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Un texte très complet sur les conditions de réalisation d'une barbotine de coulage avec une description précise des propriétés recherchées et des moyens à utiliser.
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Sur cette page : Pourquoi faire une barbotine de coulage, Conditions nécessaires, Densité, Viscosité apparente, Thixotropie, Influence de la température, Défloculants, Effets du temps, Ajouter les défloculants, Qualité de l'eau, Introduction des matières.
 

 
BARBOTINE de COULAGE

 
 
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Réaliser une barbotine de coulage :
 
Pourquoi réaliser une barbotine de coulage ?
 
Une barbotine de coulage permet de réaliser des pièces de formes complexes à partir de moules en plâtre ou en résine poreuse en plusieurs parties, ouverts ou fermés.
La prise de la barbotine sur les parois du moule nécessite que celui-ci absorbe l'eau contenue par cette pâte liquide. Un moule sera d'autant plus apte à assurer des coulées successives que la quantité d'eau absorbée sera moindre. L'épaisseur de la prise se fera en fonction du temps selon l'humidité du moule, la densité de la barbotine, les capacités filtrantes de la pâte déposée et ses propriétés rhéologiques.
 
La liquéfaction de la barbotine avec très peu d'eau s'obtient en utilisant des électrolytes (des défloculants) tels que ceux qui seront décrits dans cette page : le carbonate de sodium et le silicate de sodium. Ces produits doivent être utilisés en très petite quantité car ils contribuent à dégrader le plâtre des moules. L'augmentation de leur quantité agit également sur l'allongement du temps de prise.
 
La recherche dans la mise au point d'une barbotine de coulage visera donc à optimiser le temps de prise, avec le minimum d'eau contenue dans la pâte et un minimum d'électrolytes.
 
Pour réaliser une barbotine de coulage plusieurs conditions doivent être réunies
 
1) La pâte à partir de laquelle on prépare la barbotine doit contenir suffisamment d'argileux (matières colloïdales telles qu'argiles et kaolins). De très bons résultats sont réalisables à partir de 40% d'argileux selon les matières les plus courantes.
 
Exemple de composition de pâte :
 
Argile 35
Kaolin 15
Sable 25
Craie 20
talc 5
 
Le total des matières colloïdales est de 35 d'argile + 15 de kaolin = 50 %.
Ce chiffre supérieur à 40% peut fonctionner.
 
2) Les types de matières colloïdales utilisées doivent être compatibles avec ce procédé.
 
Aucun kaolin ne devrait poser de problème. Par contre certaines argiles du type montmorillonite ou bentonite qui sont très fines et lient de grandes quantités d'eau créeront des difficultés. Leur emploi dans une barbotine de coulage rendra parfois cette opération impossible si une trop grande quantité est utilisée. En règle générale on tolère entre 3 et 5% de ce type de minéral dans une pâte destinée au coulage. Au-delà la réalisation de la barbotine nécessiterait une trop grande quantité d'eau pour que le principe même du coulage garde un quelconque intérêt.
 
Caractéristiques d'une barbotine de coulage
 
Trois caractéristiques principales vont définir une barbotine de coulage :
 
_ La densité
_ La viscosité apparente
_ La thixotropie
 
1) La densité
 
La densité montre la teneur en minéraux de la barbotine et la quantité d'eau de mise en oeuvre.
Plus la densité sera élevée et moins la barbotine contiendra d'eau, ce qui permettra de ne pas saturer trop rapidement les moules de travail. En règle générale on recherche une valeur la plus élevée possible en compromis avec les autres caractéristiques.
 
Quelques valeurs courantes :
 
Porcelaine 1.720 à 1.750
Faïence calcaire 1.750 à 1.780
Faïence feldspathique 1.800 à 1.820
Poterie chamottée 1.820 à 1.860
Réfractaire 1.950 à 2.050
 
La densité exprimée ici est le rapport du poids d'un litre de barbotine comparé à celui d'un litre d'eau.
 
Quantité d'eau utilisée :
 
Elle doit être la plus faible possible pour donner de bons compromis entre la saturation des moules, la densité, la viscosité et la thixotropie.
Par exemple pour une faïence, 18 à 20 % d'eau seront suffisants dans une barbotine pour qu'elle soit à une densité de 1.800 à 1.810. Cela représente environ 36 à 38 g d'eau pour 100 g de matières sèches.
Pour une porcelaine de densité 1.750, l'eau pourra atteindre 40 à 42 g pour 100g de matières sèches.
Pour des matières premières humides, il faudra tenir compte de l'eau contenue dans le calcul de la composition.
 
 
2) La viscosité apparente
 
La viscosité caractérise l'écoulement de la barbotine. Celle-ci doit permettre une fluidité suffisante de la barbotine pour assurer un remplissage correct des moules et de leurs détails sans prendre trop de temps.
 
Mesure :
 
Dans l'industrie de la céramique on l'évalue le plus souvent à partir de l'appareil de Gallenkamp, c'est un viscosimètre à fil de torsion. Un cylindre en métal monté sur le fil qui a subi une torsion de 360° est immergé dans la barbotine, la torsion est relâchée et le cylindre exécute une rotation qui l'amène à dépasser le point zéro du fil au repos. Le dépassement angulaire observé exprimé en degrés traduit la viscosité (force de frottement, tension de cisaillement).
Cet appareil permet d'établir des contrôles par comparaisons des valeurs angulaires à condition qu'elles soient toujours effectuées dans les même conditions avec une barbotine subissant les mêmes conditions de préparation.
Une autre méthode, plus pratique consiste à utiliser une coupelle d'écoulement. On peut en réaliser une soi-même en partant d'un récipient cylindrique à fond plat ou légèrement conique percé en son centre d'un trou de 5 à 6 mm. Par exemple une boîte métallique d'une hauteur d'environ 70 mm avec un diamètre de 50 à 60 mm. La mesure sera basée sur le temps d'écoulement nécessaire à vider ce récipient préalablement rempli à ras bord. Cette mesure sera propre à ce système. Cela vous permettra de comparer entre eux des résultats obtenus dans ces conditions, il faudra donc procéder par expérience. Si l'écoulement ne se produit pas ou bien s’arrête en cours de mesure, cela voudra dire que vos conditions de viscosité sont trop élevées.
 
Une mesure de viscosité apparente sur une barbotine doit toujours être effectuée immédiatement après une période d'agitation dans des conditions de force et de durée identiques.
Nous avons employé le terme de viscosité apparente, car dès que l'agitation cesse, la barbotine se modifie pour devenir plus "rigide", plus épaisse.
 
3) La thixotropie
 
Ce mot compliqué désigne le comportement pseudo plastique d'une barbotine. C'est à dire l'aptitude qu'a une barbotine à se figer lorsque on la laisse au repos. Cette caractéristique est très importante car elle définit en grande partie la qualité du coulage.
La thixotropie peut être évaluée avec les mêmes instruments utilisés pour la viscosité apparente. Sauf que cette fois la mesure ne sera pas effectuée au même moment, un temps de repos sera donné pour permettre d'évaluer l'état de gel.
Pour l'appareil de gallenkamp on se donne en général, 5 minutes, immédiatement après avoir mesuré la viscosité apparente et remis le fil de torsion en position de départ.
 
On travaille en général une barbotine avec un rapport d'angle différentiel de 5 à 7 %.
Par exemple si la viscosité donne 290° et la thixotropie 275° le rapport sera (290-275) / 275 = 5.45 %
 
Pour une coupelle d'écoulement le temps peut être allongé jusqu'à 5 à 10 minutes. On choisira le temps qui convient le mieux aux conditions de travail de la barbotine. Le temps est exprimé en secondes. L'expression de la thixotropie dans un système donné sera rapport entre temps d'écoulement à l'instant t0 (valeur de viscosité apparente) et le temps d’écoulement pour un temps de repos tx.
Par exemple avec mesures à t0 = 70 s et t10 = 90 s (pour un temps de repos de x = 10 minutes) le rapport sera de 90 / 70 = 1.28
 
  
 
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Pourquoi mesurer la thixotropie ?
 
Plusieurs enseignements sont recueillis dans cette mesure.
 
La qualité du travail : Si vous devez couler dans des moules "à ciel ouvert" avec en fin de prise la nécessité de vider le moule de la barbotine en excès vous apprécierez, lors du vidage, que la barbotine s'écoule avec suffisamment de fluidité sans être épaisse comme du "yaourt". Vous apprécierez aussi d'avoir un état de surface à l'intérieur de la pièce le plus lisse possible (du côté vidé) sans nervures et surcharges irrégulières. Cela vous demandera moins de temps pour effectuer la finition de la pièce dans ces conditions.
 
Le temps de prise : Si la thixotropie est insuffisante, le temps de prise sera très long et la couche obtenue sera dure et cassante. Lorsque la thixotropie est faible, les fines particules provenant des argiles qui sont les plus mobiles ne sont plus ralenties par l'effet de gel de la barbotine. Il se produit ainsi une fine couche de ces particules qui colmate rapidement la surface du moule. Le temps de prise devient de plus en plus long, les propriétés filtrantes de la couche déposée diminuant fortement.
Il faudra donc une certaine dose de thixotropie pour assurer une prise optimale sans nuire au vidage des moules et à l'aspect de surface.
 
Le réglage des paramètres de viscosité et de thixotropie demande une grande précision dans la méthode de travail (dosage, mesures, conditions).
 
Influence de la température :
 
Lorsque vous délayez des matières pour préparer une barbotine, l'agitation crée rapidement un échauffement dû à la faible quantité d'eau utilisée.
Les mesures effectuées sur une barbotine trop chaude peuvent être faussées. Par exemple il peut se former une peau en la surface qui freinera le module de mesure pour un appareil de gallenkamp ou bien empêchera l'écoulement dans le cas d'une coupelle.
Lorsque la température de mesure est plus élevée que la température de travail de la barbotine il faudra savoir interpréter les résultats pour situer le comportement de la barbotine après refroidissement.
En général, les valeurs de viscosité recueillies jusqu'à 35-40°C augmentent en refroidissant. Ainsi un angle de viscosité de 300° à 35°C équivaudra à un angle proche de 280° à la température de 20°C. De même avec une coupelle le temps d'écoulement s'allongera après refroidissement.
Moins il y aura d'électrolytes (sels défloculants) dans la barbotine et plus l'effet de la température se fera ressentir, et ce sera encore mieux si la densité est élevée.
Pour cette raison, les industriels qui travaillent en coulage sous haute pression (40 bars) utilisent le plus souvent des barbotines denses pas ou peu défloculées et réchauffées à 35°C environ. Ils obtiennent dans ces conditions une fluidité et une prise maximale de la barbotine.
 
Les électrolytes défloculants :
 
Ce sont généralement des sels de sodium utilisés pour assurer le pH du milieu aqueux de la barbotine.
La fluidité optimale d'une barbotine se situe entre pH 9 et pH 10, elle commence à se manifester vers pH 7.
 
Cas du silicate de sodium (Na2SiO3) et du carbonate de sodium (Na2CO3) :
 
Ces deux défloculants sont utilisés depuis très longtemps pour régler les barbotines. Certains leur préfèrent des poly électrolytes synthétiques utilisés seuls, mais pour celui qui veut régler ses paramètres de coulage sur mesure ces produits offrent vraiment beaucoup de possibilités.
 
Le carbonate de sodium se présente sous forme d'une poudre blanche, de poids moléculaire 105,99 g. Il est peu soluble dans l'eau froide. Pour l'introduire dans une composition de barbotine il faudra donc le dissoudre dans de l'eau chaude (50-60°C). Ce sel à une action défloculante très lente par contre il permet d'agir sur la thixotropie en donnant une certaine rigidité à la suspension au repos. Le carbonate sera donc utilisé en petites quantités (0,04 à 0,10 % de la masse sèche à défloculer) pour régler la thixotropie de la barbotine. On l'introduira entièrement dès le départ de la préparation en l'ajoutant dissout dans l'eau de délayage avant d'y mettre les matières.
 
Le silicate de sodium se présente à l'état liquide, il est translucide et incolore. Sa densité est souvent exprimée en degrés Baumé, malgré le décret du 3 mai 1961 qui en interdit l'usage. La qualité la plus courante est la densité 37-38 °Baumé qui correspond à une densité de 1.3448 à 1.3574 par rapport à l'eau.
L'action du silicate est très rapide, elle fluidifie la barbotine et son effet persiste assez longtemps de sorte que la thixotropie se manifeste peu avec cet électrolyte utilisé seul. Les quantités utilisées sont inférieures à 1% de la masse sèche, plus généralement comprises vers 0,20 à 0,60 %. Lorsque l'on connaît approximativement la dose nécessaire pour défloculer une pâte, on introduit 50 à 75 % du silicate dans l'eau de délayage avec tout le carbonate. Le reste du silicate sera ajouté par petites doses entre les contrôles de densité et de viscosité au moment de la mise au point.
 
L'effet du temps
 
On observe souvent qu'une barbotine préparée la veille à évolué lorsque on fait de nouvelles mesures le lendemain et ce malgré le maintien d'une agitation permanente. Cela peut-être dû à l'effet de la température au moment du délayage, mais aussi au fait que les particules d'argile et de kaolin, sortes d'empilages lamellaires, se sont "ouvertes" à retardement et ont réduit l'action des électrolytes. Le temps de délayage doit donc prendre en compte la phase de préparation immédiate et celle qui suit jusqu'à une stabilisation des propriétés pseudo plastiques de la barbotine. Cette période de stabilisation prend de quelques heures à un ou deux jours. Elle peut varier selon l'état d'humidité des matières premières au moment de la préparation.
La préparation à partir d'argileux secs est la plus efficace, les particules éclatent sous l'effet de l'hydratation et l'eau additionnée d'électrolytes est plus rapidement en contact avec les feuillets argileux.
 
Ajouts de défloculants
 
Des ajouts de défloculants ne peuvent être faits correctement qu'avec une puissance de délayage importante, de manière à les disperser très rapidement. Il est préférable de les diluer un peu pour atténuer leur effet brutal sur la barbotine lors de leur introduction.
Pour cela, il est formellement déconseillé d'ajouter des défloculants dans les cuves de travail qui ne disposent généralement que d'un système d'agitation lente. L'électrolyte aurait une action ponctuelle si violente qu'elle conduirait à une floculation (pH trop élevé) produisant des amas isolés de barbotine très compacte impossibles à mélanger avec le reste de la masse.
Le seul ajout qui peu être tenté dans ces conditions est l'ajout d'un peu d'eau afin de corriger les pertes par évaporation ou l'épaississement dû au recyclage de la barbotine provenant du vidage des moules.
 
Qualité de l'eau
 
Plus une eau sera dure, plus il faudra d'électrolyte pour obtenir un résultat d'écoulement (viscosité apparente) identique à celui obtenu avec une eau douce dans les mêmes proportions.
La dureté traduit la quantité de carbonates de calcium et de magnésium dissoute contenue dans l'eau.
Dans les cas extrêmes de dureté, la quantité d'électrolyte doit parfois être majorée de 10% à 20% par rapport à celle nécessaire avec une eau très douce.
 
Ordre d'introduction des matières
 
Il est préférable d'introduire en premier les argiles, puis les kaolins et enfin les matières dégraissantes (sables, craie, etc.).
Ainsi les électrolytes entrent en contact avec les matières qui réagissent avec eux en premier, ce qui permet de mieux contrôler l'opération de délayage.
 
 
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