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Materiales vitrocerámicos de altas prestaciones a
partir del concepto de economía circular
J. B. Carda, E. Barrachina, D. Fraga, I.Calvet, J.Llop*, M.D. Notari*
Grupo de Investigación Química del Estado Sólido
Cátedra de Innovación Cerámica “Ciutat de Vila-real”.
Universitat Jaume I de Castellón /Escola Superior de Cerámica de l’Alcora
Indice 1. INTRODUCCIÓN
1. Situación actual del sector cerámico español
2. Economía Circular
3. Industria 4.0
4. Evolución tecnológica del sector cerámico español
2. MATERIALES VITROCERÁMICOS
1. Definición y aplicaciones
2. Proceso de vitrificación
3. Procesos de cristalización: la sinter-cristalización
4. Obtención de laminados vitrocerámicos
5. Funcionalización de los laminados vitrocerámicos: SMART COATINGS
3. CONCLUSIONES
“ LA CRISIS NOS HA HECHO FUERTES.
EL PROGRESO ES UNA NECESIDAD.
NUEVAS TENDENCIAS PRODUCTIVAS: GESTION RECURSOS DE MANERA EFICIENTE
REDUCCIÓN CONSUMOS (MATERIAS PRIMAS; ENERGÍA)
AUTOMATIZACIÓN DE LOS SISTEMAS PRODUCTIVOS
FUNCIONALIZACIÓN DEL PRODUCTO FINAL
5
La idea es que el actual flujo lineal de los materiales
(recursos-producto-residuos) necesita ser transformado en un
flujo circular (recurso-producto-recursos reciclado). (Pearce y
Turner, Economía y medio ambiente, UK, 1990)
ECO-CONCEPCIÓN
ECOLOGÍA INDUSTRIAL Y TERRITORIAL
ECONOMÍA DE LA “FUNCIONALIDAD”
2º USO/REUTILIZACIÓN/REPARACIÓN
RECICLAJE
VALORIZACIÓN
ECO-CONCEPCIÓN: impactos medioambientales a lo largo del ciclo de vida de un producto y los integra
desde su concepción.
ECOLOGÍA INDUSTRIAL Y TERRITORIAL: gestión optimizada de los stocks y de los flujos de materiales,
energía y servicios.
ECONOMÍA DE LA “FUNCIONALIDAD”: privilegiar el uso frente a la posesión, la venta de un servicio
frente a un bien.
2º USO: reintroducir en el circuito económico aquellos productos que ya no se corresponden a las
necesidades iniciales de los consumidores.
REUTILIZACIÓN: reutilizar ciertos residuos o ciertas partes de los mismos, que todavía pueden funcionar
para la elaboración de nuevos productos.
REPARACIÓN:: encontrar una segunda vida a los productos estropeados.
RECICLAJE: aprovechar los materiales que se encuentran en los residuos.
VALORIZACIÓN:: aprovechar energéticamente los residuos que no se pueden reciclar.
1.2. Economía Circular
1.3. Industria 4.0
INDUSTRIA 1.0
Mecanización
Primeras
máquinas de
vapor
INDUSTRIA 2.0
Producción en
cadena
Producción en
masa
Energía eléctrica
INDUSTRIA 3.0
Automatización mediante
sistemas
electrónicos y
tecnologías de la
información
INDUSTRIA 4.0
Automatización
mediante la
informatización y
digitalización de
todos los
procesos
Internet of things
4ª
Revolución
Industrial
1.4. Evolución tecnológica del sector cerámico español
INCORPORACIÓN DE RESIDUOS
DERIVADOS DE LA FABRICACIÓN
CERÁMICA:
Aguas residuales procedentes de limpieza
plantas industriales
Testillo crudo procedente de baldosas
defectuosas
Fritas/esmaltes/engobes/pigmentos procedentes
de partidas defectuosas.
INCORPORACIÓN DE TESTILLO COCIDO Y
DE VIDRIO RECICLADO EN
Pastas cerámicas
Fritas
Engobes
Esmaltes
<10% en peso
Bajo porcentaje de
residuos en
formulación
2.1. Definición y aplicaciones del material vitrocerámico
VITROCERÁMICO: Sólidos inorgánicos policristalinos producidos a partir de la cristalización controlada
de un vidrio precursor (S.D. Stookey, 1959).
Microestructura característica: una o más fases cristalinas desvitrificadas desde la fase vítrea residual, en
cuyo interior se encuentran pequeños cristales orientados al azar, libres de huecos y de microfracturas
Micrografía de MEB
VIDRIO
Micrografía de MEB
VITROCERÁMICO
Micrografía de MEB
CERAMICO
2.1. Definición y aplicaciones del material vitrocerámico
Placas de cocina: Bajo CTE
Espejos en telescopios
Semitransparente
Nulo CTE
Homogeneidad
CTE: coeficiente de expansión térmica
Vitrocerámica mecanizable
Posibilidad de uniones con
metales y vidrios de sellado
Paneles de construcción:
Alta resistencia mecánica
Mantenimiento muy bajo
Vitrocerámica de CANASITA
Ca5Na4K2Si12O30(OH,F)4
Resistencia mecánica muy elevada
Uso en aplicaciones dentales
2.2. El proceso de vitrificación: obtención del vidrio precursor del material vitrocerámico
Cenizas volantes de central térmica Vidrio reciclado Testillo cocido (chamota)
RESIDUOS/
%PESO FRX Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 K2O CaO TiO2 Fe2O3 MnO PPC
VIDRIO 12,59 3,75 0,85 73,16 0,01 0,30 8,94 0,05 0,10 0,00 0,10
CENIZAS 0,00 1,13 23,85 43,19 0,31 1,13 5,22 0,72 23,85 0,10 0,20
CHAMOTA 3.79 0.73 20.13 67.80 0.00 0.10 2.29 3.97 0.01 0.00 1.47
VITRIFICACION DE RESIDUOS INDUSTRIALES PARA SU HOMOGENEIZACIÓN
2.2. El proceso de vitrificación: obtención del vidrio precursor del material vitrocerámico
Facilita la homogeneización de
materiales de partida (residuos
heterogéneos, incluso metales
tóxicos y pesados) y la
constancia de la composición
química final
Modula las propiedades del
producto final para garantizar la
revalorización del residuo
RUTA DE SINTER-CRISTALIZACIÓN
1. FUSIÓN:
VITRIFICACIÓN Y
HOMOGENEIZACIÓN
DE RESIDUOS
2. ENFRIAMIENTO
RÁPIDO, SECADO,
MICRONIZACIÓN
FRITA OBTENIDA
3. PRENSADO/LAMINADO
4. DECORACIÓN
5. COCCIÓN T<1000ºC
SINTERIZACIÓN + CRISTALIZACIÓN
Micrografía del MEB de fases cristalinas
tras la cocción a 900ºC
2.3. El proceso de cristalización: la sinter-cristalización
ESTABLE
VITROCERÁMICO
METAESTABLE
VIDRIO
En
erg
ía lib
re d
e G
ibb
s
VIDRIO →→→→→→ VITROCERÁMICO
Estabilidad termodinámica
FUSIÓN
SINTER-CRISTALIZACIÓN
MOLIENDA Y
CONFORMADO Te
mp
era
tura
Tiempo
2.4. Obtención de laminados vitrocerámicos
% peso Na2O MgO Al2O3 SiO2 K2O CaO TiO2 Fe2O3 PPC
Frita 6.83 2.10 17.05 52.75 0.78 12.34 0.36 7.69 0.05
Realización del Diagrama TTT
Fases cristalinas obtenidas:
A - Sodium Anorthite Ca0.66Na0.34Al1.66Si2.34O8 H - Hedenbergite Fe1.3Ca0.7(Si2O6)
FRX
COMPOSICIÓN FRITA: 50% VIDRIO RECICLADO + 40% CENIZAS VOLANTES + 10% CaCO3
2.4. Obtención de laminados vitrocerámicos
RESIDUOS PROCEDENTES DE VIDRIO RECICLADO Y CENIZAS VOLANTES DE CENTRAL TERMICA
Difractogramas de
soportes vitrocerámicos Micrografía de MEB de soporte
vitrocerámico
2.4. Obtención de laminados vitrocerámicos
RESIDUOS PROCEDENTES DE VIDRIO RECICLADO Y CENIZAS VOLANTES DE CENTRAL TERMICA
Variación de la densidad aparente y de la resistencia a la flexión con el tratamiento térmico
2.4. Obtención de laminados vitrocerámicos
RESIDUOS PROCEDENTES DE VIDRIO RECICLADO Y CENIZAS VOLANTES DE CENTRAL TERMICA
Diagrama de gresificación
Valores medios para
PORCELANICO en cocido a
1200ºC
Contracción lineal : 7%
Absorción de agua< 1%
2.5. Funcionalización de los laminados vitrocerámicos
DISEÑO DE LAMINADOS VITROCERÁMICOS
A PARTIR DE RESIDUOS INDUSTRIALES
Encimera de cocina
(vitrocerámicos ricos de compuestos de hierro)
2.5. Funcionalización de los laminados vitrocerámicos
SMART COATINGS:
Superficies inteligentes
Vidrios conductores
Tecnología de telefonía móvil actual.
Propiedades magnéticas
Propiedades eléctricas
Propiedades térmicas
Propiedades mecánicas
...
SMART COATINGS SOBRE VIDRIOS
2.5. Funcionalización de los laminados vitrocerámicos: SMART COATINGS
Transparencia 20. Se
trataría de poner ejemplos
de Smart Coatings
(Superfices inteligentes), a
través de la
funcionalización de los
sustratos vitrocerámicos:
relacionar con el ejemplo
de los vidrios conductores
que han podido desarrollar
toda la tecnología de
telefonía móvil actual.
-Ejemplo de propiedades
eléctricas y magnéticas:
bancadas para cocinas de
inducción a través del
soporte vitrocerámico con
Fe; Cerámicas domóticas,
a través de la aplicación
de esmaltes
semiconductores de
SnO2-Sb2O3 (capaces de
generar una señal
eléctrica y poder gobernar
las funciones eléctricas de
una vivienda;
-Ejemplo de materiales
capaces de ser
bactericidas, “air cleaning”,
para eliminar NOx de la
atmósfera.
-Ejemplo de los
fotovoltaicos y su
integración arquitectónica,
etc.
Cerámicas domóticas, a través de la aplicación de
esmaltes semiconductores de SnO2-Sb2O3
(capaces de generar una señal eléctrica y poder
gobernar las funciones de una vivienda)
Propiedades eléctricas y magnéticas:
Bancadas para cocinas de inducción
a través del soporte vitrocerámico con Fe
2.5. Funcionalización de los laminados vitrocerámicos: SMART COATINGS
Transparencia 20. Se
trataría de poner ejemplos
de Smart Coatings
(Superfices inteligentes), a
través de la
funcionalización de los
sustratos vitrocerámicos:
relacionar con el ejemplo
de los vidrios conductores
que han podido desarrollar
toda la tecnología de
telefonía móvil actual.
-Ejemplo de propiedades
eléctricas y magnéticas:
bancadas para cocinas de
inducción a través del
soporte vitrocerámico con
Fe; Cerámicas domóticas,
a través de la aplicación
de esmaltes
semiconductores de
SnO2-Sb2O3 (capaces de
generar una señal
eléctrica y poder gobernar
las funciones eléctricas de
una vivienda;
-Ejemplo de materiales
capaces de ser
bactericidas, “air cleaning”,
para eliminar NOx de la
atmósfera.
-Ejemplo de los
fotovoltaicos y su
integración arquitectónica,
etc.
Cerámicas bactericidas, “air cleaning”, para eliminar NOx de la atmósfera.
2.5. Funcionalización de los laminados vitrocerámicos: SMART COATINGS
APLICACIONES FOTOVOLTAICAS
Micrografía de la sección de un vitrocerámico fotovoltaico Laminados vitrocerámicos fotovoltaicos para su
integración arquitectónica (BIPV)
2. TECNOLOGÍA CIGS Y CZTS
Componentes dispositivo fotovoltaico: Absorbedor Estructura tetragonal derivada del
diamante
2. TECNOLOGÍA CIGS Y CZTS
Fabricación del dispositivo por etapas
Cerámica
Mo Mo
Mo
CdS
Mo
CdS
i-ZnO/ ITO
Absorbedor
Cerámica Cerámica
Cerámica Cerámica
Absorbedor
2. TECNOLOGÍA CIGS Y CZTS
e-
Contacto superior
Buffer
Absorbedor
Contacto inferior
hν
Cuerpo cerámico
Sustrato
Esmalte
Mo
CZTSSe/ CIGS
CdS
i-ZnO/ ITO
Engobe
Esquema del dispositivo solar fotovoltaico de
CZTS y CIGS sobre sustrato cerámico
5. EJEMPLOS DE APLICACIONES DE CIGS BIPV
Fuente: www.manz.com
“Office building, Germany” “Erfur University, Germany”
“Efficiency house plus, Berlin Germany” “Office building, Kunming, China”
CONCLUSIONES
EL SECTOR CERÁMICO ESPAÑOL ES UN SECTOR MUY ACTIVO QUE AVANZA HACIA LOS
NUEVOS CONCEPTOS DE ECONOMÍA CIRCULAR Y DE INDUSTRIA 4.0.
DESDE LA PERSPECTIVA DE ECONOMÍA CIRCULAR, SE PROPONE LA FABRICACIÓN DE
SOPORTES VITROCERÁMICOS ECOLÓGICOS A PARTIR DE RESIDUOS CON ALTAS
PRESTACIONES Y FUNCIONALIDADES: Bancadas de cocina integradas; Vitrocerámicas domóticas,
bactericidas, fotovoltaicas, etc.
ESTAS COMPOSICIONES VITROCERÁMICAS PUEDEN INCORPORAR ENTRE EL 90 Y EL 100% DE
RESIDUOS.
AGRADECIMIENTOS
MINISTERIO DE ECONOMÍA Y COMPETITIVIDAD
• Retos Investigación: SUNBEAM
Retos Colaboración: ECOART
PROYECTO STARTUJI: SUNCERAM
Escola Superior de
Ceràmica L´Alcora SCIC (UJI)
Unidad Asociada Instituto de
Ciencia de los Materiales de
Aragón-CSIC (Zaragoza)