4. SERAMİK HAMMADDELER Seramik hammaddeleri iki başlık altında toplayabiliriz; 4.1. Doğal seramik hammaddeler Doğal seramik hammaddeler özlü ve özsüz seramik hammaddeler olarak ikiye ayrılır: 1) Özlü seramik hammaddeleri: Su ile yoğrulabilen, dağılmadan kolaylıkla şekil verilebilen, kurutulduklarında verilen şekli muhafaza eden hammaddeleri özlü seramik hammaddeler olarak adlandırabiliriz. 2) Özsüz seramik hammaddeler: Çok öğütüldüklerinde bile su ile kolayca şekil verilemeyen, şekil verilse bile dış etkenler ile şeklini kaybedip dağılan maddeleri özsüz seramik maddeler olarak tanımlayabiliriz. 4.1.1 Özlü Seramik Hammaddelerin Oluşumu: Granit, grays, feldispat, porfir, syenirt ve pegmatit gibi birincil magmadan çıkıp donan kayaçların, doğasal ve buna yardımcı fiziksel ve kimyasal etkenler ile aşınıp, bozunup, dağılıp, ufalanıp, sürüklenmeleri sonucu kaolin ve killer oluşmuştur. Kayaçların değişikliğe uğramalarında şu etkenler rol oynamıştır; Rüzgar, su, buz, sıcaklık-soğukluk değişimleri, yer kabuğu hareketleri, CO 2, humus asit, kükürt asitleri, flor ve hidrojen asitli gazlar. Mineroloji bilimi özlü seramik hammaddelerini üç büyük grup altında inceler. 1. Kaolin grubu 2. Montmorillonit grubu 3. İllit ve glimmer grubu (Alkali içeren grup) 4.1.1.1. Kaolin Grubu (a). Nakrit, Dickit, Kaolinit (Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O) (b) Anoksit (Al 2 O 3.3SiO 2.H 2 O) (c) Halloysit (Al 2 O 3.2SiO 2.4H 2 O) (d) Allofan (Al 2 O 3.mSiO 2.2H 2 O) 28
Kaolinit genellikle çoğu seramik hammaddelerin esas mineralidir. Su içeren aluminyum silikat olan kaolinit, minerolojik olarak Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 grubundan oluşur. Kaolinit çiğ olarak %39.50 Al 2 O 3, %46.55 SiO 2, %13.95 H 2 O içerir. Pişme sırasında H 2 O uçarak %13.95 lik bir ateş kaybı oluşur. Şekil 4.1. Kaolinitin kristal yapısı 4.1.1.2. Montmorillonit grubu (a) Pyrophyllit (Al 2 O 3.4SiO 2. H 2 O) (b) Montmorillonit (Al 2 O 3.4SiO 2. H 2 O + n H 2 O) (c) Beidelit (Al 2 O 3.3SiO 2. H 2 O. n H 2 O) (d) Nontronit ([Al,Fe] 2 O 3.3SiO 2. H 2 O. n H 2 O) (e) Saponit (2MgO.3SiO 2. nh 2 O) Montmorillonit %28.2 Al 2 O 3, %66.8 SiO 2, %5 H 2 O bileşimindedir. Pişmiş durumda bu oran %29.8 Al 2 O 3, %70.2 SiO 2 olarak belirlenir. Yüksek oranda Al 2 O 3 ve MgO içeren formuna beidelit ve yüksek oranda Fe 2 O 3 içeren formunada nontronit denir. 29
Şekil 4.2. Montmorillonitin kristal yapısı 4.1.1.3. İllit ve glimmer grubu (Alkali içeren grup) Yüksek oranlı kil minerallerinin yer aldığı illitler; muskovit (K 2 O.3Al 2 O 3.6Si 2 O.2H 2 O) ve biotit (K 2 O.4MgO.2Al 2 O 3.6Si 2 O.H 2 O) olarak çok tanınan glimmerlerden oluşurlar. İllitler glimmerlere oranla daha az alkalili olup, daha fazla suludurlar. Tuğla, kiremit hammaddelerinde bol miktarda bulunurlar. 30
Şekil 4.3. Muskovit in yapısı 31
Şekil 4.4.Biotite in yapısı 4.1.2. Özsüz Seramik Hammaddelerin Oluşumu: Genelde çamurun kuru direncini, kuru küçülme ve pişme küçülmesini azaltırlar, su emmeyi arttırırlar. Kuvars (SiO 2 ): Yeryüzünün %25 ini oluştururlar ve oksijenden sonra ençok rastlanan bileşiktir. Doğada kristal olarak dağ kristali, serbest halde kum, kayaç olarakta kuvarsit ve flint olarak bulunur. 32
Şekil 4.5.Kristalin ve amorf kuvars Ganister : Jeolojik zaman içinde parçalanan granitten serbest kalan SiO 2 tanelerinin kille bağlanması sonucu oluşan kayaçtır. Kuvarsit : Serbest SiO 2 tanelerinin daha ince SiO 2 taneleri ile bağlanması sonucu oluşan kayaçlardır. Flint : Flint te SiO 2 tanelerinin organik maddelerle bağlanmış olan (ateşe atıldığında yanabilir) ve sağlam yapıda bir kayaçtır. Kırığı karakteristik midye kabuğu dokusunda ve siyah renktedir. Kuvars seramik malzemelerin önemli bir hammaddesidir. Seramik çamurunda, sırlar-da, emaye ve refrakter malzemesi olarak çok kullanılırlar. Seramik endüstrisinde özellikle Fe 2 O 3 ihtiva etmeyen kayaçlar kullanılır. 33
SiO 2 nin seramik çamura katkısı şu şekilde ifade edilebilir: Çamurun bağlayıcı özelliğini ve kuru direncini azaltır. Çamurun kuruma ve pişme küçülmesini azaltır. Pişmiş çamurda gözeneklik ve su emme artar. Feldispat:Özsüz hammadde olmasına karşın çamurlarda belli bir pişme sıcaklığına çıkıldığı zaman çamuları pekiştirerek eriticilik özelliği gösterir. Aynı şekilde sırlarda çok kullanılan önemli bir eriticidir. Feldispat içinde alkali bulunan püskürük bir alumina silikat kayaçtır. Doğal feldispatlarda Na, K, Ca, Li, Cs(sezyum) gibi oksitler farklı oranlarda yer alır. Lityum feldispatlar dışında (Spodumen) dışında tüm feldispatlar Si-Al un üç boyutlu iskeletine sahiptir. Tablo 4.1. Feldispat Minerallerinin Çeşitli Özellikleri Kimyasal ve Kimyasal Formülü ve Özgül Ağılık Sertliği (Mohs) Minerolojik Adı Bileşimi Ortoklas K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 2.56 6 Albit Na 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 2.61 6.0-6.5 Anorthit CaO.Al 2 O 3.2SiO 2 2.70 6.0-6.5 Plagioklase [Na,K] 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 - - Oligoklase Na 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 + 2.62 6-7 CaO.Al 2 O 3.2SiO 2 Celsian BaO.Al 2 O 3.2SiO 2 3.37 6 Hyalophan K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 + 2.84 6.0-6.5 BaO.Al 2 O 3.2SiO 2 Pollucit Cs 2 O.2Al 2 O 3.4SiO 2 2.90 6.5 Spodumen Li 2 O.Al 2 O 3.4SiO 2 2.64 5.0-6.0 Kalsit: Kimyasal bileşimi CaCO 3 ve ortalama sertliği 3 olan kalker doğada kalsit, tebeşir ve mermer şeklinde bulunur. Kalker çimento ve kireç üretiminde hammadde olarak kullanılır. Seramik endüstrisinde çamur ve sır bileşimine girer. 34
Şekil 4.6. Kalsit kristal yapısı 35
Magnezit: MgCO 3 bileşiminde olan magnezit, doğada sert parçalar şeklinde kristal ve amorf olarak bulunur. Magnezit ve kromit tuğla üretiminde kullanılır. MgCO 3 kalsine edilip MgO şekline dönüştürülmesinden sonraü Mg nin yarısı klorürü haline dönüşecek şekilde HCl ile birleştirilirse, MgO.MgCl 2 bileşiminde su ile çimento gibi sertleşebilen sorel çimentosu oluşur. Şekil 4.7. Magnezit kristal yapısı Dolomit: Kalsiyum karbonat ile magnezyum karbonatın doğadaki yaklaşık aynı mol oranlarındaki şekli dolomit adını alır. CaCO 3.MgCO 3 kimyasal formülüne sahip dolomitte %56 CaCO 3 ve %44 MgCO 3 bulunur. 36
Şekil 4.8. Dolomit kristal yapısı Volostonit: CaO.SiO 2 bileşimindeki volostonitin teorik bileşimi %48.25 CaO ve %51.75 SiO2 dir. Seramik çamur ve sırlarda kullanılabilen volostonit çamurda eriticilik özelliği göstererek onun pişme sıcaklığını düşürür. Karbonat içeren minerallere karşın volostonit pişme sırasında gaz çıkarmadığından tek pişirim çamurlarında düşük sıcaklıklarda başarı ile kullanılır. Ayrıca volostonit çamurları, sıcaklık değişimlerine karşı dirençlidir. Şekil 4.9. Volostonit kristal yapısı 37
Talk: 3MgO.4SiO 2.H 2 O kimyasal bileşimine sahip talkın, kristal yapısı yaprakçık şeklindedir. Seramik çamuruna ve sıra katılabileceği gibi doğrudan şekillendirilip pişirilebilir. Şekil 4.10. Talk kristal yapısı 4.2. Yapay Hammaddeler Doğal kaynaklardan alınan hammaddeler geleneksel seramik üretiminde doğrudan veya arıtılarak kullanıldığı halde, ileri teknoloji seramiklerin üretimi için bu uygun değildir. İleri teknoloji seramiklerin üretiminde çok ince ve homojen tozlara ihtiyaç vardır. Mükemmel tozun; saf, homojen, boyutunun ise mikronun altında ve dar bir dağılım aralığına sahip olması gerekir. Üstün nitelikteki tozların üretimi için farklı üretim yöntemleri vardır. Bunlar; düşük sıcaklık yöntemleri (kimyasal ve kolloidal yaklaşıma dayanır), yüksek sıcaklık yöntemleri ( buhar fazı veya egzotermik reaksiyon içerir) mevcuttur. 38
Örnek 1: HAMMADDELER İLE İLGİLİ HESAPLAMALAR % 15 K-Feldispat (Ortoklas) % 9 Na-Feldispat (Albit) % 34 Kaolinit % 32 Kuvars % 10 Kalsit Yukarıda reçetesi verilen duvar karosunun minerolojik analizini hesaplayınız. Çözüm: K- Feldispat (Ortoklas) : K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 : 556 gr/mol Na-Feldispat (Albit) : Na 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 : 524 gr/mol Kaolinit : Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O : 258 gr/mol Kuvars : SiO 2 : 60 gr/mol Kalsit : CaCO 3 : 100 gr/mol K 2 O : 94.18 gr/mol Na 2 O : 62 gr/mol Al 2 O 3 : 102.2 gr/mol SiO 2 : 60.3 gr/mol CaO : 56.1 gr/mol Hammadde Mol. K 2 O Na 2 O CaO Al 2 O 3 SiO 2 K-Feldispat 15 0. 027 556 0.027 - - 0.027 0.162 Na-Feldispat 9 0. 017 524-0.017-0.017 0.103 Kaolinit 34 0. 132 258 - - 0.132 0.264 Kuvars 32 0. 533 60 - - - - 0.533 Kalsit 10 0. 1 100 - - 0.1 - - Toplam 0.027 0.017 0.1 0.176 1.089 Buna göre; K 2 O : 94.18 *0.027 = 2.543 gr % 2.74 Na 2 O : 62 *0.017 = 1.054 gr % 1.14 Al 2 O 3 : 102.2 *0.176 = 18.00 gr % 19.38 SiO 2 : 60.3 *1.089 = 65.67 gr % 70.71 CaO : 56.1*0.1 = 5.61 gr % 6.04 Toplam = 92.877 gr % 100.01 39
Örnek 2: % 8 K-Feldispat (Ortoklas) % 8 Na-Feldispat (Albit) % 40 Kaolinit % 36 Kuvars % 8 Kalsit Yukarıda reçetesi verilen sert ak çininin minerolojik analizini hesaplayınız. Çözüm: K- Feldispat (Ortoklas) : K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 : 556 gr/mol Na-Feldispat (Albit) : Na 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 : 524 gr/mol Kaolinit : Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O : 258 gr/mol Kuvars : SiO 2 : 60 gr/mol Kalsit : CaCO 3 : 100 gr/mol K 2 O : 94.18 gr/mol Na 2 O : 62 gr/mol Al 2 O 3 : 102.2 gr/mol SiO 2 : 60.3 gr/mol CaO : 56.1 gr/mol Hammadde Mol. K 2 O Na 2 O CaO Al 2 O 3 SiO 2 K-Feldispat 8 0. 0144 556 - - 0.0144 0.0863 Na-Feldispat 8 0. 0153 524 0.0153-0.0153 0.092 Kaolinit 40 0. 155 258 - - 0.155 0.310 Kuvars 36 0. 60 60 - - - - 0.600 Kalsit 8 0. 08 100 - - 0.08 - - Toplam 0.0144 0.0153 0.08 0.1847 1.0883 Buna göre; K 2 O : 94.18 *0.0144 = 1.356 gr % 1.49 Na 2 O : 62 *0.0153 = 0.9486 gr % 1.04 Al 2 O 3 : 102.2 *0.1847 = 18.88gr % 20.68 SiO 2 : 60.3 *1.0883 = 65.63 gr % 71.88 CaO : 56.1*0.08 = 4.488 gr % 4.92 Toplam = 91.30 gr % 100.01 40
Örnek 3: K 2 O : % 4.54 Al 2 O 3 : % 26.13 SiO 2 : % 69.33 Minerolojik analizi verilen izolatörün reçetesini hesaplayınız. K- Feldispat (Ortoklas) : K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 : 556 gr/mol Kaolinit : Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O : 258 gr/mol Kuvars : SiO 2 : 60 gr/mol K 2 O : 94.18 gr/mol Al 2 O 3 : 102.2 gr/mol SiO 2 : 60.3 gr/mol K 2 O : % 4.54 4.54 / 94.18 = 0.0482 mol Al 2 O 3 : % 26.13 26.13 / 102.2 = 0.256 mol SiO 2 : % 69.33 69.33 / 60 = 1.156 mol Hammadde Mol. K 2 O Al 2 O 3 SiO 2 K-Feldispat 0.0482 0.0482 0.0482 0.2900 Kaolinit 0.2078-0.2078 0.4156 Kuvars 0.4504 - - 0.4504 Toplam 0.0482 0.256 1.156 K- Feldispat (Ortoklas) : 556*0.0482 26.80 % 25 Kaolinit : 258*0.2078 53.61 % 50 Kuvars : 60*0.4504 27.02 % 25 Toplam 107.43 % 100 41
Örnek 4: % 10 K-Feldispat (Ortoklas) % 45 Kaolinit % 29 Kuvars % 16 Kalsit Yukarıda reçetesi verilen ak çininin minerolojik analizini hesaplayınız. Çözüm: K- Feldispat (Ortoklas) : K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 : 556 gr/mol Kaolinit : Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O : 258 gr/mol Kuvars : SiO 2 : 60 gr/mol Kalsit : CaCO 3 : 100 gr/mol K 2 O : 94.18 gr/mol Al 2 O 3 : 102.2 gr/mol SiO 2 : 60.3 gr/mol CaO : 56.1 gr/mol Hammadde Mol. K 2 O CaO Al 2 O 3 SiO 2 K-Feldispat 10 0. 018 556 0.018-0.018 0.108 Kaolinit 45 0. 174 258-0.174 0.348 Kuvars 29 0. 483 60 - - - 0.483 Kalsit 16 0. 16 100-0.16 - - Toplam 0.018 0.16 0.192 0.939 Buna göre; K 2 O : 94.18 *0.018 = 1.7 gr % 2.0 Al 2 O 3 : 102.2 *0.182 = 19.62 gr % 22.57 SiO 2 : 60.3 *0.939 = 56.62 gr % 65.14 CaO : 56.1*0.16 = 8.976 gr % 10.33 Toplam = 86.92 gr % 100.04 42
Örnek 5: % 15 Na-Feldispat (Ortoklas) % 25 K-Feldispat % 40 Kaolinit % 20 Kuvars Yukarıda reçetesi verilen yumuşak porselen tabağın minerolojik analizini hesaplayınız. Örnek 6: % 15 Na-Feldispat (Ortoklas) % 18 K-Feldispat % 35 Kaolinit % 32 Kuvars Yukarıda reçetesi verilen yer karosunun minerolojik analizini hesaplayınız. Örnek 7: K 2 O : % 2.15 Na 2 O : % 2.26 Al 2 O 3 : % 22.8 SiO 2 : % 72.79 Minerolojik analizi verilen vitrifiye nin reçetesini hesaplayınız. 43