Investigation of the Effect of Spodumene Addition on Technical Properties in Alumina Porcelain Bodies

Year 2022, Volume: 14 Issue: 1, 262 - 270, 31.01.2022

Baran Tarhan , Müge Tarhan

https://doi.org/10.29137/umagd.1036965

Abstract

Porcelain bodies are among the preferred ceramic products in many fields due to their superior technical properties (physical, mechanical, thermal, etc.). The firing cycles of porcelain bodies, which are mostly fired at temperatures of at least 1200°C and above, vary depending on the product design, size, and body compositions. Increasing energy costs in the world have a negative impact on the production costs of these products, which are sintered at high firing temperatures and long firing cycles. Based on this idea, reducing the sintering temperatures of high alumina porcelain bodies will be of great importance in terms of energy costs and efficiency. In the study, the use of spodumene in high alumina porcelain bodies was investigated and its effects on the technical properties of the bodies were investigated. New body recipes were created by gradually adding Spodumene to the standard high alumina porcelain body recipe. The prepared bodies were fired in an industrial tunnel oven for 14 hours at 1225°C. The rheological properties (density, viscosity, thixotropy, thickness) of the prepared porcelain clays were measured, and all physical properties of the fired bodies were examined. The thermal expansion coefficients of the structures were determined by the dilatometer. The developed phases in the bodies during the sintering process were determined by X-ray diffractometry, and their microstructures were examined by SEM (scanning electron microscope). According to the results, while the use of spodumene in high alumina porcelain body did not change the rheological properties of the slip, it had significant effects on the fired properties of the bodies. With the addition of spodumene, the sintering behavior of the bodies improved, the water absorption of the bodies decreased and the firing shrinkage increased. In addition, a significant increase in the mechanical behavior of the bodies was detected. However, the use of spodumene caused a significant increase in the deformation of the bodies. As a result, it shows that optimizations can be made in order to reduce the firing temperature and time in firing conditions by using spodumene in high alumina porcelain bodies and by controlling the technical properties and microstructures of the bodies.

Keywords

Alumina porcelain, spodumene, sintering

Alümina Porselen Bünyelerde Spodumen İlavesinin Teknik Özelliklere Etkisinin Araştırılması

Abstract

Porselen bünyeler sahip oldukları üstün teknik özellikleri (fiziksel, mekanik, ısıl vb.) nedeni ile pek çok alanda tercih edilen seramik ürünler arasında yer almaktadır. Çoğunlukla en az 1200°C ve üzerindeki sıcaklıklarda pişirilen porselen bünyelerin pişirim süreleri ürün tasarımı, boyutu ve bünye kompozisyon tasarımına bağlı olarak değişmektedir. Ülkemizde gün geçtikçe artan enerji maliyetleri pişirim sıcaklığı yüksek ve uzun pişirim sürelerinde sinterlenen bu ürünlerin üretim maliyetlerini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu düşünceden hareketle yüksek alüminalı porselen bünyelerin sinterleme sıcaklıklarının düşürülmesinin enerji maliyetleri ve verimlilik açısından önemi büyüktür. Çalışmada yüksek alüminalı porselen bünyelerde spodumen kullanımı araştırılmış ve bünyelerin teknik özelliklerine etkileri incelenmiştir. Standart yüksek alüminalı porselen bünye reçetesine kademeli spodumen ilave edilerek yeni bünye reçeteleri oluşturulmuştur. Hazırlanan bünyeler 1225°C’de 14 saat süre ile endüstriyel tünel fırında pişirilmişlerdir. Hazırlanan porselen çamurların reolojik özellikleri (yoğunluk, viskozite, tiksotropi, kalınlık alma) ölçülmüş, pişirilen bünyelerin fiziksel ve ısıl özellikleri incelenmiştir. Bünyelerin ısıl genleşme katsayıları dilatometre cihazı ile belirlenmiştir. Sinterleme sürecinde bünyelerde gelişen fazlar X-ışınları difraktometresi ile belirlenmiş, mikroyapıları SEM (taramalı elektron mikroskobu) ile incelenmiştir. Sonuçlara göre yüksek alüminalı porselen bünyede spodumen kullanımı çamurun reolojik özelliklerini değiştirmezken bünyelerin pişmiş özellikleri üzerine belirgin etkileri olmuştur. Spodumen ilavesi ile birlikte bünyelerin sinterlenme davranışı gelişmiş, bünyelerin su emmesi düşmüş ve pişme küçülmesi artmıştır. Bununla birlikte bünyelerin mekanik davranışlarında da belirgin iyileşme tespit edilmiştir. Ancak spodumen kullanımı bünyelerin deformasyonunda önemli bir artışa neden olmuştur. Sonuç olarak yüksek alüminalı porselen bünyelerde spodumen kullanımı ile bünyelerin teknik özellik ve mikroyapılarının kontrolü ile pişirim koşullarında pişirim sıcaklık ve süresinin azaltılması yönünde optimizasyonların yapılabileceğini göstermektedir.

Keywords

Alümina porselen, spodumen, sinterleme

References

• Badger, W.B. ve Hummel F.A. (1985), Phase equilibrium in system LiAlSiO4- NaAlSiO4-SiO2, J. Am. Ceram. Soc., 68[2], C-46–C-47
• Bragança, S. R., Lengler, H. C. M., & Bergmann, C. P. (2011). Spodumene-bearing rock as flux for triaxial ceramic bodies. Advances in Applied Ceramics, 110(5), 293-300 . Bragança, S. R., Lengler, H. C. M., & Bergmann, C. P. (2012). Wollastonite as a flux for ceramics bodies. In Materials Science Forum (Vol. 727, pp. 1016-1021). Trans Tech Publications Ltd.
• Brasileiro, C. T., Conte, S., Contartesi, F., Melchiades, F. G., Zanelli, C., Dondi, M., & Boschi, A. O. (2021). Effect of strong mineral fluxes on sintering of porcelain stoneware tiles. Journal of the European Ceramic Society, 41(11), 5755-5767
• Carty, W. M., & Senapati, U. (1998). Porcelain—raw materials, processing, phase evolution, and mechanical behavior. Journal of the American Ceramic Society, 81(1), 3-20
• Carús, L. A., de Souza, F., & Bragança, S. R. (2012). Use of wollastonite as a flux for bone china bodies. International Scholarly Research Notices
• Ceylan, A., Ebeoğlugil, M.F., Küçük, A. (2005), Farklı tür feldispat ilavelerinin yer karosu bünyesine etkilerinin incelenmesi, Seramik Türkiye, No.7, 131-137
• Elmaghraby, M.S., Ismail, A.I.M., Ghabrial, D.S., & Abd El-Shakour Z. A. (2020). Effect of Nepheline Syenite Additives on the Technological Behavior of Ceramics and Porcelain Stoneware Tiles. Silicon 12, 1125–1136
• Eppler, R. A.and Eppler, D. R., 2000. Glazes and glass coatings, American Ceramic Society, Westerville, Ohio
• Esposito, L., Salem, A., Tucci, A., Gualtieri, A., Jazayeri, S.H. (2005), The use of nepheline-syenite n a body bix for porcelain stoneware tiles, Ceramics International, 31, 233-240
• Güngör, F. (2018). Investigation of pyroplastic deformation of whitewares: Effect of crystal phases in the ‘’CaO’’based glassy matrix. Ceramics International, 44(11), 13360-13366
• 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
• Hopa, D. Y. T., & Emel, Ö. Z. E. L. (2016). Kaolen türünün sağlik gereçleri porselen bünyesinin piroplastik deformasyonu üzerine etkisi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 31(2)
• Iqbal, Y. ve Lee, W.E. (1999), Fired porcelain microstructures revisited, J. Am. Ceram. Soc., 82 (121), 3584–3590
• Iqbal, Y., Messer, P.F., Lee, W.E. (2000), Microstructural evolution in triaxial porcelain, J. Am. Ceram. Soc. 83 (12), 3121–3127
• Ke, S., Cheng, X., Wang, Y., Wang, Q., & Wang, H. (2013). Dolomite, wollastonite, and calcite as different CaO sources in anorthite-based porcelain. Ceramics International, 39(5), 4953-4960
• Kingery WD, Bowen HK, Uhlmann DR, Introduction to Ceramics. USA: John Wiley and Sons Inc; ISBN 0-471-47860-1. 1960. pp 809
• Kivitz, E., Palm, B., Heinrich, J. G., Blumm, J., & Kolb, G. (2009). Reduction of the porcelain firing temperature by preparation of the raw materials. Journal of the European Ceramic Society, 29(13), 2691-2696
• Kunduracı, N. & Aydın, T. (2015). The effect of nepheline syenite addition on sanitaryware Body, International Journal of Engineering Research and Development, 7 (2), 16-19. DOI: 10.29137/umagd.346107
• Kunduracı, N., Tarhan, B., & Sarısakal, C. (2019). Seramik Sağlık Gereçleri Ürünlerinde Piroplastik Deformasyonun Azaltılmasına Bağlı Olarak Geliştirilen Kompozisyonların Üretim Maliyeti Açısından Değerlendirilmesi. International Journal of Engineering Research and Development, 11(2), 474-480
• Kurama, S., & Ozel, E. (2009). The influence of different CaO source in the production of anorthite ceramics. Ceramics International, 35(2), 827-830
• Lee, W. E., & Iqbal, Y. (2001). Influence of mixing on mullite formation in porcelain. Journal of the European Ceramic Society, 21(14), 2583-2586
• Lerdprom, W., Chinnam, R. K., Jayaseelan, D. D., & Lee, W. E. (2016). Porcelain production by direct sintering. Journal of the European Ceramic Society, 36(16), 4319-4325
• Lu, H.Y., Wang, W.L., Tuan, W.H., Lin, M.H. (2004), Acicular mullite in vitrified kaolin, J. Am. Ceram. Soc., 87 (10), 1843-1847
• Montoya, N., Serrano, F. J., Reventós, M. M., Amigo, J. M., & Alarcón, J. (2010). Effect of TiO2 on the mullite formation and mechanical properties of alumina porcelain. Journal of the European Ceramic Society, 30(4), 839-846
• Tarhan, B. (2019). Usage of fired wall tile wastes into fireclay sanitaryware products. Journal of the Australian Ceramic Society, 55(3), 737-746
• Tarhan, B., & Tarhan, M. (2019). Çanakkale bölgesi alkali kaynağının seramik sağlık gereçleri bünyesi ısıl ve mikroyapı özellikleri üzerine etkisi. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 10(2), 675-687
• Tarhan, B., & Tarhan, M. (2021). Utilization of perlite as an alternative raw material in the production of ceramic sanitaryware. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 1-10
• Tarhan, B., Tarhan, M., & Aydin, T. (2017). Reusing sanitaryware waste products in glazed porcelain tile production. Ceramics International, 43(3), 3107-3112
• Tarhan, M, 2010. Porselen karo bünyelerinde sinterleme hızı-kompozisyon ilişkileri. Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 230
• Tarhan, M., & 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
• Tucci, A., Esposito, L., Malmusi, L., Rambaldi, E. (2007), New body mixes for porcelain stoneware tiles with improved mechanical characteristics, Journal of The European Ceramic Society, 27, 1875-1881
• Turkmen, O., Kucuk, A., & Akpinar, S. (2015). Effect of wollastonite addition on sintering of hard porcelain. Ceramics International, 41(4), 5505-5512