensados

isostáticamente y los obte nidos por

procesamiento coloidal, evidencia

este desplazamiento. Co mo han

puesto de manifiesto diversos auto-

res, los compactos en verde obteni-

dos a partir de un procesa miento

coloidal alcanzan por lo general

mayor eficiencia de empa queta-

miento y, por consiguiente, mayor

densidad que los obtenidos por pro-

cesamiento convencional (Murashov

et al., 2011).

Figura 3. Efecto del procesamiento

en la porosidad de compactos en verde

de Al

, obtenidos por prensado isos-

tático (A-P-v) y procesamiento coloidal

(A-S-v) (Uribe, 2001)

Evaluación de las propiedades mecá -

nicas

La evaluación de las propiedades

mecánicas para la caracterización de

los materiales, en la que se incluyen

los materiales compuestos, se hace

fundamentalmente utilizando ensa -

yos destructivos. El proceso de ensa -

yo de materiales consiste en tomar

determinada cantidad de muestras

de un material y realizar cierto nú-

mero de pruebas para caracterizar el

com portamiento de este. Los ensayos

mecánicos se realizan ante circuns-

tancias simuladas y con equipo ade-

cuado, de tal forma que los resul ta-

dos tengan validez. Asimismo, exis ten

normas para los procedi mientos de

caracterización mecáni ca. A nivel

mundial, la normativa dis ponible es

extensa. Es así como institutos nor -

malizadores como ASTM, ASME,

ISO, UNE, ICONTEC, INEN, entre

otros, han generado gran cantidad de

normas para diferentes propósitos,

entre los que se incluye la caracte -

rización mecánica.

La Sociedad Americana para Ensayos

y Materiales, ASTM, ha desarrollado

normas para ensayo de materiales

entre las cuales se pueden encontrar

las normas de caracterización de

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

0.01 0.

A-S-v

A-P-v

Intrusión diferencial (cm

/g- m)

Diámetro de poro ( m)

composites. De esta forma, los aná -

lisis para la caracterización mecánica

de los materiales se fundamentan bá-

sicamente en los ensayos de compre-

sión, tracción, flexión e impacto,

bajo procedimientos ASTM. Así, por

ejemplo, para la realización de estos

ensayos, el Laboratorio de Análisis de

Esfuerzos y Vibraciones “LAEV” de la

Escuela Politécnica Nacional del

Ecuador, cuenta con la máquina de

ensayos universales Tinius Olsen mo-

delo “Súper L”, con capacidades de

132000 lbf (587165 N) y 130000 lbf

(578269 N) y la máquina univer sal

de ensayos Tinius Olsen modelo

“H25KS”, con una capacidad de

5620 lbf (25000 N).

Ensayo de compresión

El ensayo de compresión es uno de

los ensayos mecánicos tensión–defor -

ma ción más comúnmente realizado.

El material ensayado se deforma has -

ta la rotura de la probeta, mediante

la aplicación de una fuerza uniaxial

a lo largo del eje principal que au -

menta de manera gradual (Uribe,

2001). Por ejemplo, en cuanto a ma -

teriales cerámicos refractarios indica

la factibilidad de uso del refractario

en la construcción de hornos, dando

el grado de adherencia entre granos

y/o el sistema ligante. Las probetas

para ensayar deben presentar dimen -

siones específicas indicadas en la

norma mencionada en la Tabla 1,

estas requieren mostrar superficies li-

bres de defectos visibles, fisuras o im-

perfecciones. Las marcas ocasio na-

das por operaciones de meca nizado

de la probeta serán cuidado samente

eliminadas con una lima fina o un

abrasivo y las superficies limadas

serán “suavizadas” con pa pel abra-

sivo. Así la resistencia a la compre-

sión es la resistencia que presenta un

cuerpo refractario antes de la apari-

ción de la primera grieta, bajo el es-

fuerzo de compresión. Es importante

considerar los factores que influyen

en la resistencia mecá nica a la com-

presión: densidad apa rente, método

de preparación, porosidad y tempe-

ratura de uso. Así una mayor propor-

ción de porosidad implica mayor

facilidad de generación de fallas, por

ejemplo, un refractario cerámico

moldeable puede alcanzar valores

máximos de resistencia me cá nica a

la compresión de 300 kg/cm

a dife-

rencia de un ladrillo denso de alú-

mina que puede alcan zar los 700

kg/cm

(Camillo, 2005).

MINERALES ARCILLOSOS

PROTOCOLO ESPECIALIZADO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA: UNA REVISIÓN

Uribe et. al., 15–57

Ensayo de flexión

Este método de ensayo determina la

rigidez a la flexión y las propiedades

de resistencia mecánica de un mine-

ral arcilloso o compuesto cerámico.

El procedimiento aplicado corres-

ponde a un sistema de carga en tres

puntos utilizando una carga central

en una viga con apoyos simples

(ASTM C674). Este ensayo es reali-

zado mediante la apli cación de la

carga como lo indica la Figura 4, las

propiedades a flexión pueden variar

dependiendo de la superficie de la

probeta, pues ningún laminado es

perfectamente simétrico. Estas dife-

rencias desviarán el eje neutral y los

resultados se verán afecta dos incluso

por la mínima asimetría presente en

el laminado. Las propie dades a fle-

xión también pueden va riar de

acuerdo con el espesor de la probeta,

ambientes condicionantes o de en-

sayo en el que se ejecutan las prue-

bas, velocidad de aplicación de

esfuerzo. Cuando se evalúan distintos

materiales, los parámetros deben ser

equivalentes para la comparación de

todos los datos obtenidos.

Figura 4. Configuración de carga

a flexión en tres puntos utilizada

(ASTM C674)

Para la realización de este ensayo, se

requieren al menos cinco (5) probe -

tas por cada condición de ensayo, a

menos que se puedan obtener resu l -

tados válidos mediante el ensayo de

menos probetas, como en el caso de

un diseño experimental.

Las dimensiones de las probetas re -

queridas para los ensayos se encuen-

tran indicadas en la norma ASTM, y

de igual manera, las respectivas

ecua ciones que permiten calcular va-

lores para las propiedades a flexión

analizadas. Al igual que en los en -

sayos de tracción y de impacto, las

probetas deben respetar caracte rís -

ticas solicitadas de aspecto superfi -

cial, como es la ausencia de fisuras o

defectos que influyan erradamente en

los resultados del ensayo (Cely et al.,

2015).

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

Dureza. La indentación en materia -

les frágiles

La aplicación de la técnica de inden -

tación ha proporcionado importantes

avances en el estudio de la respuesta

a la deformación y fractura de los

ma teriales sometidos a esfuerzos de

tensión. En comparación con los in -

convenientes de las técnicas conven -

cionales de determinación de la

tenacidad (generalmente ensayos de

flexión en 3 o 4 puntos en probetas

entalladas), la técnica de indentación

tiene una gran aceptación para eva -

luar el comportamiento relativo de

materiales en proceso de investiga -

ción y desarrollo, ya que es una téc -

nica simple, que no requiere grandes

volúmenes de material ni costosos

procesos de preparación de probetas

(Uribe, 2001).

Cuando se hace presión con un cuer -

po duro y rígido (penetrador) en la

superficie lisa y plana de un material

frágil, en la zona cercana al punto de

aplicación de la carga el material

sufre una deformación, inicialmente

elástica y posteriormente plástica. Al

retirar la carga permanece una im-

presión residual (huella) cuyas di -

men siones son función de la dureza

del material y de las características

del penetrador. Si la presión aplicada

es suficientemente alta, se llega a

pro ducir la fractura del material. La

proporción relativa de deformación

plástica y fractura viene determinada

por la tenacidad del material.

La geometría de las zonas de defor -

mación plástica y fractura depende

de la geometría del penetrador. Estos

se pueden clasificar en dos grupos,

esféricos y afilados, en función de

que su geometría sea esférica o pira -

midal, respectivamente. De los pene-

tradores afilados, los más utilizados

son los de tipo Vickers y Knoop, los

cuales originan una geometría de im-

presión que no cambia según va a

avanzando el penetrador en el mate -

rial. La presión media de contacto re-

sulta independiente del tamaño de la

impresión y permite una medida ade-

cuada de la dureza del material, H.

En el caso de una huella tipo Vickers

la dureza, HV, viene dada por:

Donde P es la carga aplicada, a es la

semilongitud de la diagonal de la

huella de indentación y j viene de

2j = 136º que corresponde al ángulo

MINERALES ARCILLOSOS

PROTOCOLO ESPECIALIZADO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA: UNA REVISIÓN

Uribe et. al., 15–57

sen

entre las caras del penetrador Vickers.

En la Figura 5 se muestra el esquema

de formación de las grietas cuando

un penetrador Vickers penetra en un

material. La secuencia del proceso de

deformación y generación de grietas

al aumentar la carga aplicada es la si-

guiente:

• En primer lugar, se forma una zona

de deformación plástica (Figura 5a),

cuyo tamaño aumenta al aumentar

la carga. La relación car ga/tamaño

de la zona viene determinada por

la dureza del material.

• Cuando la carga aplicada alcanza

un valor crítico, se forma una grieta

debajo del punto de contacto pe -

ne trador-material (Figura 5b). Se

denomina grieta mediana y está si-

tuada en el plano de simetría del

campo de tensiones creado.

• Para un tamaño crítico de la zona

de deformación plástica, las grietas

medianas se desestabilizan y se pro -

pagan hacia la superficie del mate-

rial, formando dos grietas circulares

bajo la superficie (Figura 5c).

• Al retirar la carga, las grietas “sub -

superficiales” circulares se pro pa -

gan hasta la superficie dando lugar

a dos grietas semicirculares superfi-

ciales (Figura 5d) que emergen de

los vértices de la huella, son mutua-

mente perpendiculares y se sitúan

en direcciones paralelas a las diago-

nales del penetrador (Figura 5f),

estas grietas se denominan radiales.

En algunos materiales se forman an -

tes las grietas radiales que las media-

nas (Figura 5e). Así debajo de la im-

pronta Vickers se pueden encontrar

dos geometrías de fisuras propagán-

dose en los planos centrales debajo

de la impronta: geometría Palmqvist

(Figura 5e) y geometría radial (Figura

5f). Ambas configuraciones tienen un

aspecto superficial similar y experi-

mentalmente se ha observa do que la

primera configuración ocurre en ma-

teriales de alta tenacidad.

Es posible que se origine un sistema

de grietas interiores adicionales de -

no minadas grietas laterales, las cua -

les se forman en la discontinuidad

zona plástica/material elástico, son

paralelas a la superficie de la muestra

y, cuando la muestra es severamente

cargada, pueden girar interceptando

la superficie. Estas grietas son las res-

ponsables de que, en algunas oca -

siones, se observe el desprendi-

miento del material alrededor de la

huella (desconchado, “chipping” en

terminología anglosajona).

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

Figura 5. Esquema de formación de las

grietas producida por un penetrador

Vickers: a) zona de deformación

plástica, b) formación de la grieta

mediana, c) desarrollo de la grieta

circular interna, d) Desarrollo de las

grietas radiales. En (e) y (f) vista normal

de la huella producida en la superficie:

e) sección a largo de un diagonal tipo

Palmqvist y f) Sección a lo largo de un

diagonal tipo radial

Uno de los aspectos característicos

del mecanismo de formación de grie -

tas durante la indentación es el de

que, en la mayoría de los casos, las

grietas radiales y/o laterales crecen

hasta su tamaño final cuando el pe-

netrador se retira. Esto ha obligado a

admitir la existencia de una tensión

residual, resultado de la incompa -

tibilidad entre la zona deformada

plásticamente y el material (elástico).

Las tensiones, que durante la carga

son de tracción y tienden a abrir la

grieta mediana, son de compresión

durante la descarga. Cerca de la

super ficie el fenómeno es el inverso,

durante la carga las tensiones son de

compresión y durante la descarga se

convierten en tensiones de tracción,

haciendo que las grietas semicir -

culares, parcialmente desarrolladas,

se propaguen completamente.

En la Figura 6 se muestra una imagen

de la huella de indentación Vickers,

realizada con una carga P = 98 N, en

la superficie pulida de una muestra

de Al

- 10 % Al

TiO

(A-10AT). En

la micrografía obtenida por micros-

copía óptica de luz reflejada, MOLR,

se muestran los criterios de defini-

ción de una huella no válida: Grietas

múltiples, huella de indenta ción asi-

métrica y grietas radiales no paralelas

a las diagonales de la huella de in-

dentación.

MINERALES ARCILLOSOS

PROTOCOLO ESPECIALIZADO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA: UNA REVISIÓN

Uribe et. al., 15–57

Figura 6. Imagen de la huella de

indentación Vickers, carga P = 98 N,

en superficie pulida de una muestra

de Al

– 10 % Al

TiO

(Uribe, 2001)

Técnicas de análisis químico y mi -

neralógico

El desarrollo gradual de la tecno -

logía, en especial de las técnicas ins-

trumentales de análisis, ha permitido

obtener más información sobre los

fenómenos que ocurren incluso a es-

cala nanométrica. Los métodos de

caracterización juegan un papel im-

portante en los procesos de síntesis

de nanopartículas cerámicas, ya que

permiten determinar si se están obte-

niendo los resultados deseados en

cuanto a forma, composición y dis-

tribución de tamaños. Varias técnicas

de análisis han contribuido de forma

eficaz al progreso y evo lución de la

nanotecnología; por ejemplo, para la

determinación del tamaño de las par-

tículas se puede emplear microsco-

pía, dispersión de luz láser, difrac-

ción (Reventós et al., 2002).

Para garantizar una caracterización

confiable de los materiales existen

estándares desarrollados por comités

técnicos de ciertas organizaciones,

tales como la ASTM Internacional,

Comisión Internacional Electrotéc -

nica, Organización para la Coopera-

ción Económica y Desarrollo

(OECD), entre otros. Uno de estos

comités es el ISO/TC229 WG4, en-

cargado de realizar documentos

guías y especificaciones para la ca -

racterización de nanomateriales (Mu -

rashov et al., 2011). Un ejemplo de

esto es la norma ISO/TS 10798:2011,

que se refiere a la caracterización de

nanotubos de carbono de pared sim-

ple utilizando microscopía electró -

nica de barrido y análisis de espec-

troscopia de rayos X. Cabe señalar

que también existen normas de salud

ocupacional y medioambiental, por

ejemplo, la norma ISO/TR 13121:

2011 referente a la evaluación de

riesgos de los nanomateriales

(ISO/TS, 2011).

Técnicas de análisis químico

Las técnicas de análisis químico

están basadas en la medida de la in-

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

tensidad de radiación correspon -

diente a las transiciones electrónicas

entre el estado fundamental y los es-

tados excitados de los átomos.

Cuando la transición se produce

desde el estado fundamental hasta el

estado excitado del átomo mediante

la absorción de radiación de una de-

terminada frecuencia (característi ca

para cada átomo), estamos en el caso

de las técnicas de absorción (Reven-

tós et al., 2002). En el caso en que los

átomos se lleven previamente a un

estado excitado y se mide la in -

tensidad de radiación emitida a la

frecuencia característica correspon -

diente a la transición desde el estado

excitado al estado fundamental, ha-

blamos de técnicas espectrofotomé-

tricas de emisión (Albella et al.,

1999).

Por ser todas ellas suficientemente

conocidas no se describen sus funda-

mentos, recomendándose la extensa

obra de Potts (1987) y Willard et al.

(1991). Mundialmente el análisis quí-

mico de materiales y en especial de

los polvos se realiza siguiendo la me-

todología y protocolos establecidos

por el laboratorio de análisis. Los fac-

tores que se consideran a la hora de

elegir la técnica analítica más ade-

cuada son la precisión y la exactitud

de los resultados. Por ejemplo, para

el análisis químico de un mineral no

metálico se pueden seleccionar las

siguientes técnicas (Uribe, 2001):

• Gravimetría: para la determinación

de la SiO

• Fotometría de llama: para la deter -

minación de los óxidos alcalinos

(Na

O, K

O).

• Espectrometría de emisión atómica

con fuente de plasma acoplado por

inducción (ICP-AES): para la deter -

minación del Fe

, TiO

, Al

CaO, MgO, SiO

• La Fotometría de llama utiliza una

llama como fuente de excitación y

un fotodetector electrónico como

dispositivo de medida. Se trata

prin cipalmente de un método sen -

cillo y preciso de análisis cuanti -

tativo, para determinación de meta-

les alcalinos, la mayor parte de los

alcalinotérreos y algún otro ele -

men to metálico, aunque es posible

analizar todas las longitudes de

onda del espectro de emisión (es -

pec trofotometría de llama o foto -

metría de llama).

• Espectrometría de Emisión Atómica

con fuente de plasma acoplado por

inducción ICP con detector de es-

tado sólido, tiene la ventaja de

MINERALES ARCILLOSOS

PROTOCOLO ESPECIALIZADO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA: UNA REVISIÓN

Uribe et. al., 15–57

poder captar simultáneamente todo

el espectro, desde el ultravioleta

hasta el infrarrojo gracias al detec -

tor de estado sólido. Con este tipo

de detector se puede utilizar la

práctica totalidad de líneas de emi -

sión de cualquier elemento inclui-

das en la librería espectral. El

equipo va provisto de un monocro-

mador de red plana con dis persión

cruzada que proporciona un gran

poder de resolución y un espectro

bidimensional.

En el caso del estudio de los mine -

rales no metálicos y en los especifico

los arcillosos la presencia o ausencia

de determinados elementos en deter -

minadas proporciones, puede, en

efec to, tener significado en la deter -

minación del comportamiento a la

cocción, más, sin embargo, pocas

veces proporciona información algu -

na sobre la trabajabilidad de la ma-

teria en estudio (molienda, ato miza-

ción, prensado, etc.). Lo inte resante

es poder combinar los datos compo-

sitivos con los datos estructurales (ver

apartado de análisis térmicos), a fin

de obtener resultados precisos y óp-

timos del compor ta miento tecnoló-

gico del mineral o composición en

estudio (Sánchez et al., 1978).

En la Tabla 3 se puede observar que

las materias primas objeto de estudio

poseen tenores de óxidos del orden

establecido para minerales arcillosos,

lo que permite inferir un buen com-

portamiento de las arcillas en pro-

ducción. Sin embargo, no se pue de

limitar este comportamiento a la lista

de óxidos presentes, ya que estos

pueden combinarse de distinto modo

para dar lugar a fases mineralógicas

de diversa y significativa importancia

de comportamiento en la produc -

ción, sin dejar de considerar, por otra

parte, la variabilidad de composición

en el mismo yacimiento arcilloso. Sin

embargo, podemos acotar positiva -

men te que la proporción de óxidos

férrico detectado es muy inferior al lí-

mite máximo (10 %) permitido en

productos de quema roja. Asimismo,

otros óxidos (Na

O, K

O, TiO

, etc.),

están presentes en cantidades míni -

mas y globalmente no superan el 5 %

máximo permitido. Los productos ce-

rámicos también adquieren dife ren -

tes coloraciones en función de la

relación de los diferentes óxidos pre -

sentes en las arcillas, por ejemplo, se

obtiene el color amarillo, marrón

claro y oscuro cuando se da la rela-

ción Fe

:CaO = 0,6:0,8 y da color

amarillo brillante y amarillo, si

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

:CaO = 0,5:0,6. Los óxidos de

manganeso proporcionan el color

naranja y el color negro (Uribe,

2020).

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Uribe et. al., 15–57

Tabla 3. Análisis químico por ICP de minerales arcillosos de la Sierra de Ecuador,

según la norma ASTM C323 (Uribe, 2020)

Mineral Arcilloso

Análisis Químico (%)

SiO

CaO MgO Na

O K

O TiO

P.F. Total

Arcilla (AR-PI-15-01) 66,24 17,25 4,23 0,99 0,75 1,62 0,84 0,55 7,53 100

Arcilla (AR-BO-15-01) 60,12 20,04 3,33 2,04 0,95 1,89 0,83 0,53 10,27 100

Arenosa (SI-CH-15-01) 75,33 7,56 3,66 2,97 0,31 1,99 1,81 0,33 6,01 100

Arena (SI-PI-15-01) 89,37 1,01 4,54 0,05 0,22 0,30 0,14 0,09 4,28 100

Difracción de rayos X

Los rayos X son una forma de radia-

ción electromagnética de elevada

energía. La longitud de onda de estos

rayos está en el orden de 10

-10

m y es

similar a la distancia interatómica

que existe en los materiales cristali-

nos, (Cañada, 2006). La difracción de

rayos X es un fenómeno de interfe-

rencias constructivas, que consiste en

la incidencia de un haz de rayos X

sobre un material sólido. Para que se

realice este proceso se debe cumplir

con la ley de Bragg y los átomos del

material sólido deben tener una dis-

posición ordenada dentro de su es-

tructura. La ley de Bragg relaciona la

longitud de onda de los rayos X con

la distancia interatómica y el ángulo

de incidencia del haz sobre la mues-

tra (Melgarejo et al., 2010).

La difracción de rayos X permite la

identificación de fases cristalinas de

la muestra, el análisis cualitativo y

cuantitativo de muestras cristalinas,

policristalinas y amorfas y puede ser

aplicada en los siguientes campos:

• Química inorgánica, cristalografía,

física del estado sólido, física apli-

cada, mineralogía, química analí-

tica, química orgánica, farmaco-

logía.

• Ciencia de materiales: cerámicos,

materiales de la construcción, ca-

tálisis.

• Ciencias ambientales: residuos só-

lidos cristalinos, polvos en suspen-

sión.

• Arqueología: análisis de fases de

muestras.

Específicamente, en el área de la na-

notecnología cerámica, esta técnica

permite determinar la cristalinidad y

el parámetro de red de nanopartícu-

las, nanocables y películas delgadas

(Cao, 2004), así como también la es-

tequiometria de las nanopartículas

sintetizadas, con lo cual es posible

determinar si se han obtenido los re-

sultados esperados de la síntesis y si

ha existido alguna contaminación en

la muestra.

En las Figuras 7 y 8 se muestran algu-

nos ejemplos de determinación de

naturaleza mineralógica en minerales

No metálicos y de evolución de fases

cristalinas en materiales estructurales,

mediante difracción de rayos X.

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

Figura 7. Difractogramas de rayos X de polvos. Arcilla Meléndez, Venezuela

Microscopía electrónica

Los microscopios electrónicos son

instrumentos científicos que, en lugar

de utilizar luz visible, utilizan un haz

de electrones de alta energía para

examinar y caracterizar objetos en

escala nanométrica. El haz de elec-

trones posee una longitud de onda de

alrededor de 0,5 Å, que permite ob-

servar objetos en el orden manomé-

trico (Martín, 2020). En microscopía

electrónica se requiere que los elec-

trones sean acelerados mediante

altos voltajes y que el sistema trabaje

con presiones muy bajas, incluso en

el vacío, para evitar que los electro-

nes que viajan con una trayectoria

prefijada, desde la fuente hasta la

muestra, se desvíen por la presencia

de átomos o moléculas extrañas que

no son parte de la muestra a analizar

(Torres et al., 2011).

Existen dos tipos de microscopios

principalmente, el microscopio elec-

trónico de barrido y el microscopio

electrónico de transmisión. Ambos

utilizan a los electrones como una

fuente de iluminación, lentes electro-

magnéticas para que converjan el

haz de electrones sobre la muestra,

lentes objetivos para que se pueda

magnificar la imagen y lentes protec-

tores que permiten observar la forma,

MINERALES ARCILLOSOS

PROTOCOLO ESPECIALIZADO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA: UNA REVISIÓN

Uribe et. al., 15–57

Figura 8. Difractogramas de rayos X de polvos. Materiales de Al

TiO

obtenidos a partir de un ciclo térmico simple,

a las temperaturas indicadas y durante 3 horas (Uribe, 2001)

la estructura interna y el ordena-

miento atómico de la muestra. Con

estos microscopios se puede combi-

nar un detector de rayos X para de-

terminar la composición atómica de

la muestra que se está observando

(Martín, 2020).

Microscopía electrónica de barrido,

MEB

Es importante mencionar que la

muestra a ser analizada mediante mi-

croscopía electrónica de barrido

debe cumplir ciertos requerimientos,

tales como ser compatible con el sis-

tema de vacío del instrumento y ser

eléctricamente conductora. Las

muestras que no son conductoras

pueden ser recubiertas con una fina

capa conductora (5 nm) de un metal

como el oro, platino, paladio, etc.

(Martín, 2020). Las ventajas que pre-

senta el microscopio electrónico de

barrido son (Poblete, 2020):

• Utiliza un haz móvil de electrones

que escanea punto por punto la

muestra en áreas seleccionadas,

por lo que se obtiene una imagen

ampliada tridimensional y realista

de la superficie del objeto.

• La muestra no requiere el corte en

capas para ser observada.

En la caracterización de nanopartícu-

las, el MEB provee información sobre

el tamaño de partícula, morfología,

presencia de aglomerados. Además,

al combinarse este método con capa-

cidades de análisis químico, el mi-

croscopio electrónico de barrido es

capaz de proporcionar información

detallada de la composición química

(Poblete, 2020). En la Figura 9, se

muestra una imagen de un com-

puesto de estructural de Al

- 10 %

TiO

, obtenido vía prensado isos-

tático (P) y vía suspensión (S), some-

tidos a un proceso de sinterización

controlada a 1500 °C. Se observa el

efecto del procesamiento en el creci-

miento de los granos de la matriz de

, factor que se evidencia cuan-

titativamente con la curva de distri-

bución de tamaño de partícula

obtenida a partir de la técnica de

análisis de imagen.

Espectroscopia de infrarrojos

La espectroscopía es una técnica de

análisis que estudia la interacción de

la radiación electromagnética con la

materia y mide la luz absorbida a di-

ferentes longitudes de onda. La es-

pectroscopía de infrarrojo se basa en

la absorción de la radiación infrarroja

por las moléculas en vibración, su

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

objetivo principal es la determina-

ción de los grupos funcionales pre-

sentes en una muestra, la cual puede

ser sólida, líquida o gaseosa. Una

molécula absorberá la energía de un

haz de luz infrarroja cuando la ener-

gía incidente sea igual a la necesaria

para que se dé un cambio de vibra-

ción en la molécula, este tipo de vi-

braciones deben generar un cambio

en el momento dipolar de la molé-

cula para que se produzca la absor-

ción (Skoog et al., 2001).

La energía relacionada con el infra-

rrojo no es lo suficientemente alta

como para excitar los electrones,

pero puede inducir excitación vibra-

toria de los átomos unidos por enla-

ces covalentes. Las vibraciones que

experimentan los átomos están en el

rango de 1011 a 1013 Hz. En la Fi-

gura 10 se puede observar un espec-

tro obtenido para una muestra de

Hidroxiapatita, en el cual se puede

apreciar los diferentes grupos funcio-

nales encontrados en la muestra

(Uvillus, 2018).

MINERALES ARCILLOSOS

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Uribe et. al., 15–57

Figura 9. Imagen de compuestos de estructurales

de Al

-(10%) Al

TiO

obtenidos vía prensado isostático (P)

y vía suspensión (S) (Uribe, 2001)

Figura 10. Análisis FTIR de la deposición de Hidroxiapatita

a las mejores condiciones encontradas en el método electroquímico,

en los diferentes sustratos estudiados

(Uvillus, 2018)

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

La espectroscopía de infrarrojo es

ampliamente usada en la caracteriza-

ción de compuestos, el requisito más

importante para utilizar esta técnica

es que la molécula a analizar sea ac-

tiva en la región del IR. Entre sus ven-

tajas podemos citar las siguientes:

Caracterización de compuestos orgá-

nicos e inorgánicos, análisis de

muestras en estado sólido, líquido o

gaseoso, identificación de grupos

funcionales en sustancias desconoci-

das, análisis cuantitativo de las mues-

tras y análisis de films poliméricos.

Técnicas de análisis térmico

Cuando algún parámetro físico de un

material es medido de manera conti-

nua, en función del aumento y/o va-

riación controlada de la temperatura

a la que está siendo sometido, pode-

mos decir que estamos en presencia

de un análisis térmico. Esta denomi-

nación engloba un conjunto de téc-

nicas analíticas que estudian el com-

portamiento térmico de los materiales.

Cuando un material se calienta o se

enfría, su estado, es tructura cristalina

y su composición química pueden

sufrir cambios más o menos impor-

tantes (Camillo, 2005):

• Fusión: paso del estado sólido al

estado líquido.

• Sublimación: paso del estado só-

lido al estado gaseoso.

• Solidificación: paso del estado lí-

quido al estado sólido.

• Cristalización: paso al estado só-

lido ordenado.

• Amorfización: paso al estado sólido

desordenado.

• Transición: cambio en su estructura

cristalina.

• Reacciones: de oxidación, altera-

ción, descomposición, etc.

• Expansión y compresiones en su

volumen.

• Cambios texturales: sinterización,

recristalización, etc.

En el análisis térmico:

• La Termogravimetría / Análisis Ter-

mogravimétrico, ATG (Thermo Gra-

vimetric Analysis, TGA): configura

la base de los cambios de perdida

y/o ganancia de peso del material

sometido a tratamiento.

• El Análisis Térmico Diferencial,

ATD, (Differential Thermal Analy-

sis, DTA) o la Calorimetría Diferen-

cial de Barrido (Differential Scan-

ning Calorimetry, DSC): configura

la medida de los cambios de ener-

gía, es decir indica si una reacción

es endotérmica o exotérmica, in-

cluso se puede medir la variación

de calor.

• El Análisis Termomecánico, TMA:

(Thermomechanical Analysis, ATM):

mide la variación dimensional del

cuerpo en función de la tempera-

tura, y en algunos casos en simul-

táneo con la aplicación de una

carga.

Este tipo de análisis, además de re-

presentar un obvio método para ob-

servar y prever el comportamiento de

una materia prima o de una compo-

sición (pasta cerámica), durante el se-

cado, cocción o el enfriamiento,

representan una óptima ayuda para

la determinación de la composición

mineralógica de una mezcla, al ob-

servar los diferentes tipos de efectos

en estrecha correlación con la estruc-

tura cristalina y las transformaciones

de fase de los diferentes minerales, y

representan también una posible

ayuda en la determinación de los pa-

rámetros químicos, por ejemplo me-

diante la posibilidad de reconocer la

presencia de minerales y sales como

la dolomita, carbonatos, sulfatos,

fluoruros, etc. (SACMI-ATC, 2004).

Los instrumentos para los análisis tér-

micos se componen fundamental-

mente de un cabezal de medida,

apropiado para acoger la muestra a

analizar en la justa forma física y

transformar las variaciones de esta

MINERALES ARCILLOSOS

PROTOCOLO ESPECIALIZADO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA: UNA REVISIÓN

Uribe et. al., 15–57

muestra en señales eléctricas ampli-

fícales y manejables, y de un sistema

de calentamiento, basado normal-

mente en resistencias eléctricas, que

debe presentar fuertes características

de estabilidad, homogeneidad y pro-

gramabilidad, asegurando así la per-

fecta reproducibilidad de las medidas

(SACMI-ATC, 2004).

Durante el calentamiento de un mi-

neral se pueden presentar cambios fí-

sicos y químicos (Camillo, 2005,

Cely et al., 2015):

• Los cambios físicos están relacio-

nados con las transiciones polimor-

fas, por ejemplo, del α-cuarzo

trigonal al β-cuarzo hexagonal y

con la fusión de minerales.

• Los cambios químicos son más di-

versificados durante el calenta-

miento mineral, los más comunes

se pueden observar en la Tabla 4:

Tabla 4. Cambios químicos asociados

al calentamiento de minerales arcillosos

Disociación Ca (CO

) → CaO + CO

Deshidratación Ca(SO

)*2H

O →

Ca(SO

) + 2H

Descomposición Fe(CO

) → FeO + CO

Descomposición Ca(CO

) + SiO

→

e intercambio Ca(SiO

) + CO

• Los mismos procesos en minerales

diferentes con estructuras del

mismo tipo se caracterizan por

temperaturas distintas, debido a las

diferencias en la composición.

• Las impurezas químicas también

influyen en las temperaturas de los

cambios en los minerales.

• Aparte de la temperatura, cada

proceso se caracteriza por su

“calor interno”.Algunas reaccio-

nes producen calor y tienen lugar

espontáneamente, una vez alcan-

zada la temperatura necesaria, son

reacciones exotérmicas. En otros

casos, el mineral calentado nece-

sita un aporte adicional de calor

para empezar y desarrollar la reac-

ción, son reacciones endotérmicas.

• Otra característica importante de

las alteraciones térmicas en mine-

rales es el cambio de peso, relacio-

nado con la pérdida de los compo-

nentes volátiles CO

y H

Análisis termogravimétrico, ATG

Está basado en la medida de la varia-

ción de la masa de una muestra

cuando esta se somete a un cambio

de temperatura en una atmósfera

controlada. Esta variación puede ser

una pérdida o una ganancia de masa.

El registro de estos cambios nos dará

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

información sobre si la muestra se

descompone o reacciona con otros

componentes. La Termogravimetría

puede utilizarse conjuntamente con

otras técnicas, como por ejemplo

ATD o DSC, ya que permiten obtener

información complementaria sobre

el comportamiento térmico de una

muestra. En el ATG se estudian los si-

guientes tipos de reacciones (Donat,

2005):

• Sólidos que se descomponen for-

mando gases

• Sólidos que se descomponen for-

mando un residuo sólido con uno

o varios gases

• Sólidos que reaccionan sobre un

gas y formando un residuo gaseoso

• Reacción de dos sólidos con for-

mación de un nuevo sólido y de un

gas por lo menos

• Formación de un gas sólido sobre

un gas con formación de un nuevo

sólido y de uno o varios gases

En cuanto a los factores que afectan

la forma de lo termogramas tenemos

(Donat, 2005):

• La naturaleza de la atmósfera a la

cual se realiza el ensayo

• La forma del crisol

• La disposición del material dentro

del crisol

• El estado de división de la materia

• La masa de materia utilizada

• La velocidad de calentamiento

• El estado higrométrico de la mate-

ria

En las curvas del ATG obtenidas de

minerales arcillosos se observan pér-

didas de peso provocadas por:

• Pérdidas de agua

• Descomposición de los hidratos

• Descomposición de los carbonatos

• Descomposición de la materia or-

gánica

• Oxidación, sulfatación, carbura-

ción (producen aumento de peso)

Análisis térmico diferencial, ATD

Se someten a un ciclo térmico tanto

a la muestra como a un material de

referencia, que es inerte desde el

punto de vista térmico, físico y quí-

mico, y se mide la diferencia de tem-

peratura entre la muestra y el material

de referencia, en función del tiempo

(temperatura constante) o de la tem-

peratura alcanzada en cada mo-

mento. En principio, se trata de una

técnica cualitativa que permite detec-

tar si se dan procesos endotérmicos

o exotérmicos en nuestra muestra, e

indica la temperatura a la cual tienen

lugar estos cambios energéticos. Con

MINERALES ARCILLOSOS

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Uribe et. al., 15–57

un adecuado calibrado del equipo es

posible convertir el ATD en una téc-

nica semicuantitativa para poder ob-

tener información sobre la cantidad

de calor involucrado en los procesos.

En los métodos de ATD o DSC los

cambios que experimenta el material

se controlan midiendo la diferencia

de temperatura (T) entre una muestra

(S) y una de referencia (R) para el

ATD y, midiendo para mantener a la

misma temperatura (S) y (R) la canti-

dad de calor que hay que suministrar

para mantener el equilibrio, cuando

se trabaja el DSC. Este registro de

flujo de calor suministra una medida

de la cantidad de energía absorbida

o desprendida en una determinada

transición (Albella, 1999). Factores

que afectan las curvas ATD/DSC de-

bidos a la propia muestra:

• Cantidad de muestra (área de pico

proporcional)

• Tamaño de partícula (polvos, lami-

nas)

• Compactación de la muestra (inte-

racción atmosfera del horno)

• Capacidad calorífica y conductivi-

dad térmica (forma y grado de

compactación)

• Diluyentes (sin reacción con la

mues tra)

Factores instrumentales que afectan

las curvas ATD/DSC:

• Velocidad de calentamiento (de 5

a 20 C/min aumenta temperatura y

pico de reacción)

• Naturaleza del portamuestras (vi-

drio, cuarzo, cerámico, metálico y

aluminio para DSC)

• Termopares ( en contacto directo

con portamuestras)

• Atmósfera del horno (estática o di-

námica, activa o inerte)

Así para optimizar los resultados del

ATD/DSC esencialmente debemos

considerar (Albella, 1999):

• Cantidad de muestra: La elección

de la cantidad de muestra depende

de la naturaleza del problema a in-

vestigar. Si queremos medir un

efecto térmico de muy pequeña

magnitud, tales como las transicio-

nes de segundo orden o transicio-

nes vítreas en polímeros; será

necesario utilizar más muestra que

si queremos medir un efecto tér-

mico muy acusado, tal como un

punto de fusión. Una buena canti-

dad de muestra suele ser entre 1-10

mg. Trabajando una pequeña can-

tidad de muestra se consigue:

– Máxima resolución de picos

– Picos en forma regular

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

– Mejor contacto con el porta-

muestras

– Facilita la eliminación de voláti-

les

– Minimiza el gradiente térmico en

la muestra

– Permite utilizar mayores veloci-

dades de calentamiento.

Por otra parte, trabajar con grandes

cantidades de muestra:

– Permite la detección de pequeños

efectos endotérmicos

– Las medidas de las cantidades

son más precisas

– Se produce mayor cantidad de

productos volátiles.

Velocidad de calentamiento: Si se

trabaja con grandes cantidades de

muestra es necesario trabajar a velo-

cidades bajas, debido a mayores gra-

dientes de temperatura.

Curvas características ATG y ATD

En la imagen de la Figura 11 se ob-

servan las reacciones endotérmicas y

exotérmicas típicas del ATD, asi-

mismo la curva de variación de masa

del ATG. Se observa que por lo gene-

ral estas curvas se presentan simultá-

neamente en una misma imagen, a

fin de verificar la coincidencia los

distintos procesos térmicos que sufre

el material, cuando es sometido a ci-

clos de sinterización controlados.

MINERALES ARCILLOSOS

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Figura 11. Curvas típicas del Análisis Térmico Diferencial, ATD

y Análisis Térmico Gravimétrico, ATG de minerales arcillosos

En la imagen de la Figura 12 se ob-

servan las reacciones endotérmicas y

exotérmicas típicas del ATD y ATG

de una arcilla venezolana. En la

curva ATD se observa:

• A 91,59 °C, se produce una reac-

ción endotérmica. Dicha reacción

es debida a la salida del agua de

humedad en el material.

• A 313,91 °C un leve pico endotér-

mico es observado, debido a la

pérdida de hidratos presentes Goe-

tita (Fe

.3H

O) y Halloisita:

(2SiO

.AL

.nH

O). La presencia

de los hidratos también fue obser-

vada mediante en los espectros de

rayos X.

• A 525,52 °C, se aprecia una fuerte

reacción endotérmica producto de

la eliminación del agua de consti-

tución de la caolinita.

• A 571,06 °C, ocurre la transforma-

ción alotrópica del cuarzo α →

cuarzo ß, dando como resultado

un pico endotérmico cuya intensi-

dad dependerá de la cantidad de

cuarzo en la muestra.

• Se observa un pico exotérmico apro-

ximadamente sobre los 1000 °C,

causado por la formación de mu-

llita; 2SIO

3AL

En la curva ATG se observa:

• Entre la temperatura ambiente 25-

110 °C, se produce una primera

pérdida de peso de aproximada-

mente 0,2 %, la cual es producto

de la eliminación del agua de hu-

medad contenida en el material.

• La presencia de hidratos de hierro

y Halloisita generaron en el mate-

rial una segunda pérdida de masa,

del orden del 1 % entre los 130-

350 °C.

• En el intervalo de temperatura de

450-590 °C, se observa una pér-

dida de masa de aproximadamente

un 3,7 %, causada por la elimina-

ción del agua de constitución.

InfoANALÍTICA 9(2)

Agosto 2021

Gracias a que se ha dado paso a la

normalización mundial de métodos,

ensayos y prácticas de análisis,

acompañados éstos de equipos de

medición de alta tecnología, de gran

precisión y exactitud, el aporte cien-

tífico actual está dado por la posibi-

lidad no solo de caracterizar los

materiales cerámicos, sino también

de evaluar, predecir y diseñar el com-

portamiento de los nuevos materiales

y lo más importante valorar su utili-

dad en diversas aplicaciones tanto in-

dustriales como artesanales. En

función de esto se hace necesaria la

valorización especializada descrita

de materias primas, procesos y mate-

riales cerámicos, a fin de alcanzar el

control optimo y sistematizado, tanto

de las características de los minerales

arcillosos, como de las propiedades

de los productos cerámicos.

MINERALES ARCILLOSOS

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Uribe et. al., 15–57

Figura 12. Curvas típicas del Análisis Térmico Diferencial, ATD

y Análisis Térmico Gravimétrico, ATG de una arcilla venezolana

CONCLUSIÓN

Los autores agradecen el aporte in-

vestigativo realizado por el Centro de

Asistencia a la Industria Cerámica

perteneciente a FUNDATEC, Caracas

Venezuela. Asimismo, agradecen al

Vicerrectorado de Investigación y Pro-

yección Social de la Escuela Politéc-

nica Nacional por el apoyo y financia-

miento prestado a través del proyecto

PIS-16-13: “Optimización tecnológica

de productos cerámicos industriales

y/o artesanales del Ecuador”.

AGRADECIMIENTOS

LISTA DE REFERENCIAS

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