İnorganik Co-Al-(Cr) oksit kompleks pigmentlerin katı-hal reaksiyonu yöntemiyle sentezlenmesi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of inorganic Co-Al-(Cr) oxide complex pigments via solid-state reaction method
Yazar: MURAT KAYA
Danışman: PROF. DR. ESRA ALTINTIĞ
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada renklendirme amacıyla sıkça kullanılan CoAl2O4 ve Co(Cr,Al)2O4 mavi spinal inorganik pigmentlerinin farklı sıcaklıklar ve farklı sürelerde kalsine edilerek sentezlenmesi ve elde edilen pigmentlerin karakterizasyonunun incelenmesi amaçlanmaktadır. İnorganik pigmentler genellikle yüksek ısıl işlemlerin olduğu proseslerde malzemeyi renklendirmek amacı ile kullanılan boyar malzemelerdir. Co-Al ve Co-Al-Cr spinal inorganik pigmentleri geleneksel yöntemler ile yaklaşık 1300 °C gibi yüksek sıcaklarda ve uzun sürelerde katı hal reaksiyonu ile kalsine edilerek elde edilmektedir. Çalışmada Co-Al ve Co-Al-Cr pigmentleri 1300 °C'de ve 1100 °C gibi daha düşük sıcaklık da kalsine edilmiştir. Ayrıca kalsinasyon süreleri de değiştirilerek 1100 °C ve 1300°C pigment kalsinasyonları gerçekleştirilmiştir. Farklı derece ve farklı sürelerinde kalsine edilerek elde edilen pigmentler üzerinde enstrümental analiz cihazları ile karakterizasyon testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada XRD, FTIR, EDS, SEM, DTA-TGA, PSD analizleri ile elde edilen pigmentler üstünde karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen pigmentlerin boyama şiddetleri ve örtücülük kabiliyetleri ise transparan emaye kaplamasına %5 oranında ilave edilerek 820 °C kaplamanın uygulanması ile denetlenmiştir. Emaye kaplama yüzeylerinden colorometre cihazı ile ölçüm yapılarak renk değerleri elde edilmiştir. Pigmentlerin örtücülük kabiliyetleri ise beyaz emaye kaplama üzerinde denetlenmiştir. Çalışmalar sonucunda kalsinasyon derecesinin ve süresinin pigmentin boyama şiddetine ve örtücülük performansına doğrudan etkisi gözlemlenmiştir. Yapılan analizler neticesinde XRD sonuçları Co-Al bazlı pigmentlerin CoAl2O4 spinel yapısına sahipken, Co-Al-Cr bazlı pigmentlerin CoCr0.4Al1.6O4 spinel yapısına sahip olduğunu göstermiştir. XRD analizine tabii tutulan pigment katkısız emaye kaplama ve tüm pigmentler ile teker teker katkılanan emaye kaplamaların katkılanmamış numuneleri tamamen amorf yapıda olduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen pigmentler ile katkılandırılmış emaye kaplamalarda ise CoAl2O4 ile katkılanmış emaye kaplamaların XRD analizinde yapının tamamen amorf olduğu yani kaplamanın vitrifikasyonu sıcaklığında yapısını koruyamadığı ispatlanmıştır.  CoCr0.4Al1.6O4 ile katkılanmış emaye kaplamaların XRD analizinde ise pigmentin kristal fazda kaldığı yani kaplamanın vitrifikasyonu sıcaklığında yapısını koruyabildiği ispatlanmıştır. Yani yüksek ısıl işlem gerektiren emaye kaplamalarında Co-Al esaslı pigmentlere göre Co-Al-Cr esaslı pigmentlerin daha kararlı bir biçimde uygulamada çalıştığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, the synthesis of commonly used blue spinel inorganic pigments, CoAl2O4 and Co(Cr,Al)2O4, for coloring purposes is aimed by calcining them at different temperatures and durations. The objective is to investigate the characterization of the synthesized pigments. Inorganic pigments of Co-Al and Co-Al-Cr spinels are typically obtained through solid-state reaction calcination at high temperatures, approximately around 1300 °C, using conventional methods for extended durations. In this study, Co-Al and Co-Al-Cr pigments were subjected to calcination at temperatures such as 1300 °C and lower, like 1100 °C, departing from the conventional high-temperature approach. Furthermore, calcination durations were varied to conduct pigment calcinations at both 1100 °C and 1300 °C. The study involves characterization efforts on pigments obtained through XRD, FTIR, EDS, SEM, DTA-TGA, and PSD analyses. The coloring intensity and covering capabilities of the obtained pigments were controlled by adding them to a transparent enamel coating at a 5% ratio, followed by application at 820 °C. Color values were measured from the enamel-coated surfaces using a colorimeter device. The covering capabilities of the pigments were assessed on a white enamel coating. As a result of the study, the direct impact of calcination temperature and duration on the coloring intensity and covering performance of the pigment was observed. The results of the conducted analyses indicate that XRD results show Co-Al-based pigments have a spinel structure of CoAl2O4, while Co-Al-Cr-based pigments exhibit a spinel structure of CoCr0.4Al1.6O4. XRD analysis of the enamel coatings without pigment addition and those individually added with each pigment revealed that the untreated samples of enamel coatings are entirely amorphous in structure. However, in enamel coatings modified with the obtained pigments, the XRD analysis demonstrated that the coatings with CoAl2O4 addition have a completely amorphous structure, indicating that the structure cannot be maintained at the vitrification temperature. On the other hand, in enamel coatings modified with CoCr0.4Al1.6O4, the XRD analysis revealed that the pigment remains in the crystalline phase, indicating that the structure can be preserved at the vitrification temperature. Therefore, it was observed that in enamel coatings requiring high-temperature processing, Co-Al-Cr-based pigments perform more effectively compared to Co-Al-based pigments, showing greater stability in application. It was noted that Co-Al-Cr-based pigments exhibited more stable performance in enamel coatings requiring high-temperature treatment compared to Co-Al-based pigments.