Estudio de la reflectancia total atenuada en IR para la caracterización del esmalte en la cerámica tipo talavera Tlaxcalteca

Transcripción

1 Estudio de la reflectancia total atenuada en IR para la caracterización del esmalte en la cerámica tipo talavera Tlaxcalteca ESCUELA, CENTRO O UNIDAD: CIBA Tlaxcala CLAVE DEL PROYECTO: Resumen. Se analizó la capa vítrea o esmalte de la superficie de piezas de cerámica Talavera de Tlaxcala, México utilizando espectroscopia Raman infrarrojo y de dispersión de rayos-x (EDX). La técnica EDX fue utilizada para estimar la composición atómica que constituye la capa vítrea, la cual esta basada principalmente en los elementos O, Na, Al, Si, K, Ca, Zr, Pb y Sn que forman principalmente los compuestos SiO 2, KAlSi 3 O 8, ZrSiO 4 y SnO 2. Los resultados Raman muestran bandas asociadas a la presencia de estos compuestos minerales, sobre todo para el caso de ZrSiO 4 y SnO 2, los cuales debido a la mayor intensidad de sus bandas Raman asociadas se sugiere un régimen de cristalinidad mayor con respecto a los restantes compuestos minerales presentes en la superficie vítrea, la espectroscopia IR se empleo para complementar los resultados obtenidos en Raman. De esta manera la espectroscopia Raman puede ser usada como una herramienta útil para caracterizar de manera cualitativa y cuantitativa los principales componentes minerales que constituyen la capa vítrea de la cerámica Talavera tlaxcalteca. Palabras clave: Espectroscopia Raman, cerámica tradicional, silicatos. 2.-Introducción. La industria de la cerámica, en la región Puebla-Tlaxcala, es una de las más antiguas, más importantes y que proporcionan la mayor identidad a la región. Por esto es de vital importancia que por medio de la investigación aplicada, se le apoye a este sector de la economía, para impulsar aun más su desarrollo tanto a nivel nacional como internacional, y para ayudar a los productores a obtener mayores ganancias. Al poder identificar las características de los materiales que componen el producto, se puede tener un proceso totalmente normalizado, lo cual ayude a los productores a tener un control de la calidad de su producto. En la actualidad no ocurre así, ya que cada taller utiliza materiales diferentes y cada lote de producción puede llevar diferente composición o mezclas. Este proyecto es la continuación del trabajo realizado en el 2004, apoyado por el proyecto CGPI Nuestros resultados anteriores muestran que la reflectancia en el UV y en el visible solamente dan información de la cantidad de luz absorbida en la superficie del material. Al realizar experimentos en el infrarrojo sé puede observar también la estructura molecular del material. Talavera es un tipo de cerámica mayólica elaborada con minerales provenientes de lugares con denominación de origen y que presenta un acabado vidrioso. Aunque los españoles introdujeron este tipo de arte, el término Talavera es mas comúnmente usado en México que en la provincia de Talavera de la Reina España, de donde es originaria. Recientemente la región de Tlaxcala, México fue incorporada a la región comprendida dentro de la Denominación de Origen [1]. Los objetos cerámicos elaborados en esta región se caracterizan por el brillo y colorido como consecuencia de la capa de esmalte hecha a partir de Pb y Sn depositada en la superficie de las piezas de barro. Debido a la abundancia de arcillas de gran calidad así como del desarrollo de este tipo de artesanía, se ha llegado al esplendor artístico alcanzado niveles de calidad y belleza que permiten su exportación al resto del mundo. Por otra parte los requerimientos internacionales de calidad para la exportación de ésta

2 cerámica hacen necesario analizar la composición mineral de la superficie vítrea de los objetos elaborados, para el monitoreo y control del nivel de contenido de los principales componentes que constituyen la capa vítrea o esmalte. En este aspecto radica entonces la importancia de aplicar técnicas analíticas y no destructivas como la espectroscopia Raman e infrarrojo en esta clase de objetos cerámicos elaborados manualmente por artesanos. La espectroscopia ha mostrado su utilidad en la conservación y validación de piezas de gran valor artístico. En este trabajo se estudia la capa vítrea o esmalte depositado en la superficie de objetos cerámicos de Talavera usando espectroscopia Raman e infrarroja así como de dispersión de rayos-x (EDX). El objetivo de este trabajo es investigar la naturaleza composicional de las distintas especies minerales que constituyen la capa vítrea, así como la manera como esta información puede ser asociada a la respuesta vibracional de los compuestos presentes en esta capa. Todas las piezas analizadas fueron elaboradas por los artesanos de San Pablo del Monte, Tlaxcala, México. 3.-Métodos Experimentales. Descripción de Actividades Realizadas a. Detalles experimentales La capa vítrea se obtiene normalmente horneando las piezas de barro con una capa de esmalte depositado en su superficie. Dicho esmalte es una mezcla líquida formada por agua, plomo y silica, aunque también contiene otros componentes como estaño, alumina, feldespatos, etc. La temperatura de horneado es alrededor de 850 o C. De entre un grupo numeroso de piezas de Talavera se identificaron principalmente dos tipos de esmaltes con tonalidad y brillo diferente. Estos tipos de esmaltes fueron denominados como tipo 1 y tipo 2. De esta manera fueron colectados diversos tipos de objetos como platos y vasos para posteriormente ser quebrados con la finalidad de obtener fragmentos pequeños lo mas plano posible para ser analizados mediante la técnica EDX, se utiliza la espectroscopia Raman e infrarroja, con la finalidad de poder obtener resultados que validen los de EDX para que en un futuro el análisis se pueda realizar en situ. Se realizaron las mediciones EDX sobre la capa vítrea de los fragmentos de cerámica de acuerdo a los dos tipos de esmaltes utilizados, para conocer la composición mineral, así como el porcentaje atómico y en peso de cada tipo de átomo presente en las muestras. Se utilizó un sistema de microanálisis JEOL. Las mediciones Raman se realizaron también sobre la capa vítrea usando un láser de argón de nm como fuente de excitación. Se utilizó un microscopio metalográfico para enfocar el láser sobre la muestra. La radiación dispersada se hizo pasar por un filtro de corte para eliminar la componente elástica de la luz, mientras que la componente inelástica se introdujo a un espectrómetro Raman. La dispersión inelástica fue colectada con un detector CCD enfriado a - 133º C con nitrógeno líquido. Finalmente la señal fue registrada y enviada a una PC para obtener el espectro Raman. La espectroscopia de infrarrojo se realizó utilizando un espectrómetro FT-IR Vertex 70 de Brucker. 4. Resultados y discusión La Figura 1 muestra una micrografía óptica de la sección transversal de un fragmento de cerámica Talavera estudiada en este trabajo. Se puede observar la capa vítrea de esmalte sobre el objeto de barro después de haber sido horneado. En este caso la capa tiene un espesor aproximado de 630 µm.

3 Figura 1. Micrografía óptica de un corte transversal de la superficie vítrea de una pieza de Talavera Las figuras 2 y 3 muestran los espectros típicos de dispersión de rayos-x correspondientes a los 2 tipos de muestras estudiadas en este trabajo. En ambos casos es notable la presencia de intensas bandas de energía asociadas a oxigeno y silicio. En la capa vítrea tipo 1 se detecta la presencia de zirconio, plomo, calcio, potasio, sodio y aluminio, mientras que en la capa vítrea tipo 2 se detecta estaño, plomo, potasio, sodio y aluminio. Figura 2. Espectro EDX de la capa de esmalte tipo 1 Figura 3. Espectro EDX de la capa de esmalte tipo 2 La Tabla 1 muestra los resultados EDX correspondientes a los espectros de las figuras 2 y 3, donde se enlistan los contenidos medidos en porcentaje y peso atómico de los elementos mostrados en las figuras 2 y 3. La figura 4 muestra los espectros de dispersión Raman de los dos tipos de esmaltes. El espectro de la muestra tipo 1 esta dominado principalmente por cuatro bandas intensas en 359, 443, 978 y 1011 cm -1. Estas bandas están asociadas a la presencia de zircón (ZrSiO 4 ). Para efectos de comparación, en la misma figura se muestra un espectro de zircón obtenido de la referencia [3]. Por otro lado el espectro Raman de la muestra tipo 2 presenta una banda intensa en 632 cm -1 y también algunas otras con intensidad menor en 440, 473 y 775 cm -1. Estas bandas están asociadas a la presencia de casiterita (SnO 2 ). Se muestra en la misma figura un espectro de casiterita de la referencia [3, 6]. La observación de bandas intensas asociadas a ZrSiO 4 y SnO 2 en los espectros Raman, sugieren un régimen de cristalinidad mayor de estos compuestos con respecto al resto de los constituyentes de la capa vítrea. Sin embargo no toda la información en los espectros Raman esta asociada a tales compuestos. También bandas de intensidad media y débil asociadas a varios de los constituyentes del esmalte de Talavera pueden ser distinguidos. La figura 5 muestra los espectros FT-IR de estos dos tipos de esmaltes. Se muestra también la deconvolución de las señales experimentales para propósito de identificación de frecuencias de vibración asociadas a los diversos componentes minerales. En esta forma es posible observar una adecuada consistencia con los resultados EDX y Raman, principalmente para el caso de los compuestos ZrSiO 4 y SnO 2. Tabla 1. Resultados EDX medidos sobre las capas vítreas tipo 1 y 2. Esmalte tipo 1 Esmalte tipo 2

4 Elemento Compuesto asociado Nombre mineral Peso Atómico Peso Atómico O SiO 2 Silica Na NaAlSi 3 O 8 Albita Al Al 2 O 3 Alumina Si SiO 2 Silica K KAlSi 3 O 8 Feldespato Ca CaSiO 3 Wollastonita Zr ZrSiO 4 Zircon Pb PbO Litergidio Sn SnO 2 Casiterita Total En la tabla 2 se enlistan las frecuencias de vibración de los compuestos minerales que constituyen las capas vítreas 1 y 2 analizadas en este trabajo. Se utiliza una etiqueta para denotar cada compuesto en los espectros Raman de la figura 4. Otros compuestos cuya respuesta vibracional no es muy fuerte pueden ser enmascarados por las fuertes señales de ZrSiO 4 y SnO 2. Sin embargo este método puede ser usado para identificar y estimar las composiciones sólidas de la capa vítrea de los objetos de cerámica por comparación con los resultados EDX. Lo anterior constituye un aspecto importante en la caracterización de la calidad de los objetos cerámicos de Talavera que pueden ser usados como objetos ornamentales, así como contenedores de agua y alimentos. Tabla 2. Frecuencias Raman reportadas para diferentes compuestos minerales que constituyen la capa vítrea de los objetos cerámicos de Talavera analizados en este trabajo. Asignación Compuesto Frecuencias Raman (cm -1 ) Num. Referencia A SiO 2 432, B NaAlSi 3 O 8 209, 250, 271, 291, 328, 408, 479, 508, 578, 633, 3 646, 763, 814, 978, 1012, 1031, 1098 C Al 2 O 3 418, D KAlSi 3 O 8 203, 268, 290, 335, 377, 407, 458, 480, 517, 654, 3 751, 816, 999, 1126 E CaSiO 3 337, 413, 637, 970, F ZrSiO 4 202, 225, 358, 440, 975, 1009, 1055, 1088, 1112, , 1270, 1353 G PbO 73, 142, 147, 285, H SnO 2 440, 474, 632, 775 3, 6

5 Figura 4. Espectros Raman medidos en los dos tipos de capas vítreas analizadas analizadas en este trabajo. Se incluyen espectros de ZrSiO 4 y SnO 2 para comparación. Figura 5. Espectros FT-IR medidos en los dos tipos de capas vítreas analizadas en este trabajo. Se muestra la deconvolución del espectro experimental. Conclusiones Se realizó una caracterización de la superficie vítrea o esmalte de la cerámica Talavera tlaxcalteca. Para este propósito, se seleccionaron varias piezas terminadas y se analizaron mediante espectroscopia Raman y de dispersión de rayos-x (EDX). Las mediciones EDX sirvieron para determinar y cuantificar la composición sólida de la capa vítrea, la cual esta basada en gran parte por oxigeno y silicio (SiO 2 ). También se determinó la presencia de feldespatos (NaAlSi 3 O 8 y KAlSi 3 O 8 ), wollastonita (CaSiO 3 ), alumina (Al 2 O 3 ), zircon (ZrSiO 4 ), litergidio (PbO) y casiterita (SnO 2 ). Sin embargo en los espectros de dispersión Raman la presencia de bandas intensas asociadas a ZrSiO 4 y SnO 2 sugieren un régimen de cristalinidad mayor por parte de estas especies minerales con respecto al resto de los constituyentes. De esta forma esta técnica vibracional no destructiva podría utilizarse de manera cualitativa y cuantitativa, con la ayuda de mediciones EDX, para caracterizar los compuestos minerales y la calidad de los objetos cerámicos de Talavera que pueden ser usados como objetos ornamentales, así como contenedores de agua y alimentos. Referencias Modificación a la declaración general de protección de la denominación de origen Talavera. Diario Oficial de la Federación. Jueves 16 de octubre de pag. 42.