Estudio y Caracterización de Compuestos Tipo Espinela M^IIAl₂O₄, mediante Rutas de Síntesis no Convencionales. Aplicación a la Industria Cerámica

Abstract

La estructura espinela M^IIAl₂O₄ presenta una serie de propiedades que hacen idónea su utilización dentro del sector industrial cerámico, y en concreto como aditivos a los esmaltes vítreos, tradicionalmente empleados en este sector, proporcionándoles unas propiedades ópticas y mecánicas que por sí mismos no poseen, mediante la generación de materiales de naturaleza vitrocristalina y vitrocerámica. La síntesis de espinela mediante la ruta cerámica tradicional empleada en la industria, presenta una serie de inconvenientes, tales como la necesidad de recurrir a altas temperaturas de síntesis con largos tiempos de retención, y la introducción de agentes mineralizadores para disminuir esta temperatura, con la consiguiente problemática medioambiental que lleva asociada el empleo de estos compuestos. La ruta cerámica sigue siendo la única vía de síntesis de compuestos que se realiza en la industria cerámica, si bien cada día se están realizando más trabajos encaminados a la minimización de recursos energéticos necesarios así como a obtener unas nuevas rutas de síntesis acordes con las nuevas legislaciones medioambientales, cada vez más estrictas con los niveles de emisión permitidos. En la presente Tesis Doctoral, se plantea una ruta de síntesis alternativa a la ruta tradicional para la espinela, basada en la descomposición térmica de compuestos con estructura tipo hidrotalcita. Los compuestos tipo hidrotalcita, son hidróxidos dobles laminares, constituidos por capas de hidróxidos de cationes divalentes, en los que cierta cantidad de catión divalente, se ha sustituido por una catión trivalente, generando una descompensación de cargas. Este exceso de carga positiva, se compensa con la introducción de aniones en la intercapa que ejercen de puente entre las dos capas de hidróxidos. De esta forma, un tratamiento térmico de estos compuestos, provocará una reordenación catiónica, así como la eliminación de los aniones de la intercapa, favoreciendo la formación de otros compuestos cristalinos a baja temperatura. En el caso que nos ocupa, los cationes divalentes estudiados, han sido el Mg, Co, Ni y Zn, mientras que el catión trivalente, ha sido el Al. Se han introducido una serie de variables en el estudio, como el pH de síntesis, relación inicial MII:Al en los compuestos tipo hidrotalcita, introducción de un segundo catión trivalente, como es el caso del Cr, etc. Se ha conseguido rebajar la temperatura de síntesis de las espinelas correspondientes a temperaturas inferiores a 1000ºC, sin tiempo de retención a la temperatura máxima de calcinación, y lo que es más importante, sin la introducción de ningún tipo de agentes mineralizadores, con el consiguiente beneficio económico y medioambiental que ello conlleva. La última parte de la Tesis Doctoral, ha sido el desarrollo de esmaltes de naturaleza vitrocerámica en la que la fase cristalina principal es la espinela MgAl2O4, obteniendo de esta forma esmaltes de elevadas propiedades mecánicas de superficie, adaptados a las nuevas tecnologías de gres porcelánico. En este desarrollo se ha estudiado la composición idónea de las fritas de partida, para producir el proceso de desvitrifcación de la espinela durante los ciclos de cocción industriales actualmente en uso.