Effect of magnesium oxide containing raw materials on the technical properties of porcelain insulator body

Abstract

In porcelain insulator bodies, feldspar is generally used as a flux. Today, studies on stoneware, whiteware, ceramic sanitaryware, anorthite-based porcelains, bone porcelains, and ceramic tiles show that in addition to providing plasticizer properties with various magnesium oxide sources, an increase in strength values and a decrease of approximately 50ᴼC in sintering peak temperatures are observed. Substitutability of alkaline earth raw materials as an alternative to high-cost p feldspars for porcelain insulators will reduce raw material costs and create alternative flux sources. In addition, since lowering the sintering times of porcelain insulators will reduce natural gas consumption, it will protect energy resources and enable a more environmentally friendly production. In this study, talc and magnesite, raw materials containing magnesium oxide, were replaced with feldspar in porcelain insulators with different ratios of 0.5-1 and 3%, and their effects on technical properties were investigated. With the increase in the use of talc and magnesite as magnesium oxide sources in the electroporcelain, an increase in % apparent porosity, % water absorption, % firing shrinkage, deformation values, and a decrease in % apparent solid density, unglazed and glazed firing strength values were observed.

Keywords

• Porcelain insulator
• magnesium oxide sources
• magnesite
• talc

Magnezyum oksit içeren hammaddelerin porselen izolatör bünyesi teknik özellikleri üzerine olan etkisi

Öz

Porselen izolatör massesinde akışkanlaştırıcı olarak genellikle feldspat kullanılmaktadır. Günümüzde stoneware, seramik sağlık gereçleri, anortit bazlı porselenler, kemik porselenleri, seramik karoları üzerinde yapılan çalışmalar ile çeşitli magnezyum oksit kaynakları ile akışkanlaştırıcı özellik sağlanması yanı sıra mukavemet değerlerinde artış ve sinterlenme tepe sıcaklıklarında yaklaşık 50ᴼC’lik azalma görüldüğü gözlemlenmektedir. Porselen izolatörler için yüksek maliyetli feldspatlara alternatif olarak toprak alkali içeren hammaddelerin ikame edilebilirliği hammadde maliyetinin azaltılmasını ve alternatif ergitici kaynakları oluşmasını sağlayacaktır. Ayrıca porselen izolatörlerin; sinterlenme sürelerinin azaltılması, doğal gaz tüketiminin azalmasını sağlayacağından hem enerji kaynaklarının korunmasını sağlayacak hem de daha çevreci bir üretime imkân sağlayacaktır. Bu çalışmada magnezyum oksit içeren ham maddelerden talk ve manyezit, porselen izolatör bünyesinde %0,5-1 ve 3 oranlarında, feldspat ile ikame ettirilerek teknik özellikleri üzerine etkileri araştırılmıştır. Elektroporselen bünyesinde magnezyum oksit kaynağı olarak talk ve manyezit kullanımın oranının artması ile beraber % görünür gözeneklilik, % su emme, % pişme küçülmesi, deformasyon değerlerinde artış ve % görünür katı yoğunluk, sırsız ve sırlı pişme mukavemeti değerlerinde azalma gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Porselen izolatör
• magnezyum oksit kaynakları
• manyezit
• talk

References

1. [1] Andrew Ruys, “Alumina Ceramics Biomedical And Clinical Applications”, 1st Edition,- October 20, 2018
2. [2] Gorur R S, Cherney E A And Burnham J T 1999 Outdoor İnsulators (Phoenix, Arizona, USA: Ravi S. Gorur, Inc.) P. 256
3. [3] Indigenous manufacture and characterization of electrical porcelain insulator, nigerian journal of technology, vol. 24, no. 1, march 2005, l. U. ANIH, MNSE, MIEEE department of electrical engineering university of Nigeria, Nsukka
4. [4] Ceramic Raw Material for Porcelain Insulator (CRMPI) (2006), [online], Accessed 10th June 2006, Available from World Wide Web: http//www.dart-europe.en/full-php
5. [5] Buchanan R.C. (1991), Ceramic Material for Electronics, Dekker, New York
6. [6] B. Tarhan ve M. Tarhan, “Çanakkale bölgesi alkali kaynağının seramik sağlık gereçleri bünyesi ısıl ve mikroyapı özellikleri üzerine etkisi”, DÜMF MD, c. 10, sy. 2, ss. 675–687, 2019, doi: 10.24012/dumf.504331
7. [7] Tiryaki, A., Avcı, C. A., Karakaya, C., Yıldız, A., vd. (2023). “Eşme/Uşak Alkali Kaynağının Elektroporselen Bünyesinde Kullanılmasının Araştırılması” International Journal of Engineering Research and Development, 15(2), 722-730
8. [8] Tarhan, M., ve Tarhan, Ş. B. (2019). “Sırlı Porselen Karo Üretimi için Alternatif Hammadde Olarak Eşme/Uşak Feldspatı” Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 19(2), 429-438

9. [9] Tarhan, B., Tarhan, M. “Utilization of perlite as an alternative raw material in the production of ceramic sanitaryware” J Therm Anal Calorim 147, 3509–3518 (2022)
10. [10] Tarhan, B., & Tarhan, M. (2022). “Alümina Porselen Bünyelerde Spodumen İlavesinin Teknik Özelliklere Etkisinin Araştırılması” International Journal of Engineering Research and Development, 14(1), 262-270
11. [11] Mukhopadhyay, T.K., Das, M., Ghosh, S., Chakrabarti, S., Ghatak, S. (2003), “Microstructure and thermo mechanical properties of a talc doped stoneware composition containing illitic clay”, Ceramics International, 29, 587-597
12. [12] Daniel Magagnin, Carla Margarete Ferreira dos Santos, Augusto Wanderlind, Jeanini Jiusti, Agenor De Noni, “Effect of kaolinite, illite and talc on the processing properties and mullite content of porcelain stoneware tiles”, Materials Science and Engineering: A, Volume 618, 2014, Pages 533-539
13. [13] V. Biasini, M. Dondi, G. Guarini, M. Raimondo, A. Argnani, S. di Primio, “Effect of talc and chlorite on sintering and technological behaviour of porcelain stoneware tiles”, Sil. Ind. 68 (2003) 67–73
14. [14] M.F. Serra, M. Picicco, E. Moyas, G. Suárez, E.F. Aglietti, N.M. Rendtorff, “Talc, Spodumene and Calcium Carbonate Effect as Secondary Fluxes in Triaxial Ceramic Properties”, Procedia Materials Science, Volume 1, 2012, Pages 397-402
15. [15] Z.Bayer Ozturk, N.Ay, An investigation of the effect of alkaline oxides on porcelain tiles using factorial design, J.Ceram. Processing Res. Vol. 13, No. 5, pp. 635~640 (2012).
16. [16] C. Zanelli, M. Raimondo, G. Guarini, M. Dondi, “The vitreous face of porcelain stoneware: Composition, evolution during sintering and physical properties”, J. Non Cryst. Solids 357 (2011) 3251–3260
17. [17] E. Sánchez, M.J. Orts, J. García–Ten, V. Cantavella, Porcelain tile composition effect on phase formation and end products, Am. Ceram. Soc. Bull. 80 (2001) 43–49.
18. [18] B.Tarhan ve M.Tarhan, “Development Of Waterproof Engobe Layer For Ceramic Wall Tiles”, Journal Of Thermal Analysis And Calorimetry, Cilt.140, Sa.2, Ss.555-565, 2020
19. [19] M.Tarhan, Porselen Karo Bünyelerinde Sinterleme Hızı - Kompozisyon İlişkiler, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Seramik Mühendisliği Anabilim Dalı ,2010
20. [20] T.Aydın , M.Tarhan, B.Tarhan, “Addition of cement kiln dust in ceramic wall tile bodies”, Journal Of Thermal Analysis And Calorimetry cilt.136,sa.2,2018
21. [21] Tunçel, D.Y., Özel, E. “Evaluation of pyroplastic deformation in sanitaryware porcelain bodies”. Ceram Int. 38, (2012).
22. [22] Güngör, F., & Ay, N. (2018) “The effect of particle size of body components on the processing parameters of semi-transparent porcelain”. Ceramics International, 44(9), 10611-10620
23. [23] N.Kunduracı , Ş.B.Tarhan, C.Sarısakal, “Seramik Sağlık Gereçleri Ürünlerinde Piroplastik Deformasyonun Azaltılmasına Bağlı Olarak Geliştirilen Kompozisyonların Üretim Maliyeti Açısından Değerlendirilmesi”, Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi cilt 11 sayı 2 sayfa: 474 - 480 2019
24. [24] C. Zanelli, M. Raimondo, M. Dondi, G. Guarini, P.M.T. Cavalcante, “Sintering mechanisms of porcelain stoneware tiles”, in: Qualicer 2004 – Congr. Mund. La Calid. Del Azulejo Y Del Paviment, Cerámico, Castellón, 2004, pp. 247–259
25. [25] M.W. Vance, “Relationship of feldspar properties to surface and volume defects in porcelains”, Masters thesis, Missouri University of Science and Technology, 1967.
26. [26] W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, 2nd ed., John Wiley & Sons, New York, 1976
27. [27] E.E. Gültekin, Effect of heating rate and sintering temperature on the elastic modulus of porcelain tiles”, 83 (2018) 120–125
28. [28] M. Oberzan, J. Holc, M. Buh, D. Kusˇcer, I. Lavrac, M. Kosec, “High-alumina porcelain with the addition of a Li2O-bearing fluxing agent”, J. Eur. Ceram. Soc. 29 (2009) 2143–2152
29. [29] T. Tarvornpanich, G.P. Souza, W.E. Lee, “Microstructural evolution on firing soda-lime-silica glass fluxed whitewares”, J. Am. Ceram. Soc. 88 (2005) 1302–1308
30. [30] C. Leonelli, F. Bondioli, P. Veronesi, M. Romagnoli, T. Manfredini, G.C. Pellacani, V. Cannillo, “Enhancing the mechanical properties of porcelain stoneware tiles: a microstructural approach”, J. Eur. Ceram. Soc. 21 (2001) 785–793
31. [31] E. Sánchez, M.J. Ibánez, ˜ J. García-Ten, M.F. Quereda, I.M. Hutchings, Y.M. Xu, “Porcelain tile microstructure: implications for polished tile properties”, J. Eur. Ceram. Soc. 26 (2006) 2533–2540
32. [32] H.J. Alves, F.B. Minussi, F.G. Melchiades, A.O. “Boschi, Porosidade susceptível ao manchamento em porcelanato polido”, Cerâm. Ind. 14 (2009) 21–26
33. [33] F.H. Norton, Cerámica Fina Tecnología y Aplicaciones, Ediciones Omega, S.A., Barcelona, 1975
34. [34] E.E. Gültekin, G. Topates¸, S. Kurama, “The effects of sintering temperature on phase and pore evolution in porcelain tiles”, Ceram. Int. 43 (2017) 11511–11515
35. [35] E. Sánchez, J. García-Ten, V. Sanz, A. Moreno, “Porcelain tile: almost 30 years of steady scientific-technological evolution”, Ceram. Int. 36 (2010) 831–845
36. [36] M. Romero, A. Andrés, R. Alonso, J. Viguri, J.M. Rincón, “Sintering behaviour of ceramic bodies from contaminated marine sediments”, Ceram. Int. 34 (2008) 1917–1924
37. [37] Tarhan M. “Whiteness improvement of porcelain tiles incorporated with anorthite and diopside phases”. J Therm. Anal. Calorim. 2019.
38. [38] Zoellner, A.,” Same chemical and physical properties of porcelains”, Sprechsaal, 41,471-73 (1908)
39. [39] Sane, S.C ve Cook, R.L., “Effect of grinding and firing treatment on the crystalline and glass content and the physical properties of whiteware bodies”, J. Am. Ceram. Soc., 34, 145 (1951)
40. [40] Mattyasovszky, L. ve Solnay, Z., “Mechanical strength of porcelain”, J. Am. Ceram. Soc., 40, 299-306 (1957).
41. [41] Carty, W.M. V. Senapati, U., “Porcelain-raw materials, processing, phase evaluation and mechanical behavior”, J. An1. Ceram. Soc., 81, 3-20 (1998)
42. [42] Tarhan, B., Tarhan, M., Aydin, T., “Reusing sanitaryware waste products in glazed porcelain tile production”. Ceram Int. 43, (2017).