Ergitici olarak kullanılan farklı alkali kaynaklarının seramik duvar karosu bünyesindeki teknolojik özelliklere etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of different resources used as flux on the technological properties of ceramic wall tile bodies
Yazar: MERİH ANIL EMİR
Danışman: PROF. DR. CÜNEYT ARSLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Seramik karolar seramik malzemeden çeşitli ebatlarda levhalar halinde üretilen, zemin ve duvar kaplama malzemeleridir. Seramik karolar uluslararası ISO 14411 üretim yöntemi  ve nihai ürünün su emme değerlerine göre bir çok grupta sınıflandırılmaktadır. Güncel ISO standartlarına göre seramik duvar karoları GRUP B III Su Emme Değeri  %20>E> %10  olarak nitelendirilir. Teknik özellikleri açısından seramik duvar karoları genellikle %13-18 arasında su emme değerine sahip, eğme mukavemeti 200-250 kg/cm2 olan hammadde özellikleri açısından fırın çıkışında boyut küçülmeleri  <%1'den az olan ve ticari kullanım alanına göre sınıflandırılan seramik kaplama malzemeleridir. Seramik sektöründe hammadde rezervlerinin belirli bölgelerde bulunmasından dolayı hammadde nakliyesi ürünlerin nihai oluşumunda maliyete etki eden en önemli etkenlerden bir tanesidir. Dolayısıyla hammadde seçiminde mevcut üretimin yapıldığı bölgelerden edinilecek hammaddeler maliyet anlamında da önemli oranda faydalar sağlayacaktır. 
Özellikle duvar karosu reçetelerinde kullanılan mikronize mermer ( CaCO3) 900 °C'de dekompozizasyonu ile  CaO ve CO2'ye ayrışır. karbonatların dekompozisyonu sonucu bünyede porozite de artış gözlenir. Bununla birlikte ergime sıcaklıklarından dolayı duvar karosu reçetelerinde kullanılır. Ancak poroziteyi arttırıcı etki gösterdiklerinden dolayı reçetelerde kullanımı sınırlıdır.
%20 >GRUP B III Su Emme Değeri > %10 aralığında olmalarından dolayı  seramik yer karoları ve porselen karolara nazaran oldukça poroz bir yapıya sahiptir. Poroz yapısından dolayı  nem alma kapasiteleri yüksektir. Bunun yanı sıra tek pişirim sıcaklıkları 1100-1150°C aralığındadır ve düşük üretim maliyetleri sebebiyle günümüzde kullanıcıların beğenisine sunulmaya devam etmektedir.
Endüstriyel seramik üretiminde duvar karolarının en büyük problemi ise poröz bir yapıya sahip olmasından kaynaklı bünyenin nem alması sonucu oluşan düzlemden sapma hatalarıdır. Bununla birlitke  zamanla oluşan boyut artışları ve bünye sır uyumsuzluklarından dolayı  çatlaklar oluşabilir. Dolayısıyla seramik duvar karosu üretiminde teknolojik özellikler çok iyi irdelenmelidir. Seramik duvar karoları temel olarak yapısında kil, kaolen, feldspat ve kalsit barındırır.
 Ergitici olarak kullanılan feldspatların seramik bünyedeki görevi; ürünlerin sinterleşme sıcaklığını belirleyerek sıvı faza geçmesini sağlar ve aynı zamanda oluşturulan bünyelerin ergime sıcaklıklarını düşürürler. Doğada feldspat rezervlerinin çok fazla olmasına rağmen az sayıda oluşum ve seramik sektörüne uygun feldspatların az bulunması bu sebeple de maliyetlerinin fazla olması, reçetelerde  feldpsat kullanımını sınırlandırmaktadır. 
Bu çalışmanın amacı; seramik bünyede ergitici olarak kullanılan ve Çanakkale yöresinden edinilen alternatif alkali içerikli ergiticilerin seramik duvar karosu bünyesindeki teknolojik özelliklere etkisini incelemek için yapılmıştır. 
Çalışmada standart reçeteyle birlikte 4 farklı ergitici kaynağı, oluşturulan reçetelere belirlenen oranlarla ilave edilerek toplamda 17 farklı reçete oluşturulmuştur. Hazırlanan reçeteler duvar karosu koşullarına göre kabakum değeri %2-2,5 aralığına gelene kadar jet tipi değirmenlerde öğütülerek kurutma işlemine tabi tutulmuştur. Kurutulan masseler öğütme işleminden sonra %6 nem verilerek presleme makinasında 325 kg/cm2 basınç ile basılmıştır. Oluşturulan 5x10 cm boyutlarında dikdörtgen ve 5cm çapında yuvarlak tabletler duvar karosu endüstriyel fırınlarında 43 dk. boyunca 1143°C'de pişirilmiştir.
Pişirilen tabletlerin su emme, görünür porozite, pişme küçülmesi, kuru mukavemet, yaş mukavemet, çamur akması, % elek üstü bakiyesi gibi reolojik özelliklerinin yanı sıra  XRD ve XRF analizleri , SEM-EDX analizleri, renk değerleri (L, a, b), rutubet genleşmesi , dilatometre, optik dilatometre testleri yapılarak bünyelerin seramik teknolojik özellikleri Kaleseramik Ar-Ge laboratuvarlarında incelenmiş ve bu bünyelerin kullanılabilirliği araştırılmıştır.
 Elde edilen sonuçlara göre ergitici olarak kullanılan volkanik, granit, pegmatit, perlit hammaddeleri bünyelere %10, %20, %30, %40 oranlarında ilave edilerek üretilebilmiştir. Volkanik, granit, pegmatit, perlit hammaddelerinin XRF analizi incelediğinde Na2O oranının %2,85-12,08 aralığında; K2O oranının ise %2,92-5,82 aralığında değiştiği görülmüştür. Su emme, porozite değerleri perlit ilavesiyle azalırken; granit, volkanik ve pegmatit  ilavesiyle arttğı görülmüştür. Rutubet genleşmesi değerlerinde granit ve pegmatit hammadde oranı arttıkça azalırken; volkanik ve perlit oranı arttıkça artmaya başladığı görülmüştür. Mukavemet değerlerinde perlit oranı arttıkça arttığı ; volkanik, granit ve pegmatit oranı arttıkça azalma eğilimi görülmüştür. 
Perlit hammaddesinin diğer hammaddelere göre ters yönde etki göstermesi ; camsı faz yapısına sahip olması ve ergime sıcaklığının  diğer hammaddelere göre düşük olmasından dolayı olduğu belirlenmiştir. Mikroyapısal incelemelerde standart bünyede kalıntı kuvars ve anortit yapıları, perlitli bünyede kalıntı albit ve camsı fazlar,  volkanik hamma	deli bünyede kalıntı sanidin ve albit fazları, pegmatit ilaveli bünyede ise  kuvars ve kalıntı albit fazları görülmüştür.
 Tespit edilen fazlar XRD analizleriyle karşılaştırıldığında sonuçların birbiriyle  örtüştüğü tespit edilmiştir. %40 ergitici ilaveli bünyelerin sinterleşme sıcaklığı en düşük perlit (966 °C), en yüksek ise volkanik hammaddeli reçetede olduğu görülmüştür (988°C). Flex noktalarındaki genleşme değerleri ve pişme küçülmesi değerlerinin birbirini doğruladığı görülmüştür. 
Perlit ilaveli reçetede ise L* renk değerinde azalma, a* ve b* renk değerlerinde ise artış olduğu görülmüştür. Renk değerlerindeki koyulaşmanın en önemli sebebi Fe2O3 ve TiO2 değerlerinin yüksekliğidir. Camsı fazların rutubet genleşmesinin arttırıcı etki gösterdiği gözlemlenmiştir. Perlitin pişme küçülmesini ve rutubet genleşmesini arttırıcı etki gösterdiği ve  *L değerini(beyazlık) düşürücü etki göstermesinden dolayı kullanımı %10'a kadar önerilmektedir. 
Teknolojik özellikleri irdelenen bünyelerin sonuçlarına göre bünyelerde kullanılan ergitici hammaddelerin seramik duvar karosu üretiminde kullanılabildiği ve bu sonuçların TS EN 14411 standartlarıyla uyumlu olduğu görülmüştür.

Abstract:
Ceramic tiles are floor and wall covering materials produced from ceramic material in slabs of various sizes. Ceramic tiles are classified in different groups according to  ISO 14411 standards which include their production method and water absorption values of final product. According to current ISO Standards, ceramic wall tiles described as GROUP B III water absorption value %20 > E >%10. Regarding technical properties, generally ceramic wall tiles have about %13-18 water absorption value, 200-250 kg/cm2 bending strength, after out of kiln  less then %1> body shrinkage and described as their usage area. As per these, ceramic tiles classified as wall tile. Since raw material reserves are located in certain regions in the ceramic industry, raw material transportation is one of the most important factor that affecting the cost of final product. Therefore, the raw materials to be obtained from the regions where the production is made will provide significant benefits in terms of cost.
Micronized marble (CaCO3), especially used in wall tile recipes, decomposes at 900 °C to CaO and CO2. As a result of decomposition of carbonates, an increase in porosity is observed in the body. In additiont, it is used in wall tile recipes due to melting temperatures. However, their use in prescriptions is limited because they have a porosity increasing effect.
Since they are in the range of 20%> GROUP B III Water Absorption> 10%, it has a highly porous structure compared to ceramic floor tiles and porcelain tiles. Due to the porous structure, their dehumidification capacities are high. In addition, single firing temperatures are in the range of 1100-1150 ° C and they still continue to be offered to users  due to their low production costs.
Regarding industrial ceramic wall tile production, one of the important problem is surface flatness of the body. Due to porous structure of body, the body can be exposured to moisture so that cause surface flatness problem. In addition that cracks may occur due to size increases over time and glaze-body mismatches. In this sense technological properties should be studied very well in production of ceramic wall tiles. Ceramic wall tiles mainly contain clay, kaolin, feldspar and calcite in it's structure. 
The role of feldspars used as melter in ceramic structure; by determining the sintering temperature of the products and they provide the products to pass into the liquid phase and decrease the melting temperatures of the formed bodies. Despite the high amount of feldspar reserves in nature, few formations and low availability of feldspars suitable for the ceramics industry that cause having high costs of them. Therefore, the high cost limits the use of feldspars in prescriptions. 
The aim of this study; It was made to examine the effect of alternative alkali raw materials, which are used as feldspar where obtained from Çanakkale region, on the technological properties of ceramic wall tiles. 
In this study, 4 different feldspar sources were added to the prescriptions with the standard prescription which has not feldspar with the specified rates, and a total of 17 different prescription were composed. According to the wall tile conditions, the prepared prescriptions were subjected to the drying process by grinding them in jet-type mills until the value of grain sizes in the range of 2-2.5%. The dried grains were pressed 325 kg/cm2 in the pressing machine with given 6% moisture after grinding. Pressed 5x10 cm sized rectangular and 5cm diameter round tablets were sintered in wall tile industrial furnaces throughout 43 minutes at 1143°C temperature.
The rheological properties of the sintered tablets such as water absorption, porosity, fired shrinkage, dry strength, fired strength, slip flow rate, % sieve balance were determined. In addition to this, XRD and XRF analyzes, SEM-EDX analyzes, color values (L , a , b ), moisture expansion, dilatometer, optical dilatometer tests were carried out and the ceramic technological properties of the bodies were examined in Kaleseramik R&D laboratories and their usability was  also investigated under laboratories conditions.
Acording to test results, Volcanic, granite, pegmatite, perlite raw materials used as melters can be produced by adding 10%, 20%, 30% and 40% to the structures. When XRF analysis of volcanic, granite, pegmatite and perlite raw materials are examined, Na2O ratio is in the range of 2.85-12.08%; The K2O ratio was found to vary between 2.92-5.82%. While water absorption decreases with the addition of perlite porosity values; It has been observed to increase with the addition of granite, volcanic and pegmatite raw materials. While moisture expansion values decrease as the ratio of granite and pegmatite raw materials increases; It has been observed that as the volcanic and perlite ratio increases, it starts to increase. The strength values increase as the perlite rate increases; as the volcanic, granite and pegmatite raw material ratio increased, a decreasing trend was observed. 
Perlite raw material showing opposite effect compared to other raw materials; It is determined that it has glassy phase structure and its melting temperature is low compared to other raw materials.  In microstructural SEM-EDX analyzes, having quartz and anortite structures in the standard body; residual albite and glassy phases in the perlite added bodies; residual sanidine and albite phases in the volcanic raw material added bodies; quartz and residual albite phases in the pegmatite added bodies were found and they matched with XRD the results.
 The sintering temperature of the 40% melter additives was found to be the lowest perlite (966 ° C) and the highest was on the recipe with volcanic raw materials (988 ° C).It was seen that the expansion values and firing shrinkage values at Flex points confirm each other. In the recipe with perlite addition, it was observed that there was a decrease in L * color value and an increase in a * and b * color values. The most important reason for the darkening of the color values is the high Fe2O3 and TiO2 contents. It has been observed that the moisture expansion of the glassy phases shows an inscreasing effect. It is recommended to use up to 10%, as perlite has an effect of increasing sintering shrinkage and moisture expansion and decreasing the * L value (whiteness). 
According to the results of the bodies whose technological properties are examined, it was seen that the melter raw materials used in the bodies can be used in the production of ceramic wall tiles and these results are in compliance with TS EN 14411 standards.