Características y aplicaciones de los cerámicos: Analizando la relación entre la producción de cerámicos y su impacto ambiental para encontrar una alternativa

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Autores:

Paula Sofía Bellina Holmquist

Fabrizzio Gustavo Villar Valdez

Daniel Isaac Quispe Cayllahua

Pool Sebastián Torres Castro

Sumilla

Esta entrada fue escrita con el artículo “Impacto ambiental del sector cerámico” como base. Para comenzar, realizaremos un pequeño resumen de este. Después, se explicarán las propiedades, aplicaciones y construcción de los cerámicos y sus formas avanzadas. Más adelante, se presentará la alternativa, el vidrio. Finalmente, se propondrá el reemplazo de los cerámicos para reducir su impacto ambiental.

Introducción

Los materiales cerámicos han existido durante milenios, apareciendo por primera vez en el Neolítico en aplicaciones como herramientas, principalmente de cocina. Apenas en las culturas posthistóricas, tales como la egipcia y la china, fueron utilizados como expresiones artísticas y decorativas. Aunque hoy en día es una de sus aplicaciones más comunes, la utilización de cerámica en la arquitectura no se manifestaría hasta el siglo XV.

Pero ¿qué es la cerámica? Según Sicer (2023), es un producto inorgánico y no metálico obtenido después de darse un proceso de cocción; evidenciado en la filología de la palabra «cerámica», proveniente del griego «kéramos», traducido como «arte de trabajar la arcilla». Es importante esta definición para delimitar sus aplicaciones. Por ejemplo, separar el uso del adobe en las culturas preincas, pues su composición es muy similar a la de los materiales cerámicos, pero no pasa por un proceso de cocción.

El objetivo principal de este artículo es presentar la definición de los cerámicos y sus propiedades, técnicas de producción, aplicaciones e impacto ambiental; de igual manera que con los cerámicos avanzados. También pretende proponer el vidrio como una alternativa para reducir los distintos tipos de polución liberada durante el ciclo de vida de los cerámicos.

Resumen

En el artículo “Impacto ambiental del sector cerámico” (Cerem Global Business School, s. f.), se advierte sobre las emisiones atmosféricas y otros posibles daños al medio ambiente que genera el sector de los cerámicos; ya que, en España, es un sector de producción activa, al punto de ser el segundo productor de baldosas cerámicas de la Unión Europea. Evidencian los impactos ambientales de este sector analizando el ciclo de vida de las cerámicas: desde la etapa de obtención de materia prima, que genera grandes cantidades de polvo y ruido, hasta la fase de producción, que emite metales pesados, residuos sólidos inertes, sustancias tóxicas, gases volátiles, entre otros contaminantes. Por ello, se destaca la necesidad de que esta industria tome en cuenta las Mejores Técnicas Disponibles (MTDs) para minimizar, en lo posible, el perjuicio del medio ambiente de este importante sector. No obstante, si bien menciona que se tiene que tener mayor cuidado en la producción de cerámicos, finalizan destacando que el producto es un material ecológico que contribuye en la arquitectura y diseño de interiores.

Los cerámicos

“Los cerámicos están compuestos por elementos metálicos y no metálicos; usualmente óxidos, nitruros y carburos.”(Callister, Rethwisch, 2018, p. 9). Algunos de los materiales cerámicos más conocidos son la Alúmina (Al2O3), el carburo de silicio (SiC), el diamante y el nitruro de silicio (Si2N4). También, están los denominados “cerámicos tradicionales”, aquellos compuestos por arcilla, cemento y vidrio. “En general, los materiales cerámicos presentan gran resistencia al desgaste, al calor y a los ataques químicos.” (Montes, Cueva, Cintas, 2014, p.9). La dureza y resistencia de los materiales cerámicos es comparable con la de los metales. Sin embargo, uno de los principales inconvenientes que presentan los cerámicos es su notable fragilidad. Afortunadamente, la ingeniería se ha encargado de intentar corregir este impedimento eliminando los pequeños defectos de sus estructuras, como impurezas químicas o poros, por donde comienzan las fracturas.

Diversos cerámicos. Extraído de https://steemit.com/science/@asbonclz/an-overview-to-ceramics-engineering-and-basic-formulation-of-traditional-ceramic-body

Estructura química de los materiales cerámicos

Los fuertes enlaces químicos que unen y forman al material cerámico son los responsables de las propiedades características de los cerámicos. El tipo de enlace puede ser de dos tipos: iónico o covalente.  El enlace suele variar de totalmente iónico a totalmente covalente, aunque varios cerámicos muestran una combinación de ambos tipos de enlace.

Los cerámicos suelen tener una estructura cristalina y, debido a que están compuestos por lo menos de dos elementos, su estructura llega a ser bastante compleja. Existen 2 factores que influyen en la forma de la estructura cristalina: la carga eléctrica de los iones de cada componente y el tamaño del radio de los aniones y cationes.

Diagrama esquemático de la estructura cristalina del SiC. Extraído de https://www.researchgate.net/figure/Schematic-diagram-of-silicon-carbide-crystal-structure_fig4_362745289 [27 Oct, 2023]

Estructura cristalina (a) y celda unitaria (b) de la alúmina. Extraído de https://www.researchgate.net/figure/Crystal-structure-a-and-unit-cell-of-a-alumina-b_fig2_368792186 [27 Oct, 2023]

Principales propiedades de los materiales cerámicos

  • Fragilidad y dureza: A temperatura ambiente, tanto los cerámicos cristalinos como el vidrio (cerámicos no cristalinos) se fracturan antes de que cualquier deformación plástica pueda ocurrir en respuesta a una tensión aplicada. Esto se debe al tipo de enlace que forman a los cerámicos y su estructura cristalina. La dureza de los cerámicos se deriva de esto mismo y del hecho de que son incapaces de permitir el deslizamiento de átomos en respuesta a la tensión.
  • No conductividad: Usualmente, los cerámicos son excelentes aislantes. Esto sucede debido a la ausencia de electrones “libres”. En materiales cerámicos enlazados iónicamente, el intercambio de electrones entre los elementos cargados positiva y negativamente causa que los electrones están fuertemente unidos a los iones de la estructura. Por lo tanto, no quedan electrones que permitan conducir electricidad. De manera similar, en los cerámicos con enlaces covalentes, los electrones enlazantes se encuentran localizados en los orbitales direccionales entre los átomos y no quedan electrones “libres” que conduzcan electricidad.

Gráfico de barras de rango de conductividad eléctrica a temperatura ambiente para metales, cerámicos, polímeros y materiales semiconductores. [Fotografía] En Materials science and engineering: an introduction (p. 10), por W. Callister, (2017), Hoboken, NJ. John Wiley and Sons, Inc.

Cualquiera sea la técnica utilizada, la pieza cerámica tendrá una porosidad considerable y aún contendrá una pequeña cantidad del líquido usado para su fabricación. Por lo tanto, es necesario realizar un proceso de cocción y secado para consolidar la estructura de la pieza, mejorar sus propiedades y eliminar la humedad.

Etapas del proceso de vaciado por colada. Extraído de https://www.britannica.com/technology/traditional-ceramics/images-videos#/media/1/601792/260

En la fabricación de piezas cerámicas con una geometría compleja o que requieren una alta precisión dimensional, es necesario hacer uso de técnicas más sofisticadas. Dos técnicas de alta precisión comunes son las siguientes:

  1. Prensado de polvo

El prensado de polvos es una técnica de fabricación que se utiliza en cerámica para producir una variedad de productos cerámicos, incluyendo componentes electrónicos, cerámicas magnéticas y ladrillos refractarios. Este proceso implica la compactación de una mezcla de polvo con la ayuda de la presión para crear la forma deseada. A continuación, se detallan algunos puntos clave en el proceso del prensado de polvos en cerámica:

  1. Mezclado de polvo: El proceso comienza con una mezcla de polvo que consiste de polvos cerámicos.
  2. Aglutinante: Se agrega una pequeña cantidad de agua u otro aglutinante al polvo. El aglutinante cumple múltiples funciones, incluyendo la lubricación para reducir la fricción entre las partículas de polvo durante la compactación e incrementar la plasticidad de la mezcla.
  3. Selección del método de compactación: Existen tres procedimientos básicos de prensado de polvos.
  • Prensado uniaxial: El polvo se compacta en un troquel metálico aplicando presión en una sola dirección. La pieza formada toma la forma del troquel y las placas a través de las cuales se aplica la presión. Este prensado es utilizado para la fabricación de formas relativamente simples.

Diseños de presas hidráulicas que compactan polvos cerámicos. Extraído de https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=methods_of_shape_forming_ceramic_powders

  • Prensado isostático: Implica someter el polvo a presión uniforme desde todas las direcciones mediante un fluido presurizado. Este método es capaz de producir formas más complejas.
  • Prensado en caliente: Se utiliza cuando la mezcla de polvo requiere sinterización (cocción) a temperaturas elevadas. El polvo se compacta bajo presión y alta temperatura, lo que ayuda a obtener productos cerámicos más densos y uniformes.

2. Fundición en cinta

La técnica de “tape casting” es un método esencial en la fabricación de cerámica. En esencia, se producen láminas delgadas y flexibles a través de un proceso de colada. Estas láminas se preparan a partir de una mezcla líquida de partículas cerámicas. Estas mezclas de partículas cerámicas también contienen aglutinantes y plastificantes con el objetivo de brindar resistencia y flexibilidad a la cinta (lámina) resultante.

La cinta se forma vertiendo la suspensión (mezcla) sobre una superficie plana, que puede ser de acero inoxidable, vidrio, una película polimérica o papel. Luego, una cuchilla doctora se utiliza para extender uniformemente la suspensión, creando una cinta delgada de espesor constante. Luego, en el proceso de secado, los componentes volátiles de la suspensión se eliminan  por evaporación. El producto resultante es una cinta flexible que puede cortarse antes de someterse a un proceso de cocción. Normalmente, los espesores de estas cintas oscilan entre 0,1 y 2 mm.

Pasos en el “tape-casting”. Extraído de https://www.britannica.com/technology/advanced-ceramics/images-videos#/media/1/6657/262

Aplicaciones tradicionales de la cerámica

Después de explorar en detalle las diversas técnicas de fabricación que dan forma a los materiales cerámicos, es fundamental comprender cómo estas habilidades y procesos se han traducido a una amplia gama de aplicaciones prácticas a lo largo de la historia. Los materiales cerámicos, con su resistencia, durabilidad y propiedades únicas, han desempeñado un papel crucial en numerosos campos y aplicaciones tradicionales que han enriquecido nuestras vidas diarias. Desde la construcción y la cocina hasta la electrónica y la medicina, estos materiales han tenido un papel importante en el progreso de nuestra sociedad.

Cerámicos avanzados

Los cerámicos avanzados son aquellos cerámicos cuyas propiedades son mejores, es decir, más efectivas, que las de los cerámicos tradicionales. Se separan en tres tipos: Cerámicos estructurales, cerámicos funcionales y biocerámicos.

Cerámicos estructurales:

Este tipo de cerámicos surgió gracias a la necesidad de encontrar materiales resistentes a altas temperaturas e inertes en medios agresivos. Son generalmente capaces de soportar muy altas tensiones con una mínima deformación en relación con el rango de temperaturas (Narciso, 1992, p. 11). Estos cerámicos cuentan con bastantes propiedades únicas:

  • Alta dureza: Los cerámicos estructurales suelen ser extremadamente duros, lo que refleja una gran resistencia al desgaste y abrasión.
  • Alta resistencia a la compresión: Este tipo de cerámicos poseen la capacidad de aguantar fuerzas que actúan para comprimir el material. Esta propiedad es sumamente importante en situaciones donde los materiales son sometidos a altas presiones, como es el caso de la construcción de motores o componentes de turbinas.
  • Baja conductividad térmica: El hecho de que los cerámicos no conduzcan el calor de manera eficaz contribuye en los procesos de aislamiento.
  • Resistencia química: Los cerámicos pueden resistir tanto la corrosión, como la degradación u otro tipo de reacción química cuando el material está en contacto con sustancias químicas peligrosas.

Preparación

La preparación de los cerámicos estructurales es un proceso meticuloso y fundamental que implica una serie de etapas clave. En primer lugar, se seleccionan cuidadosamente las materias primas cerámicas, que pueden incluir óxidos metálicos, carburos, nitruros u otros compuestos cerámicos. Estas materias primas se mezclan en proporciones específicas para lograr la composición deseada del material. En segundo lugar, la mezcla se somete a un proceso de conformación que puede involucrar técnicas como el prensado en seco, la extrusión o el prensado isostático, con el fin de dar forma a las piezas cerámicas según las especificaciones requeridas. Para terminar, las piezas conformadas se someten a un proceso de sinterización a alta temperatura. Durante la sinterización, las partículas cerámicas se fusionan y densifican, lo que resulta en una estructura sólida y compacta. Este proceso es crucial para mejorar la resistencia mecánica y las propiedades finales del cerámico estructural. La precisión en cada etapa de preparación es esencial para garantizar la calidad y el rendimiento del material cerámico en diversas aplicaciones industriales y de ingeniería.

Aplicaciones

Los cerámicos estructurales encuentran una amplia variedad de aplicaciones en diversas industrias debido a sus características únicas. Estos materiales son especialmente valorados en aplicaciones a alta temperatura, alta resistencia mecánica y resistencia química. Por ejemplo, en la industria aeroespacial, los cerámicos estructurales se utilizan en componentes de motores y sistemas de propulsión, donde la capacidad de mantener su resistencia a temperaturas extremadamente altas es esencial. Además, en la industria de la energía, estos cerámicos son empleados en sistemas de aislamiento térmico y componentes resistentes a la corrosión en reactores nucleares y turbinas de gas. También son fundamentales en aplicaciones de corte y mecanizado de alta velocidad, como herramientas de corte y fresado. En el ámbito químico, se emplean en la construcción de equipos resistentes a productos químicos agresivos, como tuberías y recipientes para la manipulación de sustancias corrosivas. Su uso se extiende a la electrónica de alta temperatura, donde se emplean en la fabricación de sensores y dispositivos electrónicos avanzados. En resumen, los cerámicos estructurales desempeñan un papel esencial en numerosas áreas de aplicación en las cuales se requieren propiedades excepcionales de resistencia, estabilidad y durabilidad en entornos desafiantes.

Cerámicos funcionales

Son aquellos cerámicos que son capaces de cumplir funciones en aplicaciones especiales en las que se requieren otras propiedades extras y superiores a las de los cerámicos tradicionales, como la conductividad eléctrica, térmica o propiedades magnéticas u ópticas.

La clasificación de uso aplicación funcional puede distinguirse entre componentes activos, los cuales cumplen funciones específicas, y los componentes pasivos, que sirven como soporte a los primeros.

Propiedades

Según el tipo de cerámico que se utilice, sus propiedades pueden variar enormemente, al grado de ser totalmente opuestas. Empezando por la conductividad térmica, existen tanto cerámicos con alta conductividad térmica, valorados en la donde la disipación de calor es esencial, como aislantes. El caso es similar con el de la conductividad eléctrica, ya que mientras hay cerámicos con que son considerados como superconductores (cuya aparición es reciente), cumpliendo un rol de componente activo, también están los que son excelentes aislantes con resistividades mayores a 108 Ω⋅m, aunque la mayoría sea como compuesto pasivo, cabe aclarar que la mayoría de cerámicos son aislantes. Pese a lo mencionado anteriormente, también cuentan con propiedades en común, como su estabilidad química, que les permite resistir agentes corrosivos, o su dureza que puede llegar a ser incluso 3 veces mayor a la del acero inoxidable.

Preparación

Parten de materias primas de alta dureza provenientes de una industria química muy sofisticada. Los procesos por los cuales se obtiene el producto final son cada vez más complejos, ya que, aun siendo automatizados pasan por estándares de calidad extremadamente altos, sin mencionar que la tendencia a la miniaturización, exigida por el mercado, siempre necesita la implementación de nuevas tecnologías.

Campos de aplicación

Debido a sus propiedades, los cerámicos avanzados cuentan con un gran campo de aplicación, algunos de los más destacados son la microelectrónica, los vehículos espaciales, los nuevos sistemas de producción de energía, las biotecnologías, etc.

El vidrio

El vidrio es un material cuyo patrón molecular no está definido: presenta una estructura uniformemente deformada, por lo que se clasifica como un sólido amorfo. Está conformado principalmente por arena de sílice y caliza (CaCO3). Es sólido y duro, pero, al mismo tiempo, es frágil al entrar en contacto con piezas delgadas o puntiagudas. Además, es transparente y completamente reciclable.

El vidrio tiene una gran variedad de aplicaciones. En primer lugar, están sus usos en la construcción y arquitectura, como es el revestimiento de paredes, muebles, espejos, escaleras e iluminación general de los espacios. En segundo lugar, se presenta en la generación de energía, una utilidad vital hoy en día, dadas ciertas cualidades que posee, tales como su resistencia, su costo, su capacidad térmica, entre otros. En tercer lugar, su aplicación en la industria óptica es imprescindible, pues se encuentra en todos los dispositivos de captación de imágenes modernos,  en dispositivos de reproducción de imágenes, en lectores de DVD o fibra óptica, en instrumentos científicos y en el campo de la oftalmología. Finalmente, pero no menos importante, su uso en la decoración, en la joyería y el arte es amplio, constando de múltiples técnicas de creación, como el grabado y el templado térmico. (Fernández, J.)

Los vidrios y cerámicos cristalinos comparten varias características, como ser no metálicos, duros o su fragilidad. Sin embargo, su forma y composición son sus principales diferenciadores. Los materiales cerámicos son generalmente compuestos por arcilla, sílice y feldespato, lo cual no coincide con los compuestos del vidrio. Por otro lado, los cerámicos tienen una forma cristalina, es decir, sus moléculas conforman un patrón ordenado y periódico a través de sus tres ejes; mientras que el vidrio es un sólido amorfo.

Implicación ambiental de los cerámicos

El tratamiento de las materias primas para la obtención de cerámica conduce inevitablemente a la formación de polvo, especialmente en el caso de materiales secos, la cual se genera en múltiples fases de la elaboración de cerámicos, como en el secado y  la fragmentación o molienda. Por otra parte, otra emisión a tener es la de contaminantes gaseosos, en particular SOX, NOX, HF, HCl, COV y metales pesados. También se generan aguas residuales en el proceso de lavado y suspensión de materiales  arcillosos en agua.

Otro tipo de impacto ambiental a tener en cuenta son los consumos. Por un lado, tenemos el consumo energético, el cual se da principalmente en la fase de cocción y demanda grandes cantidades de energía. Por otro, está el consumo de agua que se ve implicada en casi todos los procesos cerámicos, y la buena calidad de ésta es esencial para la preparación de arcillas y barbotinas de vidriado, masas de arcilla para extrusión, «barros» para moldear, polvos atomizados, trituración/molturación por vía húmeda y operaciones de lavado o limpieza.

Nuestra postura

A partir de la comparación entre la información presentada, podemos concluir que el vidrio podría reemplazar a los cerámicos cristalinos en distintos campos de aplicación. Para empezar, las propiedades por las cuales se utiliza el cerámico cristalino son similares a las del vidrio (e.g. resistencia y baja conductividad térmica, conductividad óptica, dureza). Estas mismas propiedades coinciden con los usos de cada uno de los materiales, por lo que son, de cierto modo, competidores, en los que se demarca un ganador según el mayor beneficio total que de cada uno, tomando en cuenta el costo versus la duración de la aplicación, la facilidad de producción, entre otros factores. En adición, el costo ambiental, es decir, el impacto en la contaminación del medio ambiente es menor en el caso del vidrio, pues este es cien por ciento reciclable, como fue mencionado anteriormente; en cambio, los materiales cerámicos generan gran cantidad de polución a lo largo de su ciclo de vida. Puede que el reemplazo de los materiales cerámicos por el vidrio no sea absoluto, pero sí podría reducir considerablemente la contaminación de este sector.

Lecturas recomendadas

Mari, E. (2001). Los materiales cerámicos. ALSINA. https://www.google.com.pe/books/edition/_/ageXDwAAQBAJ?hl=es-419&gbpv=1

Callister, W, Rethwisch, D. (2017) Materials science and engineering: an introduction. John Wiley and Sons, Inc. https://ftp.idu.ac.id/wp-content/uploads/ebook/tdg/TEKNOLOGI%20REKAYASA%20MATERIAL%20PERTAHANAN/Materials%20Science%20and%20Engineering%20An%20Introduction%20by%20William%20D.%20Callister,%20Jr.,%20David%20G.%20Rethwish%20(z-lib.org).pdf

The American ceramic society. (s.f.). A brief history of ceramics and glass. https://ceramics.org/about/what-are-engineered-ceramics-and-glass/brief-history-of-ceramics-and-glass/

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Bibliografía

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Glass. (s. f.). Lenntech. https://www.lenntech.es/library/glass.htm#:~:text=Principales%20propiedades%20del%20vidrio&text=Material%20s%C3%B3lido%20y%20duro,la%20visibilidad%20de%20la%20luz

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Callister, W, Rethwisch, D. (2017) Materials science and engineering: an introduction. John Wiley and Sons, Inc. https://ftp.idu.ac.id/wp-content/uploads/ebook/tdg/TEKNOLOGI%20REKAYASA%20MATERIAL%20PERTAHANAN/Materials%20Science%20and%20Engineering%20An%20Introduction%20by%20William%20D.%20Callister,%20Jr.,%20David%20G.%20Rethwish%20(z-lib.org).pdf

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Estaba, Leone, Zerpa (2021) Materiales cerámicos avanzados en la industria aeroespacial. Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre https://www.academia.edu/41668639/Paper_de_ceramicas_avanzadas_en_la_industria_aeroespacial

Sicer. (2023, marzo). Cerámica: Historia de la cerámica y su evolución – Blog Sicer. Blog Sicer. https://blog.sicer.es/ceramica_origenes-y-caracteristicas/#:~:text=Los%20primeros%20artefactos%20cer%C3%A1micos%20aparecen,cer%C3%A1mica%20para%20crear%20objetos%20decorativos.

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