INVESTIGATING THE EFFECTS OF HEATING RATE AND SINTERING TEMPERATURE ON THE WATER ABSORPTION, OPEN AND TOTAL POROSITIES OF PORCELAIN TILES VIA EXPERIMENTAL DESIGN METHOD

Abstract

   The microstructure of the ceramics is controlled by process parameters. The process parameters are divided into material parameters and sintering parameters. The particle size, composition and viscosity depend on the material. Heating rate, furnace atmosphere and temperature are the parameters of sintering. In this study, all other factors are kept constant to determine the effect of sintering temperature and heating rate parameters affecting the microstructure of porcelain tiles on the amounts of water absorption, open and total porosities. Experiments were designed as a 3² full factorial experimental design, with the individual effects of two main factors and their interaction being determined. Water absorption, open and total porosity values were analyzed using a MINITAB 17 statistical software program. Porcelain tiles having the lowest water absorption, open and total porosity values were produced at a sintering temperature of 1220 °C and a heating rate of 40 °C/min. under the undertaken experimental conditions.

Keywords

• Experimental design,sintering,porcelain tile,porosity,water absorption

PORSELEN KAROLARIN SU EMME, AÇIK VE TOPLAM GÖZENEK MİKTARLARINA SİNTERLEME SICAKLIĞI VE ISITMA HIZININ ETKİLERİNİN DENEY TASARIMI YÖNTEMİYLE İNCELENMESİ

Öz

   Seramiklerin mikroyapısı, süreç parametreleri tarafından kontrol edilmektedir. Süreç parametreleri ise malzeme parametreleri ve sinterleme parametreleri şeklinde ikiye ayrılmaktadır. Tane boyutu, kompozisyon ve viskozite malzemeye bağlıdır. Isıtma hızı, fırın atmosferi ve sıcaklığı ise sinterleme parametreleridir. Bu çalışmada, porselen karoların mikroyapısını etkileyen parametrelerden sinterleme sıcaklığının ve ısıtma hızının, su emme üzerindeki etkisi ile açık ve toplam gözenek miktarı üzerindeki etkisini belirleyebilmek amacıyla tüm diğer faktörler sabit tutulmuştur. Deneyler, 3² tam faktörlü deney tasarımına göre planlanmış, 2 ana faktörün etkisi ve bunların birbirleriyle olan etkileşimi incelenmiştir. Su emme miktarları ile açık ve toplam gözenek miktarları MINITAB 17 istatistiksel paket programı kullanılarak analiz edilmiştir. İncelenen deney koşullarında, en düşük su emme ile en düşük açık ve toplam gözenek miktarlarına sahip porselen karolar 1220 °C sinterleme sıcaklığında ve 40 °C/dk. ısıtma hızıyla sinterlenerek üretilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Deney tasarımı,sinterleme,porselen karo,gözenek,su emme

Kaynakça

1. [1] ACCHAR, W., DULTRA, E.J.V., Ceramic Materials from Coffee Bagasse Ash Waste, Springer Briefs in Applied Sciences and Technology, Springer International Publishing, Switzerland, 2015.
2. [2] COBLE, R.L., BURKE, J.E., Sintering in Ceramics. In J.E. BURKE (Ed.), Progress in Ceramic Science (pp. 197-251), Volume 3, Pergamon Press, Oxford, UK, 1963.
3. [3] http://www.cnr.it/istituti/ProdottoDellaRicerca.html?cds=073&id=90786 (erişim tarihi 06.10.2017)
4. [4] RILEY, F.L., Structural Ceramics, Fundamentals and Case Studies, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2009.
5. [5] JAZAYERI, S.H., SALEM, A., TIMELLINI, G., RASTELLI, E., “A Kinetic Study on the Development of Porosity in Porcelain Stoneware Tile Sintering”, Bol. Soc. Esp. Ceram., 46(1), 1-6, 2007.
6. [6] TAMSÜ, N., Parlatılmış Porselen Karonun Lekelenme Direncinin Arttırılması, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, Türkiye, 2010.
7. [7] VIEIRA, M.T., CATARINO, L., OLIVEIRA, M., SOUSA, J., TORRALBA, J.M., CAMBRONERO, L.E.G., GONZÁLEZ-MESONES, F.L., VICTORIA, A., “Optimization of the Sintering Process of Raw Material Wastes”, J. Mater. Process. Tech., 92-93, 97-101, 1999.
8. [8] MARTÍN-MÁRQUEZ, J., RINCÓN, J.M., ROMERO, M., “Effect of Firing Temperature on Sintering of Porcelain Stoneware Tiles”, Ceram. Int., 34, 1867-1873, 2008.

9. [9] LEONELLI, C., BONDIOLI, F., VERONESI, P., ROMAGNOLI, M., MANFREDINI, T., PELLACANI, G.C., CANNILLO, V., “Enhancing the Mechanical Properties of Porcelain Stoneware Tiles: A Microstructural Approach”, J. Eur. Ceram. Soc., 21(6), 785-793, 2001.
10. [10] DE’ GENNARO, R., CAPPELLETTI, P., CERRI, G., DE’ GENNARO, M., DONDI, M., GUARINI, G., LANGELLA, A., NAIMO, D., “Influence of Zeolites on the Sintering and Technological Properties of Porcelain Stoneware Tiles”, J. Eur. Ceram. Soc., 23(13), 2237-2245, 2003.
11. [11] LUZ, A.P., RIBEIRO, S., “Use of Glass Waste as a Raw Material in Porcelain Stoneware Tile Mixtures”, Ceram. Int., 33, 761-765, 2007.
12. [12] RAMBALDI, E., CARTY, W.M., TUCCI, A., ESPOSITO, L., “Using Waste Glass as a Partial Flux Substitution and Pyroplastic Deformation of a Porcelain Stoneware Tile Body”, Ceram. Int., 33, 727-733, 2007.
13. [13] TUCCI, A., ESPOSITO, L., MALMUSI, L., RAMBALDI, E., “New Body Mixes for Porcelain Stoneware Tiles with Improved Mechanical Characteristics”, J. Eur. Ceram. Soc., 27(2-3), 1875-1881, 2007.
14. [14] KITOUNI, S., HARABI, A., “Sintering and Mechanical Properties of Porcelains Prepared from Algerian Raw Materials”, Cerâmica, 57, 453-460, 2011.
15. [15] MUSTAFI, S., AHSAN, M., DEWAN, A.H., AHMED, S., KHATUN, N., ABSAR, N., “Effect of Waste Glass Powder on Physico-mechanical Properties of Ceramic Tiles”, Bangladesh J. Sci. Res., 24(2), 169-180, 2011.
16. [16] KAYACI, K., ÖVEÇOGLU, M.L., GENÇ, S.C., ERDOGAN, M., “Investigation on Usage of the Karaköy Granites (Bilecik, NW Turkey) in Porcelain Tile Production”, Ind. Ceram., 31, 1-10, 2011.
17. [17] ALVES, H.J., MELCHIADES, F.G., BOSCHI, A.O., “Effect of Feldspar Particle Size on the Porous Microstructure and Stain Resistance of Polished Porcelain Tiles”, J. Eur. Ceram. Soc., 32, 2095-2102, 2012.
18. [18] EREN GÜLTEKİN, E., TOPATEŞ, G., KURAMA, S., “The Effects of Sintering Temperature on Phase and Pore Evolution in Porcelain Tiles”, Ceram. Int., 43(14), 11511-11515, 2017.
19. [19] PÉREZ, J.M., RINCÓN, J.M., ROMERO, M., “Effect of Moulding Pressure on Microstructure and Technological Properties of Porcelain Stoneware”, Ceram. Int., 38, 317-325, 2012.
20. [20] SALEM, A., JAZEYERI, H., TUCCI, A., TIMELLING, G., “Influence of Firing Temperature and Soaking Time on Sintering of Porcelain Stoneware Tiles”, Ceram. Forum Int., 80(9), 66-70, 2003.
21. [21] ABADIR, M.F., SALLAM, E.H., BAKR, I.M., “Preparation of Porcelain Tiles from Egyptian Raw Materials”, Ceram. Int., 28(3), 303-310, 2002.
22. [22] MONTGOMERY, D.C., Design and Analysis of Experiments, John Wiley and Sons, New York, USA, 2001.
23. [23] SANTOS-BARBOSA, D., HOTZA, D., BOIX, J., MALLOL, G., “Modelling the Influence of Manufacturing Process Variables on Dimensional Changes of Porcelain Tiles”, Adv. Mater. Sci. Eng., 1, 1-12, 2013.
24. [24] BAYER OZTURK, Z, AY, N., “An Investigation of the Effect of Alkaline Oxides on Porcelain Tiles Using Factorial Design”, J. Ceram. Process. Res., 13(5), 635-640, 2012.
25. [25] SUVACI, E., TAMSU, N., “The Role of Viscosity on Microstructure Development and Stain Resistance in Porcelain Stoneware Tiles”, J. Eur. Ceram. Soc., 30(15), 3071-3077, 2010.
26. [26] TARHAN, M., Porselen Karo Bünyelerinde Sinterleme Hızı-Kompozisyon İlişkileri, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, Türkiye, 2010.
27. [27] PAGANELLI, M., “Using the Optical Dilatometer: To Determine Sintering Behavior”, Am. Ceram. Soc. Bull., 81(11), 25-30, 2002.
28. [28] FRAGASSA, C., “Limits in Application of International Standards to Innovative Ceramic Solutions”, Int. J. Qual. Res., 9(2), 279-298, 2015.
29. [29] ANDREOLA, F., LEONELLI, C., ROMAGNOLI, M., MISELLI, P., “Techniques Used to Determine Porosity”, Am. Ceram. Soc. Bull., 79, 49-52, 2000.
30. [30] EREN GÜLTEKİN, E., “The Effect of Heating Rate and Sintering Temperature on the Elastic Modulus of Porcelain Tiles”, Ultrasonics, 83, 120-125, 2018.
31. [31] EREN, E., Çinko Oksit İlavesinin Porselen Özelliklerine Etkilerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, Türkiye, 2006.
32. [32] EREN, E., ERGİNEL, N., AY, N., “Porselen Mukavemetine Hammaddelerin ve Sıcaklığın Etkisi”, VI. Uluslararası Katılımlı Seramik Kongresi, Türk Seramik Derneği-Sakarya Üniversitesi, 55-60. Sakarya, Türkiye, 2006.
33. [33] DAS, S.K., DANA, K., “Differences in Densification Behaviour of K- and Na-feldspar-containing Porcelain Bodies”, Thermochim. Acta, 406, 199-206, 2003.
34. [34] EREN GÜLTEKİN, E., SARI, H., KURAMA, S., “Seramik Sağlık Gereçlerinin Sinterleme Sıcaklığının Fiziksel Özelliklere ve Tahribatsız Muayane Yöntemine Etkisi”, Anadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi A- Uygulamalı Bilimler ve Mühendislik, 17(3), 438-446, 2016.
35. [35] BİNAL, G., Yer Karosu Süreç Parametrelerinin Faktöriyel Tasarım ile İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, Türkiye, 2007.
36. [36] BİNAL, G., ERGİNEL, N., AY, N., “Deney Tasarımı ile Süreç Parametrelerinin Optimizasyonu”, IV. Uluslararası Katılımlı Seramik, Cam, Emaye, Sır ve Boya Semineri, Türk Seramik Derneği, 131-140. Eskişehir, Türkiye, 2007.
37. [37] KAYA, G., KARASU, B., CAKIR, A., “Characterization of Diopside-based Glass-ceramic Porcelain Tile Glazes Containing Borax Solid Wastes”, J. Ceram. Process. Res., 12(2), 135-139, 2011.