No es trivial definir qué es la porcelana porque se trata de un material cerámico que no tiene una composición fija. Para empezar, habría que diferenciar las porcelanas de pasta blanda, que se emplean sobre todo con intención ornamental (figura 4.10), de las de pasta dura, que son las de interés en ingeniería. Por lo general, es un material muy poco poroso (liso), de color blanco, con cierta translucidez y que al ser golpeado produce un sonido metálico muy característico. Históricamente se ha utilizado para fabricar recipientes de gran belleza, dado que el material se presta a ser trabajado para adquirir prestancia artística. Pero actualmente se valoran más sus propiedades técnicas. Por ejemplo, sirve para fabricar prótesis dentales de gran resistencia y biocompatibilidad.
La mayoría de las porcelanas se obtienen por la cocción a altas temperaturas de un material arcilloso crudo (pasta) poco aglutinado formado básicamente por la arcilla caolín (o illita), feldespatos (que son también aluminosilicatos) y sílice (SiO2, normalmente cuarzo), pudiendo tener muchos otros componentes en bajas proporciones (en algunas formulaciones antiguas incluso se agregaban cenizas de hueso). La imagen 4.11 es un diagrama ternario que sirve para comparar distintos tipos de porcelana y otros materiales cerámicos de uso cotidiano según la proporción de los componentes que se emplean en su fabricación (arcilla-cuarzo-feldespato).
Cada uno de los componentes de la porcelana tiene una importante función en su producción. Así, la arcilla (normalmente caolinita) aporta plasticidad durante la etapa de conformado de la pieza que se quiere crear (la plasticidad es la capacidad de deformación permanente que tiene un material al ser sometido a tensiones). Los feldespatos actúan como fundentes en la fase de cocción. Un fundente sirve para bajar el punto de fusión de una materia con la que se mezcla. Tienen puntos de fusión más bajos que los otros componentes, por lo que son los primeros que se licuan al aumentar la temperatura. Al formarse un fluido, esto facilita que las estructuras de los demás sólidos de la mezcla empiecen a “desmoronarse”. Por otro lado, una vez formada la porcelana, la función de los feldespatos es servir de ligantes entre las partículas, reduciendo la porosidad final del producto. Y la sílice (normalmente arenas silíceas) tiene una función desgrasante, entendiéndose por tal en ingeniería un aditivo que evita una plasticidad excesiva y da al material mejor resistencia en crudo y durante la cocción.
En porcelanas técnicas también se añaden aditivos orgánicos o inorgánicos (disolventes, dispersantes, aglutinantes, plastificantes, lubricantes, humectantes…) para mejorar las propiedades del producto final.
La pasta se somete a sinterización, que es un procedimiento consistente en compactar a alta presión el material a una temperatura inferior al punto de fusión. Eso crea una fuerte cohesión entre los granos debido a que se produce una difusión de átomos en la superficie de contacto entre ellos. La sinterización de las porcelanas se llama de fase líquida porque a la temperatura a la que se opera (1300 a 1400 oC) está fundido uno de los componentes, el feldespato, lo que facilita la movilidad de los granos sólidos.
El material obtenido es muy denso, por lo que no tiene permeabilidad a líquidos y gases. Consiste en una fase vítrea (es decir, amorfa) en la que quedan inmersos granos de cuarzo, agujas o bloques cuboidales (figura 4.12-izqda.) de un nesosilicato llamado mullita o porcelanita que se forma en el proceso y cuya estequiometría ideal es 3Al2O3·2SiO2, así como otros minerales, dependiendo del tipo de porcelana.
El proceso químico de creación de la mullita es muy complejo, pero se podría resumir de este modo considerando que se parte de caolinita:
3 (Al2O3·2SiO2·2H2O) ⟶ (3Al2O3·2SiO2) + 4 SiO2 + 6 H2O [4.6]
La ecuación anterior recoge el conjunto de una serie de fenómenos que se inician con la transformación de la caolinita (Al2O3·2SiO2·2H2O) en metacaolinita (Al2O3·2SiO2) a 500 oC con pérdida del agua estructural de la caolinita. Es un proceso endotérmico que va acompañado de un reordenamiento de los iones de aluminio, los cuales experimentan un cambio de coordinación, desde la octaédrica que tienen en la caolinita a una principalmente tetraédrica en la metacaolinita. Después, a 900 oC, se forman sílice amorfa y un compuesto de alúmina (Al2O3) y sílice (SiO2) inestable y con estructura de espinela (que es un tipo de organización cristalina cúbica), el cual, a unos 1200 oC, se transforma en mullita. El producto contiene normalmente cristales de cuarzo que no se han transformado completamente en la cocción, además de feldespato[6].
Un tipo de porcelana es el gres (palabra de origen francés para arenisca). Existe un gres común que se usa habitualmente en vajilla, tuberías o alfarería y un gres porcelánico más adecuado para aplicaciones técnicas, con mayor grado de vitrificación, lo que le confiere menor porosidad y mayor dureza y resistencia. La composición aproximada de este gres es de un 55% a 65% de fase vítrea, 20% a 25% de cuarzo y 12% a 16% de mullita. Puede contener también cantidades variables de Na2O, K2O, MgO, CaO, Fe2O3 o ZrO2. El material absorbe muy poca agua, lo que le permite resistir las heladas. Es muy apto para fabricar baldosas.
En general, la porosidad tiene efecto negativo sobre las propiedades tecnológicas del gres porcelánico, afectando especialmente a la resistencia a la flexión y al módulo de Young, que es una medida de la elasticidad de un material o capacidad de sufrir deformaciones reversibles al ser sometido a una fuerza (a diferencia de la plasticidad, que se refiere a deformaciones irreversibles, como se apuntó más arriba). Ahora bien, no todo es una cuestión de cantidad de poros, sino también del tamaño y la forma de estos poros.
Tampoco es fácil establecer una correlación entre el contenido de fase vítrea, mullita y cuarzo y las propiedades mecánicas del gres porcelánico. Hay quienes defienden que estas son mejores si el contenido de cuarzo es alto, atribuyéndolo a que, como el cuarzo y la matriz vítrea tienen diferente coeficiente de dilatación, esto genera en el producto final esfuerzos de compresión que pueden detener la propagación de las grietas (como en los vidrios modificados químicamente; ver el apartado 4.4). Sin embargo, otros opinan que la clave de las propiedades del material está en la mullita, ya que sus finas agujas entrelazadas refuerzan la matriz y aportan resistencia a la flexión (fig. 4.12-izqda., c). Sin embargo, algunos trabajos de investigación aportan pruebas sobre desventajas de la mullita. También se ha defendido que el contenido de alúmina es importante[7]. Todo esto hace pensar que el secreto de la resistencia del gres porcelánico está en una sinergia de composición, tamaños de partículas, poros, estructuras…
Una aplicación muy importante de las porcelanas es la fabricación de prótesis dentales (carillas, puentes, coronas, incrustaciones, fundas, apliques de ortodoncia…) (fig. 4.13). Las porcelanas tienen una alta resistencia a la compresión, pero no tanto a la tracción y menos a la fractura. Por eso, en las aplicaciones dentales, se ha ido tratando de superar estos puntos débiles con más adecuadas formulaciones.
Las porcelanas también se emplean para recubrir metales y protegerlos contra la corrosión, el ataque químico, la abrasión o los arañazos, mejorando además la apariencia. Este esmalte vítreo consiste en una delgada capa cerámica depositada sobre un sustrato de metal. Se aplica a electrodomésticos, paneles informativos, bañeras, lavabos o menaje de cocina como ollas, cazos o sartenes. Además, se mantienen los usos tradicionales de la porcelana, más basados en el atractivo estético de este material (fig. 4.14).
[1] Imagen: Moon flasks. Famille rose. Qing 1723-35. Sir Percival David Collection, British Museum.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Moon_flasks._Famille_rose._Qing_1723-35._Sir_Percival_David_Collection,_British_Museum.jpg&oldid=438699584.
[2] Imagen: Transparent porcelain.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Transparent_porcelain.jpg&oldid=473658368.
[3] M. Romero y J. M. Pérez. Mater. Constr. 65 (320) (2015) e065. https://doi.org/10.3989/mc.2015.05915.
[4] Imagen: M. Romero y J. M. Pérez (op. cit.)
[5] Imagen: Varias páginas de Internet.
[6] M. Romero y J. M. Pérez (op. cit.).
[7] M. Dondi et al. Interceram – Int. Ceram. Rev. 48 (1999) 75-83.
[8] Imagen: www.pxfuel.com.
[9] Imagen: Varios sitios de Internet.
[10] Imágenes: varios sitios de Internet.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
