Sintesi di materiali nanometrici e sub-micrometrici per la preparazione di inchiostri ceramici a basso impatto ambientale e utilizzo di materie prime e seconde per la produzione di semilavorati ceramici.

The ceramic industry is increasingly confronted with environmental challenges, particularly in the production of black pigments and inks used for decorating floor tiles. These challenges stem from the continuous extraction of critical raw materials and the harsh reaction conditions required for manufacturing, both of which contribute significantly to the carbon footprint. One major issue is the high temperatures needed for producing black pigments, often exceeding 1200 °C, coupled with the extensive use of cobalt. This metal, recently classified as a critical raw material by the European Union Commission, raises environmental, economic, and political concerns due to the impact of its extraction. The synthesis of black pigments not only demands large amounts of cobalt to achieve a deep black hue but also requires a chemical structure capable of withstanding extreme reaction conditions. Consequently, spinels (formed using metals like Cr, Mn, Fe, Co, and Ni) are preferred. Despite efforts to improve the environmental impact of ceramic pigments, the demand for black colourants continues to grow, necessitating further innovation to enable sustainable production. This thesis explores strategies to reduce the environmental impact across the production chain, from raw material sourcing to the industrial preparation of black pigments and inks. To enhance sustainability, a chemometric approach using the Design of Experiments was employed to optimise a black spinel pigment. This approach reduced the number of metals used and, most importantly, decreased cobalt content, while maintaining comparable colour performance to conventional pigments. Another key strategy focused on reducing the calcination temperature, a critical step in pigment synthesis that consumes significant thermal energy. Lowering this parameter is essential for a more sustainable production process. Additionally, the thesis explored replacing one of the reagents with a secondary raw material, promoting a circular economy where by-products are repurposed as raw materials, thereby reducing landfill waste. To demonstrate the feasibility of these innovations, eco-friendly prototype tiles were produced using the newly developed ceramic inks. Their potential as substitutes for commercially available black pigments was assessed, supported by a Life Cycle Assessment for one of the as-synthesized inks. Furthermore, some pigments were tested as colourants for decorative protective glazes, designed to correct ink-printing defects on tile surfaces.

L'industria ceramica si trova sempre più spesso a confrontarsi con sfide ambientali, in particolare nella produzione di pigmenti e inchiostri neri utilizzati per decorare le piastrelle da pavimento. Queste problematiche derivano dalla continua estrazione di materie prime critiche e dalle severe condizioni di reazione necessarie per la produzione, entrambe con un impatto significativo sull'impronta di carbonio. Una delle principali difficoltà riguarda le alte temperature richieste per la produzione dei pigmenti neri, che spesso superano i 1200 °C, e il massiccio impiego di cobalto. Questo metallo, recentemente classificato come materia prima critica dalla Commissione Europea, solleva preoccupazioni ambientali, economiche e politiche a causa dell’impatto della sua estrazione. La sintesi dei pigmenti neri non solo richiede grandi quantità di cobalto per ottenere una tonalità di nero intenso, ma necessita anche di una struttura chimica capace di resistere a condizioni di reazione estreme. Di conseguenza, gli spinelli (formati utilizzando metalli come Cr, Mn, Fe, Co e Ni) sono preferiti. Nonostante gli sforzi per migliorare l'impatto ambientale dei pigmenti ceramici, la domanda di coloranti neri continua a crescere, rendendo necessaria un'ulteriore innovazione per una produzione sostenibile. Questa tesi esplora strategie per ridurre l'impatto ambientale lungo tutta la filiera produttiva, dalla reperibilità delle materie prime alla preparazione industriale di pigmenti e inchiostri neri. Per migliorare la sostenibilità, è stato adottato un approccio chemiometrico basato sul Design of Experiments, ottimizzando un pigmento spinello nero. Questo approccio ha permesso di ridurre il numero di metalli utilizzati e, soprattutto, di diminuire il contenuto di cobalto, mantenendo prestazioni cromatiche comparabili a quelle dei pigmenti convenzionali. Un'altra strategia chiave si è concentrata sulla riduzione della temperatura di calcinazione, una fase critica nella sintesi dei pigmenti che consuma una notevole quantità di energia termica. Abbassare questo parametro è essenziale per un processo produttivo più sostenibile. Inoltre, la tesi ha esplorato la sostituzione di uno dei reagenti con una materia prima secondaria, promuovendo un’economia circolare in cui i sottoprodotti vengono riutilizzati come materie prime, riducendo così i rifiuti in discarica. Per dimostrare la fattibilità di queste innovazioni, sono state prodotte piastrelle prototipo eco-compatibili utilizzando i nuovi inchiostri ceramici sviluppati. La loro potenziale sostituzione dei pigmenti neri commerciali è stata valutata attraverso un’Analisi del Ciclo di Vita per uno degli inchiostri sintetizzati. Inoltre, alcuni pigmenti sono stati testati come coloranti per smalti protettivi decorativi, progettati per correggere difetti di stampa a inchiostro sulla superficie delle piastrelle.