L'arte della ceramica, con le sue radici antichissime che affondano nel Neolitico (circa 15.000 a.C.), rappresenta una delle più affascinanti espressioni della creatività umana. Trasformando l'umile terra in manufatti artistici e funzionali, la ceramica unisce i quattro elementi essenziali: la terra (argilla), l'acqua, l'aria e il fuoco.
Introduzione al Mondo della Ceramica
Anticamente, si riteneva che il termine "ceramica" derivasse dal greco "Keras" (corno), in riferimento all'uso di corna di animali come contenitori. Tuttavia, l'archeologo Giovanni Battista Passeri nel 1752 ne fece derivare il termine dal greco "Keramos" (argilla). Oggi, la ceramica definisce qualsiasi impasto a base di materia plastica terrosa (argilla, caolino, fondenti) che, sottoposto a trattamento termico, perde la plasticità acquisendo durezza e resistenza, mantenendo inalterata la forma modellata.
I Quattro Elementi Essenziali della Ceramica
- Terra: L'argilla è la materia prima fondamentale.
- Acqua: Conferisce all'argilla la malleabilità necessaria.
- Aria: Essicca l'argilla umida.
- Fuoco: Consolida l'oggetto, conferendogli la forma definitiva.
L'Argilla: Anima della Ceramica
L'argilla è l'elemento principale nella fabbricazione delle ceramiche, una miscela naturale di minerali argillosi (caolinite, montmorillonite, illite, clorite) con componenti accessorie (feldspati, quarzo, carbonati, ossidi, sostanze organiche). La sua formazione geologica è dovuta alla decomposizione di rocce silico-alluminose ad opera degli agenti atmosferici.
Caolino (China Clay)
Il caolino, rispetto alle argille sedimentarie, ha proprietà plastiche inferiori a causa delle particelle più grandi e cristallinità accentuata. Tuttavia, grazie alle limitate impurezze di ferro, cuoce bianco ed è essenziale per la porcellana.
Altri Materiali Ceramici
- Quarzo: Materia prima "magra" (non plastica) complementare, stabile chimicamente e di buona durezza, presente in quasi tutte le composizioni ceramiche.
- Feldspati: Alluminosilicati di potassio, sodio e calcio, principali "fondenti" nell'industria ceramica.
- Calcare: Minerale a base di carbonato di calcio, presente nelle argille per faenze smaltate e terrecotte, conferendo colorazione nocciola e porosità.
- Dolomite: Carbonato di calcio e magnesio, tipico delle terraglie tenere, aumenta porosità, solidità e coesione.
Classificazione dei Prodotti Ceramici
I prodotti ceramici si distinguono per composizione, temperatura di cottura e caratteristiche finali.
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Terrecotte
Ottenute cuocendo argille comuni ricche di minerali di ferro tra 900° e 1000°C, presentano colore rossiccio e corpo poroso. Comprendono laterizi, terrecotte artistiche e architetturali. La terracotta è adatta ai principianti grazie alla sua plasticità, facilità di lavorazione e costo inferiore rispetto ad altre varietà. Essendo porosa, richiede smaltatura per impermeabilizzazione.
Faenze
Terrecotte invetriate in superficie, ottenute con argille raffinate e cotte tra 920° e 980°C. Se ricoperte con smalto bianco e decorate, diventano "maioliche".
Terraglie
Caratterizzate da corpo poroso bianco, si dividono in tenere (cottura a 950°-1050°C) e forti (cottura a 1050°-1150°C), differenziandosi per porosità e resistenza meccanica.
Grès
Materiali vetrificati durante la cottura a temperature tra 1200° e 1300°C, acquisendo compattezza e resistenza elevate. Hanno colore bianco-grigiastro o marrone, con porosità minima.
Porcellane
Bianche, traslucide, resistenti e impermeabili, si dividono in tenere (cottura fino a 1200°-1300°C) e dure (cottura a 1300°-1400°C). La porcellana è ampiamente utilizzata per stoviglie e oggetti d'arte. La porcellana è forse la tipologia più conosciuta, insieme all’argilla rossa, la porcellana è anche la più pregiata. La materia prima di cui è costituita, il caolino, è infatti priva di impurità, a differenza dei sedimenti che compongono le altre argille.
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Refrattari
Composti con materie prime naturali ad alto tenore di allumina, resistono a temperature fino a 1600°-1700°C.
Tipi di Argilla e Loro Utilizzo
I diversi tipi di argilla possono essere con o senza chamotte. La chamotte è un preparato che si ottiene dalla macinazione di argilla cotta e viene mescolato con l’impasto di argilla per aggiungere consistenza. La chamotte favorisce inoltre un’asciugatura più uniforme e dona maggiore resistenza alla ceramica. Tra le argille chamottate ci sono l’argilla semirefrattaria nera o l’argilla semirefrattaria rossa, particolarmente adatta per sculture, anche di grandi dimensioni.
- Argilla Rossa: Caratterizzata dal colore che assume dopo la cottura, è plastica, facile da lavorare ed economica, adatta ai principianti. La terraglia rossa è ideale per scultura e tornio.
- Argilla Bianca (Terraglia): Simile all'argilla rossa, ma di colore bianco, è usata per sottovasi, piatti, posacenere e cornici.
- Grès: Duro e resistente, è ideale per pavimentazioni e rivestimenti.
- Porcellana: Pregiata, costituita da caolino puro, è utilizzata per oggetti di pregio. L'Argilla Rossa TSC2080 di Colorobbia è un prodotto specifico per la tecnica a colaggio, non adatta alla modellazione manuale o al tornio. La sua formula atomizzata garantisce ottima fluidità, plasticità e risultati costanti, permettendo di realizzare oggetti complessi con superfici lisce e omogenee. Si raccomanda l'uso di stampi in gesso GR BETA. La Terraglia Bianca da Colaggio Colorobbia TSC2050 è un impasto professionale, prodotto a Montelupo per la tecnica del colaggio. La sua formula neutra, priva di fluidificanti, consente una barbottina omogenea con densità regolabile (1880-1900 g/lt), superfici lisce e dettagli precisi, ideale per vasellame, oggetti decorativi e prototipi.
Nota bene: se si desidera realizzare oggetti per uso alimentare, come piatti, stoviglie o tazze, l’argilla usata deve essere senza chamotte.
Tecniche di Lavorazione dell'Argilla
Una volta impastata, l’argilla può essere lavorata in diversi modi.
- Lavorazione al Tornio: Affascinante ma complessa, richiede un tornio (piatto girevole) e abilità manuali.
- Tecnica del Colombino: Semplice ed efficace, consiste nell'arrotolare strisce di argilla e unirle per formare oggetti.
- Tecnica del Colaggio: Utilizza stampi in gesso in cui viene versata l'argilla liquida (barbottina).
Cottura e Decorazione
Dopo la lavorazione, l'argilla deve asciugare lentamente. La cottura avviene in due fasi, con decorazione e smaltatura tra la prima e la seconda cottura (a meno che non si tratti di un engobbio, che invece va fatto sull’argilla cruda). La temperatura e l'uniformità del riscaldamento sono cruciali per evitare danni. Per chi non possiede un forno, esistono argille autoindurenti, ideali per principianti e bambini.
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Decorazione e Smaltatura
Dopo la prima cottura (biscotto), si procede con decorazione e smaltatura, utilizzando colori, smalti e cristalline. Gli Smalti Colorobbia Fairy Dust donano un effetto smaltato metallizzato, senza bisogno di applicazione di cristallina. I colori di Bellissimo Glaze sono adatti per tutti i tipi di decorazione: pennello, drops, spugna, hand printing.
Seconda Cottura
La seconda cottura fissa colore e smaltatura. Le argille a bassa temperatura richiedono una seconda cottura a temperatura inferiore, mentre per quelle ad alta temperatura (come il gres) il processo è inverso.
Materiali Aggiuntivi Utili per la Lavorazione della Ceramica
- Cera d'api sbiancata: La nostra cera d'api sbiancata di alta qualità è ottenuta tramite un processo di decolorazione naturale con carbone attivo, che garantisce purezza eccezionale e un odore neutro. Questo metodo delicato, privo di sostanze chimiche aggressive, preserva le proprietà della cera rendendola ideale per restauro, belle arti, cosmesi e produzione di candele.
- Milliput: si presenta quindi sotto forma di 2 cilindretti da 56,7 gr. Milliput Standard da 2x56,7 gr. Milliput Terracotta da 2x56,7 gr. Milliput Grigio-Argento da 2x56,7 gr. Milliput Nero da 2x56,7 gr.
- Pasta epossidica bi-componente: Pasta epossidica bi-componente caricata con fibra di vetro e caratterizzata da consistenza morbida e lungo tempo di lavorazione. Si miscela e applica facilmente con le mani ed è studiata appositamente per essere utilizzata come resina in pasta da stratificazione per la produzione di stampi in vetroresina.
- Plastica modellabile: Plastica modellabile sotto forma di piccoli granuli che si ammorbidiscono quando sottoposti a temperature maggiori di 60°C fino a diventare un unico composto facilmente modellabile con le mani nella forma desiderata. e calchi.
- Stearina (o acido Stearico): La Stearina (o acido Stearico) è una miscela di acidi grassi di origine vegetale. Viene impiegata per la creazione di candele in stampo, aumentandone la solidità ed evitando possibili gocciolamenti.
Analisi e Caratterizzazione dei Materiali Ceramici
La caratterizzazione dei materiali ceramici è fondamentale per ottimizzare le proprietà e i processi produttivi.
Granulometria
La granulometria dell’atomizzato influisce sul flusso di massa durante la produzione di lastre ceramiche. Una granulometria più grossolana o aggregati irregolari possono influenzare la velocità del flusso. Nella creazione di graniglie ceramiche, la granulometria influenza la reattività nella sinterizzazione e nelle reazioni in cottura.
Analisi Termogravimetrica (TGA) e Analisi Termica Differenziale (DTA)
Queste analisi sono utilizzate nello sviluppo di nuovi materiali ceramici per identificare le temperature critiche di deterioramento.
Reologia e Viscosità
Lo studio reologico delle sospensioni acquose (barbottine, smalti, inchiostri) è cruciale per garantire stabilità e lavorabilità. I reometri misurano il flusso del fluido, ottimizzando la lavorabilità e la qualità dei materiali. Le barbottine da impasto richiedono uno studio reologico accurato per garantire stabilità al sistema durante la movimentazione all’interno dello stabilimento e durante il processo di atomizzazione. Anche gli smalti richiedono un’analisi reologica per ottenere risultati ottimali a livello applicativo e soprattutto gli inchiostri digitali necessitano di un controllo reologico per assicurare la corretta fluidità e dispersione.
Area Superficiale e Porosità
L’area superficiale specifica influenza la reattività chimica, mentre la porosità influisce sull’assorbimento, la resistenza meccanica e la conducibilità termica. La misura dell’area superficiale avviene tramite tecniche come il metodo BET (Brunauer-Emmett-Teller), che coinvolge l’adsorbimento di gas su una superficie solida a diverse pressioni e temperature. La porosità si riferisce invece alla presenza di pori o vuoti all’interno di un materiale. Questi pori possono essere micro, meso o macroscopici, in particolare quest’ultimi analizzati con tecniche di porosimetria a intrusione di mercurio.
Microscopia a Scansione Elettronica (SEM)
Il SEM analizza la microstruttura, porosità, composizione e morfologia dei materiali ceramici e delle polveri, anche abbinata all’analisi chimica con microsonda (EDX). La microscopia a scansione elettronica è una tecnica di analisi avanzata che riveste grande importanza nella caratterizzazione dei materiali ceramici e delle polveri. Attraverso il SEM, è possibile analizzare campioni di dimensioni molto ridotte, ottenendo informazioni di tipo morfologico abbinate alla composizione chimica del campione tal quale o allestito in sezione lucida. Questa tecnica è fondamentale per studiare la microstruttura, la porosità, la composizione e la morfologia dei materiali ceramici e delle polveri. Attraverso la microscopia a scansione elettronica accoppiata all’analisi chimica con microsonda (EDX), è possibile ottenere informazioni sulla morfologia e sulla composizione chimica dei campioni.
Granulometria dei Nanomateriali Ceramici
La granulometria dei nanomateriali ceramici è una tecnica fondamentale per caratterizzare le dimensioni delle particelle a livello nanometrico. Uno strumento comune utilizzato per questa analisi è la Dynamic Light Scattering (DLS), nota anche come Photon Correlation Spectroscopy (PCS) o Quasi-Elastic Light Scattering (QELS). La DLS è una tecnica non invasiva che misura la dimensione delle molecole, delle nanoparticelle o dei colloidi, tipicamente sub-micronici. Funziona misurando l’intensità dello scattering della luce in funzione del tempo. Questo scattering è generato dal movimento browniano delle particelle. Le particelle più piccole si muovono rapidamente, creando variazioni rapide nell’intensità dello scattering, mentre le particelle più grandi si muovono lentamente, creando variazioni più lente. La nanoceramica è un materiale avanzato composto principalmente da particelle ultrafini a livello nanometrico. Le nanoceramiche sfruttano le dimensioni ridotte delle particelle per ottenere proprietà uniche e migliorate rispetto alle ceramiche tradizionali.
Il Processo Produttivo della Ceramica
Il processo produttivo dei materiali ceramici si divide in tre principali fasi:
- Preparazione delle materie prime
- Formatura
- Cottura
Preparazione dei materiali
La fase di preparazione dei materiali prevede la conservazione in silos delle argille e degli altri componenti che vengono poi prelevati in precise quantità, a seconda della ricetta dell'impasto che si vuole ottenere, e vengono opportunamente frantumati. La frantumazione consentirà di ottenere una granulometria adeguata per riuscire poi a macinare e a ridurre in polvere la miscela nella successiva fase di macinazione.
Macinazione ad umido o a secco
La macinazione delle argille può avvenire ad umido o a secco. Nel primo caso (miscelazione ad umido) le polveri vengono miscelate con acqua e immesse in un mulino di macinazione, generalmente un cilindro rotante contenente dei corpi macinanti. Nel caso di miscelazione a secco la stessa operazione avviene in mancanza di acqua e quindi con una minore efficacia ed una maggiore granulometria. Una volta macinate le polveri vengono selezionate in base al prodotto da realizzare tenendo conto delle proprietà attese, in base a tre parametri: la purezza, la dimensione delle particelle e la reattività.
Purezza delle argille ceramiche
La presenza di impurezze influenza le proprietà del prodotto ceramico finito quali resistenza meccanica, vita a rottura, resistenza all’ossidazione e proprietà elettriche. Il loro effetto dipende dalla loro composizione e dalla composizione della matrice, dalla distribuzione all'interno del corpo della ceramica e dalle condizioni di esercizio quali tempo, temperatura, sforzi e tensioni a cui il prodotto è sottoposto e, quindi, dall'ambiente finale di utilizzo.
Dimensioni delle particelle delle polveri per ceramica
Un secondo importante parametro è rappresentato dalla dimensione delle particelle che condizionerà in modo importante la porosità del prodotto finito. La porosità, infatti, diminuisce al diminuire delle dimensioni delle particelle di argilla che verranno formate e cotte. Per ottenere la minima porosità è il caso di impiegare particelle di dimensioni diverse, in modo che le più piccole possano riempire i vuoti esistenti tra quelle più grandi. La dimensione delle particelle influenza anche la reattività in quanto le particelle più piccole densificano più facilmente delle particelle più grandi a causa della maggiore area superficiale. Nel caso si voglia privilegiare la resistenza meccanica, bisogna ridurre al massimo la porosità ed avere grani di piccole dimensioni partendo quindi da polveri molto fini, inferiori al mm. Nel caso dei materiali refrattari, invece, si preferisce avere una struttura con una certa porosità per favorire le caratteristiche di isolamento termico, e sono, quindi, si utilizzano polveri di dimensioni maggiori a questo fine.
Atomizzazione dell'argilla ceramica
Al fine di minimizzare il diametro delle particelle di argilla si è introdotta la fase di atomizzazione. L'atomizzatore permette una essicazione rapida dei granuli. Una volta macinate le argille si ottiene, infatti, un impasto fluido che viene essiccato a spruzzo per formare così dei piccoli agglomerati sferici, pronti per essere utilizzati nella fase di formatura. Tale essicazione a spruzzo avviene all'interno di grandi silos verticali denominati "atomizzatori", da cui il nome di "atomizzato" per la polvere microscopica che si ottiene.
Composizione delle argille e funzioni
Le argille che compongono l'impasto che poi verrà formato e cotto, hanno differenti componenti, i quali hanno diverse funzioni rispetto al prodotto finale:
- Componente Plastico (argilla, caolino): favorisce la lavorabilità; conferisce coesione e solidità; è responsabile della forma dei nuovi composti durante la cottura; impartisce la colorazione.
- Inerte (silice, chamotte): diminuisce la plasticità; può contribuire alla formazione della fase vetrosa e di nuovi composti; costituisce lo scheletro della ceramica.
- Componente fondente e vetrificante (feldspati, rocce carbonatiche): diminuisce la plasticità e la porosità; abbassa la temperatura di fusione; contribuisce alla resistenza meccanica.
La fase di formatura della ceramica
L’operazione di formatura può essere eseguita secondo tecnologie diverse a seconda del prodotto ceramico che si vuole ottenere. L'impasto di argille può essere pressato su di uno stampo aperto, può essere laminato, o versato per colaggio su uno stampo chiuso e lasciato indurire. In qualche caso può essere opportuno anzichè pressare la polvere di argilla, procedere, prima, ad una granulazione, ossia alla trasformazione in agglomerati (detti appunto grani) mediante impianti di spray drying.
La pressatura: a secco e ad umido
Il metodo più utilizzato per "dare forma" all'argilla è la pressatura che consiste nel comprimere il materiale di partenza in uno stampo. Si pensi, ad esempio, al processo di produzione delle piastrelle che prevede la pressatura isostatica a secco e a freddo di argille al fine di creare una "piastrella cruda". Il metodo della pressatura a secco è il più diffuso perchè consente di lavorare con ottima velocità e riducendo le tolleranze dimensionali, grazie alla potenza della pressa che elimina i "vuoti" all'interno del manufatto. Con questa tecnica vengono prodotti anche componenti per l’elettronica (ceramici avanzati). Il metodo della pressatura a umido è, invece, più utilizzata per i ceramici tradizionali in quanto i materiali argillosi usati come materie prime contengono dal 10 al 15 % di acqua (usato per piastrelle e sanitari).
Pressatura in uno stampo
Questi materiali sottoposti all’azione di una pressione, si deformano plasticamente ed assumono la forma della cavità dello stampo aperto in cui sono stati immessi. Lo svantaggio di tale tecnica è rappresentata dall’usura degli stampi che vengono utilizzati e dalla disuniformità della densità della miscela in quanto si creano delle forze di attrito sia tra le particelle stesse che tra le particelle e lo stampo. La pressatura uniassiale, inoltre, non permette di realizzare forme complesse ed è determinata da una variabilità di pressioni che sono diverse da punto a punto.
Pressatura isostatica a freddo
La pressatura isostatica a freddo: la polvere ceramica viene caricata in un contenitore ermetico (sigillato sottovuoto) flessibile che si trova all’interno di una camera di fluido idraulico al quale viene applicata una pressione in modo uniforme in tutti i punti e in tutte le direzioni. La forza di questa pressione compatta la polvere in maniera uniforme, con il risultato finale di un prodotto che prende la forma del contenitore flessibile. Questo processo permette di realizzare prodotti con una maggiore densità.
Pressatura isostatica a caldo
La pressatura isostatica a caldo: la polvere viene sottoposta contemporaneamente sia all’azione di temperature elevate di circa 1500-1800°C che a pressioni di 250 MPa sia uniassiali che isostatiche. Da questo processo si ottengono pezzi di elevata densità e migliori proprietà meccaniche.
Colaggio
Il colaggio: l'impasto della consistenza di uno yogurt, ottenuto miscelando argilla in polvere ed acqua, viene colato in uno stampo chiuso. Il vantaggio del colaggio sta nella precisione mentre lo svantaggio è nella lentezza del procedimento.
Estrusione
Infine la formatura del materiale ceramico può avvenire anche per estrusione: Il materiale ceramico plastico viene estruso spingendolo attraverso un orifizio che genera un corpo continuo che viene poi tagliato ad intervalli regolari. Questo processo si utilizza per la produzione di mattoni refrattari, tubazioni fognarie, ceramiche tecnologiche e isolanti elettrici ma anche per la produzione del tradizionale cotto fiorentino.
L'essicamento
Il trattamento termico è un passo essenziale nella fabbricazione della maggior parte dei prodotti ceramici. In genere il trattamento termico si scinde in due fasi: l'essicamento (che viene praticato immediatamente dopo la formatura) e quindi la fase di cottura vera e propria. Lo scopo della fase di essicamente sta nella rimozione del solvente e di altri additivi dalla massa ceramica plastica e per ottenere dei pezzi crudi più facilmente movimentabili. La prima fase dell’essiccamento prevede l’evaporazi…
Proprietà dei Materiali Ceramici
I materiali ceramici presentano una combinazione unica di proprietà:
- Bassa tenacità e duttilità
- Elevata resistenza all’usura
- Durezza combinata a fragilità
- Buoni isolanti elettrici e termici
- Elevate temperature di fusione
- Basso carico di rottura
- Elevata resistenza chimica in ambienti aggressivi
Caratteristiche Chimiche e Fisiche
Il legame tra gli atomi è sia covalente che ionico, influenzando le proprietà del materiale. Il punto di fusione è elevato, rendendo i manufatti resistenti alle alte temperature.
Caratteristiche Meccaniche
Il grado di polarità del legame è fondamentale per prevedere il comportamento delle strutture. I materiali ceramici sono caratterizzati da elevata fragilità e resistenza meccanica. La resistenza a trazione è minore rispetto alla resistenza a compressione, rendendoli ideali per sopportare sforzi di compressione.
Classificazione Merceologica
I ceramici si classificano in base alla funzione:
- Materiali ceramici per edilizia (laterizi, tegole, piastrelle)
- Materiali ceramici per uso domestico (maioliche, vasellame)
- Materiali ceramici per l’industria (utensili, cuscinetti)
Classificazione per Porosità
Si distinguono:
- Ceramici con supporto compatto (piastrelle in grès a tutta massa)
- Ceramici con superficie smaltata (piastrelle in grès smaltate, sanitari smaltati)