Üretim Teknikleri ve Teknolojisi Cam Üretim Teknolojileri - Part1 Cam Üretim Teknolojileri Yrd. Doç. Dr. M. Galip İÇDUYGU 1. Camın Tabiatı ? Camın tarihçesi ? Cama Giriş ? Camın Yapısı ? Camın Kompozisyonu Doğal cam dünya üzerinde zaten var olan bir maddedir. Bu maddeler yanar dağ patlamaları, şimşek çakması ya da meteor düşmesi sonunda eriyen kayaların ani soğuması sonucu oluşmuştur. Taş devrinden kalan bazı aletlere bakıldığında o dönemden itibaren camın kullanılmaya başlandığını görmek mümkündür. Antik Roma tarihçisi Pliny (MS 23-79) o dönem taş ticareti yapan tacirlerin MÖ 5000 yıllarında Suriye tarafında camı tesadüfen keşfettiklerini söyler. ? Fakat ilk insan yapımı cam malzemelere MÖ 3500’lü yıllarda Mısır ve Doğu Mezopotamya’da rastlanmaktadır. Bu dönemde camın hammaddeleri çanak ve vazolar üzerinde sır oluşturmak için kullanılmıştır. Belki de tesadüfe bulunan bu madde daha sonra bütün Akdeniz bölgesine yayılmıştır. ? Mezopotamyada bulunana en eski cam vazo parçalarının tarihi MÖ 16. yüzyıla dayanır. Ancak aynı dönemde Mısır ve Çin’de de cam ürünlerin üretildiği bilinmektedir. ? MÖ 1500’lü yıllarda Mısırlıların, sıkıştırılarak şekillendikleri toprak malzemeleri cam eriyiklerin içine daldırarak kapladıkları bilinmektedir. ? Cam üretimindeki an önemli adım MÖ 27-MS 14 yılları arasında Suriye taraflarında cam üfleme sanatının gelişmesi ile atılmıştır. ? O günlerden kullanılmaya başlayan uzun metal boru halen günümüzde çok değişikliğe uğramadan kullanılmaktadır. Daha sonra Romalılar üfleme işini çeşitli kalıplarda yaparak, farklı şekillerde cam ürünler elde etmeyi başarmışlardır. ? MS 100’lerden sonra Roma İmparatorluğu camın batı Avrupa ve Akdeniz’de yayılmasında büyük katkıda bulunmuştur. ? Hatta bu dönemde ipek yolu kullanılarak Roma camları Çin’e kadar ulaşmıştır. ? Mimari amaçlarla camı ilk kullananlar yine Romalılardır. Bu dönemde magnezyum oksitin yapı içine katılmasıyla geçirgenliği çok iyi olmasa da pencerelerde kullanılabilecek camlar üretilmiştir. ? MS 1000. yıllarda cam hammaddelerinin temin edilmesinde yaşanan güçlükten dolayı ağacın yakılmasından elde edilen potasyum tuzları kullanılmaya başlamıştır. ? MS 11. yüz yılda Almanya’da camın üflenerek silindirik şekilde açılması ve daha sonra bu silindirin kesilmesi ile düz cam üretilmeye başlanmıştır. Tabaka halinde camın üretildiği bir başka teknik ise yine aynı dönemlerde kullanılmaya başlanmış ve dairesel olarak çevrilerek açılan camlar uygun şekillerde kesilerek pencerelerde kullanılmıştır. ? 1688 yılında Fransa’da tabaka şeklinde cam üretimi konusunda önemli bir gelişme olmuş, erimiş cam özel bir masa üzerine dökülerek katılaştırılmıştır. Daha sonra camın yüzeyi zımparalanarak ayna yapımında kullanılabilecek kalitede camlar elde edilmiştir. ? Bu dönemde dışarıdan cam ustaları getirebilmek için Fransa da yasalar yeniden düzenlemiş ve bu ustalara bazı imtiyazlar tanınmıştır. ( Bu dönemde Venedikli cam ustaları üretim teknikleri konusundaki sırları başka ülkelere taşımamaları konusunda ölümle tehdit edilmişlerdir.) ? Ancak endüstriyel devrimin sonlarına kadar mekanik cihazlar büyük boyutlarda cam üretimi için kullanılmamış ve camın bileşimi konusunda bilimsel çalışmalar yapılmamıştır. ? 19. yüzyılın sonlarında Alman Bilim Adamı Otto Schott camın optik ve termal özellikleri üzerine çeşitli elementlerin etkisi üzerine çalışmalar yapmaya başlamıştır. Ernst Abbe ile yaptığı ortak çalışmalar sonunda camın optik ve termal özelliklerinin geliştirilmesi konusunda büyük adımlar atılmıştır. ? Camın büyük boyutlarda üretilmesine önemli bir katkıda Friedrich Siemens tarafından yapılmış ve cam üretiminde kullanılan tank fırınları icat etmiştir. ? 19. yüz yılın sonunda Amerikalı bir mühendis olan Michael Owens ilk üfleyerek cam şişelerin üretildiği makineyi geliştirmiştir. ? Tabaka halinde cam üretiminde atılan ilk ciddi adım 1905 yılında Belçika’da Fourcault’un bir tank içinde camı sürekli olarak çektiği sistemi icat etmesidir. ? Birinci dünya savaşından sonra diğer bir Belçikalı mühendis Emil Bicheroux, erimiş camı iki merdane arasında geçirerek tabaka halinde cam elde etmeyi başarmıştır. ? 1910 yılında Fransız bilim adamı Edouard Benedictus iki cam tabakası arasına selülozik bir madde koyarak camı güçlendirmeyi başarmış ve bu buluşuna “triplex” adı ile patent almıştır. ? Camın tabaka haline getirilmesi ile ilgili önemli bir buluş İkinci Dünya Savaşından sonra İngiltere’de Pilkington Kardeşler tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemde erimiş cam erimiş kalay üzerine dökülmüş ve çekilmeden önce yayılarak düzlenmiştir. 1959 yılında yapılan bu buluş cam konusunda atılan adımların sonu olmamıştır. Bu konuda yapılan çalışmalar sürekli olarak devam etmektedir. Bu bölümde camın çeşitli kullanım alanları, aynı zamanda bu kullanım alanlarında gereksinin duyulan nitelikler anlatılacaktır. Ayrıca camın bu nitelikleri ; fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirten terimlerle incelenecek ve bazı ürünlerin üretim rakamları ve tahminlerle birlikte cam sanayindeki üretim metotları kısaca ele alınacaktır. CAMA GİRİŞ Cam Nedir? Bu soruya genel olarak verilen cevaplar a) İçmek için kullandığımız bir şey (bardak) b) İçinde kendi görüntümüzü gördüğümüz bir şey (Ayna) c) Bir yandan öbür yana bakılan bir şey (pencere camı) d) Gözlük camı Yukarıda verilen dört örnekten içmek için kullandığımız bardak değerlendirilecek olursa camın niteliği için aşağıdaki şeyleri söylemek mümkündür. a) Sert olmalıdır b) İçindeki içeceği kirletmemeli ya da içecek tarafından eritilmemelidir c) Tekrar tekrar yıkanabilmelidir d) Rahat içime uygun yapıda olmalıdır. Peki ayna yapımında kullanılacak bir camda aranan nitelikler nelerdir? a) Görüntüsünün netliği iyi olmalıdır b) Sırın cam yüzeyine yapışma kabiliyeti iyi olmalıdır. Yani ayna kaplaması kullanım esnasında pul pul kalkmamalı, silinmemelidir.Banyolarda kullanılan aynalar nemli havaya karşı dayanıklı olmalıdır. Benzeri şekilde pencere camı düşünülecek olursa a) Kış ve yaz mevsimleri arasındaki sıcaklık değişimlerinin etkisine dayanmalı b) Yağmurun etkisine dayanmalı c) Şiddetli rüzgarlara çatlamaksızın direnç göstermeli d) Işığı geçirmeli e) Genelde her açıdan bakıldığında diğer taraf net olarak görülebilmelidir Ve son olarak gözlük camı a) Bir taraftan bakıldığında diğer tarafı rahatlıkla görmemizi sağlamalı b) Tekrar tekrar temizlenmesi kolay olmalı c) Görme kusurlarına düzeltme kabiliyeti olmalıdır. Bu özellik ışı kırması veya yansıtması ile sağlanmalıdır. Tabi bunun yanında camın olumsuz niteliklerinin asla unutulmaması gerekir. a) Cam kırılır. Kırılma çoğunlukla aşırı kuvvette bir darbeye maruz kalması ile ya da ısı etkisi ile olur. b) Cam çoğunluk, en az suyun iki buçuk katı kadar ağırdır. Camın taşıtlarda, inşaatlarda, ev eşyalarında, tıpta, yiyecek ve içecek sektöründe, mutfak aletlerinde, bilimsel amaçlı, dekorasyon ve sanatsal amaçlı kullanımları mevcuttur. Nerede kullanıldığına bağlı olarak camın taşıması gereken özellikler değişmektedir. Bu durumu pencere camı, resim çerçevesi camı, cam masa, cam raf, otomobil ön camı ve fırın kapağı camı için detaylı inceleyelim. ESNEMEYE KARŞI DİRENÇ Resim çerçevesinde kullanılacak bir cam için ne pencere camından ne de araba camından beklenen yüksek rüzgar basıncına direnç ya da kahve masasından beklenen yüklere direnç göstermesi gibi özellikler beklenmez. Bu cam kendi ağırlığından dolayı ufak bir basınç etkisi altındadır. Fırın kapağı için önemli olan unsur ise fırın sıcaklığında şeklini muhafaza etmesi ve çatlamamasıdır. IŞIK GEÇİRGENLİĞİ Pencere camı, resimlik cam, otomobil ön camı ve fırın kapağı için öncelikli bir özelliktir. Cam masa üstü ve raflar için bu özellik gerekli olmayabilir. SICAKLI DEĞİŞİMLERİNE KARŞI DİRENÇ Resimlik camların ya da cam rafların önemli sıcaklık değişimlerine mazur kalacağı düşünülemez. Ancak fırın kapağı camının sıcaklık değişimlerine dayanıklı olması gerekir. Pencere ve otomobil camları iklimlerle ilgili sıcaklık değişikliklerine dayanıklılık göstermelidir. Masa camı üstüne kaza ile sıcak bir sıvı dökülmedikçe ya da sıcak bir kap üzerine konulmadıkça sıcaklık değişimlerine dirençli olması gerekmez. KİMYASAL ETKİYE KARŞI DİRENÇ Resimlik camın ya da raf camının kimyasal etkiye karşı dayanıklı olması gerekmez. Bu durum cam masası içinde geçerlidir. Araba ve bina camlarının sık sık tekrarlanan yıkama işlemlerine dayanması gerekir. Fırın kapaklarında karşılaşılan temel problem fırın camına yapışan kirlerin temizlenmesi amacıyla kullanılan kimyasal ve aşındırıcı maddelerdir. Bu yüzden bu camlarında kimyasal aşınmaya dayanıklı olması gerekir. AŞINMA DİRENCİ Özellikler otomobil ön camının fırlayan taşların yaratacağı darbelere karşı kırılmaya direnç göstermesi gerekir. Fırın kapaklarında da fırın içine konulan kapların değmesinden dolayı aşınma riski bulunur. Pencere camları ve resimli camlarında aşınma yukarıdaki diğer camlar kadar önemli değildir. Cam masa ve raflar ise kullanıcını dikkatsizliğine bağlı olarak aşınabilir. Ancak bu gereksinimde bir araba camındaki kadar önemli değildir. IŞIĞI KIRMASI YA DA YANSITMASI Bu daha çok banyo bölmelerinde, banyo pencerelerinde ve büro kapılarında daha çok arzulanan bir özelliktir. Yukarıdaki örneklerden de anlaşılacağı gibi benzer özelliklere gereksinin duyulsa da bu gereksinimin derecesi kullanım ananına göre değişmektedir. OPTİK ÖZELLİKLER Camın içinden ışığın geçmesi, geçirgenlik olarak bilinir. Pencere camları için gerekli bir özelliktir. Camın bir tarafından bakıldığında diğer taraftaki cisimler net olarak görülebiliyorsa, bu özellikteki cama “saydam cam” denir. CAMIN FİZİKSEL VE KİMYASAL ÖZELLİKLERİ Eğer ışık geçirildiği halde cisimler net olarak görülemezse, bu özellikteki cama “yarı saydam cam” denir. Işığın bir yüzeyden geri dönmesi, “yansıma” olarak bilinir. Yansıma, cam kullanımında önemli bir optik özelliktir ve özellikler aynalar ve dekoratif camlar için önemlidir Işığın cam tarafından emilmesi diğer önemli bir optik özelliktir. Yansımanın hiç olmadığı farz edildiğinde gelen ışığın ancak bir kısmı camın diğer tarafına geçirilebiliyorsa bu durumda ışığın geri kalan kısmı cam tarafından emilmiştir. Özellikle şampanya, bira ve bazı renkli ilaç şişeleri cam tarafından ışığın emildiği şişelerdir. Kırılma yani ışığın sapması cam için dördüncü önemli optik özelliğidir. Bu özellikten genellikle optik aletlerde yararlanılır. En yaygın kullanım alanı gözlüklerdir. Işığın sapma miktarı prizma ya da merceklerin şeklinin değiştirilmesi ile artırılır. Aynı zamanda ışığın sapmasını camın kırılma indisinin değiştirilmesi ile artırılması mümkündür. Camın kırılma indisi onun bileşimi ile ilgili bir büyüklüktür. Camda bulunan yüksek miktardaki kurşun oksit camın kırılma indisini artırır. Elektriksel Özellikler Bizim kullandığımız şekli ile cam elektriği iletmez. Bu nedenle camın, yüksek bir elektriksel dirence sahip olduğu söylenebilir. Çelik telgraf direklerindeki fincanlar, ampülleride telin sarılı olduğu parçalar camın elektriksel direncinin kullanıldığı noktalardır. KİMYASAL ÖZELLİKLER Camın başka maddelerle özellikle gazlar ve sıvılarla reaksiyon verme direnci kimyasal dayanıklılık olarak adlandırılır. Camın kullanım alanları göz önünde tutulduğunda bu önemli bir özelliktir. Laboratuvarlarda ya da endüstriyel kimyasal işlemlerde kullanılan camlarda yüksek dayanıklılığa ihtiyaç vardır. İlaç kapları ve aparatlarında kullanılan camlar içine konan sıvıların teması ile yaratılan etkilere karşı çok dayanıklı olmalıdır. İklim şartlarına maruz kalan camlar hasar görebilir. Bu hava etkisine dayanma olarak tanımlanır. ISIL ÖZELLİKER Cam ısı için iyi bir iletken değildir. Bu nedenle camın izolasyon olarak yada düşük ısı geçirgenliği için en yaygın kullanma şekli; cam elyaf izolasyon yünü ve çift kat pencere camıdır. Her iki halde de, izolasyon özelliği veren; camların arasındaki mesafe ya da hava boşluklarıdır. Bir çok madde için, ısı ile ilgili önemli bir özellik, ısıl genleşmedir. Isıl genleşme, bir madde ısıtıldığında, boyutlarında meydana gelen büyümeyi ifade eder. Bir cam parçasının bir tarafını ısıtırsanız ya da soğutursanız bir taraf diğer taraftan daha uzun olma eğilimi gösterecektir. Bu ise camın içinde gerilimler meydana getirecektir. Gerilimler aşırı olduğu zaman camın kırılmasına sebep olacaktır. Bu ısıl gerilimler nedeni ile kırılma direnci; TERMİK ŞOK DİRENCİ olarak adlandırılır. Laboratuvar kapları, fırın kapları ve benzer kaplar için termik şoka dayanıklılığın iyi olması gerekir. Düşük ısıl genleşme ya da yüksek termik şok direnci bu tip camlarda arzulanan niteliklerdir.