Procedimiento de obtención de un material cerámico de forsterita.

Procedimiento de obtención de un material cerámico a partir de un silicato laminar hidroxilado, preferiblemente talco, que comprende: mezclar una suspensión acuosa de silicato laminar hidroxilado con óxido de magnesio; secar la suspensión obtenida anteriormente a una temperatura de hasta 350 °C; y tratar térmicamente el producto secado a una temperatura de hasta 1600 °C. Además, la invención se refiere a un material cerámico obtenible por el procedimiento descrito que comprende forsterita en una proporción de entre un 70% y un 95% en peso del material cerámico, y a sus aplicaciones como material refractario o como material electrocerámico

Procedimiento de obtención de un material cerámico de forsterita.

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material cerámico a partir de un silicato laminar hidroxilado, preferiblemente talco. Además, la invención se refiere al material obtenido y a sus aplicaciones como material cerámico refractario o electrocerámico.

Estado de la técnica anterior

Dentro de los refractarios básicos, los refractarios de forsterita (orto-silicato de magnesio MgSiO₄ de composición química molar 2MgO.1SiO₂ y punto de fusión 1910ºC) se han preparado por tratamiento térmico a partir de silicatos naturales empleando materias primas con magnesio en elevada proporción, tal como el olivino de Noruega y dunitas y serpentinas de Rusia e India.

La roca natural olivino se compone de cristales mixtos de forsterita y fayalita (silicato de hierro 1 FeO.1SiO₂), junto con pequeñas cantidades de serpentina y, a veces, talco, variando las proporciones relativas de las diferentes fases minerales con la procedencia de la roca. El único mineral con propiedades como refractario es la forsterita, siendo la fayalita un constituyente de las escorias metalúrgicas de hierro. El talco y la serpentina producen cantidades importantes de fase líquida por encima de 1500ºC, lo que repercute desfavorablemente en la refractariedad del material, más aún si se somete a una carga o esfuerzos termomecánicos.

Por otro lado, materiales refractarios aislantes de forsterita, con porosidad total 44-70%, han sido obtenidos a partir de mezclas de una roca ígnea compuesta casi enteramente de olivino y denominada dunita, con magnesita.

También se han logrado preparar y estudiar materiales refractarios de forsterita a partir de mezclas de serpentinas españolas, a veces magnéticas al contener magnetita, y diversas magnesitas comerciales.

Durante los últimos años, la preparación de materiales cerámicos de forsterita ha experimentado un cierto desarrollo teniendo en cuenta el procesado de tipo sol-gel y la formación de nanocomposites y materiales multifásicos. De este modo, se han preparado y densificado materiales cerámicos de forsterita a partir de precursores reactivos partiendo de nitrato de magnesio, etanol absoluto y un alcóxido de silicio, tetraetoxisilano, a 60ºC con agitación hasta que se produce la formación de un sol que después gelifica y se seca a 100ºC, calcinando a 400ºC y después a 1200ºC y 1500ºC, obteniendo materiales con forsterita en proporción mayoritaria con densidades de 97% de la teórica partiendo de geles difásicos y 91% de geles monofásicos, pero teniendo que someter a tratamiento térmico el material a 1200ºC durante 30 horas para eliminar la enstatita (cfr. Kazakos, A., Komarmeni, S. and Roy, R., Materials Letters, 1990, 9, 405-409).

La síntesis de forsterita sin que contenga enstatita una vez que ha cristalizado la primera fase, también ha sido conseguida mediante la obtención de precursores poliméricos organometálicos de tipo poli(metacrilato), vía copolimerización de sales alcalinas del ácido metacrílico con varias combinaciones de siloxano-metacrilato y metoxi-silil-metacrilato con metacrilato de magnesio, dando lugar a una conversión de los óxidos precursores durante la pirólisis en aire que origina rendimientos del 77% del teórico (cfr. Hogan, M., et al., J. Am. Ceram. Soc., 1992, 75, 1831-1838). Asimismo, en la síntesis de forsterita y enstatita por la vía sol-gel, se ha empleado incluso el propio metal magnesio y tetrametoxisilano o tetraetoxisilano, en diversas relaciones molares, en presencia de ácido clorhídrico como catalizador de la reacción de hidrólisis, de tal modo que la forsterita cristaliza a 500ºC (cfr. Ban, T., Ohya, Y. and Takashi, Y., J. Am. Ceram. Soc., 1999, 82, 22-26).

Aunque la refractariedad de los materiales con forsterita en proporción mayoritaria es alta, teóricamente la forsterita funde a 1910ºC, su resistencia a los cambios bruscos de temperatura o choque térmico es relativamente baja. Para mejorar la resistencia al choque térmico de los materiales refractarios de forsterita, se han realizado diversas modificaciones en la preparación de los mismos. Una mejora importante en las propiedades mecánicas y resistencia al choque térmico de este tipo de materiales refractarios de forsterita, se ha logrado mediante su obtención a partir de silicato de zirconio (zircón) y óxido de magnesio por reacción en estado sólido, lo que da lugar a un material compuesto de forsterita y óxido de zirconio, siendo éste último el responsable de esta mejora (cfr. Yangyun, S. and Brook, R.J., Ceramics International, 1983, 38-46).

En general, existen varios procedimientos de utilidad para la obtención y fabricación de materiales cerámicos, electrocerámicos y refractarios que contienen forsterita en proporción mayoritaria que presentan un alto interés tecnológico, pero se parte de materias primas en forma de rocas muy compactas, como el olivino, la dunita o la serpentina, con un paso previo fundamental de molienda que consume energía, o bien se parte de reactivos metalorgánicos que son de precio y pureza elevados. Estos últimos precursores, además, se presentan en estado líquido a temperatura ambiente y, generalmente, son fácilmente inflamables, lo que lleva asociado otra serie de inconvenientes, como son el uso de disolventes no acuosos, también generalmente inflamables, con alto coste relativo y condiciones especiales de manipulación en atmósferas protegidas o inertes para evitar la humedad ya que se provoca su hidrólisis, además de originar residuos y problemas medioambientales por su toxicidad. Como mayor inconveniente, se señala el coste elevado que llevaría asociado un escalado de este tipo de procedimientos descritos, hasta ahora a nivel de laboratorio, restringiéndolos a la obtención de cantidades pequeñas de materias primas precursoras para la fabricación de piezas de tamaño reducido destinadas a unas aplicaciones muy puntuales.

Descripción de la invención

La presente invención proporciona un procedimiento de obtención de materiales cerámicos con alto contenido en forsterita partiendo de materias primas inorgánicas relativamente asequibles, de alta o media pureza y de moderado o bajo coste, y sin utilizar reactivos metalorgánicos.

Una ventaja del procedimiento de la invención es la utilización de un silicato laminar hidroxilado como materia prima, por ejemplo el talco que es un silicato mineral con relativa abundancia en España en provincias como León o Málaga, y otros países de Europa, y que puede encontrarse finamente dividido o es de fácil molienda, con una pureza elevada a bajo coste, a diferencia de los procedimientos que emplean materias primas en forma de rocas muy compactas, como el olivino o la dunita, que requieren una molienda previa muy intensa. Como ventaja adicional, el bajo coste de la materia prima a utilizar en este procedimiento de la invención permite su fácil escalado.

Otra ventaja es que mediante el procedimiento de la invención se evita el uso de reactivos metalorgánicos, con sus inconvenientes, que son conocidos por cualquier experto en la materia.

Por tanto, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material cerámico de forsterita, caracterizado porque comprende (a partir de ahora procedimiento de la invención):

1. Procedimiento de obtención de un material cerámico de forsterita, caracterizado porque comprende: