TÉCNICAS DE CONTROL DEL TRIPOLIFOSFATO SÓDICO EN LAS SUSPENSIONES CERÁMICAS

F. Checchinato(**)', A.L. Longo''), R. A. F. Machado(*)(") 2, H. G . Riella(')(**), C.N. Lopes("), C.T. Kniess")

(''Departamento de Ingeniería Química, Laboratorio de Corrosión y Materiales (**)Laboratorio de Ciencias de los Materiales, Laboratorio de Materiales

Universidad Federal de Santa Catarina Zip Code: 88010-970 - Florianópolis - S.C. - Brasil

e-mail: ' fernanda@enq.ufsc.br, machado@enq.ufsc.br

RESUMEN

El proceso de producción cerámico requiere materias prinzas de buena calidad para asegurar que estos materiales fu~zc io~zen adecuadamente. Los ceramistas se encuentran con dificultades a la hora de exigir materias primas de calidad, por falta de u n conocitniento más profundo del papel de las nzaterias primas en las propiedades del producto final. Los agentes de dispersión son materias primas importantes, no inuy conocidas, que se incorporan en las suspensiones cerámicas para mini- mizar el efecto de la aglomeración de partículas. Actualmente, el desfloculante más utilizado es el tripolifosfato sódico, a causa de sus buenas prestacio~zes. S in embargo, el tripolifosfato sódico pre- senta fluctuaciones e n su capacidad desfloculante. En el presente trabajo se compara el tripolifosfa- to sódico comercializado por diferentes fabricantes. Se analiza el comportamiento de estos inateria- les e n la hidratación y con la incorporación de otros aditivos. Se ha caracterizado el dispersante por espectroscopía de fluorescencia de rayos X , con el propósito de establecer la presencia de impurezas y determinar el contenido de P,O, y Na,O. Se consideró la cantidad de materia orgánica. La iden- tificación de las estructuras cristalinas se realizó por difracción de rayos X , la cual era fundamen- tal, ya que existen en la naturaleza diferentes tipos de estructuras de tripolifosfato sódico, con dife- rentes comportanzieiztos reológicos. Los resultados confirman que su eficacia aumenta con la hidra- tación, y que n o depende de la estructura cristalina inicial o del tipo de tripolifosfato sódico, mien- tras que la presencia del ion de floculación n o influye en las curvas de desfloculación.

PALABRAS CLAVE: tripolifosfato sódico, carboximetilcelulosa, hidratación

La creciente competición entre las industrias, principalmente en el sector cerámico, es un factor que lleva a un desarrollo científico y tecnológico para abordar los puntos de pérdidas, residuos y aspectos de rendimiento más profundos en el proceso productivo, para poder mejorar la calidad, reducir el precio de los productos y aumentar la rentabili- dad. El control de la calidad, principalmente de las propiedades reológicas, y específica- mente de la viscosidad, es fundamental para asegurar las características y reproducibili- dad de la fase de proceso - principalmente de las "barbotinas", de esmaltes y engobes, así como del comportamiento del producto final. Sin embargo, la predicción de la viscosidad de las soluciones es más importante que su control, así como la búsqueda de alternativas que mejoran la eficacia del proceso y no aumentan sus costes.

Los desfloculantes actúan en la superficie de las partículas, e inhiben su agregación por las fuerzas de atracción. Estas fuerzas pueden ser frágiles, formando simplemente agrupaciones o sedimentos: o tan fuertes, que generan agrupaciones que pueden ser dis- persadas únicamente por procesos físicos de molienda.lll Para resolver estos problemas, los ceramistas emplean varios tipos de aditivos orgánicos, entre ellos, los desfloculantes o dispersantes.

Cualquier substancia adicionada a una mezcla de arcilla y agua, que aporta mayor fluencia a la masa, se llama un agente desfloculante o simplemente un desfloculante. Estos pueden ser hidróxidos de cationes monovalentes, como Na', K', NH4+, o sales de estos cationes que sufren hidrólisis en un álcali (Na,C03 o Na,Si03), o pueden ser coloi- des orgánicos como el ácido tánico, ácido húmico o las sales alcalinas de estos materia- les. En general, la adición de un desfloculante convierte la arcilla en arcilla-Na-, aumen- tando por consiguiente la repulsión entre las partículas y disminuyendo la viscosidad de la s ~ s p e n s i ó n . ~ ~ ~

El desfloculantes más utilizado hoy día para preparar los engobes y esmaltes es el tripolifosfato sódico (TFS), debido a su baja relación costelbeneficio; sin embargo, en la naturaleza hay diferentes tipos de tripolifosfato sódico, con una estructura cristalina dife- rente, por lo que presentan comportamientos reológicos diferentes. El tripolifosfato sódi- co se adsorbe sobre las partículas, causando su repulsión debido al mecanismo de estabi- lización electroestérica.

En este trabajo se comparan los tripolifosfatos sódicos de fabricantes diferentes. Se analiza el comportamiento de estos materiales mediante hidratación y la adición de otros aditivos.

Tripolifosfato sódico o trifosfato pentasódico, Na,P,O,, es una sal pentasódica de un anión del tripolifosfato. Se conocen tres estructuras cristalinas distintas: dos son anhidras y una tercera hexahidratada. El tripolifosfato sódico es un desfloculante altamente eficaz y constituye un caso particular, porque produce barbotinas muy fluidas con un alto con- tenido de sólidos. El mecanismo de acción usa el hecho que el anión de fosfato es uno de aquéllos preferentemente adsorbidos en la partícula de arcilla, aumentando la carga nega- tiva y, por consiguiente, incrementando el potencial Zeta que contribuye de un modo determinante a producir un efecto dispersante más fuerte.

El tripolifosfato sódico (TFS), como todos los polifosfatos, es un buen agente desflo- culante por actuar de la siguiente manera: se adsorbe sobre las partículas causando su repulsión debido al mecanismo de estabilización electroestérica o elimina los iones flocu- lantes, como el Ca(I1) o Mg (11), mediante la formación de complejos estables con ellos. En ambos casos, es necesario que el TFS se disuelva para que se haga efectivo, ya que actúa el anión P,O,,"-. De esta forma, las variables que pueden cambiar la solubilidad del TFS afectarán su capacidad d e s f l ~ c u l a n t e . ~ ~ ~ ~ ~

El trifosfato pentasódico, Na,P,OIo se presenta en la naturaleza con tres estructuras cristalinas, dos de ellas anhidras y una tercera hexahidratada. Las estructuras anhidras se consideran estables a temperatura ambiente, existen juntos en la naturaleza y se diferen- cian por la coordinación iónica de sus cationes.

La estructura anhidra 11 presenta una coordinación octaédrica de su oxígeno, mien- tras la estructura anhidra 1 presenta una forma tetraédrica, lo que significa que la dispo- sición de sus átomos de sodio está rodeada por cuatro átomos de oxígeno. En ambas estructuras anhidras, el enlace electrostático catión-anión forma una red tridimensional continua, pero en la estructura 11 la disposición es plana, como una hoja.

La estructura hexahidratada puede formarse mediante la adición de cualquier estructura anhidra al agua o por hidrólisis del trimetafosfato sódico en una solución alca- lina. Se produce una rápida degradación hidrolítica de los pirofosfatos y fosfatos a apro- ximadamente 1000 "C. Las sales del tripolifosfato sódico se producen por deshidratación térmica mediante la mezcla íntima de sales de fosfato con una relación correcta de metal/fósforo. Aunque se conoce un gran número de TFS, sólo los pentasódicos son importantes. Por esta razón, se encuentran varios productos comerciales procedentes del tratamiento térmico del ácido fosfÓric~.[~J

La estructura cristalina del TFS posee propiedades diferentes como la solubilidad, disolución, etc. Por ejemplo, se sabe que la estructura anhidra 1 es más soluble que la estructura anhidra 11, que es más soluble que la forma hexahidratada.I3J

La estructura hexahidratada puede convertirse en estructura anhidra, si se somete a un tratamiento térmico, sin la degradación del tripolifosfato sódico y sin cambiar sus pro- piedades. Cuando se somete a 350 "C, forma la estructura anhidra 11 y cuando se somete a 550 "C, forma la estructura anhidra I.161

OBJETIVO

Se utilizan los tripolifosfatos sódicos en la estabilización de las suspensiones cerá- micas. En este trabajo, se compararon desfloculantes de fabricantes diferentes, conside- rando el efecto de la hidratación del tripolifosfato sódico antes de su adición a las sus- pensiones. Para los ensayos era necesario caracterizar los diferentes tripolifosfatos sódicos y estudiar cómo la variación de algunas de sus propiedades afectaban el comportamien- to de las suspensiones preparadas con estos aditivos.

La estructura cristalina del tripolifosfato sódico se analizó por difracción de rayos X, y es un factor fundamental debido a la existencia de estructuras diferentes en la naturale- za, que inciden de manera importante en el comportamiento reológico de las suspensio- nes. Los estudios de hidratación del tripolifosfato sódico permitieron analizar la forma- ción de las fases cristalinas. Comercialmente, el proceso más común para obtener el tri- polifosfato sódico consiste en la calcinación o disolución de los fosfatos sódicos o pirofos- fatos sódicos.

MATERIALES

En el presente trabajo se caracterizó un tipo de tripolifosfato sódico comercial sumi- nistrado por dos compañías diferentes, que comercializan este producto para las princi- pales industrias cerámicas brasileñas. Estos tripolifosfatos sódicos se designaron TPF 1 y TPF 2.

Para determinar la capacidad de desfloculación de estos tripolifosfatos sódicos, se empleó una suspensión de caolín caracterizada, preparada con 60% de sólidos.

DISCUSION Y RESULTADOS

La tabla 1 presenta el análisis químico de los dos tipos de tripolifosfato sódico y se puede observar que existen diferencias significativas entre la cantidad de iones que for- man los TPFs, con una cantidad determinada de Alzo3, que para la muestra tipo 1 es casi el doble de la muestra tipo 2.

Utilizando la tabla, es posible calcular la relación P205/ Na20, ya que a través de la tabla periódica, se calcula el peso molecular de 3P20,/ 5Na20=1,37, y este valor se utiliza como la relación teórica del fósforo y sodio en el tripolifosfato sódico.

La relación P205 / Na20 para el TPFl es 1.69 y para el TPF2 es 1.42, el cual está más cerca del valor teórico, de forma para que el TPFl presenta una relación de P205 / Na20 aproximadamente 17% superior al TPF2. Esto se debe al hecho que el TPFl puede for- marse por polifosfatos sódicos de cadena larga con una relación de masa P20, / Na20 superior, o puede contener otros fosfatos con una relación de masa P205 / Na,O superior además de tripolifosfatos sódicos.

Como los dos difieren del valor teórico (1.69) y son distintos entre sí, su eficacia como desfloculante tiende a ser muy diferente, porque algunos iones presentes en los TPFs actúan como floculantes en las suspensiones, perturbando la dispersión, por ejem- plo, como sucede con el aluminio.

MnO 1 >0,01 1 0,013

MgO 1 >0,1 1 No detectado

SiOz

Ti0

Tabla 1 - Análisis químico de los tripolifosfatos sódicos.

POS - 196

0,221

No detectado

0,131

No detectado

Como una propuesta para mejorar la efectividad del TFS, se realizó una hidratación según el método descrito anteriormente, y para corroborar la eficacia del métod , se llevó a cabo una difracción de rayos X, como se puede observar en las figuras 1 y 2. El ensayo se realizó para las dos muestras, sin embargo ya que los resultados son idéntic S, se pre-

lo que confirma que el método de hidratación propuesto es eficaz.

D senta sólo los resultados para el TPF1. En la figura 1 se presenta únicamente la fase cris- talina anhidra del TFS y en la figura 2 sólo se encuentra la forma hexahidratada del TFS,

Figura 1 - TPF antes de la hidratación, in natura.

m- m

o r , , , , , , , , , , ,

Figura 2 - TPF después de la hidratación.

Para confirmar la efectividad de la desfloculación, se obtuvieron las /curvas de ambos productos, in natura según la figura 3 e hidratada según la figure 4. En la figura 5

1 se presenta la evolución de la viscosidad en función de la proporción de TPFl tn natura e hidratado, y en la figura 6 la correspondiente al TPF2.

Pos - 197

1.6-

14- - 12-

m . a -

1.0-

a . 0 48- V)

5 ,- w-

ao- 8 , . am am alm ' qh ' ' a16

%lxwalNE

Figura 3 - Evolución de la viscosidad enfunción del % de TPFl y 2 in natura.

aa-

a7- ? ' m Q6- 0 . O a5-

$ c i 0 0.3- 8 . 5 02-

41-

a04 , . , . , . , . , oa6 410 a12 414 a16

% DEFLOCULANTE

Figura 4 - Evolución de la viscosidad en función del % de TPFl y 2 hidratado.

0.04 . , . , . , . , . , O 0.W 0.10 0.12 O 0.16

% DEFLOCULANTE

Figura 5 - Evolución de la viscosidad en función del % de TPFl in natura e hidratado.

Pos - 198

0.0s o.& o.io o.iz 0.i4 0 . i ~ % DEFLOCULANTE

Figura 6 -Evolución de la viscosidad en función del O / o de TPF2 in natura e hidratado.

Figura 7 - Micrografía del TPF no hidratado. Figura 8 - Micrografía del ?PF hidratado.

La hidratación del tripolifosfato sódico es un método simple y muy efica , no sien- do necesaria la utilización de CMC como aditivo para ayudar en la desfloculac f ón.

Las impurezas que pueden estar presentes no influyen ~i~nificativamehte en su capacidad de dispersión.

Existen tripolifosfatos sódicos en el mercado con muchas impurezas, que se venden a otros sectores del mercado de consumo como las industrias del detergente. Por esta razón tienen precios inferiores comparados con los ofrecidos a las industrias cerámicas. Sin embargo, con la hidratación estos tripolifosfatos sódicos pueden utilizarse generando un ahorro en el precio de este material crudo, y el coste del agua puede compensarse con el agua que se ha utilizado ya en los molinos de barbotinas y esmaltes, sin incrementar los costes y manteniendo la viscosidad y densidad ideal de la mezcla, sin generar variaciones en el proceso.

La micrografía con un aumento de 6000X muestra claramente las diferencias entre las partículas no hidratadas e hidratadas, ya que es la hidratación que aporta las diferen- cias en sus propiedades. ,

Pos - 199

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Pos - 200