Presentazione

Queste dispense, che rappresentano la base per un corso di tecnologie ceramiche diretto agli studenti dell'Istituto Enrico Fermi di Modena, sono state realizzate raccogliendo e rielaborando il materiale proveniente da vari articoli, testi e dispense universitarie; per questo motivo il materiale esposto è solo in parte originale.

L'aspetto certamente innovativo è però l'approccio al mondo della ceramica. Nella maggior parte dei testi in circolazione si parte dallo studio del ciclo tecnologico e si introducono i vari aspetti teorici e le problematiche in funzione delle apparecchiature trattate.

Viceversa in questo lavoro si è seguito un processo logico inverso, partendo da una breve introduzione sulle tipologie di prodotti ed il ciclo tecnologico, necessaria per dare una visione d'insieme, sono stati trattati prima gli aspetti teorici dei materiali e delle trasformazioni che avvengono e da questi si sono ricavate le apparecchiature per realizzarle.

Questo approccio, scaturito dagli incontri degli autori con un gruppo tecnico istituito da Assopiastrelle e con il Presidente della Società Ceramica Italiana, ha lo scopo di focalizzare l'attenzione sugli aspetti teorici delle trasformazioni che avvengono nel ciclo ceramico, troppo spesso trascurati rispetto ad una conoscenza empirica, basata sull'esperienza personale.

Le nuove sfide della ceramica si giocheranno sempre di più sui prodotti tecnologicamente ed esteticamente più evoluti, per la produzione dei quali non sarà più sufficiente l'esperienza ma servirà un bagaglio di conoscenze teoriche in grado di progettare nuovi prodotti e macchinari.

L'obiettivo, certamente ambizioso, è quello di stimolare e fornire un punto di partenza non solo per la scuola ma anche per il mondo accademico e produttivo affinché approfondiscano lo studio e la comprensione del variegato universo ceramico.

Doverosi sono i ringraziamenti dovuti a tutte le persone senza le quali questo volume non sarebbe stato realizzato: innanzi tutti Assopiastrelle, nella figura del Dott. Pifferi presidente della commissione formazione e la Società Ceramica Italiana, nella figura del presidente Dott. Zannini che oltre a spronarci costantemente ha riletto e corretto le varie versioni delle dispense, ed infine tutti i nostri colleghi che ci hanno sopportato durante questi due anni.



1. Definizione e classificazione dei prodotti ceramici
  1.1 Definizione di prodotto ceramico
  1.2 Classificazione dei prodotti ceramici
  1.3 Ceramiche silicatiche a base argillosa
  1.4 Materiali ceramici speciali
  1.5 La classificazione delle piastrelle: norme UNI EN 87
    1.5.1 Classificazione.
    1.5.2 Classifícazione secondo le norme EN

2. I cicli tecnologici di fabbricazione
  2.1 Processi di fabbricazione
    2.1.1 Le materie prime per la preparazione degli impasti
    2.1.2 La preparazione delle materie prime per il supporto
    2.1.3 La formatura
    2.1.4 L'essiccamento
    2.1.5 La preparazione e l'applicazione degli smalti
    2.1.6 La cottura

3. Lo stato solido
  3.1 Introduzione: i tre stati di aggregazione della materia
  3.2 Considerazioni generali sulla struttura e le proprietà macroscopiche dei solidi cristallini
  3.3 Stato solido cristallino: proprietà cristallografiche
  3.4 Fasi solide cristalline a più componenti

4. Mineralogia
  4.1 Introduzione petrografica
    4.1.1 Composizione chimica della crosta terrestre
    4.1.2 Composizione petrografica della crosta terrestre
  4.2 Classificazione strutturale dei silicati
    4.2.1 Strutture con gruppi isolati di tetraedri − Gruppo I
    4.2.2 Strutture con catene aperte o chiuse di tetraedri − Gruppo II
    4.2.3 Strutture con fogli di tetraedri infinitamente estesi su uno o più piani − Gruppo III
      4.2.3.1 Gruppo della caolinite
      4.2.3.2 Gruppo delle smectiti
      4.2.3.3 Gruppo delle miche: illite
      4.2.3.4 Gruppo della clorite
    4.2.4 Strutture tridimensionali ad estensione indefinita − Gruppo IV
      4.2.4.1 Gruppo della silice
      4.2.4.2 Gruppo dei feldspati e feldspatoidi
  4.3 Considerazioni generali sui solidi amorfi: i vetri
    4.3.1 Principali componenti che costituiscono fasi vetrose
  4.4 Analisi delle materie prime per uso ceramico
    4.4.1 La classificazione delle argille
    4.4.2 Caratteristiche fisiche delle argille
    4.4.3 Analisi delle materie prime argillose
      4.4.3.1 Analisi granulometrica
      4.4.3.2 Analisi meccanica e fisica
      4.4.3.3 Analisi termica
      4.4.3.4 Analisi chimica
      4.4.3.5 Analisi mineralogica

5. Le proprietà delle argille 30
  5.1 Dimensioni colloidali 30
  5.2 Presenza di cariche superficiali 30
  5.3 Adsorbimento di ioni e di molecole polarizzate 31
  5.4 Scambio ionico 32
  5.5 Potenziale Z 33
  5.6 Flocculazione e deflocculazione 34
  5.7 Tessitura dell'argilla 35
  5.8 Il pH delle argille 35
  5.8.1 Determinazione del valore ottimale del pH di un'argilla 36

6. La reologia delle argille
  6.1 Reologia di un fluido
    6.1.1 Reologia delle barbottine
  6.2 Reologia di una massa plastica
  6.3 La plasticità dell'argilla e degli impasti argillosi
  6.4 La correzione reologica
    6.4.1 I deflocculanti
    6.4.2 Classi principali di addittivi
      6.4.2.1 Impasti ceramici per atomizzazione
      6.4.2.2 Smalti ceramici

7. Macinazione
  7.1 Generalità
  7.2 Macinazione a secco
    7.2.1 Principali categorie di macchine e loro funzionamento
  7.3 Macinazione a umido e miscelazione
  7.4 La macinazione ad umido discontinua
    7.4.1 Teoria dei mulini Alsing
    7.4.2 Corpi macinanti
    7.4.3 Carica del mulino
      7.4.3.1 Carica dei corpi macinanti
      7.4.3.2 Calcolo pratico di una carica
    7.4.4 Materiali utilizzati per il rivestimento interno
  7.5 Prove sulla barbottina
  7.6 Macinazione ad umido e reologia
  7.7 La macinazione continua
    7.7.1 Descrizione del mulino
    7.7.2 Descrizione dell'impianto

8. Atomizzazione
  8.1 Generalità
  8.2 Funzionamento e ciclo di un atomizzatore
  8.3 Abbattimento delle polveri e depurazione dei fumi
    8.3.1 Abbattimento delle polveri
    8.3.2 Depurazione dei fumi
  8.4 Caratteristiche della barbottina
  8.5 Caratteristiche delle polveri atomizzate e conduzione dell'atomizzatore

9. Pressatura
  9.1 Generalità
  9.2 Tipi di presse
  9.3 Il ciclo di pressatura
    9.3.1 Tecnologia e difetti della pressatura, ottimizzazione del ciclo di pressatura

10. Essiccamento dei prodotti ceramici
  10.1 Generalità
  10.2 Elementi teorici
    10.2.1 Analisi del processo di essiccamento
    10.2.2 Meccanismi di trasferimento del calore
    10.2.3 Il meccanismo di essiccamento interno al corpo
  10.3 Il ritiro nell'essiccamento
  10.4 Caratteristiche dei pezzi essiccati
  10.5 Metodi di essiccamento
  10.6 Impianti industriali per l'essiccamento continuo
    10.6.1 Essiccatori a tunnel
    10.6.2 Essiccatori rapidi verticali/orizzontali

11. Vetri industriali e smalti
  11.1 Le fritte ceramiche
  11.2 Cenni sul processo produttivo
  11.3 Caratteristiche fisiche: proprietà e loro misura
    11.3.1 Espansione termica
    11.3.2 Viscosità
    11.3.3 Tensione superficiale
    11.3.4 Fusibilità
    11.3.5 Grado di fusione
  11.4 Materie prime per fusione
    11.4.1 Il biossido di silicio (SiO2)
    11.4.2 L'anidride borica (B2O3)
    11.4.3 L'anidride fosforica (P2O5)
    11.4.4 Gli ossidi alcalini (Na2O − K2O − Li2O)
    11.4.5 Gli ossidi alcalino − terrosi (CaO − MgO − SrO)
    11.4.6 Il piombo il bario e lo zinco (PbO − BaO − ZnO)
    11.4.7 L'allumina (Al2O3)
    11.4.8 L'ossido di zirconio (ZrO2)
    11.4.9 I decoloranti
  11.5 Formulazione: esempi di calcolo
  11.6 Classificazione delle fritte
    11.6.1 Fritte trasparenti
    11.6.2 Fritte bianche lucide allo zirconio
    11.6.3 Fritte matt (al calcio e allo zinco)
    11.6.4 Fritte per usi speciali

12. La colorazione dei prodotti ceramici
  12.1 La teoria del colore
  12.2 Diffusione della luce: scattering
  12.3 Interferenza su lamina sottile
  12.4 La misura del colore
    12.4.1 Colori soggettivi ed oggettivi
  12.5 Materie prime coloranti
    12.5.1 Ossidi coloranti semplici solubili nel vetro
      12.5.1.1 Ossidi di ferro (FeO − Fe2O3)
      12.5.1.2 Ossidi di cromo (Cr2O3 − CrO3)
      12.5.1.3 Ossido di rame (CuO)
      12.5.1.4 Ossido di cobalto (Co3O4 − CoO)
      12.5.1.5 Ossido di manganese (MnO2 − Mn2O3)
      12.5.1.6 Ossido di nichel (NiO − Ni2O3)
      12.5.1.7 Ossido di uranio (UO2 − UO3 − U3O8)
      12.5.1.8 Ossido di vanadio (V2O3 − VO2 − V2O5)
    12.5.2 Metalli in forma colloidale
    12.5.3 Composti insolubili nella fase vetrosa (Stains)
      12.5.3.1 Caratteristiche strutturali degli spinelli
    12.5.4 Opacificanti
    12.5.5 Superfici matt, superfici opache
      12.5.5.1 Ossido di stagno − SnO2
      12.5.5.2 Ossido di titanio − TiO2
      12.5.5.3 Ossido di zirconio − ZrO2
      12.5.5.4 Silicato di zirconio − ZrO2 − SiO2
      12.5.5.5 Ossido di cerio − Ce2O3 − CeO2
      12.5.5.6 Fluoruri − CaF2 (fluorite) − Na3A1F6 (criolite) − Na2SiF6 (fluorosilicato sodico)
      12.5.5.7 Ossidi di antimonio e di arsenico − Sb2O4 − As2O3
      12.5.5.8 Fosfati di metalli bivalenti − Ca3, Mg3, Zn3(PO4)2
    12.5.6 Gas opacificanti
    12.5.7 Colorazione con sali solubili

13. Trasformazioni di fasi e diagrammi di stato
  13.1 La regola delle fasi
  13.2 Diagrammi di stato dei sistemi a un solo componente
  13.3 Diagrammi di stato dei sistemi a due componenti
    13.3.1 Diagrammi di stato dei sistemi binari liquido/solido
      13.3.1.1 Sistema a due componenti completamente miscibili allo stato liquido, non miscibili allo stato solido e senza formazione di composti
      13.3.1.2 Sistema a due componenti completamente miscibili allo stato liquido, non miscibili allo stato solido con formazione di composti a fusione congruente
      13.3.1.3 Sistema a due componenti completamente miscibili allo stato liquido, non miscibili allo stato solido con formazione di composti a fusione non congruente
      13.3.1.4 Sistema a due componenti completamente miscibili sia allo stato liquido che a quello solido
      13.3.1.5 Sistema a due componenti completamente miscibili allo stato liquido, parzialmente miscibili allo stato solido
    13.4 Sistema a tre componenti
    13.5 L'utilizzo dei diagrammi di stato nell'industria ceramica

14. Il comportamento dei prodotti ceramici durante la cottura
  14.1 Le principali reazioni che avvengono nel supporto durante la fase di cottura
  14.2 La sinterizzazione
  14.3 La sinterizzazione nel processo ceramico
  14.4 Comportamento degli smalti in cottura

15. Tecnologia degli smalti
  15.1 Tecnologia di produzione delle fritte
  15.2 Tecnologia di produzione e applicazione degli smalti
    15.2.1 Preparazione degli smalti
    15.2.2 Applicazione degli smalti e linee di smaltatura
    15.2.3 Decorazione serigrafica
    15.2.4 Apparecchiature per l'applicazione serigrafica
    15.2.5 Principali tecniche di decorazione serigrafica
    15.2.6 Decalcomanie e decorazioni a pennello
  15.3 Difetti di smalto

16. La cottura
  16.1 Principi generali della cottura
  16.2 Analisi termiche
    16.2.1 Analisi termogravimetrica (TG)
    16.2.2 Analisi termica differenziale (DTA)
    16.2.3 Analisi dilatometrica
  16.3 Definizione del diagramma di cottura
    16.3.1 Diagramma di cottura per monocottura a pasta bianca e a pasta rossa
    16.3.2 Diagramma di cottura per grès porcellanato
    16.3.3 Considerazioni sui diagrammi di cottura
  16.4 Forno rapido a rulli
  16.5 Difetti dovuti alla cottura

17. Principali difetti di fabbricazione delle piastrelle
  17.1 Difetti rilevabili prima della cottura
    17.1.1 Non pressabilità dell'atomizzato
    17.1.2 Alone del pezzo pressato
    17.1.3 Difetti superficiali
    17.1.4 Difetti di omogeneità dopo pressatura
    17.1.5 Crepe e difetti di planarità nel prodotto pressato
    17.1.6 Sbavature nel prodotto pressato
    17.1.7 Fragilità in verde
    17.1.8 Screpolature, fessurazioni e fragilità in essiccato
    17.1.9 Deformazioni e crepe in essiccamento
    17.1.10 Gocce da aerografi e dischi rotanti
    17.1.11 Ondulazioni, rigature, applicazioni irregolari
    17.1.12 Grumi di smalto
  17.2 Difetti rilevabili dopo la cottura
    17.2.1 Cuore nero
    17.2.2 Difetti superficiali rilevabili dopo la cottura
      17.2.2.1 Difetti superficiali causati da impurezze
      17.2.2.2 Difetti superficiali causati dalla granulometria dell'atomizzato
      17.2.2.3 Difetti provenienti dallo smalto e dalla smaltatura
    17.2.3 Difetti strutturali rilevabili dopo la cottura
      17.2.3.1 Bassa resistenza meccanica in cotto
      17.2.3.2 Crepe e rotture
      17.2.3.3 Eccesso di ritiro sul cotto e scalibrature
      17.2.3.4 Difetti di planarità
      17.2.3.5 Sovracottura o cottura insufficiente, incollamento dei pezzi ai rulli
  17.3 La scelta
    17.3.1 Esame visivo
    17.3.2 Esame dell'integrità del supporto
    17.3.3 Controllo tonalità
    17.3.4 Controllo planarità
    17.3.5 Controllo dimensionale

18. Il laboratorio nell'industria ceramica
  18.1 Il laboratorio analisi materie prime e controllo qualità
  18.2 Analisi chimica
    18.2.1 Disgregazione del campione
      18.2.1.1 Fusione alcalina
      18.2.1.2 Attacco multiacido HF − H2SO4
      18.2.1.3 Attacco multiacido HF − HCl
    18.2.2 Silice
    18.2.3 Zirconio
      18.2.3.1 Metodo gravimetrico
      18.2.3.2 Metodo spettrofotometrico
    18.2.4 Ferro
      18.2.4.1 Tiocianato
      18.2.4.2 O−fenantrolina
      18.2.4.3 a−a' dipiridile
    18.2.5 Titanio
    18.2.6 Alluminio
      18.2.6.1 Metodo volumetrico
      18.2.6.2 Metodo colorimetrico
      18.2.6.3 Metodo gravimetrico
    18.2.7 Calcio e magnesio
    18.2.8 Piombo
    18.2.9 Zinco
    18.2.10 Manganese
    18.2.11 Litio e potassio
    18.2.12 Fosforo
  18.3 Umidità
  18.4 Perdita al fuoco
  18.5 Calcare
  18.6 Carbonio e zolfo totali
  18.7 Ritiro e/o espansione
  18.8 Assorbimento d'acqua
  18.9 Plasticità
  18.10 Densità apparente
  18.11 Viscosità dinamica
  18.12 Residuo
  18.13 Tempo di scorrimento

19. Schede di laboratorio
  19.1 La preparazione dei provini ceramici
    19.1.1 Aspetti generali
    19.1.2 Formulazione degli impasti
    19.1.3 Modalità operative
      19.1.3.1 La pulizia nel laboratorio ceramico
      19.1.3.2 Campionamento e cernita
      19.1.3.3 Determinazione dell'umidità
      19.1.3.4 Formulazione dell'impasto
      19.1.3.5 Macinazione ad umido in mulino rapido
      19.1.3.6 Essiccamento della barbottina
      19.1.3.7 Reidratazione
      19.1.3.8 Pressatura
      19.1.3.9 Acquisizione dei dati
      19.1.3.10 Cottura
      19.1.3.11 Prove finali e relazione
      19.1.3.12 Formule di calcolo
      19.1.3.13 Dati finali
      19.1.3.14 Relazione finale
  19.2 Analisi classica delle materie prime ad uso ceramico
    19.2.1 Disgregazione del campione
      19.2.1.1 Fusione alcalina
      19.2.1.2 Attacco multiacido tradizionale
      19.2.1.3 Attacco multiacido con disgregatore a microonde
    19.2.2 Silice
      19.2.2.1 Metodo gravimetrico
      19.2.2.2 Metodo colorimetrico
    19.2.3 Titanio
    19.2.4 Alluminio
      19.2.4.1 Metodo volumetrico
      19.2.4.2 Metodo spettrofotometrico
    19.2.5 Calcio e magnesio
      19.2.5.1 Metodo gravimetrico
      19.2.5.2 Metodo volumetrico
    19.2.6 Piombo
      19.2.6.1 Metodo spettrofotometrico
      19.2.6.2 Metodo gravimetrico
    19.2.7 Zinco
      19.2.7.1 Metodo spettrofotometrico
      19.2.7.2 Metodo volumetrico
    19.2.8 Manganese
      19.2.8.1 Metodo spettrofotometrico
      19.2.8.2 Metodo colorimetrico
    19.2.9 Litio
    19.2.10 Cromo
    19.2.11 Sodio
    19.2.12 Potassio
    19.2.13 Zirconio
      19.2.13.1 Metodo gravimetrico
      19.2.13.2 Metodo volumetrico
      19.2.13.3 Metodo colorimetrico
    19.2.14 Cobalto
    19.2.15 Boro
    19.2.16 Fosfati
    19.2.17 Ferro
      19.2.17.1 Tiocianato
      19.2.17.2 O−fenantrolina
      19.2.17.3 a−a' dipiridile