Metakaolin esaslı jeopolimerlere gliserin, polietilen glikol ve polisialat silokso tozu katkılarının etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of glycerine, polyethylene glycol and polysialate siloxo powders addition to metakaolin based geopolymers
Yazar: SÜLEYMAN YAŞIN
Danışman: PROF. DR. HAYRETTİN AHLATCI
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında son üründe yabancı bir faz oluşumuna neden olmadan jeopolimer özelliklerini geliştirmek hedeflenmiştir. Çalışmanın birinci aşamasında 400 °C sıcaklıkta uygulanan ısıl işlem ile boyutsal kararlılık kazandırılmış üç farklı tane boyut dağılımındaki polisialat silokso (PSS) tipi jeopolimer tozları üretilmiş ve dolgusuz olarak üretilen jeopolimer özelliklerine olan etkisi ilk defa incelenmiştir. Bu amaçla farklı oranlarda su içeren iki jeopolimer reçinesine %10–40 oranlarında d(0,5) değerleri 34–824 µm boyutlarında olan PSS tozları ilave edilerek numuneler elde edilmiştir. Çalışma sonucunda PSS tozu katkısının tane boyut dağılımı ile bağıntılı olarak numunelerin basma dayanımını uygun katkı oranlarında geliştirebildiği tespit edilmiştir. En yüksek basma dayanımı ince olarak kodlanmış tane boyut dağılımındaki PSS tozlarının (d(0,5)= 33,96 µm) %10 oranındaki katkısı ile elde edilmiştir. İnce tane boyut dağılımındaki tozların katkısı numunelerin kurutma çatlamalarına olan direncini artırmıştır. Reçinedeki artan su oranı ile bu etki daha fazla belirgin olmuştur. İnce tozların yüksek su içeriğine sahip reçineye katkılanması ile 400 °C sıcaklığında uygulanan ısıl işleme rağmen mineral v.b. dolgular içermediği halde kurutma çatlakları gözlenmeyen monofaz yapıdaki jeopolimerler ilk defa elde edilmiştir. 

Çalışmanın ikinci aşamasında jeopolimerler için alışılagelmişten daha yüksek su içeriğine sahip olarak hazırlanan reçineye ağırlıkça 1:1 oranında ince alumina tozlarının karıştırılması ile yüksek oranda alumina tozu dolgulu olmasına rağmen döküm yöntemi ile verimli olarak şekillendirilebilen Na-Metakaolin esaslı jeopolimerler üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Mikroyapı incelemeleri ve jeopolimerlerin termal küçülme değerlerinin incelenmesi sonucu, 750-1000 °C sıcaklıkları aralığında karakteristik olarak jeopolimerlerde gözlenen viskoz sinterleme bölgesinin, bu çalışmada üretilen numunelerde yüksek orandaki ince alumina tozlarının refrakterik etkisi nedeni ile 1000-1250 °C gibi daha yüksek sıcaklık aralıklarına ötelendiği görülmüştür. 

Üretilen gelişmiş refrakterik özellikteki jeopolimere gliserin (%0,1-1,5), polietilen glikol (PEG) (%0,1-1,5) ve PSS tozu (%0,625-5) katkısının etkisi sıcaklık ile bağıntılı olarak incelenmiştir. Gliserin katkısı numunelerin termal küçülme değerlerini belirgin olarak düşürmüştür. Numunelerde artan gliserin katkı oranı ile beraber basma dayanımı düşmüştür. PEG katkısı numunelerin basma dayanımını 750 °C sıcaklığına maruz kalana kadar geliştirmiştir. En yüksek basma dayanımı kazanımı %0,5 katkı oranında sağlanmıştır. PSS tozlarının %1,25 oranındaki katkısı ile numunelerin basma dayanımı 1000 °C sıcaklığa kadar uygulanan ısıl işlemlerin ardından ısıl işlem sıcaklıklarından bağımsız olarak gelişmiştir. %1,25 oranı üzerindeki PSS tozu katkısı ise numunelerde aşırı gözenekler içeren bir mikroyapının gelişmesine neden olduğu için basma dayanımını düşürmüştür. Çalışmada etkisi incelenen tüm katkılar numunelerin faz yapısı gelişimine etki etmemiştir.

Abstract:
In this study, improving the properties of geopolymer without causing an external phase in the final product is aimed. In the first section of the study polysialate siloxo (PSS) type geopolymer powders which were dimensionally stabilized by the heat treatments applied at 400 °C with the three different particle size distribution were produced and the effects of these on the properties of filler-free geopolymers, never previously been studied,  were examined in this study. For this aim, samples were produced with 10-40 wt. % PSS powders addition which have d(0.5) values 34-824 µm to two geopolymer resins with various amounts of water. At the end of the study, it was found that PSS powder addition can enhance the compressive strength of the samples with proper addition amounts related with particle size distribution. The highest compressive strength value was achieved with 10 wt. % addition of PSS powders with fine (d(0.5) =33.96 µm) coded. Addition of powders in fine particle size distribution increased the resistance of samples against drying cracks. This effect was more evident with the increasing amounts of water in the resin. With the addition of fine powders to resin with high amounts of water, monophase geopolymers without drying cracks despite the heat treatment applied at 400 °C and absence of fillers such as minerals were produced for the first time in this study. 

In the second section of the study, 1:1 ratio fine alumina powders were mixed with resin prepared with higher amounts of water than the usual, by this way Na-Metakaolin based geopolymers, which can be shaped productively with casting method although it includes high amounts of alumina powder filling, were produced and characterized. From the results of analyses of microstructure and thermal shrinkage values, it was observed that the viscous sintering region in geopolymers that observed characteristically between 750-1000 °C temperatures shifted to higher temperatures such as 1000-1250 °C by the refractory effect of fine alumina powders in high amounts in the samples produced.

The effect of glycerine (0.1-1.5 wt. %), polyethylene glycol (PEG) (%0.1-1.5 wt. %) and PSS powders (0.625-5 wt. %) addition to the produced geopolymer with enhanced refractoriness was examined related with temperature. Glycerine addition significantly decreased the thermal shrinkage values of the samples. Compressive strength decreased with the increase in glycerine addition in the samples. PEG addition increased the compressive strength of the samples until they were exposed to 750 °C. Improvement of the highest compressive strength was achieved in 0.5 wt. % addition. With the addition of 1.25 wt. % PSS powders compressive strength of the samples increased independently from the heat treatment temperatures up to 1000 °C. Further addition than the 1.25 wt. % PSS powder decreased the compressive strength because it caused a microstructure which has excessive pores in the samples. All the additives studied in this study did not affect the phase structure of the samples.