La espodumena y su uso en cerámica: una visión general

La espodumena es un mineral con un papel importante que desempeñar en la cerámica moderna: la adición de resistencia al choque térmico y la expansión, lo que hace que la cerámica tenga una vida útil más larga.

Introducción

El espodumena es un mineral de tipo piroxeno con la fórmula química LiAl(SiO₃)₂. Se utiliza principalmente como fuente de metal de litio, que se aísla primero tostando el espodumena y luego mediante lixiviación en ácido. Se prefiere sobre otros métodos debido a la mayor cantidad de litio que se puede extraer. En otras áreas, la espodumena encuentra usos en cerámica, como agente fundente y en medicina. En el hogar, la espodumena encontró un uso popular y generalizado como la fase cristalina del material vitrocerámico 'Pyroceram' de Corning Glass para cocinar. Poseyendo una alta tolerancia térmica y baja expansión a altas temperaturas, el material fue increíblemente popular desde finales de la década de 1950. La espodumena, específicamente la fase β-espodumena, es responsable de estas impresionantes propiedades. La mayor parte de la espodumena natural existe como la estructura cristalina de α-espodumena, con la variante de β más fuerte obtenida a través del calentamiento. La República Democrática del Congo tiene las mayores reservas probadas de espodumeno.

Usos en cerámica

En el 'Pyroceram' de Corning, la vitrocerámica parecía ser de un blanco lechoso en coloración; permitir el paso de una cantidad moderada de luz; translúcido. La
cerámica
a base de espodumena encontró su popularidad debido a las propiedades que tienen, resistencia al choque térmico, tolerancia a altas temperaturas y resistencia a la expansión térmica. Además, las cerámicas de espodumena son generalmente consideradas por su resistencia y durabilidad. En términos de procesos de fabricación, el espodumena se sinteriza bien.

Resistencia al choque térmico

La resistencia al choque térmico se refiere a la capacidad de un material para no deformarse o romperse en un cambio repentino y / o dramático de temperatura. Debido a su excelente rendimiento térmico por derecho propio, el β-espodumena a menudo se incluye en otras cerámicas para ayudar a agregar valiosas propiedades resistentes a los golpes. Por ejemplo, se ha demostrado que la adición de 15% en peso de β-espodumena a la alúmina produce cerámica con un alto desajuste de expansión térmica(1). Las pruebas mostraron que la cerámica dopada con espodumena mostró una degradación de resistencia mínima en condiciones de choque térmico, en comparación con la alúmina pura que no funcionó tan bien. Este resultado se compara favorablemente con otras cerámicas compuestas de alúmina.

En la vitrocerámica, se utilizan espodumena y sílice. Las densidades de la vitrocerámica resultante aumentan después de 3,5 o más horas de sinterización. En este proceso, el tamaño medio del grano aumentó de 0,55 a 0,67 μm con un aumento de la dureza a 5,47 GPa, junto con un aumento de la resistencia a la flexión de 158 MPa. Hubo un aumento proporcional de la resistencia residual y el rendimiento en las pruebas de choque térmico. Los investigadores explican este fenómeno por el aumento de la cristalinidad y el elevado porcentaje de β-espodumena que viene con duraciones prolongadas de sinterización/calcinación(2). Por lo tanto, el rendimiento del choque térmico se ve afectado favorablemente por el rendimiento de la resistencia a la flexión.

Cuando se utiliza como fundente, el espodumena es responsable de un efecto de densificación en la cerámica resultante. En un ejemplo en el que los investigadores estaban desarrollando cordierita-espodumena para aplicaciones de transmisión de calor solar, agregar solo el 10% de β-espodumena fue suficiente para garantizar que la resistencia a la flexión después de 30 ciclos de calentamiento y enfriamiento (rápidamente de 1.100 ° C a temperatura ambiente) disminuyera solo en un 6%. Este material altamente resistente retuvo prácticamente todo el espodumena después de todos los ciclos(3). Los autores sugieren que este puede ser un material prometedor para la transmisión de calor en la generación de energía solar térmica. Sobre la base del trabajo de cordierita-espodumeno, se encontró que la adición de andalucita al 5% aumenta aún más las propiedades de choque térmico(4).

Resistencia a la expansión térmica

El coeficiente de expansión térmica (CTE) es la medida de cuánto se expande un material a temperatura, siendo preferibles números más bajos.

En cerámicas de sílice con β-espodumeno, la anisotropía de la expansión del material es mayor con un porcentaje creciente de sílice(5). El espodumena β se forma en cadenas espirales de tetraedros de Al-O en una disposición de eje de tornillo, que aunque tensa, la tensión se alivia a alta temperatura mediante una reducción en los ángulos de enlace en los tetraedros. Esto provoca un mayor nivel de estabilidad(6).

Las vitrocerámicas de β-espodumena fabricadas mediante un proceso de gel de sol seguido de prensado en caliente han mostrado CTE casi nulos de -^{0,03 x 10-7 K-1 a -0,97 x 10-7 ^K-1 desde la temperatura ambiente hasta ^1.200 °C(7).} Los investigadores sugieren que la razón de una resistencia tan increíble a la expansión se debe a las fases cristalinas altamente estables logradas y la cristalinidad uniforme, que dependen del excelente comportamiento de sinterización del espodumeno. Tales valores negativos de CTE se refieren a un material que es dilatométrico, es decir, los contratos de material. Este es el caso del β-espodumena desde 1951(8).

Se puede lograr un coeficiente de expansión térmica especialmente bajo en cerámicas de espodumena mediante el uso de un aditivo de sinterización de óxido de litio y óxido de germanio. El uso de solo el 3% en peso de este aditivo en un proceso dirigido por β espodumena dio como resultado una cerámica con un CTE de solo 7.0 x ^{10-7 K-1} desde la temperatura ambiente hasta 800 ° C (9). A modo de comparación, la cerámica de aluminosilicato de litio tiene un CTE de 3.2 x ^{10-7 K-1} (10).

También se observan valores negativos de CTE en espodumena que contiene vitrocerámica de naturaleza más exótica. En el caso de las vitrocerámicas de espodumena que contienen nitrógeno, las composiciones ricas en β-espodumena nitruradas que cristalizan a 1.200 °C tienen CTE negativas. La densidad y la dureza del vidrio resultante aumentan enormemente. La explicación de este fenómeno es que junto con la formación de β-cuarzo (ver más abajo), los átomos de nitrógeno se incorporan a la red (11).

Consideraciones y observaciones durante la fabricación

Al igual que con todas las cerámicas, un proceso de tratamiento térmico es una parte esencial de la fabricación. Durante el calentamiento, el α-espodumena o espodumena amorfa se convierte en ɣ-espodumeno, cuya estabilidad depende de la velocidad de calentamiento, así como del tratamiento mecánico previo de la muestra (es decir, si ha sido molida). A medida que avanza la calcinación, ɣ-espodumena se convierte en β-espodumeno, además en algunos casos algo de β-cuarzo como ganga, ya que algunos de los centros de litio y aluminio son sustituidos por silicio. Como regla general, comenzar con una muestra finamente molida resultará en una conversión más completa a β-espodumeno(12). La reducción de energía puede lograrse procesando el espodumena en un lecho fluidizado(13).

Los investigadores han observado que al formar cerámica de espodumeno, el cuerpo se vuelve mucho más difícil de formar cuando la calcinación ha causado que la proporción de β-espodumena exceda el 50%. Por lo tanto, para formas cerámicas más complejas con este material, es importante modular la temperatura cuidadosamente para no exceder el nivel del 50% demasiado pronto(14). Un método potencial para aliviar esto podría incluir cambiar el contenido/adición de LiO₂, que tiene más efecto sobre el comportamiento de sinterización, junto con otros óxidos(15).

Impacto en otras cerámicas

La adición de espodumena en la producción de cerámica conocida ha demostrado ser beneficiosa en términos de agregar propiedades deseables. En la fabricación de cerámica mullita, los investigadores han encontrado que al utilizar β-espodumena como agente de sinterización en fase líquida, la densidad de la mullita aumentó (es decir, fue menos porosa), el comportamiento de sinterización mejoró y la mullita se formó más fácilmente a 1.550 °C(16). Además, los autores afirman que la cerámica mullita modificada con espodumena tiene propiedades físicas y mecánicas superiores en comparación con la mullita sola.

Estas propiedades de mejora son ampliamente repetidas por los investigadores que doparon las alúminas sinterizadas en fase líquida con β-espodumeno(17). Descubrieron que al agregar β-espodumeno, la cerámica producida contenía una mezcla de espodumena cristalina y material vítreo, lo que condujo a una cerámica de alto rendimiento mecánico, rivalizando con cualquier cerámica de alúmina disponible comercialmente.

cuencos de cerámica hechos con feldespato en un estante

Flotación y recuperación de espodumena

Un factor importante en cualquier proceso de producción moderno es la minimización de los residuos y el tratamiento de cualquier residuo que exista para garantizar una eliminación segura. Con esto en mente, la flotación de espodumena es un proceso importante en la producción de metal de litio (como se mencionó, principalmente a partir de espodumeno) y los compuestos residuales de espodumena y litio pueden extraerse de relaves de producción de litio. Como el espodumena tiene un potencial zeta negativo en soluciones que tienen un pH inferior a 3(18), el espodumena puede eliminarse potencialmente de dichos relaves mediante recolección catiónica, como con aminas. La investigación ha demostrado que el 90% de la espodumena de los relaves puede ser extraída(19). La flotación se logra por adición de oleato de sodio (250 g ^L-1) y cloruro de calcio a los relaves(20). El espodumena recuperado es perfectamente adecuado para su uso en cerámica(21), como un ejemplo en el que se combinaron relaves de flotación, caolín y polvo de vidrio de bajo punto de fusión para producir una cerámica altamente porosa con un envidiable valor de resistencia de 5,60 MPa(22).

Consultoría de óxido de manganeso

La espodumena es un mineral con la fórmula LiAl(SiO₃)₂, que se utiliza principalmente como fuente de litio
En el mundo de la cerámica y la vitrocerámica, la espodumena es valorada por sus excelentes propiedades de sinterización.
La alta resistencia al choque térmico se explica por el aumento de la cristalinidad y la resistencia producida por mayores porcentajes de β-espodumeno.
En términos de expansión térmica, el espodumena ofrece excelentes características a una cerámica, con algunos coeficientes de expansión incluso negativos
β-espodumena es en gran parte responsable de la impresionante resistencia y las propiedades relacionadas, junto con la formación de cantidades modestas de β-cuarzo en algunos sistemas.
La recuperación de espodumena suficiente para la producción de cerámica es posible mediante flotación de espodumena
En general, la espodumena es un material valioso para la producción de cerámica.

Referencias

1 B. A. Latella et al., J. Am. Ceram. Soc., 1999, 82, 819

2 H. Mohammad y otros, Asiático J. Ceram. Soc., 2021, 9, 507

3 C. Hu y otros, Ceram. Int., 2016, 42, 13547

4 C. Hu y otros, Ceram. Int., 2018, 44, 3240

5 J. P. Williams y otros, J. Am. Ceram. Soc., 1968, 51, 651

6 C.-T. Li y D. R. Peacor, Z. Kristallogr. Krist., 1968, 126, 146
7 G. Wen y otros, Ceram. Int., 2012, 38, 5315
8 E. J. Smoke, J. Am. Ceram. Soc., 1951, 34, 131
9 T. Ogiwara y otros, J. Am. Ceram. Soc., 2013, 96, 2577