Utilizarea materialelor vitroceramice în placarea podelelor și a pereților

Utilizarea materialelor vitroceramice în placarea podelelor și a pereților

Fiecare dorește o casă cât mai confortabilă sar și cât mai frumoasă. Iar, podeaua, dar și pereții, în anumite configurații de design, pot fi mult îmbunătățite cu ajutorul ceramicii glazurate sau așa numita ”sticlă ceramică”. Echiparea clădirilor cu astfel de podele sau cu astfel de placări ale pereților devine tot mai solicitată și în România, pe măsură ce verile devin tot mai călduroase. Tema a fost abordată în lucrarea ”Glass-ceramic glazes for ceramic tiles”, semnată Raquel Casasola, Jesús Ma. Rincón, Maximina Romero, de la Universitatea din Madrid, din care vă prezentă în această ediie principalele idei.

Sticlă sau ceramică?

Sticla ceramică este un material ceramic produs prin cristalizare controlată (nucleație și creștere cristalină) a unei sticle părinte. Marea varietate de compoziții și posibilitatea dezvoltării de microstructuri speciale cu proprietăți tehnologice specifice au permis utilizarea materialelor vitroceramice într-o gamă largă de aplicații. Un domeniu pentru care s-a dezvoltat sticla-ceramică în ultimele două decenii este cel al glazurilor pentru plăci ceramice.

Plăcile ceramice sunt cel mai comun material de construcție, pentru acoperirea podelelor și a pereților din țările mediteraneene, dar nu numai. Plăcile glazurate sunt produse din frite (sticlă stinsă în apă) aplicate pe suprafața plăcilor verzi și supuse unui proces de ardere. În anii 1990, a existat un interes tot mai mare pentru dezvoltarea de frite care sunt capabile să cristalizeze la ardere, datorită nevoii de îmbunătățire a proprietăților mecanice și chimice ale plăcilor vitrate.

Lucrarea specialiștilor spanioli oferă o evaluare extinsă a cercetărilor efectuate pe glazurile de sticlă ceramică, utilizate pentru acoperire, inclusiv pentru plăci ceramice de trotuar. Au fost luate în considerare principalele faze cristaline (silicați și oxizi),  dezvoltate în vitroceramice. În plus, nu trebuie uitate ceramicile cu glazuri cu funcționalitate specifică (activitate fotocatalitică, antibacteriană și antifungică sau efecte superficiale estetice).

Multiple aplicații

De la descoperirea lor la începutul anilor 1950, materialele din sticlă-ceramică au fost utilizate pe scară largă în: domeniul casnic (de exemplu, blaturi de bucătărie), aplicații industriale (de exemplu, plăci rezistente la abraziune în țevi industriale), aplicații de mediu (de exemplu, reutilizarea deșeuri), aplicații biomedicale (de exemplu, proteze pentru implanturi chirurgicale), aplicații arhitecturale și în aplicații tehnologice mai avansate (de exemplu, oglinzi telescopice, focoase și materiale compozite).

O sticlă-ceramică este produsă dintr-o sticlă originală printr-un proces termic secvențial, care implică cristalizarea controlată și care constă în creșterea uneia sau mai multor faze cristaline în cadrul masei vitroase. Cristalizarea are loc prin două etape, nucleația și creșterea cristalelor, care pot fi definite ca procesul termic și cinetic sub care se transformă o fază structurală amorfă (sticla), într-o fază solidă,  stabilă, cu o geometrie ordonată regulat.

Acest proces de comandare este o consecință a reducerii energiei care are loc atunci când o sticlă topită este răcită sub temperatura sa. Fenomenul este cunoscut de comunitatea științifică prin denumirea de ”devitrificare”, deoarece constituie un fenomen opus naturii tipice de sticlă. Cu toate acestea, ceea ce inițial a fost considerat un proces nedorit în fabricarea sticlei, ca origine a defectelor, a devenit un mecanism esențial pentru obținerea materialelor vitroceramice cu proprietăți tehnologice utile.

Baza științifică

Baza științifică a lichidelor supraîncălzite a fost descoperită de Tamman în 1903, dar a căpătat valențe practice în anii 1960-1980, când teoriile generale despre nucleație și creșterea cristalelor au fost bine stabilite. De atunci, materialele vitroceramice au jucat un rol cheie în numeroase evoluții științifice și tehnologice și există numeroase cărți și lucrări de recenzie, care descriu baza, caracteristicile, producția și proprietățile dintre aceste materiale.

Cu toate acestea, din cunoștințele autorilor, nu au existat lucrări de revizuire privind glazurile din sticlă-ceramică, care au făcut obiectul unor cercetări considerabile în ultimele două decenii, din cauza necesității de a îmbunătăți rezistența plăcilor ceramice utilizate, de exemplu, pe etajele unor mari zone comerciale. În aceste aplicații, glazura tradițională are o rezistență abrazivă insuficientă și își pierde foarte ușor caracteristicile suprafeței, cum ar fi luminozitatea, culoarea și textura superficială.

Astfel, glazurile din sticlă-ceramică au fost dezvoltate pentru a satisface cerințele industriei de plăci ceramice și cererea de acoperiri cu proprietăți specifice. Deoarece fazele cristaline determină proprietățile și aspectul tehnologic în acest tip de glazură, principala fază cristalină dezvoltată a fost aleasă ca criteriu de clasificare.

Procesul vitroceramic

Cristalizarea unui eșantion, pentru a dezvolta un material vitroceramic, constă într-o etapă de nucleație, în care semințele sau nucleele mici se dezvoltă în interiorul ”paharului”, urmată de încălzirea la o temperatură mai mare (o etapă de creștere a cristalului), ceea ce facilitează mărirea cristalelor până când acestea ating dimensiunea dorită. Nucleația fazelor cristaline poate avea loc prin două mecanisme diferite, adică nucleația omogenă, atunci când nucleele apar din propria lor compoziție topită, în absența unor limite străine și nucleația eterogenă, când fazele cristaline se dezvoltă de la limite externe, cum ar fi granitele de cereale sau interfețe.

Termodinamic, nucleația unui eșantion sub lichidul său temperat reîncepe atunci când este posibilă o aranjare moleculară ordonată, rezultând nuclei cristalini (numiți și semințe sau germeni). Nucleația implică o scădere a energiei libere a sistemului și, cu cât procesul de nucleație este mai favorizat, cu atât este mai mare energia eliberată în formarea germenilor. Cinetic, ratele de nucleație și cristalizare cu temperatura au două intervale maxime separate.

Favorizarea nucleației

Rata de nucleație depinde atât de probabilitatea de formare a nucleelor ​​stabile, cât și de difuzia atomilor necesari dezvoltării nucleului. Cu cât temperatura de nucleație este mai scăzută (un grad mai mic de răcire), cu atât este mai mare energia eliberată în formarea nucleelor ​, iar nucleația este favorizată pentru a atinge un maxim, după care rata de nucleație scade, pe măsură ce nucleele dezvoltate produc o creștere puternică a vâscozității topiturii și, prin urmare, rata de difuzie scade.

Stadiul de creștere a cristalelor începe odată cu formarea nucleelor ​​stabile în sticlă, iar rata de cristalizare va depinde de capacitatea de a transporta atomii din rețeaua de sticlă către faza cristalină în curs de dezvoltare. Ca și în cazul nucleației, rata de cristalizare atinge, de asemenea, un maxim, după care cristalizarea este prevenită din cauza dificultății de disipare a căldurii eliberate în sistem.

Curbele de nucleație

În general, curbele de nucleație și de creștere a cristalelor se suprapun într-o oarecare măsură, ceea ce va determina cel mai potrivit proces, pentru obținerea sticlei ceramice dintr-o sticlă părinte. Temperaturile la care ratele de nucleație și creșterea cristalelor sunt maximizate sunt marcate ca TN și respectiv TG, iar Tc este temperatura la care se intersectează cele două curbe. Zona umbrită indică zona în care se suprapun curbele de nucleație și creșterea cristalelor.

Intervalul de suprapunere, TG – TN, indică intervalul optim de temperatură pentru prepararea cu succes a unui material din sticlă-ceramică, adică stadiul de nucleație duce la formarea unui număr suficient de nuclee pe care cresc cristalele, rezultând microstructura fină dorită. Dacă TN și TG sunt departe de Tc, suprapunerea dintre curbele de nucleație și de creștere a cristalului este mică, iar ceramica de sticlă trebuie pregătită printr-o metodă convențională în două etape, în care nucleația și creșterea cristalelor au loc în etape separate.

În schimb, dacă există o suprapunere extinsă, și, atât TN, cât și TG, sunt apropiate de Tc, sticla-ceramica poate fi produsă printr-un proces modificat (cu o singură etapă), în care nucleația și creșterea cristalelor au loc simultan. Aceste caracteristici conferă plăcilor vitroceramice caracteristici superioare, fiind ideale pentru utilizarea lor, atât în placarea podelelor sau a pereților, cât și, chiar, a trotuarelor sau a căilor exterioare de acces.

infoconstruct