Tecnología de las arcillas

Tecnología de las arcillas. Rafael Spínola Romero 1. Introducción Desde los albores de la Humanidad, el hombre se sirvió de los materiales que tenía a su alrededor y que le eran fáciles de conseguir y trabajar. Por esto la arcilla ha sido uno de los materiales más utilizados. Al principio, el hombre obtenía los alimentos de animales, árboles y plantas sin más. Podemos establecer de forma hipotética que el hombre no tuvo necesidad de “guardar” en objetos los alimentos y las bebidas, ya que se sirvieron de cortezas endurecidas, de conchas de moluscos y de los mismos cráneos. Continuando en el terreno de la hipótesis, pudo surgir un deseo imitativo al observar estas vasijas que la naturaleza les ofrecía, y si a esto unimos una necesidad, el hombre comenzó a trabajar y fabricar con los barros y tierras húmedas que observaba tenían mayor plasticidad al moldeo. Para ello cogía una bola de barro, y con los dedos la ahuecaba y daba forma, la dejaba secar al Sol y, al secarse, conservaba dicha forma y resistía cierto tiempo sin desmoronarse. Posteriormente, a esta arcilla le añadió una chamota de paja, polvo de hueso o arena, para darle mayor resistencia. Esto era insuficiente, puesto que se deshacían. En el transcurrir del tiempo, el hombre descubrió el fuego. Este será uno de los primeros y más importantes hallazgos humanos “el dominio del fuego”. Sobre como lo consiguió existen varias hipótesis: tal vez como un hecho fortuito dado por la naturaleza: (caída de un rayo); al producir chispas por golpeos entre piedras o por fricción de dos superficies de madera. El fuego le otorgó la posibilidad de endurecer las arcillas y al dejar las vasijas junto a él observó que al cabo de un tiempo se endurecían (Fig. 1). Con este hecho, se produjo la cocción de la arcilla. Fig. 1 - Endurecimiento de la arcilla por el fuego El hombre aprendió a controlar y utilizar el fuego para cocinar y calentar. Tenemos pues que el hombre encuentra la arcilla, la mezcla con agua, y a veces con chamota, la cuece y usa el objeto. Los usos más frecuentes de la arcilla en la antigüedad fueron: - Para la fabricación de cacharros domésticos y de transportes. (Fig. 2) - Para realizar exvotos y figurillas. (Fig. 3) - Como material de construcción. Sin cocer: tapial o ladrillos de adobe y cocido como ladrillo. (Fig. 4) Fig. 2 - Vasija para transporte Fig. 3 - Figurillas (cabezas) en arcilla cocida Fig. 4 - La arcilla material de construcción La evolución del uso histórico de la arcilla como material cerámico, comprende un estudio multidisciplinar de numerosas ramas científicas entre las que tienen gran importancia: la arqueología, antropología y la etnoarqueología. La cerámica más antigua (unos fragmentos cerámicos) que se conoce data del año 25.000 a. de c. Es importante indicar que la arcilla y sus usos nos permite conocer la historia de hombre, porque ha sido una manifestación constante hasta nuestros días (Fig. 5, 6, 7, 8, 9 y 10). En los últimos 20 años, la ciencia se ha integrado a la industria de la cerámica fina, al demandarse materiales de propiedades muy especiales por parte de la aeronáutica, automovilismo, electrónica y la energía nuclear. Fig. 5, 6, 7, 8, 9 y 10 - La arcilla material utilizado En este breve estudio no se trata de dar una evolución histórica de los principales materiales utilizados por el hombre, en este caso, de la arcilla a lo largo de la Historia. Se trata de dar una síntesis expositiva con claridad, en la que se indicarán los principales hechos que el hombre descubrió y utilizó, y sobre todo el proceso tecnológico que de las arcillas se hace hoy día. 2. Definición No resulta nada fácil dar una definición de forma unitaria de la arcilla, si bien la gran mayoría de los libros lo hacen. La definición de arcilla varia según el campo de utilización. Así, para los geólogos, la palabra arcilla, es un término que implica tamaño, y se refiere a las rocas sedimentarias de depósito. Desde el punto de vista de los artistas plásticos, interesa la plasticidad, y definen la arcilla como un agregado mineral, terroso o pétreo, que se compone esencialmente de silicatos de aluminio hidratados, plástico cuando está humedecido, rígido cuando esta seco, y vítreo cuando se calcina a temperatura suficientemente elevada. Otros autores la definen teniendo en cuenta la fenomenología, el origen, sus materias minerales, etc. De esta manera, cada campo de la tecnología ha definido la arcilla desde su punto de vista, tendiendo a una serie de consideraciones utilitarias y funcionales. Para dar una definición completa debemos de abarcar las siguientes propiedades de las arcillas: - Contenido posible de alúmina y óxido férrico. - Tamaño coloidal y finura de las partículas de la arcilla - Contenido de arena, cuarzo, feldespato, clorita, sulfatos, sulfuros, carbonatos y muchas otras partículas de minerales y rocas. De esta forma podemos dar una definición de una arcilla, la siguiente: Arcilla “ es una roca sedimentaria compuesta de uno o varios minerales, mica en silicatos hidratados de aluminio, hierro, alumína hidratada, magnesio u óxido férrico, con predominio de las partículas de tamaño coloidal y dotada de plasticidad cuando está suficientemente humedecida” (1) Y entendemos por Cerámica (del griego Kéramos) el arte de hacer vasijas (cacharros o vasos), esculturas, murales, revestimientos arquitectónicos, ladrillos, etc., utilizando como materia prima la arcilla o barro, que, una vez seca, es sometida a la cocción del fuego de una manera controlada y a una determinada temperatura. De la arcilla se sacan múltiples productos cerámicos. Se indica en la clasificación de Norton. (2) (Fig. 11) Fig. 11 – Tabla de Norton. Según campo de utilización de las arcillas 3. Procedencia de las arcillas La arcilla la extraemos de la litosfera superior o corteza terrestre y en esta se dan numerosos procesos geoquímicos. Se dan al unísono una evolución geológica, como consecuencia de la migración, y la acción de los agentes atmosféricos e hidroesféricos que producen la desintegración de forma lenta de las rocas sólidas, para dar lugar a conglomerados de materiales sueltos que contienen feldespatos. Sobre estos materiales sueltos intervienen los agentes disgregantes, como los cambios de temperaturas y la acción de las heladas, con lo que se disgregan las rocas en partículas sueltas. Éstas son atacadas por las reacciones químicas, por la lluvia, las aguas superficiales y subterráneas; se produce una diagénesis. Esto da lugar a una gran variedad de arcillas con una amplia gama de coloraciones, (Fig. 12, 13, 14, 15, 16, 17 y 18), composiciones químicas, plasticidades, etc,. Fig. 12 - Diversas coloraciones de las arcillas en estado húmedo. Fig. 13, 14, 15, 16, 17 y 18 - Diversas coloraciones de las arcillas en estado húmedo, seco y cocido. La formula típica de la descomposición es: (3) K2O, Al2O3; 6SiO2 +3H2O = Al2O3, 2SiO2 + 2KOH +4 SiO2 Feldespato + agua = caolinita + potasa caustica + sílice en solución 4. Clasificación Todas las arcillas contienen los mismos minerales básicos (alúmina, calcio, silicio, hierro, manganeso, magnesio, vanadio, titanio, sodio, cobre), por lo que son las proporciones de cada mineral lo que hace que cambie el comportamiento de cada una (plasticidad, contracción en el secado, peso, dilatación en la cocción, color, etc). Existen dos grupos de arcillas: A.- Los caolines o arcillas primarias. Se encuentran en el lugar de su formación. B.- Las arcillas sedimentarias o secundarias. En estas se da la migración, son depositadas lejos de las rocas matrices de que proceden, sedimentan y se depositan en el agua, y su parte superior es más fina. Tiene lugar la acción de los agentes disgregantes (agentes atmosféricos e hidroesféricos). Muchos son los minerales arcillosos; siendo los tres más importantes la caolinita, la montmorillonita y la ilíta. Todos son de estructuras hojosas. Los más puras son los caoliníticos, presentan un elevado tanto por ciento de alúmina, y por lo tanto, un elevado punto de fusión, teniendo después de cocidas propiedades refractarias. Las montmorillonitas son menos empleadas. Las ilíticas son las más utilizadas, por encontrarse abundantemente. Los minerales arcillosos están formados por partículas muy pequeñas y tienen textura laminar. La clasificación de las arcillas no resulta nada fácil. Para establecer una nos podemos basar en los siguientes criterios: 1º- El uso (clasificación tecnológica). 2º- El origen (criterios geológicos). 3º- Litología: rocas sedimentarias por áreas geográficas en España. 4º- La temperatura de cocción. Al considerar las dos últimas como las que pueden tener mayor interés para nosotros, estas serán las que veremos. Fig. 30 - Desgrasante para añadir El paso siguiente, es transportar, por medio de una cinta transportadora (Fig. 31), la mezcla de arcillas pulverizadas y desengrasante a una amasadora – mezcladora extrusionadora o galletera (máquina humectante al vacío) (Fig.32). En ella se va mezclando y amasando de forma homogénea la materia prima y el agua (del 7 al 8%). La máquina expulsa a su vez el aire que tenga la pasta, haciendo la misma arcillosa y compacta. Terminada esta fase, la pasta arcillosa es expulsada por la boquilla de la galletera (Fig. 33) y nos sale con una determinada forma, redondeada, rectangular, etc, según sea la cabeza de la boquilla (Fig. 34). A la salida se corta en trozos (pellas) y es transportada por una cinta (Fig. 35) a una máquina empaquetadora que la envuelve en un plástico. Es almacenada (Fig. 36) y se distribuye. Fig. 31- Cinta transportadora Fig. 32- Máquina humectante al vacío (mezcla y amasado) Fig. 33 - Máquina extrusionadora de taller (galletera) Fig. 34- Cabeza o boquilla máquina humectante al vacío Fig. 35 - Cinta transportadora arcilla a máquina empaquetadora Fig. 36 - Almacenamiento de arcillas Otro proceso, es el manual y se realiza de la siguiente forma: Se extrae la arcilla, si no está seca se deja secar al Sol, y después se deshacen los terrones, por medio de un rulo de piedra o maquinaria mecanizada. Posteriormente se pasa por unos tamices o cedazos, se le quitan las piedras e impurezas, y una vez limpia se pasa al amasado (mezcla de arcilla y agua). Éste se realiza de diversas maneras: por sobado, que consiste en golpear con un palo la arcilla húmeda sobre una mesa de piedra (está en desuso); por pisado, que consiste pisar la arcilla que está en el suelo con los pies; por amasado a mano o bien en pequeñas galleteras de taller (Fig. 33). 6. Secado Para que un objeto cerámico se pueda cocer debe de estar completamente seco. Este proceso de secado o de desecación tiene gran importancia, pues de él dependerá el éxito o el fracaso de la terminación del objeto. Una pieza expulsa del 20 al 30 % del agua que contiene si es una arcilla blanda (pastas porosas coloreadas); si es dura sobre el 12 al 14 % (pastas impermeables coloreadasarcillas vitrificables (gres) y arcillas refractarias). Dentro del proceso de secado hay que tener en cuenta dos cuestiones: si lo realizamos en invierno o en verano y las condiciones del medio ambiente en que se desarrolla. El proceso de secado o desecación es el siguiente: La arcilla al estar en contacto con el aire pierde el agua de amasado, se produce una evaporación del agua y esto trae como consecuencia una contracción de la arcilla (merma). A los 120º C desaparece el agua física de la arcilla, y el agua química o de constitución lo hace entre los 500 y 700º C, aquí la arcilla se hace dura. La desecación, de forma práctica, la podemos hacer: bien sobre una pieza determinada con intervención manual y directa, o bien en secaderos a escala industrial. El procedimiento que seguiremos en la desecación de una pieza con intervención manual y personal será: una vez la pieza haya sido ahuecada con las paredes del mismo grosor, para evitar grietas y resquebrajaduras en el proceso de secado, se tapa la pieza con papeles de periódico y se le coloca encima una bolsa de plástico. Cada dos o tres días se quita y se le vuelve a poner papel seco; la finalidad es que el papel absorba poco a poco el agua. Llegará un momento en el que aparece la dureza de cuero. Posteriormente se produce el secado: ha perdido el agua de amasado, la arcilla se vuelve más clara, pierde la plasticidad y se hace frágil. El paso siguiente es la cocción. El proceso de secado en la industria se realiza en los secaderos. Estos pueden ser: a) con entrada de aire libre, situados en naves techadas (Fig. 37 y 38), y b) en naves techadas y cerradas perfectamente donde se introduce aire caliente controlando la humedad, esto acelera el proceso de secado. Si el secado o desecación lo hacemos de forma incorrecta se produce unos defectos en la pieza de arcilla: alabeos, grietas y resquebrajaduras. Las grietas y resquebrajaduras son casi siempre causadas por la evaporación del agua de la superficie a mayor velocidad de lo que está siendo esparcida desde el exterior, o a que alguna de las partes de la pieza ha estado más expuesta a la circulación del aire más que otra. También pueden producirse porque la pieza tenga unas partes más gruesas que otras; esto hace que la velocidad de secado sea mayor en unas partes que en otras, y trae el consiguiente defecto. El alabeo puede ser originado por la más rápida evaporación del agua en un lado de la pieza que en otro. Fig. 37 - Paleé de piezas en arcilla húmeda Fig. 38 – Secadero 7. Cocción La cocción o bizcochado tiene por objeto conseguir que la pieza se convierta en un cuerpo duro. Tras una reacción termoquímica, se producen unos cambios en las propiedades físicas de la pieza como son: el color, la densidad, la dimensión (contracción), la porosidad, y la resistencia mecánica. La cocción de las piezas en arcilla se hace en hornos. Colocar una pieza en el horno se denomina hornear u horneado. La colocación de las piezas dentro del horno es de gran importancia, ya que esto facilita la distribución uniforme del calor. Durante la operación de cocción, tenemos que tener una relación precisa entre la atmósfera del horno, la temperatura y el tiempo. Atmósfera del horno.- De gran interés es conocer como se hace esa combinación con el oxígeno (combustión), esto trae consigo un desprendimiento de calor. La atmósfera de los hornos es: - atmósfera oxidante, y - atmósfera reductora. Atmósfera oxidante.- Durante la combustión, el carbono (C) y el hidrógeno (H) de la pieza se combinan con el oxígeno (O) del aire, desprendiendo calor. 1º C + O = CO (óxido de carbono) 2º CO + O = CO2 (anhídrido carbónico) Y el hidrogeno (H) da lugar en la combustión a vapor de agua 2 H + O = H2O Con los hornos eléctricos obtenemos atmósfera oxidante. En su interior tienen diversos tipos de hilos metálicos (Fig. 39): de platino (rodio-platino), que pueden alcanzar una temperatura máxima de 1600ºC, de níquel (cromo–níquel) que pueden llegar a alcanzar hasta 1150ºC, y de hierro cuyo tope se encuentra en los 900ºC. Fig. 39 - Interior horno eléctrico (hilos metálicos) Atmósfera reductora.- Si no hay suficiente oxígeno (O) en la combustión se produce una liberación de carbono (C) y de monóxido de carbono (CO), y entonces esta combustión produce humo. La pieza se ennegrece (Fig. 40). Fig. 40 – Pieza ennegrecida por atmósfera reductora La reducción se consigue principalmente en el horno de gas, en el de hornera hoguera abierta (Fig. 41), en el de hoguera en pozo abierto y en el de bidón de serrín (Fig. 42). Fig. 41 – Horno de hornera hoguera abierta Fig. 42 – Cocción en atmósfera oxidante (bidón con serrín) Temperatura y tiempo (Medición y control) Al hornero, el color del interior del horno, que varia desde el rojo cereza al principio hasta el blanco al final de la cocción, le da una indicación de la temperatura, y de esta manera sabe cuando debe cortar el fuego. Ésta es una forma de medición y control de la temperatura y el tiempo de la cocción que no nos ofrece exactitud, ni una completa seguridad. Hoy en día el dispositivo más utilizado para la medición de la temperatura en los hornos es el pirómetro termoeléctrico (termopar) (A) (Fig. 43). Consta de dos hilos metálicos, uno de cobre y otro de hierro (B) (conductores que al unirse en el extremo da una fuerza electromotriz), que se conectan a un instrumento de precisión, el galvanómetro (C), el cual está calibrado para indicar la temperatura. El pirómetro termoeléctrico está situado en el interior del horno y protegido por una funda de porcelana. Fig. 43 – Pirómetro termoeléctrico Este galvanómetro es el tablero de medición de la temperatura, donde se puede ir viendo, y a su vez haber programado, la relación tiempo-temperatura (grados a alcanzar y en que tiempo). Hoy día los tableros de medición y mando son digitales (Fig. 44). La existencia de un microprocesador en este tipo de aparatos permite que se introduzca un programa. Además indican de forma permanente los datos que se van produciendo en la práctica; según lo programado previamente. Fig. 44 – Tablero de mando digital de un horno Anteriormente, este tablero de medición y mando, era manual (Fig. 45) y había que ir ajustando la relación tiempotemperatura a lo largo del proceso de la cocción. Fig. 45 – Tablero de mando manual de un horno Litología.- Parte de la petrografía que tiene por objeto la descomposición de las rocas y su clasificación sistemática, especialmente las rocas sedimentarias. Mezcladora.- Máquina que se usa para mezclar las arcillas con el agua. Merma.- Acción y efecto de contracción, reducción o menguado de todas las arcillas húmedas. La merma va acompañada de pérdida de peso. Oxidación.- Combustión completa producida por la presencia de una cantidad suficiente de oxigeno Pella.- Trozo de pasta arcillosa (arcilla) ya preparada, de forma cilíndrica, rectangular o cuadrada, que suele presentarse a la venta empaquetada generalmente con un plástico para evitar que se seque. Pirómetro termoeléctrico.- Instrumento que registra la temperatura del horno Porcelana.- Cerámica blanca y translúcida obtenida a partir de una mezcla de feldespato, caolín y pedernal. Una vez cocida es dura e impermeable Reducción.- Cocción en una atmósfera de escaso contenido en oxigeno Refractario.- Material de arcilla de gran resistencia térmica Secadero.- Lugar destinado a la acción y efecto de eliminar la humedad de un cuerpo Tolva.- Cajón en forma de tronco de pirámide invertido, de base cuadrada, que se coloca encima de los aparatos destinados a almacenar, clasificar, triturar o moler, y en el que se echan o vierten éstas para dirigirlas hasta la parte activa del aparato. Las tolvas de almacenamiento pueden servir de enlace entre aparatos de manutención o de transporte continuo o discontinuo, y de reserva para la alimentación o abatimiento de una máquina. Mi agradecimiento a los profesores Francisco Arquillo y Juan Manuel Calle por su ayuda. (1) PULGAR DIAZ, A El concepto de arcilla. La problemática de su definición y clasificación. Bol. Ge. Mineral. Pág19, 1978. Adopta la definición de la American Clay Mineral Society. (2) NORTON, F. H. Fine Ceramics. Mc Graw- Hill Co. New York. Pág 25, 1970 (3) VITEL, CLAUDE Cerámica (pastas y vidriados). Paraninfo. S.A. Madrid. Pág. 18, 1978 (4) VITEL, CLAUDE Cerámica (pastas y vidriados). Paraninfo. S.A. Madrid. Pág. 11, 1978