Practica N°1 Diego Curay1, Violeta Molleturo2, Christian Picón3, Felipe Cobo Christian Bennett, Mgt. Catalina Peñaherrera. Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Carrera de Ingeniería Química Asignatura: Tecnología de Cerámicas Cuenca – Ecuador, Fecha de entrega: 03-03-2020 1. TÍTULO: Prueba empírica de plasticidad 2. OBJETIVOS: Entender concepto de plasticidad. Diferenciar los diferentes grados de plasticidad en arcillas y compararlos con los materiales no plásticos. Observar influencia del tamaño de grano en la plasticidad de un material. 3. MARCO TEÓRICO Plasticidad de las arcillas La plasticidad es la característica más sobresaliente de las arcillas. La distinguimos porque, gracias a ella, el objeto modelado conserva la forma. La plasticidad guarda una estrecha relación con la estructura laminar de las partículas y el agua. Sin el agua no existiría la plasticidad, pues las partículas no podrían deslizarse unas sobre otras. Cuanto más plástica es una arcilla, más agua absorberá. De aquí se desprende el concepto de agua de plasticidad, esto es, el porcentaje de agua necesario para que cualquier tipo de arcilla o pasta posea la flexibilidad requerida para ser trabajada con un método concreto de fabricación. (Doménech et al., 1994) Podría decirse que la industria cerámica se funda en el hecho de que las arcillas tienen la propiedad de la ‘plasticidad’ y sin embargo esta característica fundamental no puede definirse o medirse correctamente. El termino plástico cuando se aplica a la arcilla, se acepta con el significado de que una arcilla puede absorber agua y, con una cantidad dada, llegar a un estado en que por aplicación de presión puede deformarse sin ruptura, y conservar la nueva forma cuando desaparece la presión. Si a continuación se somete a secado, la capacidad de deformación se pierde gradualmente y la arcilla se vuelve relativamente dura y frágil, por lo tanto la plasticidad puede definirse como la capacidad de un material para ser deformado sin ruptura por la acción de una fuerza y de retener, posteriormente, la deformación alcanzada cuando esta fuerza es eliminada. La plasticidad es una propiedad muy compleja. Para que pueda deformarse una arcilla debe existir un cierto flujo de unas partículas sobre otras. Para conservar la forma debe existir resistencia a fluir. En otros términos, inicialmente existe una resistencia a la presión aplicada, comportándose la arcilla elásticamente, hasta que la presión alcanza un cierto valor mínimo, el límite de elasticidad; pasado éste se produce el flujo. Después el flujo se hace proporcional al exceso de intensidad de cizallamiento. La porción recta de la curva de intensidad de flujo en función de la fuerza no pasa por el origen, y, por lo tanto, el coeficiente de viscosidad no es constante, sino que varía con la intensidad de cizallamiento. Este tipo de flujo se denomina elástico-plástico, para diferenciarlo del flujo viscoso exhibido por los líquidos. La plasticidad esta inherentemente ligada con las relaciones fisicoquímicas entre las partículas coloidales de arcilla y el agua, y de aquellas entre sí, y por lo tanto, se ve afectada por siguientes factores: 1. 2. 3. 4. Composición mineralógica Tamaño de partícula y distribución de tamaños Capacidad de cambio de catión, cationes y pH. Tensión superficial del agua. La plasticidad de las arcillas naturales depende de la naturaleza de la fracción muy fina, que con frecuencia es diferente del resto de la arcilla. En esta fracción existen la mayoría de los minerales de arcilla y se ha encontrado que la parte más fina contiene algunas veces minerales de arcilla no presente en las fracciones más gruesas, por ejemplo, montmorillonitas en caolinita, los cuales tienen una influencia muy acusada sobre la plasticidad del conjunto. La plasticidad relativa de los minerales de arcilla propiamente dichos se ha clasificado como sigue: Baja: dickita < sílex < illita < nontronita < hectorita < caolinita < montmorillonita. Alta. Dicha propiedad está relacionada con la finura de partícula en la que se presentan estos minerales y notablemente más con su carga o su capacidad de cambio de catión, de las cuales se derivan sus fuerzas relativas de atracción y de repulsión. Los minerales de alta capacidad de cambio de catión poseen elevada plasticidad, pero ésta es más susceptible a las variaciones del medio ambiente catiónico. Sullivan investigo el efecto de los cationes intercambiables sobre ñas propiedades del moldeo de arcillas de igual contenido de agua torciendo barras hasta el punto de rotura: Límite de elasticidad creciente: Li, Na, Ca, Ba, Mg, Al, K, Fe, NH4, H. Par máximo creciente: Li, Na, Ca, Ba, Mg, Al, Fe, K, H, NH4 Angulo decreciente para par máximo: Li, Na, Ba, Mg, K, Ca, Fe, NH4, Al, H, Fe. El hecho de que el orden no es siempre el mismo indica la imposibilidad de relacionar directamente las técnicas de laboratorio con la plasticidad. En términos más generales los cationes pequeños de alta carga hacen que el coloide de arcilla retenga agua sobre su superficie más fuertemente y en mayor cantidad. El agua forma una película alrededor de los granos individuales, los cuales se absorben entonces para formar una sola pieza plástica. La fuerza requerida para romper la pieza depende de la fuerza de enlace del agua a la superficie de la arcilla. Cuando se adsorben iones opuestos alcalinos la envoltura del agua está mantenida con menor fuerza que cuando están presentes H+ o Ca+2 y estas arcillas son más deformables, pero se rompen más fácilmente. Se requiere más agua para producir una masa plástica de la misma resistencia con una arcilla-H o una arcilla-Ca que con una arcilla-Na, pero la pasta cruda es resistente y menos propensa a perder su forma. (Singer & Singer, 1976) Importancia industrial de la plasticidad Es una práctica frecuente relacionar la plasticidad de las pastas arcillosas con su comportamiento en las diferentes etapas del proceso de fabricación. Esto es posible debido a que las propiedades del mineral arcilloso que determinan el comportamiento plástico (distribución de tamaños de las partículas, superficie específica, mineralogía, etc.), también determinan las propiedades que controlan dichas etapas. La existencia de estas relaciones empíricas hace que la plasticidad sea un parámetro habitual en la formulación y ajuste de composiciones arcillosas, en las que se mezclan materiales de diferente plasticidad hasta obtener una mezcla con un comportamiento óptimo. Como norma general, puede decirse que la plasticidad óptima es la mínima necesaria para que el proceso de moldeado se realice adecuadamente, y para que no existan problemas posteriores de deformaciones o de escasa resistencia mecánica de las piezas verdes o secas. Las pastas con escasa plasticidad procesadas por extrusión, requieren ser conformadas a una consistencia excesivamente baja con el fin de obtener un flujo adecuado durante el moldeo, lo que motiva que se produzcan deformaciones del producto en verde con facilidad. Además, estas composiciones poseen normalmente un estrecho intervalo de humedades de trabajo, ya que la consistencia de las mismas varía considerablemente con su humedad. Por otra parte, una plasticidad elevada origina una mayor dificultad de secado y un aumento de la tendencia a la formación de grietas, debido a una mayor retención de agua y a una escasa permeabilidad. En las pastas moldeadas por prensado, el comportamiento de las piezas durante la fase de extracción del molde está muy influenciado por la razón resistencia mecánica en verde/fuerza de extracción, apareciendo fisuras y laminaciones cuando esta relación es baja. La plasticidad también es útil como parámetro de control de calidad, debido a su sensibilidad para detectar variaciones de las propiedades físico-químicas de los materiales arcillosos. 4. MATERIALES Y REACTIVOS: Materiales Arcillas de plasticidad alta, media y baja. Cuarzo en arena y molido. Agua Probeta de 100 ml Bandejas Espátula Bolsas plásticas Equipos Reactivos Balanza Tamiz 20 ASTM 5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Moler las arcillas en el molino de martillos y tamizarlas en el tamiz N° 20 ASTM Pesar 100 g de cada arcilla, de la arena de cuarzo y del cuarzo molido. Medir 100 ml de agua en la probeta. Mezclar cada material con agua, añadiéndola de poco a poco, hasta que alcance el estado plástico (que sea compacta y moldeable pero que no se adhiera a las manos) Anotar la cantidad de agua consumida por cada material. Formar con cada material en estado plástico una cinta o un rollo y doblarlo formando un aro. Verificar: si se mezcla bien con el agua formando una masa plástica, si se forma fácilmente el rollo y si al doblar para formar el aro se forman fisuras. Observar que pasa con el cuarzo como arena y con el cuarzo molido. Observar la relación entre la cantidad de agua usada con la plasticidad de los materiales. 6. RESUTADOS Y DISCUSIÓN Materi al Cantida Cantida Facilida Facilida d de d de d para d para materia agua formar formar l rollo aro Arena cuarzo molido 418 g 126 ml Cuarzo Arena 406 g 55 ml Ball Clay 400 g 109 ml San Marcos 400 g 130 ml Sininca y 400 g 145 ml Astillad o 400 g 110 ml Dificultad media al formar el rollo Difícil formar el rollo Dificultad media al formar el rollo Dificultad alta al formar el rollo No existe dificultad para formar el rollo Dificultad baja para formar el rollo Clasificaci ón Observacion es Dificultad para formar el aro No se puede formar aro Dificultad para formar el aro Dificultad para formar el aro Fácil armado del aro Plasticidad baja Se presentan roturas al armar el aro No es plástica No se puede armar el aro Plasticidad media Se presentan pequeñas roturas al armar el aro Se presentan roturas al armar el aro Plasticidad alta No existe ninguna rotura ni dificultad al armar el aro Dificultad baja para formar el aro Plasticidad media Se presentan pequeñas roturas al armar el aro Plasticidad baja En función de los datos anteriores se clasifican a los materiales como de: plasticidad alta, media, baja o nula. 7. Discusión Como se puede observar en la tabla el cuarzo no posee plasticidad cuando este no está molido y cuando lo está el tamaño de partícula es un claro ejemplo de que ayuda a que presente propiedades plásticas, sin embargo, estas no perdurarán en el tiempo y significaría un mayor gasto energético en la industria, además en este material se observa que la cantidad de agua que se requiere en cada uno de los casos depende directamente del tamaño de partícula ya que ésta será mayor cuanto más pequeño sea el tamaño de partícula. En el caso del Ball Clay se observa una plasticidad media, pues es posible formar el aro, pero éste presenta fisuras en ciertas partes, lo que lo convierte en una arcilla con poca plasticidad, además, esta arcilla requiere mayor cantidad de agua para poder formar una pasta. Para la arcilla San Marcos se encuentra que no sirve para formar aros y, por ende, presenta una baja plasticidad, además de que requiere grandes cantidades de agua para poder formar una pasta. Sinincay por su parte es una excelente arcilla para productos cerámicos, ya que presenta una alta plasticidad, sin embargo, el agua que requiere para formar una pasta es alta también por lo que al momento de usarla en la industria tendría que evaluarse la viabilidad económica. Finalmente, la arcilla Hotillado presenta características similares con la Ball Clay pues en ambos casos se obtiene una plasticidad media y una cantidad de agua semejante para formar la pasta. 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: Los datos obtenidos experimentalmente para cada uno de los materiales analizados con la prueba empírica de plasticidad, validan el concepto de plasticidad de las arcillas, el mismo que nos indica la capacidad que presentan las arcillas para deformarse sin agrietarse ante la aplicación de un esfuerzo mecánico, conservando su deformación al retirarse la carga. Durante los ensayos realizados se logró distinguir claramente los grados empíricos de plasticidad (alto, medio, bajo, no plástico), pudiendo clasificar a la arena de cuarzo como no plástica, y la arcilla Sinincay con una plasticidad alta. Se concluye además que los materiales con mayor plasticidad consumen un mayor volumen de agua, y que este efecto se da de forma inversa con los materiales de plasticidad baja y nula. Se observó que la diferencia en la plasticidad de las arcillas está influenciada por el tamaño de partícula y su forma, mientras más pequeñas son estas, y más imperfecta es su forma, presentan mayor plasticidad. En adición a lo dicho anteriormente, también se puede argumentar que la plasticidad de las arcillas depende netamente del grado de hidratación de éstas, pues al no contener agua, estas se disocian o disgregan fácilmente. Para la prueba empírica de plasticidad, cada uno de los materiales se hidrató hasta conseguir un límite líquido adecuado y conveniente para la prueba. 9. BIBLIOGRAFÍA: Doménech, V., Sánchez, E., Sanz, V., García, J., & Ginés, F. (1994). Estimacion de la plasticidad de masas ceramicas mediante la determinacion de la fuerza de indentacion. Qualicer, 61–71. Singer, F., & Singer, S. S. (1976). Cerámica industrial. Urmo.
