Se denominan «espumas cerámicas» a las pastas que tras la cocción tienen entre el 70% y el 90% (en algunos casos más del 90%) de su volumen en forma de poros. Se trata, por tanto, de pastas con una densidad muy baja que suele estar entre 0,3 y 0,6 gramos/cm3.
El material cerámico que forma las espumas puede ser cualquier pasta, pero también se realizan espumas de otros materiales cerámicos como alúmina, carburo de silicio, zirconia, mullita, magnesio, etc.. dentro de la llamada cerámica técnica.
Estas estructuras cerámicas tienen muchas aplicaciones ya que su alto contenido en aire las hace ideales para soportar choques térmicos, como aislantes acústicos, en cualquier aplicación en la que se necesite evitar un peso excesivo, para filtrado de partículas, como aislante térmico,…
Dependiendo de su formación hay espumas cerámicas con los poros interconectados entre sí (poros abiertos) o bien poros aislados (poros cerrados). Las espumas de poros abiertos se denominan «espumas reticuladas», y las que tienen poros cerrados son las «espumas cerámicas» propiamente dichas.
Para fabricar las espumas cerámicas de poros cerrados se utilizan diversos métodos que pueden clasificarse en tres categorías: réplica de esponja, relleno orgánico y agentes espumantes.
La réplica de esponja consiste en introducir una esponja natural o de poliuretano en una barbotina o colada de cualquier pasta cerámica, de forma que, tras varias inmersiones, la colada se infiltra por toda la esponja. Tras la cocción, la esponja se quema y permanece una espuma cerámica.
La técnica de relleno orgánico es una generalización de la réplica de esponja ya comentada. Se trata de mezclar una pasta cerámica con materiales combustibles (por ejemplo cualquier materia orgánica, serrín, carbón, celulosa, etc..) que dejan huecos cuando se queman en el horno. Algunos de estos materiales combustibles pueden formar porosidad abierta y otros producen porosidad cerrada. Las pastas con celulosa (Paper clay) pueden clasificarse en esta categoría de espumas por relleno orgánico cuando su porosidad es lo suficientemente elevada.
La tercera categoría de espumas cerámicas consiste en introducir en la pasta ciertos componentes que producen gases (agentes espumantes). En muchos casos, los agentes espumantes se acompañan de otros componentes que modifican la tensión superficial para impedir que los gases liberados se escapen (agentes tensioactivos también llamados surfactantes). Dependiendo de los componentes añadidos la liberación de gases puede producirse mientras la pasta está en suspensión o bien durante la cocción.
Agentes espumantes añadidos a pastas en suspensión
Cuando tenemos una pasta en suspensión, antes de introducirla en el horno, se pueden añadir agentes espumantes que reaccionan químicamente entre sí y liberan gases, pero es necesario controlar la viscosidad de la suspensión si queremos obtener poros. Se logran así espumas sobre la pasta en crudo, o bien sobre coladas y sobre ciertos compuestos líquidos como el silicato de sodio. Un ejemplo sencillo consiste en añadir a un engobe un 20% de carbonato cálcico y, una vez aplicado sobre la pasta, se rocía con vinagre de forma que se produce una reacción química que produce agujeros y cráteres texturizando la superficie de la pieza.
Otros agentes espumosos que pueden utilizarse son ácido clorhídrico con compuestos cálcicos, bicarbonato sódico, y peróxido de hidrógeno (agua oxigenada).
Agentes espumantes durante la cocción
Las pastas obtenidas añadiendo agentes espumantes para que se produzca la liberación de gases durante la cocción se denominan «pastas expansivas», y el proceso para obtener estas espumas se denomina “espumación”.
La espumación se logra a las temperaturas a las que el agente espumante libera los gases de forma masiva mientras la pasta mantiene una viscosidad alta que impide que dichos gases escapen. Esto hace que la pasta expanda su volumen y de ahí viene el nombre de “pastas expansivas”.
Las cocciones de pastas expansivas deben ser rápidas y sin meseta y solo funcionan en el pequeño rango de temperaturas en las que se produce la liberación de gases con la viscosidad y la tensión superficial adecuadas. Un exceso de temperatura disminuye la viscosidad y los gases escapan, de modo que la pasta vuelve a reducir su volumen.
Durante el enfriamiento, las pastas expandidas mantienen el aire atrapado y forman sólidos porosos muy ligeros que no mantienen su forma original ya que alcanzan un grado de sinterización muy cercano a la fusión, con fase líquida abundante.
La liberación de gases por parte de los agentes espumantes depende mucho del tamaño de sus partículas, de la temperatura y de la atmósfera de la cocción. Un agente espumante muy utilizado en estos procesos es el carburo de silicio que libera CO2 en su descomposición, pero debe añadirse a la pasta en partículas muy pequeñas para que produzca el efecto deseado.
En general, cualquier compuesto que contenga carbono, azufre o nitrógeno puede utilizarse como agente espumante ya que su descomposición genera gases (CO2, SO2, SO3, NO2, NO, HCN).
De igual forma, los minerales y compuestos con alto contenido en agua, hidrógeno y/o radicales OH liberan en su descomposición H2, H2O en forma de vapor de agua y O2.
Rocas como perlita, vermiculita y pizarras (o también arlita), ricas en radicales OH, forman buenas pastas expansivas liberando vapor de agua de forma masiva.
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