En este artículo se presenta la caracterización de una arcilla cubana tanto en estado natural, como después de ser calcinada durante 4 h a 1 000°C; para ello se emplean diferentes técnicas como Fluorescencia y Difracción de Rayos X , DTG, MEB y AMS. Se llega a la conclusión de que en estado natural es una caolinita, en la cual se presentan fases de montmorillonita e illita, la cual sufre pérdida de humedad superficial por debajo de los 100°, por encima de los 300°C se produce pérdida de agua de los espacios interlaminares y entre los 350°C y 750°C se produce una pérdida del agua hidroxílica, que ocasiona la destrucción de la red cristalina de la caolinita.
Después de calcinada la arcilla se observa mediante DRX la presencia de las fases: magnesio-hornblenda, diopsidio, albita, moscovita y cuarzo, materiales cerámicos de elevada dureza que por poseer puntos de fusión muy elevados conservaron su estructura cristalina y presentan propiedades adecuadas para ser empleados como refuerzos de materiales compuestos de matriz metálica.
Palabras claves: caolinita, cuarzo, albita, diopsidio, hornblenda, moscovita
General characterization of a sample of clay to be used as reinforcement in a compound material with metallic matrix.
In this paper is presented the characterization of a Cuban clay in natural state and after calcination during 4 h at 1 000°C; by using different techniques as Fluorescence and Diffraction of X Rays, DTG, MEB and AMS. In natural state it is a caolinite, in which montmorillonita and illita are presented. The clay losses superficial humidity below 100°, above 300°C losses water from the interlaminares spaces and below 500°C, it losses hidroxílic water and happens the destruction of the crystalline net of the clay.
After the clay calcination, the phases observed are magnesium-hornblend, diopside, Muscovite, albite and quartz, all are ceramic materials with high hardness that conserved their crystalline structure cause their very high melting points and they present appropriate properties to be employed as reinforcements of materials made up of metallic matrix.
Key words: caolinite, quartz, albite, diopside, hornblenda, Muscovite
El principio de la incorporación de una segunda fase de alto desempeño en un material de ingeniería convencional, consiste en producir una combinación de propiedades que no podrían obtenerse con los constituyentes originales. En un material compuesto de matriz metálica de aluminio (Al-MMC), la fase continua o matriz es una aleación de monolítica de este metal con una o varias fases y el refuerzo lo constituyen adiciones de materiales generalmente cerámicos. Las partículas representan los refuerzos más simples en función de su geometría; son relativamente baratas, y presentan morfologías diversas. Las propiedades de los Al-MMCs resultantes pueden llegar a ser isotrópicas y deben ser significativamente mejores que las del metal matriz sin refuerzo. Entre los diferentes refuerzos empleados se encuentran la alúmina, carburo de silicio, zirconio, grafito y cenizas volantes, entre otros materiales cerámicos.
Dentro de la clasificación de materiales cerámicos se encuentran las arcillas que son aluminosilicatos hidratados formadas por láminas de tetraedros de silicio [SiO4]-4 y octaedros de aluminio [Al (OH)6]-3, las cuales se alternan (1) como se aprecia en al figura 1.
Figura 1. Esquema estructural ideal de la caolinita
Se conoce que las arcillas se formaron a partir de la descomposición de las rocas o por la acción de distintos factores como la presión tectónica, movimientos sísmicos, distintos tipos de erosión, entre otros y después durante su traslación hacia el lugar donde finalmente sedimentaron y adquirieron diferentes impurezas de acuerdo al origen del mineral (2,3).
Entre las arcillas más comunes se encuentran las montmorillonitas, las illitas y las caolinitas.
La caolinita es uno de los minerales más importante de las arcillas según señala Dominguez (4). Entre los datos que se reportan de la misma se encuentra que su densidad está entre 2.5-2.6 g/cm3 y su fórmula general expresada en forma de óxidos es Al2O3 · 2 SiO2 · 2H2O, constituida por alrededor de un 46.5% de SiO2, 39,5 % de Al2O3. Belver (5) añade que es un aluminosilicato laminar del tipo 1:1 (Al2Si2O5(OH)4), donde una capa tetraédrica de silica se encuentra unida a una capa octaédrica de alúmina formando láminas que se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno El agua hidroxílica (constitucional) es el 14% de la masa de la caolinita y al desprenderse totalmente entre 500 y 550 ºC, según su grado de ordenamiento estructural, provoca una destrucción total de ordenamiento de la red cristalina reticular.
La arcilla conocida como illita se puede encontrar en los mares profundos que contienen minerales micáceos del grupo de la illita (1), pero además al igual que la montmorillonita y la caolinita está presente en el subsuelo, aunque solo contienen illita las arcillas calcáreas.
La arcilla montmorillonita contiene fundamentalmente este mineral, las bentonitas son las principales representantes de este tipo de arcilla (6)
En el presente trabajo se describe la caracterización de una arcilla cubana en su estado natural y después de sufrir un tratamiento a 1000°C; tratamiento en el cual se supone que hayan ocurrido no solo la pérdida de agua de hidratación y de constitución, sino también la fusión de aquellos componentes menos refractarios. Este trabajo tiene el objetivo de investigar las potencialidades de esta arcilla para su empleo como material cerámico de refuerzo en forma de partículas, en composites de matriz metálica de aluminio.
Los difractogramas de rayos X fueron obtenidos en un Difractómetro de Rayos X marca Philips, modelo MPD 1880. La identificación de las fases cristalinas fue obtenida por comparación con los datos de las bases PDF-2 de ICDD (2008) y PAN-ISCD (2007) y ficheros JCPDS. Se empleó radiación de Cu Ka.
El análisis termogravimétrico (DTG) se midió en un equipo Perkin-Elmer DTA7 y en una termo- balanza Perkin-Elmer TGA7, respectivamente. Ambos se realizaron en atmósfera de oxígeno, incrementando la temperatura hasta 1000°C con una velocidad de calentamiento de 10°C/min.
Mediante un equipo de análisis químico por Fluorescencia de Rayos X (FRX) (espectrómetro Philips PW1400, tubo de Rh, 30 kV, 60 mA) se hizo la caracterización química de la arcilla.
Las imágenes por Microscopía electrónica de Barrido (MEB) fueron tomadas mediante un microscopio electrónico de barrido marca FEI modelo Quanta 200.
3.1 Caracterización de la arcilla en su estado natural
La arcilla estudiada fue caracterizada primero en su estado natural. En la tabla I, se presenta la composición química de la misma, obtenida por fluorescencia de rayos X (FRX).
TABLA I. Análisis químico por FRX de la arcilla en su estado natural
Al efectuar la caracterización fásica de la arcilla bajo estudio mediante difracción de rayos X (DRX), se observa la presencia de montmorillonita, illita y caolinita, como se aprecia en la figura 2.
Figura 2. Caracterización por difracción de rayos X de la arcilla estudiada.
De acuerdo a la composición química y a los resultados de la DRX, la arcilla estudiada es una caolinita, teniendo en cuenta los criterios de Alton (7). Como se puede apreciar la relación molar SiO2/Al2O3 es aproximadamente 2:1.
Fuentes (8) en la caracterización de una arcilla perteneciente a la región de Guanajuato en México, observó una fracción de color amarillo, color similar al de la arcilla que se estudia, observando que en el difractograma correspondiente se apreciaba la presencia de caolinita, que es un material fino que aporta plasticidad, así como feldespato plagioclasa (material con propiedades de material fundente) y cuarzo, además de la probable presencia de Montmorillonita y clorita, lo cual le confiere características de material arcilloso caolinítico.
Para hacer un estudio de la arcilla cubana en su estado natural se empleó la técnica del DTG, para ello simultáneamente en la figura 3 se muestran las curvas para arcillas patrones del tipo caolinita, Illita y montmorillonita.
Figura 3. Curvas DTG de la arcilla cubana en su estado natural,
comparándola con las curvas de patrones de caolinita, Illita y montmorillonita
La curva del DTG de la arcilla cubana presenta las características comunes de las arcillas normales. Entre ellos la pérdida de agua entre las capas en el rango de 50 a 200°C, lo que podría indicar la presencia de montmorillonita en la arcilla cubana (obsérvese en la curva de un patrón de montmorillonita como aparece este efecto), mientras que el proceso de deshidroxilación ocurre en el rango de 400 a 650°C, lo cual es característico de las caolinitas (obsérvese este efecto en la caolinita pura). Estos resultados concuerdan bien con la identificación de cristales por XRD. Sin embargo mientras por DRX aparece la presencia de Illita, el análisis por DTG no indica su presencia en la arcilla cubana debido a la ausencia del pico endotérmico que se observa en el patrón de montmorillonita, pero esto es probablemente debido al hecho de que la fase montmorillonita está presente en pequeñas cantidades y su señal está solapada con la de la caolinita formando una banda ancha.
Al analizar más detenidamente la curva DTG para la arcilla cubana en su estado natural (Figura 4) se observa un efecto endotérmico por debajo de los 100°C relacionado con la pérdida de humedad superficial, un efecto endotérmico menos marcado por encima de los 300°C relacionado con la pérdida de agua de los espacios interlaminares y otro efecto endodérmico más marcado entre los 350°C y 750°C aproximadamente, el cual corresponde con la pérdida del agua hidroxílica (de constitución), que ocasiona la destrucción de la red cristalina de la caolinita.
Figura 4. Análisis DTG de la arcilla bajo estudio.
Como se puede apreciar en el DTG, por encima de los 900°C no se observan cambios en la arcilla estudiada, por lo que se decide someterla a un proceso de calcinado durante 4h a una temperatura de 1000°C y luego dejarla enfriar lentamente dentro del horno, con el objetivo de estudiar los productos de las reacciones topoquímicas que ocurrirían en la misma durante el proceso de calcinación, los cuales deben conducir a estructuras cerámicas de alta refractariedad y dureza, como los necesarios para reforzar materiales compuestos de aluminio.
3.2 Caracterización de la arcilla calcinada
Al analizar su composición fásica mediante DRX, se observan las fases que se reportan en la tabla II.
Tabla II. Caracterización por DRX de la arcilla calcinada durante
4 h a 1000°C
Simultáneamente se efectuó un estudio por MEB de la arcilla y se hizo análisis por microsonda en algunos puntos como se muestra a continuación.
En la figura 5 se puede apreciar a la izquierda en la imagen de la muestra obtenido por MEB el punto 9 y a la derecha el análisis por microsonda de este punto, como se puede apreciar por la composición química y por la morfología del mineral en ese punto, corresponde con un grano de cuarzo, una de las fases caracterizadas por DRX. El dióxido de silicio (SiO2) es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es uno de los componentes de la arena. En la naturaleza se da de forma natural como cuarzo y se encuentra también formando parte de las arcillas, al igual que se reporta en los trabajos de Gaviria (9). Este compuesto ordenado espacialmente presenta una red tridimensional (cristalizado) que forma el cuarzo y todas sus variedades. Su punto de fusión es de 1713°C, por lo que a la temperatura de calcinación de la muestra estudiada no sufrió ningún cambio.
Figura 5. Resultados de la caracterización del Cuarzo,
uno de los constituyentes de la arcilla calcinada, mediante MEB y análisis por microsonda
En la figura 6, se aprecia la imagen obtenida por MEB de una parte de la muestra calcinada, en el punto 20 aparece señalado un grano de Albita una de las fases cristalinas que parcialmente no se destruyó durante el proceso de calcinación. La albita tiene una fórmula química: NaAlSi3O8, aunque también se presenta en otras variedades como (Na,Ca)AlSi3O8 y (Na,K)AlSi3O8. Está compuesta por silicato de sodio y aluminio, frecuentemente con el sodio parcialmente sustituido por calcio o potasio hasta un diez por ciento. Su color puede ser Blanco, incoloro, crema, verde claro, azul claro, amarillo claro, rojo pálido, carmelita claro y gris, algunos tipos son iridiscentes. Alcanza una dureza entre 6 y 6,5. Sus cristales son triclínicos, generalmente planos y laminar formando grupos compactos. También se presentan en forma prismática corta y en forma tubular. Se presentan en forma agrupada, nunca en forma simple o formando parte de una matriz. La densidad está en el orden de 2.6 – 2.63 g/cm3. La albita es usada industrialmente en la producción de cerámicas. Este compuesto es muy importante en el estudio de la formación de las rocas, como señala Armbruster (10). En esta muestra calcinada, la albita ha facilitado la fusión de las arcillas, con las que ha formado un material cerámico que sirve de pegamento para unir al resto de las fases altamente refractarias.
Figura 6. En la microfotografía obtenida por MEB, los puntos señalados como 20, 21 y 23 corresponden a albita, cuarzo y hornblenda, se muestra también el análisis por microsonda
correspondiente al punto 20 (albita).
En la propia figura 6 se aprecia en el punto 21 un grano de cuarzo, del cual ya se habló anteriormente y en el punto marcado con el número 23, un grano de hornblenda, otra de las fases que se detectó mediante DRX. En la figura 6 se muestra el análisis por microsonda que permitió identificar a este compuesto como uno de los componentes de la arcilla calcinada. Su fórmula química es:
La Hornblenda es común en muchas piedras ígneas que van del granito al gabbro; también está presente como elemento en piedras metamórficas. La Hornblenda también aparece en algunas piedras volcánicas y se reporta normalmente alterando a la biotita o la clorita. Este componente de las arcillas estudiadas no sufrió cambios durante el proceso de calcinación producto a su elevado punto de fusión.
Otra de las fases detectadas por DRX fue la moscovita, que en la figura 6 aparece marcada por el punto 23 y en la figura 7 a un mayor aumento aparece marcada con el punto 15, su fórmula química es
y su composición química se reporta en la literatura formada por:
Figura 7. Microfotografía obtenida por MEB y resultados del análisis por microsonda que muestran la presencia de moscovita en la arcilla calcinada.
Dentro de las características de este componente se encuentra que presenta una estructura cristalina Seudo-hexagonal de la clase Prismática, con una dureza entre 2 – 2,5 y una densidad relativa entre 2,76 – 3,1 g/cm3. Este mineral aparece asociado comúnmente, en esquistos, granitos, piedras areniscas y pegmatitas dónde forma parte de los cristales grandes. Se forma a partir de los procesos, hidrotermales y metamórficos; también se forma a partir de la cristalización de piedras ácidas, apareciendo en los granitos, en las micas, apatitas y pegmatitas, y en los granitos en la mayoría de los casos es producto de las transformaciones magmáticas (metamorfismos e hidrotermalismo) (11)
Presentan bajo coeficiente de conductibilidad térmica, es resistente a las temperaturas altas y los cambios térmicos, debido a que su coeficiente de dilatación es bajo principalmente. Debido a sus propiedades se emplea como aislante eléctrico, se usa en los condensadores, reóstatos, teléfonos, lámparas eléctricas y fusibles, también es empleado como adsorbentes para la eliminación de contaminantes en aguas y efluentes líquidos (12).
La última de las fases detectadas por DRX en la muestra de arcilla calcinada es el diopsidio, que es una roca importante que forma parte de varios minerales metamórficos y es un componente básico de las rocas ígneas, también es encontrado en los meteoritos.
El Diopsidio es parte de una serie de soluciones sólidas importantes del grupo del piroxeno, que incluye al hedenbergita CaFeSi2O6, y la augita, (Ca,Na)(Fe,Mg,Al)(Al,Si)2O6.
Es el mineral de su grupo más rico en magnesio. Es típicamente blanco o verde y puede tener un lustre vítreo bueno. Mientras el color de diopsidio con cromo es muy más luminoso. El sistema cristalino del diopsidio es monoclinico; 2/m y los cristales son prismáticos. La sección cruzada cuadrada es distintiva en los cristales prismáticos. También aparece en forma granular, columnar y macizo. Presenta una dureza entre 5 – 6, su densidad específica es aproximadamente 3.3 g/cm3. Se encuentra asociado a minerales como fluorita, dolomita, clorita, olivina, meteoritos férricos y la calcita (13)
La arcilla procedente de una región cercana al poblado de Miller en Villa Clara, Cuba; es una caolinita en la que se presentan además montmorillonita e illita, la cual sufre un efecto endotérmico por debajo de los 100°C relacionado con la pérdida de humedad superficial, otro efecto endotérmico menos marcado por encima de los 300°C relacionado con la pérdida de agua de los espacios interlaminares y otro más marcado algo por debajo de los 500°C, el cual corresponde con la pérdida del agua hidroxílica (de constitución), que ocasiona la destrucción de la red cristalina de la caolinita. Químicamente está formada por: 43.89% de SiO2; 24.73% de Al2O3; 11.13% de Fe2O3; 1.38% de CaO; 2.63% de MgO; 0.08% de SO3; 1.10% de K2O; 0.14% de MnO; 1.99% de Na2O, entre otros.
Al calcinar en un horno durante 4h una muestra de la arcilla estudiada, a una temperatura de 1000°C, se pudieron caracterizar las siguientes fases mediante DRX, MEB y análisis por microsonda: cuarzo, magnesio-hornblenda, diopsidio, albita y moscovita; comprobándose que producto de las reacciones topoquímicas ocurridas durante el proceso de calcinación, la albita sirvió parcialmente de fundente y aceleró la fusión de la arcilla, cuyos productos formaron el pegamento que mantiene unida a las fases antes señaladas, las cuales por poseer puntos de fusión más elevados conservaron su estructura cristalina.
La mayoría de las fases presentes en los productos de la calcinación de la arcilla estudiada, son materiales cerámicos de elevada dureza, los cuales presentan propiedades adecuadas para ser empleados como refuerzos de materiales compuestos de matriz metálica como los de matriz de aluminio.
1. G.M. Brindley, G. Brown. Cristal structures of clay minerals and their X-ray identifications – Mineralogical Society. London, 495 p. (1980)
2. W.A. Deer, R.A. Howie, J. Zussman. Rock-forming minerals, v. 4, framework silicates, 94{165). (1963)
3. B. Velde. Introduction to Clay Minerals, Chemistry, origins, uses and enviromental significance. Chapman & Hall. 198 pp(1992).
4. J. M. Domínguez, I. Schifter, ¿Qué son las arcillas? En página WEB http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/109/htm/sec_6.htm consultado el 28.06.09
5. C. Belver, M. A. Bañares, M. A. Vicente. Materiales con propiedades tecnológicas obtenidos por modificación química de un caolín natural. Bol. Soc. Esp. Cerámica. V., 43 [2] 148-154 (2004)
6. Y. M. Vargas, V. Gómez, E. Vázquez, A. García, G. Aguilar, H. Murrieta, H. Salmón. Caracterización espectroscópica, química y morfológica y propiedades superficiales de una montmorillonita mexicana. Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, v.25, núm. 1, p. 135-144.(2008)
7. A. Wade, R. B. Mattox. Elementos de cristalografía y mineralogía; Ed Omega; traducción de la 2ª ed. Barcelona. Pp. 325 –348. (1976)
8. R Fuentes, O. Mejía, M.G. de la Rosa, B. Caudillo, J.J. Guzmán, Y Gallega. Evaluación de mezclas de arcillas de la región de Guanajuato Acta Universitaria. Universidad de Guanajuato. Vol.18 No.3 septiembre-diciembre 2008. México. (2008)
9. S. Gaviria, O. Hernández, O. Vargas. Relación entre procesos de erosión y geoquímica de sedimentos y suelos de Checua, Cuenca Alta del Río Bogotá. Rev. Acad. Colomb. Cienc. 28 (109), p. 497-508, (2004).
10. T. Armbruster, H. B. Burgi, M. Kunz, E. Gnos, S. Bronnimann, and C. Lienert Variation of displacement parameters in structure refinements of low albite. Amer. Mineral., 75, 135{140). (1990)
11. Filosilicatos.Moscovita http://www.rc.unesp.br/museudpm/banco/silicatos/filossilicatos/muscovita.html
Consultado el 20.05.09
12. N. P. Bravo. Utilización de adsorbentes para la eliminación de contaminantes en aguas y efluentes líquidos. Tesinas de la Universidad de Belgrano. Nº 86 http://donessolares.awardspace.com/Holistica/Gemoterapia/Descripcion/diopsidio.htm Consultado el 20.05.09
13. D.T. Griffen. Optical Mineralogy. P 360-362 (1981)
Autor:
Pino Rivero, L.1
Suarez Lisca, L. H.3
Hernández Ruiz, J. E2
Villar Cociña, E2
Alujas Díaz, A1
1 Facultad Química Farmacia, Universidad Central de Las Villas
2 Departamento de Física, Universidad Central de Las Villas
3 Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Central de Las Villas