Usos y aplicaciones del caolín en papel, pinturas y plásticos

Caolín es el nombre comercial para las arcillas blancas que están, predominantemente compuestas por caolinita. China fue el primer país en utilizar arcillas blancas en la cerámica, aproximadamente hace 3.000 años atrás. El nombre de caolín se deriva del nombre de la montaña de donde se extraía dicho mineral, Kauling, que significa cerro elevado. El caolín define a una arcilla que consiste principalmente en caolinita pura, o un mineral relacionado con la halloysita, metahalloysita y arcillas con alto contenido de alúmina ó sílice.

La caolinita posee la siguiente fórmula química Al2O3.2Si02.2H2O. Se distingue de otras arcillas principalmente por su blandura, blancura y fácil dispersión en agua y otros líquidos. Estas características son cruciales para sus usos en la manufactura de papel y otras aplicaciones industriales de cargas minerales.

La caolinita en su forma ideal consiste en una estructura plana hexagonal. El promedio de tamaño de partículas se maneja en un rango que va de 0.1 a 100 micrones. Los caolines se caracterizan por su baja dureza o falta de abrasividad. El caolín tiene dureza entre 2 y 2,5 en la escala de Mohs. Esta blandura es importante en muchas aplicaciones al reducir la abrasión de los equipos de procesos.

Los caolines de alta calidad son caracterizados por bajos niveles de impurezas como hierro, titanio y minerales de tierras alcalinas.

Usos del caolín

La aplicación más importante del caolín se da en la industria del papel, donde éste se usa como carga o pigmento de revestimiento. Se estima que esta industria demanda cerca del 45% del total del caolín producido. Este mineral, también encuentra usos en la industria del caucho como carga, abarcando el 4% del consumo mundial; como pigmento extendedor y carga en pinturas, cuyo consumo alcanza aproximadamente al 3% del total demandado; como carga en plásticos, utilizándose en este caso, aproximadamente el 1% del tonelaje mundial consumido mundialmente; y en la industria cerámica donde cubre un extenso espectro de aplicaciones, desde la cerámica tradicional tal como cerámica blanca, productos de arcillas estructurales, refractarios y vidrios.

Aproximadamente el 54% de las ventas se refieren a caolín utilizado como carga en diversos usos.

Dentro de los usos menores del caolín se destaca la manufactura de ceolitas sintéticas (catalizadores); en la agricultura; para la elaboración de productos químicos, farmacéuticos y cosméticos.

Especificaciones Técnicas del Caolín

Especificaciones como carga de papel del caolín

Los análisis típicos de caolines de grado como carga se muestran en la tabla siguiente.

Las especificaciones para el caolín de grado de papel normalmente incluye las distribuciones de partícula y las apreciaciones de brillo, los cuales son medidos en unidades GE (principalmente USA) o en unidades ISO (generalmente 1 o 2 unidades menos que las apreciaciones de GE).

Especificaciones de caolín como carga en papel.

Especificaciones del caolín para revestimiento de papel

El contenido de mineral de papel revestidos y cartones, es más alto que en grados sin revestir, como se muestra en la tabla más abajo. El contenido total de pigmentos puede variar hasta un máximo de 28% en peso para cartones revestidos a aproximadamente 50% en el caso de algún papel libre de madera de doble revestimiento. En la mayoría de los casos, los papeles revestidos comprenden una cierta cantidad de carga en adición a los pigmentos de revestimiento. Parece improbable que los niveles de carga en papeles revestidos se incrementaran significativamente en un futuro previsto dado que esto podría tener un efecto negativo en la resistencia y procesamiento de papeles revestidos.

Especificaciones del papel revestido por caolín

En suma a los requerimientos del producto final, los pigmentos de revestimiento pueden tener propiedades reológicas aceptables para máquinas modernas de alta velocidad de revestimiento de papel. Los caolines se dispersan en agua, aún con altos contenidos de sólidos, fluyen bien y producen el espesor liso requerido en la mínima duración de tiempo. Ellos son particularmente aconsejados para papeles de alto lustre tal como revestido de peso liviano (LWC).

Especificaciones del caolín en cerámica

La industria de la cerámica emplea una extensa variedad de formulaciones: métodos de fabricación, moldeado y prácticas de quemado; por lo tanto no existe una especificación ajustada para el caolín usado en cerámica. Las especificaciones requeridas dependerán del tipo de producto y aún de la planta particular donde se hará, la variable más importante son las diferentes proporciones de caolín, otras arcillas, sílice y fundentes usados en cuerpos cerámicos. Los que manufacturan cerámica actualmente compran sus materias primas en la forma de cuerpos preparados, y la fuente de materias primas y el control de calidad y especificaciones está mayormente en manos de los procesadores.

Los caolines también mejoran la resistencia de cuerpos no quemados y afectan sus características de plasticidad y colado. Las prácticas de colado y quemado en particular en plantas de cerámicas pueden ser modificadas para tener en cuenta las características particulares de los grados disponibles de caolín y otras arcillas.

Una de las principales especificaciones de caolín cerámico concierne la presencia de minerales que puedan afectar el color de quemado del cuerpo cerámico. El principal problema es el óxido de hierro, pero un contenido significante de cobre, cromo y manganeso también es perjudicial. Si tales impurezas están presentes dentro de la red de la arcilla luego el brillo quemado es reducido, pero en la forma particular su presencia es mucho más perjudicial. Ellas producen manchas cuando el cuerpo cerámico es quemado y durante el quemado del bizcocho, el hierro y la cerámica pueden reaccionar para formar un halo alrededor de la mancha si el nivel de oxígeno en el horno cae.

Una combinación de contenido de hierro de 0.6% a 0.7% Fe 2 O 3 puede usualmente ser tolerado en caolines cerámicos pero los niveles más bajos de hierro son requeridos para minimizar la absorción suave en cuerpos de hueso chino donde la transparencia es importante. Los caolines deben contener menos de 0.5% de hierro, el titanio cataliza la reacción del hierro con los cuerpos cerámicos y debe también ser bajo su contenido, los niveles de álcalis tienen un marcado efecto sobre las características de vitrificación para alterar la porosidad de los cuerpos cerámicos. Los caolines usados en porcelana deben contener menos de 1.55 de potasio, mínimo titanio y bajos contenidos de sílice.

La presencia de ciertos minerales es también perjudicial en caolines cerámicos. Naturalmente las arcillas que hinchan tal como las montmorillonitas absorben agua en sus redes; esto afecta la viscosidad y así la velocidad de colado. Los procesos de colado pueden ser seriamente afectados por la presencia de tan solo un 1% de montmorillonita en el cuerpo.

Generalmente se prefiere caolín de partículas de fino tamaño, porque el tamaño de las partículas generalmente determina la plasticidad y la resistencia del cuerpo cerámico no quemado. La elección de la distribución del tamaño de las partículas varía, de todos modos, porque las partículas finas también reducen la velocidad de colado e incrementa la contracción durante el quemado.

Especificaciones de caolín en cerámica.

Especificaciones para el caolín en pintura

El caolín es usado principalmente como pigmento extendedor blanco, reemplazando parcialmente el dióxido de titanio en pinturas. El caolín calcinado es la principal forma de caolín usada, si bien la tendencia hacia la producción de pinturas en base a agua impulsó el uso de caolín lavado en agua. El caolín contribuye dando brillo y opacidad a la pintura y, por lo tanto, los caolines usados en pinturas deben tener buen brillo y bajos niveles de impurezas, especialmente aquellos que deben liderar la formación de constituyentes oscuramente coloreados cuando el film de pintura se encuentra sometida a la intemperie.

Otros requerimientos adicionales para caolines para pintura es que deberían deflocular fácilmente y tener bajos niveles de sales solubles. El brillo entre el 80% y el 90% es generalmente requerido y la distribución del tamaño de las partículas tiende a ser 70% a 80% menor de dos micrones. Los caolines calcinados son utilizados en pinturas porque imparten alto poder de cubrimiento en seco a la pintura y también producen un film de pintura más durable.

Tanto en Estados Unidos como en Europa Occidental se ha impulsado dentro de la industria de la pintura el uso de pinturas en base a agua en lugar de aquellas basadas en solvente, dado que no son tóxicas, son menos caras para manufactura y producen menos polución. En términos de consumo de caolín, este cambio llevó a un crecimiento de la demanda de caolín lavado en agua.

Propiedades físicas importantes de cargas minerales seleccionadas en el uso para plásticos.

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La diatomita es una roca silícica, sedimentaria de origen biogénico, compuesta por esqueletos fosilizados de las frústulas de las diatomeas.

Se forma por la acumulación sedimentaria de los esqueletos microscópicos de algas unicelulares y acuáticas. Está compuesta de esqueletos opalinos fosilizados de la diatomea; los esqueletos se componen de la sílice amorfa.

La diatomita se forma por la acumulación sedimentaria hasta formar grandes depósitos con un grosor suficiente para tener un potencial comercial.

Propiedades físicas:

• Aspecto macroscópico: Roca purulenta, fina y porosa con aspecto margoso.
• Color por lo regular blanco brillante (en el caso de alta pureza)
- Pueden estar coloreadas
- Blanco (calcinado con fundente)
- Rosa (calcinado)
- Gris (sin calcinar)
• Alta porosidad
• Volumen de muy baja densidad
• Capacidad para absorber líquidos muy alta
• Capacidad abrasiva suave
• Conductividad térmica muy baja
• Alta resistencia a la temperatura
• Punto de fusión entre 1,400° a 1,750°C
• Peso específico 2.0 (la calcinación la incrementa a 2.3)
• Área superficial 10 a 30 m2/g (la calcinación la reduce a 0.5 a 5 m2/g)
• Índice de refracción 1.4 a 1.46 (la calcinación la incrementa a 1.49)
• Dureza (Mohs) 4.5 a 5 (la calcinación la incrementa a 5.5 a 6)
• Químicamente inerte
• El porcentaje de humedad varía de acuerdo al depósito (entre 10% hasta un 60%)

PRINCIPALES USOS

Filtro-ayuda

La mayor demanda de filtro ayuda se da en la industria de la bebida en general, principalmente en la industria cervecera.

De acuerdo a su proceso de elaboración en general se ofrecen tres grupos con diferentes tamaños de partículas y aplicaciones:

Natural

Sus aplicaciones son en la industria de la cerveza, metales preciosos, vinos, separación de sólidos ultramicroscópicos, etc. Brinda mayor claridad en el líquido filtrado así como menor flujo.

Calcinados

Sus aplicaciones son en los extractos alcohólicos, cerveza, sidra, jugos de frutas en general, adhesivos, productos farmacéuticos, jarabes, tratamiento de agua, vino, levadura, antibióticos, etc.

Calcinados con fundente

Sus aplicaciones son en los aceites vegetales y grasas animales, químicos orgánicos e inorgánicos, aceite para corte de metales, solvente para limpieza en seco, colorantes y pinturas, aceites lubricantes, glucosa, lacas y barnices, jabón, maltosa, pectina, adhesivos, caseína, ésteres de celulosa, sidra, dextrina, grasas, gomas sintéticas, mosto de cerveza, etc.

Carga funcional

Sus aplicaciones son en mayor medida en la industria de la pintura y del plástico.

En la industria de la pintura la diatomita es un eficiente extendedor de pigmentos y agentes mateantes. Con su infinita variedad de formas, las diatomeas se entrelazan con la película de la pintura dándole mayor tenacidad y mejores propiedades de lijado. Sus formas microscópicas irregulares al difundir la luz permiten controlar el grado de brillo al nivel deseado.

La porosa estructura de las diatomeas reduce la tendencia a la formación de ampollas y asegura al mismo tiempo un secado más rápido debido a la mejor evaporación de los solventes.

Es materia prima importante en productos para limpieza y pulimento; en la industria del hule se utiliza en hules naturales y sintéticos para la elaboración de neumáticos, suelas, tacones, rodillos, guantes, empaquetaduras, etc.

OFERTA NACIONAL

La oferta nacional de diatomita está concentrada por el corporativo internacional ubicado en el estado de Jalisco. Su producción se dirige a la fabricación de filtro ayuda de un 60% a 70% en promedio, la producción restante es usada como carga funcional principalmente en la industria de la pintura y plástico.

ESTRUCTURA DE LA OFERTA

La principal empresa productora de diatomita genera el 99.9% de la producción nacional, con una reducida presencia (0.1%) de pequeñas beneficiadoras.

La empresa líder se localiza en el municipio de Zacoalco de Torres, Jalisco; está integrada verticalmente, es decir, comprende los procesos de explotación, beneficio (incluyendo la calcinación) y comercialización. Cuenta con los más grandes yacimientos del país; por su gran capacidad de producción puede abastecer el mercado nacional; establece su liderazgo en términos de calidad y disponibilidad de productos, presenta los precios más elevados pero cuenta con la mayor variedad de presentaciones además de brindar asistencia técnica a sus clientes. Es la única empresa que ofrece diatomita calcinada y mantiene una utilización total de su capacidad productiva. Está conformada de capital 100% extranjero y gran parte de su producción se dirige a la exportación.

Existen ejidos de diatomita que abastecen a pequeñas empresas beneficiadoras y comercializadoras de minerales, cuyos procesos se limitan a la trituración y molienda del mineral. Satisfacen una pequeña parte del mercado, sus ventas son sólo locales, carecen de mercados alternativos de exportación y adolecen de variedad de productos y marcas establecidas en el mercado.

A pesar de existir un gran número de yacimientos de diatomita en el país, son pocos los que están en explotación. En los últimos tres años los pequeños mineros han ido desapareciendo por el control del mercado por parte de la empresa líder.

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Las pinturas para tráfico son productos elaborados con pigmentos, cargas de forma diversa y granulometría fina, dispersas en la resina, que contienen además disolventes, aditivos, y a veces, alguna sustancia plastificante para proporcionar flexibilidad.

Se utilizan normalmente para la demarcación horizontal de pavimentos y para la orientación de tráfico vehicular y peatonal.

Existe amplia normatividad para definir los requisitos técnicos de las pinturas de tráfico. Por ejemplo, la resistencia al sangrado, el color, el factor de luminancia, el tiempo de secado, la estabilidad en envase, el poder cubridor, la flexibilidad y la adherencia.

Las pinturas de tráfico están formadas normalmente por:

Pigmentos:

Partículas en polvo de distinto origen, insolubles por si solos en el medio liquido de la pintura. Su función es suministrar el color y el poder cubriente a la pintura, además de contribuir a las propiedades anticorrosivas del producto y darle estabilidad frente a diferentes condiciones ambientales y agentes químicos.

La mayor parte de los pigmentos son sustancias inorgánicas que se elaboran a partir de minerales naturales o de compuestos químicos previamente sintetizados.

El tamaño de las partículas influye poderosamente en las propiedades ópticas de la pintura, y normalmente su tamaño es inferior a 1 micra.

Entre los pigmentos más utilizados se pueden nombrar algunos como los que son compuestos en base a Cromato de Plomo (se utiliza en las pinturas de color amarillo), dióxido de titanio (se utiliza en las pinturas de color blanco), y Sal de Molibdato (se utiliza en las pinturas de color anaranjado).

Cargas o Entendedores:

Materiales que generalmente son de origen natural, y que cumplen con el objetivo de extender el pigmento y contribuir con un efecto de relleno.

El material que se ocupa de origen mineral puede ser baritas, tizas, caolines, sílice, micas, talcos, etc., o material de origen sintético como creta, caolines tratados y sulfato de bario precipitado. Estas materias primas son molidas y seleccionadas atendiendo especialmente a su grado de blancura y granulometría. El tamaño varía en función del uso a que se destina como por ejemplo en pinturas el tamaño medio es de 10 micras.

Las cargas no proporcionan color ni opacidad por sí mismos aunque pueden afectar a su valor, en cambio tienen una influencia decisiva en otras propiedades como la consistencia, peso específico, espesor de la película, resistencia a la abrasión y al deslizamiento, etc.

Ligantes o aglutinantes:

Lo constituye la Resinas y el Plastificante (si es que lo hay), y que cumplen con la función de asegurar la cohesión de los pigmentos y cargas, así como la adherencia al sustrato, en general son las que le dan la calidad a la pintura. Son sustancias de origen orgánico macromoleculares, normalmente sintéticas.

Las sustancias plastificantes, sirven para mejorar la elasticidad de la pintura cuando la resina es demasiado rígida; y se deben seleccionar de acuerdo a su compatibilidad con la resina a la que plastifica.

De la calidad, composición y cantidad de ligante dependen muchas propiedades de la pintura, como el secado, aplicabilidad, adherencia, resistencia al envejecimiento y a la acción de la luz, etc. Es el constituyente fundamental, y generalmente se identifica a la pintura con el mismo nombre de la resina base que contiene.

Estas sustancias pueden ser utilizadas en forma sólida, disueltas o dispersas, en solventes orgánicos volátiles, en solución acuosa o emulsionados en agua.

Esta sustancias comprenden los aceites secantes como aceite de linaza, resinas naturales que en la actualidad se ha remplazado casi completamente por el uso de resinas sintéticas como, resinas alquídicas, resinas acrílicas, resinas fenólicas, resinas vinílicas, resinas epóxicas, resinas de caucho clorado, resinas de poliuretano y resinas de silicona.

Deben permanecer estables y químicamente inerte después de la aplicación, pero sufren una degradación progresiva, que dependerá de la naturaleza, por acción de la luz y el desgaste mecánico a que se vera sometido .

Solventes o Disolventes:

Sustancias líquidas que dan a las pinturas el estado de fluidez necesario para su aplicación, que una vez aplicado el producto se evapora.

Los solventes proporcionan la viscosidad adecuada a la pintura para hacerla aplicable.

En pinturas en emulsión el disolvente es agua y en las demás los disolventes son sustancias que provienen de la destilación del petróleo. En estos últimos, su volatilidad condiciona el tiempo de secado de la película aplicada, por lo tanto el tiempo de cierre a la circulación, que debe ser el más corto posible.

Su utilización debe ser estudiada para evitar el efecto de sangrado que se produce por el ataque a los pavimentos bituminosos cuando permanecen demasiado tiempo en contacto con ellos sin evaporarse.

La proporción del disolvente en las pinturas es un dato esencial, ya que el espesor de la película seca determina en gran medida su duración.

Aditivos:

Sustancias añadidas en pequeñas cantidades, pero cuya presencia es imprescindible para el buen comportamiento de la pintura ya que desempeñan funciones específicas, que no cumplen las materias primas anteriormente mencionadas.

Entre ellos se encuentran secativos, inhibidores de formación de piel, humectantes y dispersantes, coalescentes, espesantes y anti- sedimentantes , anti- espumantes , fungicidas y bactericidas.

Para la especificación de pintura para tráfico deben considerarse los siguientes criterios básicos:

-Tipo de superficie: asfalto u hormigón

-Tipo de tráfico

-Requerimiento de micro-esferas de vidrio

-Adherencia a la superficie y vida útil

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