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Esmalte cerámico

Botella de cuerpo compuesto, pintada y esmaltada. Irán , siglo XVI ( Museo Metropolitano de Arte ). Detalle del esmalte de ceniza de paja de arroz goteando (arriba), Japón, 1852...

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Botella de cuerpo compuesto, pintada y esmaltada. Irán , siglo XVI ( Museo Metropolitano de Arte ).
Detalle del esmalte de ceniza de paja de arroz goteando (arriba), Japón, 1852.

El vidriado cerámico , o simplemente vidriado , es un recubrimiento vítreo sobre la cerámica. Se utiliza para decorar, para asegurar que el objeto sea impermeable a los líquidos y para minimizar la adherencia de contaminantes. [ 1 ]

El vidriado hace que la loza sea impermeable al agua, sellando su porosidad inherente . También le confiere una superficie más resistente. El vidriado se utiliza asimismo en gres y porcelana . Además de su funcionalidad, los vidriados permiten crear diversos acabados superficiales, incluyendo diferentes grados de brillo o mate, y distintos colores. Asimismo, pueden realzar el diseño o la textura subyacente, ya sea sin modificar o grabado, tallado o pintado.

La mayor parte de la cerámica producida en los últimos siglos ha sido esmaltada, a excepción de las piezas de porcelana bizcochada . Los azulejos suelen estar esmaltados en la superficie, y la terracota arquitectónica moderna también lo está . El ladrillo esmaltado es igualmente común. Los sanitarios están invariablemente esmaltados, al igual que muchas cerámicas utilizadas en la industria, como por ejemplo los aisladores cerámicos para líneas eléctricas aéreas .

Los grupos más importantes de esmaltes tradicionales, cada uno nombrado según su principal agente fundente cerámico , son:

El esmalte se puede aplicar mediante pulverización, inmersión, arrastre o pincelado sobre una suspensión acuosa del esmalte sin cocer. El color del esmalte después de la cocción puede ser significativamente diferente al de antes de la misma. Para evitar que las piezas esmaltadas se adhieran a los soportes del horno durante la cocción, se deja sin esmaltar una pequeña parte del objeto (por ejemplo, la base) o, alternativamente, se utilizan soportes refractarios especiales. Estos se retiran y desechan después de la cocción .

Historia

Históricamente, el vidriado de la cerámica se desarrolló con relativa lentitud, ya que era necesario descubrir los materiales adecuados y desarrollar una tecnología de cocción capaz de alcanzar de forma fiable las temperaturas necesarias. Los vidriados aparecieron por primera vez en materiales pétreos en el IV milenio a. C., y la fayenza del Antiguo Egipto ( frita en lugar de un material a base de arcilla) era autovidriable, puesto que el material formaba naturalmente una capa similar a un vidriado durante la cocción. El vidriado de la cerámica siguió a la invención del vidrio alrededor del 1500 a. C., en Oriente Medio y Egipto con vidriados alcalinos, incluido el vidriado de ceniza , y en China, utilizando feldespato molido . Hacia el año 100 a. C., el vidriado con plomo estaba muy extendido en el Viejo Mundo . [ 3 ]

El uso del ladrillo vidriado se remonta al templo elamita de Chogha Zanbil , que data del siglo XIII a. C. La pagoda de hierro , construida en 1049 en Kaifeng , China , con ladrillos vidriados, es un ejemplo posterior muy conocido. [ 4 ]

La cerámica vidriada con plomo probablemente se fabricó en China durante el período de los Reinos Combatientes (475-221 a. C.), y su producción aumentó durante la dinastía Han. La cerámica vidriada protoceladón de alta temperatura se fabricó antes que la cerámica vidriada, desde la dinastía Shang (1600-1046 a. C.). [ 5 ]

Durante el periodo Kofun de Japón, la cerámica Sue se decoraba con esmaltes verdosos de ceniza natural . Entre los años 552 y 794 d. C., se introdujeron esmaltes de diferentes colores. Los tres esmaltes de colores de la dinastía Tang se usaron con frecuencia durante un tiempo, pero se fueron eliminando gradualmente; no se han podido recuperar los colores ni la composición exactos de estos esmaltes. Sin embargo, el esmalte de ceniza natural se usaba comúnmente en todo el país.

En el siglo XIII, los diseños florales se pintaban con esmaltes de colores rojo, azul, verde, amarillo y negro. Estos esmaltes se hicieron muy populares debido al aspecto particular que le daban a la cerámica .

Desde el siglo VIII, el uso de cerámica vidriada fue predominante en el arte y la alfarería islámicos , generalmente en forma de piezas elaboradas . El vidriado opacificado con estaño fue una de las primeras tecnologías nuevas desarrolladas por los alfareros islámicos. Los primeros vidriados opacos islámicos se pueden encontrar en piezas pintadas de azul en Basora , que datan de alrededor del siglo VIII. Otra contribución significativa fue el desarrollo del gres , originario del Irak del siglo IX. [ 6 ] Otros lugares para la cerámica innovadora en el mundo islámico fueron Fustat (de 975 a 1075), Damasco (de 1100 a alrededor de 1600) y Tabriz (de 1470 a 1550).

Composición

Las materias primas para los esmaltes cerámicos generalmente incluyen sílice, que será el principal formador de vidrio. Varios óxidos metálicos, como los de sodio , potasio y calcio , actúan como fundentes y, por lo tanto, reducen la temperatura de fusión. La alúmina , a menudo derivada de la arcilla , endurece el esmalte fundido para evitar que se escurra de la pieza. [ 7 ] Se utilizan colorantes, como óxido de hierro , carbonato de cobre o carbonato de cobalto , [ 7 ] y a veces opacificantes como óxido de estaño y óxido de circonio , para modificar la apariencia visual del esmalte cocido.

Los esmaltes deben incluir un fundente cerámico que actúa promoviendo la licuefacción parcial de la arcilla y los demás materiales del esmalte. Los fundentes reducen el alto punto de fusión del vidrio y forman sílice , y a veces trióxido de boro .

El vidriado con sal es un proceso de vidriado por vapor en el que se introduce sal o carbonato de sodio en un horno de alta temperatura . El vapor de sodio resultante reacciona con la alúmina y la sílice presentes en la arcilla , formando un recubrimiento duradero de vidrio de silicato de sodio. [ 8 ] Si bien históricamente significativo, este método se encuentra actualmente en gran medida obsoleto debido a la liberación de gas tóxico de cloruro de hidrógeno y otros problemas ambientales . [ 9 ]

Proceso

Azulejos de İznik en la Biblioteca Enderûn , Palacio de Topkapi , Estambul

Producción

La preparación comienza con la trituración de las materias primas mediante molienda , por ejemplo, con un molino de bolas , un molino de chorro o un molino de energía vibratoria, para lograr una distribución específica del tamaño de partícula; esto garantiza una fusión homogénea durante el posterior proceso de cocción y un acabado superficial liso. La mezcla resultante se suspende en agua con la adición de electrolitos para formar una suspensión o barbotina estable que se puede aplicar al sustrato cerámico mediante inmersión, pulverización o recubrimiento por cortina. [ 10 ]

Si bien muchos esmaltes incorporan minerales crudos como feldespato , cuarzo y caolín , algunas formulaciones utilizan frita . En la producción de frita, las materias primas se funden primero en un vidrio y luego se enfrían rápidamente en agua para formar gotas fragmentadas, que luego se vuelven a moler; esto pre-reacciona los componentes y hace que los materiales tóxicos o solubles sean seguros y estables para el esmalte final [ 11 ]. Sin embargo, muchos esmaltes no contienen frita, sino que se basan en un equilibrio preciso de minerales crudos sin fundir que reaccionan durante la cocción final en el horno para formar la capa protectora de vidrio. [ 12 ]. La elección entre esmaltes crudos y con frita generalmente viene determinada por la temperatura de cocción requerida, la solubilidad de los productos químicos necesarios y la expansión térmica deseada de la superficie acabada. [ 13 ].

Solicitud

Los métodos de aplicación del esmalte se seleccionan en función del acabado deseado y la geometría específica de la forma cerámica. [ 14 ] Si bien muchos procesos implican la aplicación del esmalte a piezas cocidas en bizcocho para aprovechar su alta porosidad y resistencia estructural, también se adaptan técnicas para piezas crudas en un proceso conocido como cocción única. [ 15 ] La inmersión consiste en sumergir una pieza en una cuba grande durante unos segundos para lograr un recubrimiento perfectamente uniforme y de calidad profesional. Para trabajos decorativos más controlados o multicolores, el pincelado permite la superposición de diferentes pigmentos, aunque son necesarias varias capas para asegurar que el acabado permanezca opaco. El vertido es la técnica estándar para recubrir el interior de recipientes de cuello estrecho o crear efectos de goteo intencionales en la superficie exterior. Para artículos de gran tamaño o degradados suaves, la pulverización con un aerógrafo o cabina de pulverización automatizada proporciona una niebla fina y atomizada que acumula color gradualmente. [ 16 ] Finalmente, se pueden utilizar técnicas más táctiles como el esponjado y la aplicación salpicada para introducir texturas orgánicas y patrones moteados en la superficie.

En la fabricación de alto volumen, la pulverización es la técnica dominante debido a su eficiencia superior, precisión y facilidad de automatización. [ 17 ] A diferencia de la inmersión o el vertido, que requieren volúmenes significativos de esmalte líquido en reposo, la pulverización permite una aplicación más fina y controlada que reduce el desperdicio de material. [ 18 ] El uso de sistemas de pulverización electrostática garantiza además que las partículas de esmalte atomizadas se atraigan uniformemente a la superficie cerámica, incluso en huecos complejos, lo que resulta en un acabado uniforme en miles de artículos idénticos. Esta repetibilidad mecánica es esencial para mantener estándares rigurosos de control de calidad, al tiempo que se minimiza el trabajo manual y el tiempo de secado asociados con otros métodos.

La adherencia del esmalte depende de la porosidad y el contenido de humedad del cuerpo, ya sea en estado crudo o cocido. [ 19 ] Independientemente del método empleado, la base o «pie» del objeto debe permanecer libre de esmalte —ya sea mediante la eliminación manual o la aplicación de una reserva de cera— para evitar que el silicato vitrificante fusione la pieza con el soporte del horno durante el proceso de cocción. [ 20 ]

Una variante funcional incorpora compuestos antimicrobianos de tierras raras en el esmalte cerámico antes de la sinterización a alta temperatura. La superficie resultante presenta propiedades antimicrobianas duraderas, atribuidas a la alteración de las membranas celulares bacterianas por la configuración electrónica 4f de los elementos de tierras raras. A diferencia de los recubrimientos antimicrobianos aplicados superficialmente, estas propiedades se conservan a medida que el material se une a la matriz del esmalte durante la cocción. Esta tecnología ha sido objeto de análisis en medios científicos independientes. [ 21 ]

Disparo

Ya sea que la cerámica blanca se esmalte después de una cocción preliminar o mediante un proceso de cocción única (esmaltado en crudo), la transformación en el horno sigue siendo la etapa final crítica en la producción cerámica. En un escenario de cocción única, el esmalte se aplica directamente sobre el cuerpo de arcilla completamente seco y sin cocer, lo que requiere que el sustrato y el recubrimiento maduren simultáneamente. [ 22 ] A medida que aumenta la temperatura dentro del horno, los materiales del esmalte en crudo se funden y se fusionan, reaccionando químicamente con el cuerpo de arcilla para formar una capa delgada e impermeable de vidrio. Este proceso no solo sella la superficie porosa, haciéndola funcional para líquidos y alimentos, sino que también desarrolla la estética final, ya sea un brillo intenso, un mate suave o un color vibrante.

La transición química es compleja; a medida que el horno alcanza su temperatura máxima, los componentes del esmalte llegan a un punto eutéctico donde se convierten en un líquido fundido. [ 23 ] Durante esta fase líquida, el esmalte se "repara" sobre la superficie, alisando imperfecciones y eliminando la porosidad. Esta transición transforma el artículo frágil y seco en un producto denso y vitrificado. A medida que el horno se enfría lentamente, el vidrio pasa de un estado viscoso a un estado sólido, creando una unión permanente y resistente a los arañazos con el sustrato cerámico cocido que revela la verdadera profundidad del diseño subyacente. [ 24 ]

Color y decoración

La decoración bajo vidriado se aplica antes del vidriado, generalmente a la cerámica sin cocer ("cruda" o "verde"), pero a veces a la cocida en " bizcocho " (una cocción inicial de algunos artículos antes del vidriado y la recocción). [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] Se aplica un vidriado húmedo —generalmente transparente— sobre la decoración. El pigmento se fusiona con el vidriado y parece estar debajo de una capa de vidriado transparente; generalmente el material del cuerpo utilizado se cuece a un color blanquecino. El tipo más conocido de decoración bajo vidriado es la porcelana azul y blanca producida por primera vez en China y luego copiada en otros países. El llamativo color azul utiliza cobalto como óxido de cobalto o carbonato de cobalto . [ 28 ] Sin embargo, muchos de los tipos imitativos, como la cerámica de Delft , tienen cuerpos de loza blanquecina o incluso marrón , a los que se les da un vidriado blanco de estaño y decoración bajo vidriado o sobre vidriado. Con la invención inglesa de la loza crema y otras cerámicas de pasta blanca en el siglo XVIII, la decoración bajo vidriado se generalizó tanto en la loza como en la porcelana.

Vidrieras de plomo de Sancai en un guardián de una tumba de la dinastía Tang
Santuario chino de celadón ; esmalte de color, con la figura sin esmaltar. Dinastía Ming, 1300-1400.

La decoración sobre vidriado se aplica sobre una capa de vidriado cocida y generalmente utiliza colores en esmalte, esencialmente vidrio, que requieren una segunda cocción a temperatura relativamente baja para fusionarlos con el vidriado. Debido a que solo se cuece a una temperatura relativamente baja, en épocas históricas se podía utilizar una gama más amplia de pigmentos. Los colores de vidriado son vidriados de baja temperatura que dan a la cerámica un aspecto más decorativo y vítreo. La pieza se cuece primero, en una cocción inicial llamada cocción de brillo , luego se aplica la decoración sobre vidriado y se cuece de nuevo. Una vez cocida y salida del horno, la textura de la pieza es más suave gracias al vidriado.

Otros métodos incluyen el vidriado inglaseado , donde las pinturas se aplican sobre el vidriado antes de la cocción y se incorporan a la capa de vidriado durante la misma. Este método funciona bien con cerámica vidriada con estaño , como la mayólica , pero la gama de colores se limitaba a aquellos que podían soportar una cocción brillante, como en el vidriado bajo vidriado. Los vidriados de color, donde los pigmentos se mezclan con el vidriado líquido antes de aplicarlo a la cerámica, se utilizan principalmente para dar un solo color a toda la pieza, como en la mayoría de los celadones , pero también pueden utilizarse para crear diseños en colores contrastantes, como en la cerámica china sancai ("de tres colores"), o incluso escenas pintadas.

Muchos estilos históricos, como la cerámica japonesa Imari y las cerámicas chinas doucai y wucai , combinan diferentes tipos de decoración. En estos casos, tras la primera cocción del cuerpo, la decoración bajo vidriado y el vidriado, suele realizarse una segunda cocción después de la aplicación de los esmaltes sobre vidriado.

Lixiviación de plomo y cadmio

La lixiviación de plomo (Pb) y cadmio (Cd) de los esmaltes puede ser un problema de salud pública . Estos metales pesados ​​se han utilizado históricamente como fundentes para crear acabados lisos y de alto brillo a bajas temperaturas o para proporcionar una estabilidad química específica. [ 29 ] Sin embargo, si un esmalte se formula o cuece incorrectamente, su estructura química puede permanecer inestable. [ 30 ] Cuando estas cerámicas entran en contacto con sustancias ácidas , como jugo de cítricos o café, el ácido puede atacar la matriz del esmalte, liberando iones metálicos en los alimentos o bebidas. [ 31 ]

Los riesgos de ingestión son acumulativos y graves. El plomo es una potente neurotoxina relacionada con retrasos en el desarrollo y problemas cardiovasculares, mientras que el cadmio es un carcinógeno que puede causar insuficiencia renal tras una exposición prolongada. [ 32 ] En consecuencia, organismos internacionales como la ISO imponen límites permisibles estrictos para la liberación de metales. [ 33 ] Los avances científicos modernos en química cerámica , incluido el uso de materiales sinterizados y el equilibrio de óxidos asistido por computadora, han mejorado significativamente la estabilidad del esmalte. [ 34 ] Como resultado, los productos de fabricantes de renombre que cumplen con las normas de seguridad contemporáneas son seguros para su uso funcional. A pesar de estos avances, persisten los riesgos en la cerámica artesanal con una supervisión deficiente y en la cerámica antigua donde el enlace químico es insuficiente para evitar la lixiviación. [ 35 ]

Impacto ambiental

Modelo de estupa vidriada , dinastía Yuan.

Más allá de los problemas de salud derivados de la lixiviación de metales pesados, los esmaltes cerámicos presentan importantes desafíos ambientales durante las etapas de fabricación y eliminación. La extracción de materias primas, como litio , cobalto y bario , suele implicar procesos mineros que consumen mucha energía y que pueden provocar la destrucción del hábitat y la erosión del suelo. [ 36 ]

Además, durante el proceso de cocción en hornos , se pueden liberar a la atmósfera compuestos volátiles y gases de efecto invernadero , incluidos óxidos de flúor y azufre, si no se utilizan sistemas de filtración adecuados. [ 37 ]

La gestión de los residuos de esmalte es igualmente crucial; los efluentes líquidos que contienen metales pesados ​​pueden contaminar las aguas subterráneas y los ecosistemas locales si se desechan en sistemas de drenaje convencionales sin un tratamiento previo de aguas residuales . [ 38 ] Como resultado, los estudios y fábricas modernos están adoptando cada vez más sistemas de "circuito cerrado" para recuperar los sedimentos del esmalte y reducir la huella ecológica de la producción cerámica. [ 39 ]

Óxidos metálicos en esmaltes

Los metales utilizados en los esmaltes cerámicos suelen presentarse en forma de óxidos metálicos.

Óxido de plomo(II)

Los fabricantes de cerámica utilizan principalmente óxido de plomo(II) (PbO) como fundente debido a su bajo rango de fusión, amplio rango de cocción, baja tensión superficial, alto índice de refracción y resistencia a la desvitrificación . [ 40 ] El plomo utilizado en la fabricación de esmaltes comerciales se une molecularmente a la sílice en una proporción 1:1, o se incluye en forma de frita , para asegurar la estabilización y reducir el riesgo de lixiviación. [ 41 ]

En ambientes contaminados, el dióxido de nitrógeno reacciona con el agua ( H2 O) para producirácido nitroso(HNO2 ) yácido nítrico(HNO3 ). [ 42 ]

H2 O+ 2NO2 →HNO2 +HNO3

Nitrato de plomo(II) soluble ( Pb(NO3 )2 ) se forma cuando el óxido de plomo(II) (PbO) de los esmaltes con plomo se expone alácido nítrico(HNO3 )

PbO + 2 HNO3 →Pb(NO3 )2 +H2 O

Debido a que la exposición al plomo está estrechamente relacionada con diversos problemas de salud, conocidos colectivamente como intoxicación por plomo , la eliminación del vidrio con plomo (principalmente en forma de pantallas CRT desechadas) y de la cerámica vidriada con plomo está sujeta a las normativas sobre residuos tóxicos .

Carbonato de bario y carbonato de estroncio

El carbonato de bario (BaCO₃ ) se utiliza para crear un color de esmalte único conocido como azul de bario. Sin embargo, se ha cuestionado la ética del uso de carbonato de bario en esmaltes para superficies en contacto con alimentos. La intoxicación por bario por ingestión puede provocar convulsiones, parálisis, malestar digestivo e incluso la muerte. [ 43 ] También es parcialmente soluble en ácido [ 44 ] y puede contaminar el agua y el suelo durante largos periodos de tiempo. Estas preocupaciones han llevado a intentar sustituir el carbonato de estroncio (SrCO₃ ) en esmaltes que requieren carbonato de bario. [ 45 ] A diferencia del carbonato de bario, el carbonato de estroncio no se considera un riesgo para la seguridad según los NIH . [ 46 ] [ 44 ] Los experimentos de sustitución de estroncio suelen tener éxito en esmaltes brillantes, aunque algunos efectos y colores producidos en esmaltes mate solo se pueden obtener mediante el uso de bario. [ 45 ]

Para reducir la probabilidad de lixiviación, el carbonato de bario se utiliza en forma de frita y se une a la sílice en una proporción 1:1. También se recomienda no utilizar esmaltes de bario en superficies en contacto con alimentos ni en artículos para exteriores. [ 47 ]

Óxido de cromo(III)

Óxido de cromo(III) ( Cr2 O3 ) se utiliza como colorante en esmaltes cerámicos. El óxido de cromo(III) puede reaccionar conel óxido de calcio(CaO) y el oxígeno atmosférico a temperaturas alcanzadas por un horno para producircromato de calcio(CaCrO4 ). La reacción de oxidación cambia el cromo de suestado de oxidacióna su estado de oxidación +6. [ 48 ] El cromo(VI) es muy soluble y el más móvil de todas las demás formas estables de cromo. [ 49 ]

Cr2 O3 + 2CaO +3⁄2O2 →CaCrO4 [ 48 ]

El cromo puede ingresar a los sistemas hídricos a través de vertidos industriales. El cromo(VI) puede ingresar al medio ambiente directamente o los oxidantes presentes en los suelos pueden reaccionar con el cromo(III) para producir cromo(VI). Las plantas presentan menores cantidades de clorofila cuando crecen en presencia de cromo(VI). [ 49 ]

La oxidación del cromo durante los procesos de fabricación puede reducirse con la introducción de compuestos que se unen al calcio. [ 48 ]

Óxido de uranio ( IV) ( UO₂ )

Los esmaltes cerámicos a base de uranio son de color verde oscuro o negro cuando se cuecen en reducción o cuando se utiliza UO₂; más comúnmente se utiliza en oxidación para producir esmaltes de color amarillo brillante, naranja y rojo. [ 50 ] Los esmaltes de uranio se utilizaron en las décadas de 1920 y 1930 para la fabricación de baldosas de uranio , relojes y esferas de aviones. [ 51 ]

El dióxido de uranio se produce reduciendo el trióxido de uranio con hidrógeno .

UO 3 + H 2 → UO 2 + H 2 O a 700 °C (973 K)

Véase también

Referencias

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