Combustione della materia organica
Il cuore nero

Le argille sono il prodotto di una complessa trasformazione (pedogenesi) operata attraverso una serie di processi fisici, chimici e biologici che parte dalla roccia madre.
Il suolo propriamente detto non è semplicemente il risultato dello sminuzzamento di un ammasso roccioso affiorante dovuto, ad esempio, ad agenti atmosferici. I fenomeni fisici possono arrivare al più a produrre granelli della frazione di un millimetro, composti da un solo cristallo, ma non possono andare oltre.
A questo punto devono entrare in gioco trasformazioni di tipo chimico e/o biologico, in grado di modificare la composizione chimica e/o riorganizzare la struttura cristallina, generando così i cosiddetti minerali secondari.
Le argille sono minerali secondari e, per formarsi, hanno bisogno di trasformazioni chimiche.
La componente biologica, invece, porta all’interno del suolo resti di vegetazione, organismi animali, batteri e altri materiali organici e quindi un contenuto di materia carboniosa. Nelle argille naturali si stima una componente organica tra lo 0 e il 10%. Il colore grigio delle ball clay, ad esempio, è dovuto proprio alla componente carboniosa.

Gli impasti, anche quelli commerciali, che normalmente utilizziamo nelle nostre produzioni, contengono spesso, almeno in parte, materiale naturale e quindi, dobbiamo sapere quali sono le conseguenze all’interno del forno, dove, durante la cottura, la materia organica viene eliminata.
La decomposizione delle sostanze organiche avviene tra i 400° e i 600°C;
il che vuol dire che una parte del contenuto delle nostre argille, la componente organica, brucia trasformandosi, se le condizioni lo permettono, allo stato gassoso; 
i gas prodotti sono l'anidride carbonica e il vapore acqueo e devono essere espulsi.
Ulteriore effetto della combustione della materia carboniosa è una sorta di microporosità che questa materia, bruciando, lascia nella matrice argillosa.
In condizioni di buona ventilazione del forno, quindi in ambiente ben ossidante (e in assenza di vetrificazione superficiale) si produce, come detto, vapore acqueo e anidride carbonica, con cui vengono eliminati gli atomi di carbonio (C) fino a che non ne resta traccia all’interno del corpo ceramico;
perché il processo avvenga in maniera completa è necessario dare modo e tempo all’ossigeno di penetrare all’interno del corpo argilloso in cottura, di reagire con la materia organica e di fuoriuscire in forma di H2O o di CO2;
quindi, oltre ad un’adeguata ventilazione all’interno del forno che fornisca ossigeno e elimini i gas prodotti, serve il tempo perché tutto il processo si possa compiere in maniera completa;
inoltre bisogna stare attenti ad evitare che gli ingobbi (o gli smalti in caso di monocottura) più fini non fondano a basse temperature andando a sigillare la superficie troppo presto poiché ciò potrebbe causare sbollaure quando gli ultimi gas rimanenti trovano le vie di fuga bloccate.

Una cottura non corretta può provocare il cosiddetto “cuore nero” della ceramica e cioè la formazione, all’interno delle pareti del pezzo, di residui di carbonio provenienti dalla decomposizione termica della materia organica contenuta negli impasti che non vengono correttamente smaltiti;
è detto così perché la sua formazione è visibile all’interno delle pareti di un pezzo dove si crea un nucleo nerastro;
le cause sono:

• il ciclo di cottura troppo breve;
• l’eccessivo spessore delle pareti dei manufatti (ovviamente in relazione al tempo di cottura);
• la carenza di ossigeno e di adeguata circolazione d’aria durante la fase di combustione della materia organica;
• l'uso di particolari smalti che danno un notevole apporto di materia carboniosa e riguarda, quindi, i pezzi già smaltati (monocottura) (ai nostri fini non è un punto rilevante).
  

La presenza del “cuore nero” è considerata un difetto e dovrebbe, perciò, essere evitata. Alcune delle conseguenze della sua presenza sono:

• riduzione della resistenza meccanica del materiale;
• rigonfiamenti;
• deformazioni;
• deterioramento delle caratteristiche tecniche ed estetiche degli smalti.
  

In generale le azioni raccomandate per eliminare il “cuore nero” o per evitare la sua formazione sono: 

• evitare l'uso di materie prime (argille) che contengono materiale organico  in proporzioni elevate;
• ottimizzazione della scheda di cottura evitando l'instaurarsi di un'atmosfera riducente in questa fase della cottura e modulando i tempi (allungandoli) in proporzione alle dimensioni, ed in particolare agli spessori, dei pezzi in cottura;
• garantire una efficace ventilazione all'interno del forno evitando di caricarlo in modo eccessivo; garantire, insomma, una buona circolazione dell'aria intorno ai pezzi. 

A titolo indicativo, nel nostro forno a gas, per la cottura di vasellame (ciotole, piatti, vasi, ecc), tra 400° e 600°C, facciamo salire la temperatura tra 100°C/h e 150°C/h. 

Solo per completezza devo dire che esistono alcune circostanze in cui il “cuore nero” è considerato benefico ma credo siano poco interessanti per noi; hanno a che fare con l’incremento del grado di vetrificazione dell’argilla in particolari condizioni di cottura e con l’incremento della resistenza meccanica in fase di congelamento.

Sempre a titolo di completezza registro che alcuni studi inseriscono anche il ferro, in un ridotto stato di ossidazione, come concausa della formazione del “cuore nero”.
Gli ossidi di ferro ridotto sono FeO e Fe304.
Oltre alla carbonizzazione di materiale organico, quindi, andrebbe considerata anche la riduzione di Fe203.
Sull'argomento esistono studi piuttosto avanzati ma si entra in questioni che rilevano dal punto di vista della comprensione teorica del processo ma, di solito, hanno ricadute pratiche più sulle produzioni industriali o altamente tecnologiche che sulle applicazioni come quella che riguardano la maggior parte di noi.
A chi fosse interessato posso fornire i primi elementi bibliografici. 

Questa parte del processo, come la precedente essiccatura, riguarda le cotture dei pezzi crudi, quindi, il I fuoco e la monocottura. Come detto la volta scorsa, durante la fase di essiccatura viene espulsa l’acqua presente tra le particelle dei minerali dell’argilla: l'acqua libera. Questa parte, che inizia già fuori dal forno, a temperatura ambiente, si può considerare ultimata una volta superata la temperatura di ebollizione dell’acqua. Diciamo intorno ai 120°C.

All’aumentare della temperatura, aumenta l’energia fornita alle molecole d’acqua che sono più strettamente legate ai “grani” che compongono l’argilla (le lamelle), l'acqua adsorbita.
È difficile fornire una temperatura univoca per fissare i limiti della fase di eliminazione dell’acqua adsorbita. In generale, più sono sottili le particelle che compongono l’argilla, maggiore è la quantità d’acqua contenuta, più sottili sono i pori e più alta sarà la temperatura necessaria ad esaurire questa parte del processo.
Diciamo che entro i 400°C (ma per molte argille anche meno) l’acqua adsorbita viene completamente espulsa.
Prosegue il ritiro dell’argilla.
Fin qui siamo, teoricamente, ancora nel campo dei processi reversibili. Dico, in teoria, perché le varie fasi della cottura non si susseguono in modo così netto ma in parte si sovrappongono. Comunque, un’argilla che abbia perso anche l’acqua adsorbita se rimessa a contatto con acqua, a temperatura ambiente, avrebbe le capacità di recuperare le condizioni iniziali.

Portando l’argilla a temperature comprese tra i 450°C e i 650°C avviene l’eliminazione di ioni ossidrili. Cercando di non scendere troppo in dettagli di chimica, diciamo che si tratta di molecole formate da un atomo di Ossigeno ed uno di Idrogeno (OH) che sono chimicamente legate alle molecole dell’argilla e, di fatto, ne fanno parte. Ecco, l’eliminazione di questi ioni ossidrili rappresenta la prima vera alterazione del reticolo cristallino dell’argilla. Da qui in poi il processo è irreversibile e per questo parliamo di Trasformazione della Ceramica. Da un punto di vista chimico, il prodotto ottenuto è indicato con il nome di metacaolino (Al2O3•2SiO2).
Qui il ritiro è praticamente nullo.

In tutta questa parte del processo si può avere un sensibile calo del peso, per esempio il caolino perde più del 10% del suo peso in cottura a causa dell’acqua presente tra i suoi cristalli.
Questa fase è detta da alcuni “acqua fumante” e, dal momento che si possono produrre quantità di vapore consistenti, è opportuno non spingere la temperatura del forno a salire troppo velocemente. Normalmente, per pezzi medio piccoli, come ciotole o vasi, le schede di cottura che usiamo noi prevedono una salita della temperatura dai 100°C ai 150°C all'ora.
In realtà è dimostrato che non si tratta di una fase particolarmente critica, sicuramente non come la precedente (l'essiccatura). Ad ogni modo è una fase di piena attività, il vapore scorre attraverso i pori della matrice argillosa; i pezzi risultano molto fragili poiché vengono meno i legami molecolari presenti nella fase cruda e, perciò, è necessaria una certa attenzione; un’adeguata circolazione d’aria nel forno dovrebbe consentire lo sfogo di tutto il vapore prodotto.