Seramik Üretimi Açısından Kaolen-Polielektrolit Etkileşimlerinin

Aşağıda, son 10 yılda, çeşitli araştırıcılar tarafından bazı polielektrolitlerin kaolenle olan etkileşimini seramik üretimi açısından (özellikle döküm yoluyla şekillendirilen seramiklerin yapımında daha yüksek oranlarda kaolen kullanımına olanak sağlamak amacıyla) inceleyen ve genelde adsorpsiyon ve reolojik bazlı çalışmalarla desteklenen bazı araştırmaların sonuçları özet olarak verilmektedir.

Staneva, N. ve arkadaşları (1996), ağırlıkça %48.7 kil-kolen, %19.9 kuvars ve %31.4 feldspat reçetesinden oluşan ticari porselen döküm çamuruna ilave ettikleri sodyum tripolifosfat (NaTPF) ve NaTPF-Na2SiO3 elektrolit kombinasyonlarının döküm çamurunun viskozitesini düşürerek uygun akışkanlıkta ve daha yüksek katı içerikli döküm çamuru elde edilmesine olanak sağladığını ve bu durumun başta kuruma maliyetleri olmak üzere diğer döküm proses maliyetlerinde ciddi azalmalara neden olduğunu kaydetmişlerdir.

Blockhous, F. ve arkadaşları (1997); poliakrilik asit-polimaleik asit (PAA-PMLA) kopolimerinin kaolen üzerindeki adsorpsiyon mekanizmasını iyonik güce, pH’ya ve

iyonik güç arttıkça pH’nın da artışıyla birlikte polimerin iyonlaşma derecesinin artış gösterdiğini belirtmişlerdir. Ayrıca, pH yükseldikçe ve/veya iyonik güç azaldıkça polimerin kaolen üzerindeki adsorpsiyonunda azalma olduğu, bunun nedeni olarak ta taneler arasındaki elektrostatik etkileşimlerin sistemin sahip olduğu iyonik güçten daha fazla etkin olduğu görüşünü dile getirmişlerdir. En yüksek polimer adsorpsiyonunun, düşük pH ve yüksek tuz konsantrasyonu içeren ortamda elde edildiği belirtilmiştir.

Sjöberg, M. ve arkadaşları (1999), kaolen numuneleri üzerinde polimerlerin adsorpsiyon davranışlarını incelemek üzere sodyum karboksimetil selülöz (NaCMC) ve sodyum poliakrilik asit (NaPAA) anyonik polielektrolitlerini ve iyonik olmayan polivinil alkol’ün (PVA) etkilerini gözlemişlerdir. Iki ana başlık altında sürdürülen çalışmalar neticesinde, NaCMC’nin bireysel adsorpsiyonuna göre NaPAA ile önceden muamele edilen kaolen numunelerinde adsorpsiyon miktarının belirgin bir azalmaya sebep olduğu, bunun yanısıra PVA’nın yine NaPAA varlığında ise adsorpsiyon miktarının kısmen azaldığı gözlemlenmiştir. Bunun nedeni olarak NaCMC ile NaPAA’nın anyonik karakterli yapıları olmaları nedeniyle kaolenin aynı yüzeylerine adsorbe olabilmek için yarıştıkları ve NaPAA’nın daha etkili adsorpsiyon gücünün olması nedeniyle NaCMC’nin NaPAA varlığında adsorpsiyon kabiliyetinin çok azaldığı belirtilmiştir. PVA adsorpsiyonundaki azalma ise PVA’nın iyonik olmayan yapısı nedeniyle NaPAA ile adsorpsiyon yarışı yaparken sadece kaolenin negatif yüzeylerine adsorbe olabildiği, pozitif yüzeylere tutunabilmek için ise NaPAA’ya karşı daha zayıf kaldığı için adsorpsiyon kabiliyetinin azaldığı belirtilmiştir. Guldberg, H. ve arkadaşları (2000); anyonik poliakrilik asidin, seramik süspansiyonlarını oluşturan tanecikler arasında nasıl bir etki mekanizması oluşturduğunu açıklayabilmek için zirkon numuneleri üzerinde farklı pH’larda ve iyonik ortamlarda adsorpsiyon çalışmaları yapmış ve tanecikler arası etkileşimleri atomik kuvvet mikroskopuyla ve elipsometri analizleriyle açıklamaya çalışmışlardır. Netice olarak tanecikler arası etkileşimlerin, elektrosterik olduğunu yani elektrostatik ve sterik etkilerin bir kombinasyonu olduğu sonucuna ulaşmışlardır.

Brezina M. J. ve Thomas R. J. (2000) ise, dökümle şekillendirilerek pişirilen saniter seramiklerinde döküm hızı ve kuru mukavemet arasındaki ilişkiyi seramik çamurunu oluşturan tanelerin boyutlarına ve çamura ilave ettikleri ticari patentlere sahip birtakım polimerik katkılara bağlı olarak incelemiş ve bu özelliklerin polimerik katkılarla iyileştirilebileceği sonucuna ulaşmışlardır.

Sundlof B. R. ve arkadaşları (2000); seramik üretiminde bağlayıcı, plastikleştirici veya dispersant amacıyla katkı olarak kullanılan bazı ticari polimerlerin kullanımıyla elde edilen seramik bünyelerin ham halde ve pişme sırasında ısıl faz değişimlerini incelemişlerdir. Bu araştırmacılar özetle, seramik bünyeyi oluşturan hammaddelerin mineralojik bileşimine göre bu katkı maddelerinin değişik etkilere sebep olduğunu vurgulamışlardır.

Millan A. J. ve arkadaşları (2000), polimer katkısıyla döküm çamuru yoğunluğunun artırılması ve elde edilen çamurların reolojik olarak yaşlanma durumunu araştırmışlardır. Bu araştırıcılar, optimum bir yoğunluk değerinde elde ettikleri seramik çamuruna, bu sürece kadar harcanan miktara ilave olarak %50’lik daha polimer ilavesi yapılarak, bu çamurun birkaç gün daha yaşlanmadan kalabileceğini gözlemişlerdir.

Backfolk K.A. ve arkadaşlarınca (2001) yapılan başka bir çalışmanın konusu ise kaolen süspansiyonları üzerinde iyonik olmayan polivinil asetatın adsorpsiyonu hakkındadır. Amaç, elektroakustik yöntem kullanılarak dinamik mobilite ile adsorpsiyon mekanizması arasındaki muhtemel ilişkiyi ortaya çıkaracak veriler elde etmektir. Ayrıca adsorpsiyon entalpisi ile dinamik mobilite arasında da bir ilişki olup olmadığı yine bu çalışma kapsamında ele alınmıştır. Bu araştırıcılar, limit bir adsorpsiyon konsantrasyonu aralıklarında dinamik mobilitenin lineer olarak değiştiğini, ancak saptanan bu sonucun yeterli bir veri olmadığını belirtmişlerdir. Kaolenin sahip olduğu mineralojik bileşimden dolayı ayrıca, sistemde bulunan birtakım iyonların adsorpsiyon-desorpsiyon durumları, polimerin adsorpsiyon entalpisi ile taneciklerin stabilizasyonu arasında da net bir ilişkinin ortaya konmasını engellediği de yine bu çalışmanın sonuçları arasındadır.

Papo A. ve arkadaşlarının (2002) yaptığı farklı bir çalışmada ise kaolen süspansiyonlarının reolojik özellikleri üzerinde Na-tripolifosfat (NaTPF) ve polifosfatın (PP) etkisi araştırılmış, iki farklı reolojik akış durumu tespit edilmiştir. NaTPF ile tiksotropik (kalınlaşan akış) ve PP ile ise reopektik (incelen akış) akış davranışları tespit edilmiştir. Her iki polimer de viskozite düşürücü olarak etkin rol oynamalarına rağmen, kalınlaşan akış davranışını gösteren NaTPF’nin süspansiyondaki tanecikleri birbirinden uzaklaştırmada çok fazla etkin olamadığı, dispersiyonun oluşmasında kesme kuvvetlerinin etkin olduğu ve kesme kuvvetlerinin ortadan kalkışıyla birlikte tanelerin yeniden aglomera olma davranışı içerisine girdikleri belirtilirken, PP’nin etkisinin ise daha ziyade sterik olarak tanecikler üzerine adsorbe olması nedeniyle tanelerin birbirinden uzaklaşmasında daha etkin rol aldığı

Zaman A.A. ve arkadaşları (2002) ise, düşük molekül ağırlıklı poliakrilik asidin kaolen üzerindeki adsorpsiyon mekanizmasını sistematik olarak incelemeyi amaçlamış ve bunun için kaolenin yapı taşları olan saf silika ve alümina üzerinde bu polimerin adsorpsiyonunu araştırmışlardır. Ayrıca tespit edilen sonuçları FTIR/ATR çalışmalarıyla destekleyerek poliakrilik asidin anyonik uçlarının kaolen üzerinde sadece alümina sitelerine adsorbe olduğunu, silika ile hiçbirşekilde etkileşime girmediğini gözlemişlerdir. Yapılan çalışmalar pH 7 de sürdürülmüş ve alınan sonuçlar daha once pH 8.5’ta Sjöberg, M. ve arkadaşları (1999) tarafından yapılan benzer çalışma sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. Saptanan bulgulara göre pH’nın artışıyla birlikte poliakrilik asidin kaolen üzerindeki adsorpsiyonunun azaldığı, bunun nedeni olarak ta yüksek pH’larda kaolen üzerindeki alümina sitelerinin pozitif (+) yükünün negatife (-) dönüşmesinden kaynaklanan polimer üzerindeki anyonik karakterli COO- gruplarının sterik olarak alümina sitelerine bağ yapmakta güçlük çekmesi gösterilmiştir.

Marco P. ve arkadaşları (2004); yüksek katı içerikli kaolen süspansiyonları elde amacıyla 3 değişik kimyasal bileşime sahip polielektrolit numunesini dispersant olarak kullanarak çeşitli reolojik çalışmalar yapmışlardır. Bu araştırıcıların elde ettikleri bulgulara göre, polimer zincirleri üzerindeki etkin hidrofilik grupları kuvvetli asitlerden oluşan polielektrolitlerin kullanımıyla düşük ve stabil bir viskozite ile tiksotropi oluşturmadan yüksek katı içerikli kaolen süspansiyonlarının elde edilebileceği, buna karşın hidrofilik grupları daha az olan zayıf asitlerden oluşmuş olan polielektrolitlerin ise viskozite düşürücü olarak daha az etkin rol oynadıkları sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca hidrofilik grupların sayıca fazla olmasının polimerin molekül ağırlığıyla direkt ilişkili olduğu ve molekül ağırlığı arttıkça polimer zincirlerinin sahip olduğu hidrofilik uçların da artacağı belirtilmiştir.

Polimer zincirlerindeki hidrofilik grupların çeşitli kil mineralleri ve kaolen üzerindeki davranışı, ayrıca Tobori N. ve ark. (2003), Guldberg H. ve ark. (2000) ve Bergstöm L. (1998) tarafından yapılan adsorpsiyon çalışmalarıyla araştırılmış ve bu grupların kil-kaolen taneleri üzerine sterik olarak adsorbe olduğu ve bu nedenle süspansiyondaki taneciklerin Van der Waals kuvvetleri nedeniyle birbirlerine yaklaşmasını engelleyerek elektrostatik itmelere neden olacak sterik bir bariyer oluşturduğu teorisi ortaya atılmıştır.

Eygi M.S (2005) ise, saniter seramiklerinin yapımında kullanılan üç değişik bölge kaoleni üzerinde üç farklı polielektrolitin ve polielektrolit olmayan Na2SiO3’ün etkinliğini araştırmıştır. Bu araştırıcı, polimer kullanımıyla kaolenlerin özellikle döküm

konsantrasyonu ve kuru mukavemetinde ciddi artışların meydana geldiğini ve döküm çamurunda tiksotropi oluşumunun engellendiğini gözlemiştir.

Literatürde, yukarıda özetleri verilen kaolen-polielektrolit etkileşimlerinin seramik üretimi açısından ve/veya bu konuyla ilişkili olarak incelendiği düşünülen çalışmalar dışında, çeşitli organik ve inorganik dispersantların ya da bünyesinde çeşitli organik bileşikler içeren seramik kili ve kaolenlerinin döküm çamurlarının reolojisi, döküm özellikleri veya şekillendirilen seramik ürünlerin kalitesi üzerindeki etkinliğini inceleyen bazı çalışmalara da rastlanılabilmektedir. Bunlardan bazıları aşağıda özetlenmiştir.

Leese, S.M. ve arkadaşları (1996), döküm çamurlarında organik içeriklerin etkilerini araştırdıkları bir çalışmada, kil bünyesine katılan çeşitli organik bileşiklerin deflokülant ihtiyacını azaltarak hem süspansiyon reolojisine olumlu etki yaptığı sonucuna ulaşmışlar hem de seramik ürününün şekillendirilmesi sonrası bünyedeki nem miktarının organik madde artışı ile azaldığını belirtmişlerdir. Ayrıca aynı çalışmada döküm kalitesinin kullanılan suyun sertlik derecesine göre değiştiği de gözlem sonuçlarına yansıtılmıştır. Benzer şekilde, Lopez, B.M.C. (1998) ise arkadaşlarıyla yaptığı farklı bir çalışmada bu çalışmada olduğu gibi kil bünyesinde bulunan organiklerin deflokülasyon üzerinde etkili olduğunu belirtmişlerdir.

Diğer yandan, Kara, F. ve arkadaşları (1999), inorganik ve organik bazlı deflokülantların seramik kaplama malzemeleri bünyesinde kullanılan istanbul ve söğüt bölgesi killeri üzerindeki etkisini gözlemek amacıyla araştırmalar yapmışlar ve organik bazlı deflokülantların inorganik bazlı deflokülantlara göre döküm çamuru viskozitesini düşürmede daha etkili olduğu, ancak her iki deflokülantın aynı anda kullanılması durumunda tek başlarına yaptıkları etkiden çok daha etkin deflokülasyona sebep olduklarını gözlemişlerdir. Benzer şekilde, Özel E. ve arkadaşları (1999) ise saniter seramiklerinin yapımında çeşitli elektrolitlerin viskozite düşürücü olarak farklı etkilere sahip olduğunu, kullanılan suyun sertlik derecesi ve reçetenin mineralojik bileşimine bağlı olarak elde edilecek seramik ürününün kalitesinde elektrolit seçiminin önemli bir parametre olduğunu belirtmişlerdir.

Aduda, B.O. ve arkadaşlarının (1999) yaptığı ilginç bir çalışmada ise latince ismi Corchirus Olitorius olan bir bitkinin yapraklarının kaynatılmasından elde edilen polimerik şurubun (organik bağlayıcı) çeşitli konsantrasyonlarda kullanımı ile kaolenin pişme mukavemetinin arttığı sonucuna ulaşılmıştır.

lokal olarak birbirine çok yakın olan bu 3 kil numunesinin mineralojik içerik olarak birbirlerinden çok farklı olmamalarına rağmen reolojilerinin oldukça farklı olduğunu belirtmişlerdir.

Yersel H. G. ve Taçyıldız E. (2000); kuvars (Kütahya, Simav), feldspat (Aydın, Çine), plastik kil ve kaolen (Balıkesir, İstanbul ve Bilecik) numunelerinden oluşturdukları farklı saniter reçetelerinde, bu hammaddelerin değişik oranlarda kullanımlarının döküm özellikleri üzerindeki önemi ortaya koymuşlardır. Bu araştırmacılar, nihai ürün kalitesi için en iyi sonuçlar plastik kil-kaolen yüzdesi en fazla olan reçeteye sahip seramik ürünlerden alındığını belirtmişlerdir.