CERAMICAS

AVANZADAS

Tópicos de Materiales Avanzados

Ing. Wilmer Vásquez Díaz Universidad Nacional de Trujillo – Perú

wvasquezd@gmail.com

ARCILLAS

Las arcillas son rocas naturales en forma de partículas muy finas (menor que 2μm),

compuestas de minerales conocidos como minerales arcillosos. Ellos son

esencialmente láminas de silicatos de aluminio hidratado.

En algunos casos, presentan sustitución del aluminio por Fe o Mg y álcalis. Algunas arcillas

pueden estar compuestas de sólo un mineral arcilloso pero es más frecuente encontrarlos

mezclados con otros minerales como feldespatos, cuarzo, carbonatos y micas.

Los minerales arcillosos consisten de dos

unidades básicas:

(a) tetraedros de SiO4 que comparten tres

de sus cuatro oxígenos formando una capa

extensa bidimensional con los oxígenos

apicales dirigidos hacia arriba o hacia abajo

en cada capa

(b) capas octaédricas compuestas por

oxígenos y átomos metálicos, generalmente

aluminio o magnesio.

Una de las formas recomendadas para la clasificación de arcillas es por su

aspecto laminar (filosilicatos) o fibrosos.

Composición y Estructura de los Materiales Arcillosos

ARCILLAS

Filosilicatos Fibrosos

Láminas 1:1 Láminas 2:1 Sepiolita Paligorskita

Caolinita,

serpentina

Talco, pirofilita,

Esmectitas, vermiculita,

ilita, mica, clorita

En un grupo de arcillas la capa tetraédrica está unida a una octaédrica originando una

lámina 1:1 es decir de dos capas. En otros casos, la capa octaédrica es “cubierta”

superior e inferiormente por dos capas tetraédricas originando láminas 2:1 de tres capas.

La laminas están unidas entre sí por fuerzas de van der Waals o por enlaces del tipo

puente hidrógeno.

CAPA OCTAEDRICA

CAPA TETRAEDRICA

CAPA TETRAEDRICA

ESPACIO INTERLAMINAR

CAPA TETRAEDRICA

ESMECTITAS

Es un grupo de arcillas del tipo 2:1 (lámina de tres capas). Dos capas tetraédricas de (SiO4)

cubren una capa central octaédrica de (AlO6). Este tipo de arcillas se caracterizan por

expandirse o contraerse manteniendo su forma cristalográfica bidimensional. Sus

variedades más comunes son la montmorillonita, saponita y hectorita.

Propiedades:

Frecuente sustitución de los cationes de las

capas tetraédricas y octaédricas.

Capacidad de Intercambio catiónico (CIC). La

CIC se expresa como miliequivalentes de catión

intercambiable por 100g de arcilla. En

montmorillonita la CIC es del orden de 80-100

meq/100g de arcilla, en caolinitas oscila entre 2-10

meq/100g.

Capacidad de absorción. algunas arcillas

encuentran su principal campo de aplicación en el

sector de los absorbentes ya que pueden absorber

agua u otras moléculas en el espacio interlaminar

(esmectitas).

Estructura de una arcilla tipo

Montmorillonita

A continuación se muestran algunos

ejemplos de capacidad de intercambio

catiónico (en meq/100g):

PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS

Su extremadamente pequeño tamaño de partícula (inferior a 2 mm)

Su morfología laminar (filosilicatos)

Las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las láminas y

a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar.

Las importantes

aplicaciones

industriales de este

grupo de minerales

radican en sus

propiedades físico-

químicas. Dichas

propiedades derivan,

principalmente, de:

PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS

Tixotropia

Capacidad de

Intercambio

Catiónico

(Esmectitas)

Capacidad

De Absorción

Hidratación

e Hinchamiento

Plasticidad

Elevada

Superficie

Específica

Propiedades de

las Arcillas

ARCILLAS MODIFICADAS

En ocasiones se procede a someter a las bentonitas a procesos físicos y químicos

que tienen por objeto potenciar algunas de sus propiedades para determinadas

aplicaciones industriales.

Desde el punto de vista industrial tienen gran importancia los procesos destinados

bien a modificar las propiedades de superficie del mineral mediante tratamientos

de distinta natualeza (tratamiento ácido, térmico, o de pilarización) o bien a

modificar la C.Q. del espacio interlaminar.

El tratamiento ácido produce la destrucción del mineral por disolución de la capa

octaédrica, generando silice amorfa procedente de la capa tetraédrica lo cuan

conlleva un considerable incremento de la superficie específica. Así mismo,

aumentan la capacidad de intercambio iónico y la actividad catalítica.

Las variaciones en el tipo de arcilla (granulometría y mineralogía) y en el tipo y

grado de acidulación (tipo de ácido, temperatura, tiempo de contacto, proporción

de arcilla, etc.) darán lugar a diferentes productos con diversas propiedades.

ARCILLAS TERMOACTIVADAS La activación ácida consiste en la disolución parcial de la arcilla en una solución ácida.

Durante el proceso, los protones atacan a los grupos OH de las capas internas de la

estructura laminar. Esta deshidroxilación produce a su vez la eliminación de los cationes

metálicos de los sitios octaédricos y los aluminios sustituyentes que se encuentran en la

capa tetraédrica. Este proceso conduce una transformación gradual de la capa

tetraédrica en una red tridimensional amorfa de una fase de silicio parcialmente

protonado.

Termoactivación

En esta etapa la arcilla, ya tratada anteriormente, se pone en

contacto con una solución de ácido clorhídrico HCl 2N, en una relación de 10 mL de ácido/g de arcilla, en un reactor con reflujo, manteniendo todo el sistema en agitación y a una temperatura constante de 90 ºC por 2 horas. Luego se lava el material hasta la eliminación total de cloruros (verificado por medidas de conductividad) y se secó en estufa a 60 ºC por 16 horas. Finalmente, se procedió a la molienda hasta un tamaño de partícula de 0.45 mm y se calcinó a 200 ºC por 2 horas.

ARCILLAS PILAREADAS Las arcillas pilareadas son sólidos

cristalinos de estructura

tridimensional,rígida y microporosa. Su

característica principal es que están

constituidas por láminas, como si se tratara

de un hojaldre.

Dichas láminas se mantienen unidas

gracias a cationes como el sodio o el

calcio. La síntesis de estas arcillas está

basada en el fenómeno de intercambio de

los cationes iniciales, que compensan las

cargas negativas de las láminas, por

especies catiónicas más voluminosas

(agentes pilareantes), que provocan una

expansión en las láminas e incrementan

así su porosidad. Por tratamiento térmico,

las especies catiónicas interlaminares se

transforman en óxidos y se fijan a las

láminas para constituir así la arcilla

pilareada.