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

1.

INTRODUCCIÓN

Fuente: ASCER

1.1. Situación actual del sector cerámico español

“ 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

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.

MATERIALES VITROCERÁMICOS: ¡Una propuesta para incorporar mayor cantidad de residuos!

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”

3.

CONCLUSIONES

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)

Muchas

gracias!

Preguntas?

∙ carda@uji.es