Üretim Teknikleri ve Teknolojisi Cam Üretim Teknolojileri_Part2 MEKANİK ÖZELLİKLER Camın fazlaca bir sabit basınca ya da bir raket topu ile ani darbeye maruz kalınca, kırılmaya karşı göstereceği direnç önemli bir özelliktir. Bu özellik mekanik dayanıklılık olarak adlandırılır. Diğer önemli bir mekanik özellik; esnemeye karşı gösterilen direnç yani rijitliktir. Cam üzerinde bulunan bir çizik camında daha kolay kırılmasına sebep olur. Bu açıdan muhtemel kırılmaları bertaraf etmek için camın yeterli çizilme ya da aşınma direncinin olması gerekir. CAM ÜRETİMİ Cam içine konulan hammaddelerin bir bileşimidir. Bu hammaddeler, belli oranlarda karıştırılır ve fırında 1500ºC üzerine ısıtılır. Hazırlanan cam sonuçta ergimiş ya da sıvı durumdadır. Çeşitli kontrollü soğutma yöntemleri kullanılarak cama istenen ürün şekli verilir. Yılda binlerce ton cam kap ve düz cam üretiminin büyük bölümünün mekanize işlemlerle yapılası gerekmektedir. Bir çok cam ürün üretim prosesinden hemen sonra kullanıma hazırdır. Ancak kurşunlu kristaller ve aydınlatma ampulleri gibi bazı ürünler ikincil bir işlemden geçirilir. Cam üretimi için hammadde, yakıt ve nakliye gibi unsurlarında göz önünde bulundurulması gerekir. Ülkemizdeki milyon tonları bulan cam üretimi için yine yüz binlerce ton hammaddeye ihtiyaç duyulacaktır. Her yıl yüz binlerce ton hammaddenin tedarik yerlerinden cam imalatçılarına nakli gerekmektedir. Cam üretimi için gerek duyulan yakıt oranı 1’e 5 tir. Bu ise ihtiyaç duyulacak yakıt miktarının ne boyutlarda olduğunu gösterir. Nakliyeler için ihtiyaç duyulan yakıt dikkate alındığında cam endüstrisinin büyük bir enerji tüketicisi olduğu görülür. Camın yapısı Cam kum, kireç taşı, ve soda gibi nispeten yaygın bulunan bileşenlerden üretilir. Bu bileşenler doğru oranlarda reçetelere göre karıştırılır. Soda-kireç camı olarak adlandırılan bu camlar, pencere camı ve şişe yapmakta kullanılmaktadır. Camın ne olduğunu anlamak içi, katı, sıvı ve gaz terimlerine bakmak gerekir. Her madde moleküllerden yapılmıştır. Bir madde katı halden sıvı hale ya da, sıvı halden gaz haline dönüştüğü zaman, moleküllerin kendileri değişmez. Sadece hareketlilikleri ve dizilişi değişir. Katı bir maddeyi sıvı ya da gaz haline dönüştürmek için maddeyi ısıtmak gerekir. Katı bir madde ısıtıldığında, enerji alır. Bu enerji, madde moleküllerinin daha hızla titreşmesini sağlar. Eğer yeterli ısı temin edilirse bazı moleküller, moleküler yapıdan kopmak ve serbest kalmak için yeterli kuvvetteki titreşime ulaşır. Yani maddenin içinde artık sabit pozisyonda zapt edilemezler. Sabit pozisyondan kopup dağılmaya Ergime adı verilir. Daha da ısı verilirse moleküller birbirinden tamamen bağımsız, serbest hale geçme imkanı bulur ve moleküler yapı tamamen kaybedilir. Bu ise kaynama olarak adlandırılır. Malzeme katı halde yoğun ve muntazam bir moleküler yapıya sahiptir. Sıvılarda yoğun bir moleküler yapıya sahiptir fakat bu yapı katılardaki kadar muntazam değildir. Katılarla karşılaştırıldığında sıvılarda molekül hareketi daha serbesttir. Gazlar yoğun olmayan moleküler bir yapıya sahiptir; moleküllerin yüksek derecede hareket serbestliği vardır. SIVILAR VİSKOZİTE VE SICAKLIK DEĞİŞİMLERİ Akmaya karşı gösterilen direnç viskozite olarak adlandırılır. Daha yüksek viskozite, akmaya karşı göster daha yüksek direnç anlamına gelir. Her ne kadar viskozite için uluslar arası kabul görmüş birimler mevcut ise de camın viskozite birimi olarak POİSE kullanılır. Normal bir sıvının viskozitesi, sıcaklığın artması ile düşer. CAMIN OLUŞUMU Ergimiş ya da sıvı halde cam yüksek bir viskoziteye sahiptir. 1000ºC’de sıvı haldeki camın viskozitesi en koyu yağdan daha yüksektir. Böyle bir cam soğutulduğunda, moleküller sıvı halin moleküler yapı düzeninden katı halin düzgün kristal yapısına geçemez. Çünkü yüksek viskozite ve ağır molekül hareketleri nedeniyle yeni bir moleküler yapı oluşturabilecek süreleri yoktur. Bunun sonucunda sıvı haldeki cam molekülleri, sıvı maddelerin moleküler yapı düzeni içinde sabit hale geçerler. Camın yapısı sıvı gibi kalmasına rağmen katı madde görünümündedir. Cam sıklıkla aşırı soğutulmuş bir sıvı olarak tanımlanır. Camın davranışı katı madde gibi fakat moleküler yapısı sıvılarınki gibidir. Cam ısıtıldığında viskozite kademeli olarak düşer, soğutulduğunda ize kademeli olara yükselir. Bu durum metallerle kıyaslanacak olursa, metallerin sıvı hale dönüşümü anidir. Camın soğutulması ile viskozitesindeki kademeli artış cama arzu edilen ürün şeklinin verilmesine fırsat yaratarak diğer metallere nazaran dana geniş bir çalışma aralığı kazandırır. ATOMİK DÜZEYDE CAM Cam yapımında kullanılan 3 grup madde vardır. Bunlar; 1. Cam yapıcılar 2. Ağ yapı düzenleyiciler 3. Ara oksitler CAM YAPICILAR Herhangi bir camın temel yapısını oluşturan bu maddelere cam yapıcılar adı verilir. Çoğunlukla bilinen cam yapıcı; silisyum dioksittir. Burada bir silisyum atomuna iki oksijen atomu bağlıdır. Ancak kristal yapı içinde her bir silisyum atomu 4 oksijen atomuna bağlıdır ve her bir oksijen atomu iki silisyum atomu arasında bir köprü görevi yapar. Eğer silisyum kristalleri ergime noktası olan 1730ºC’ye ısıtılırsa, kristal ağı daha düzensiz bir yapıya dönüşür. Hızlı soğumada sıcaklık değişiminin hızı, düzeni bozulan atomik yapının, kristal yapıdaki muntazam haline geçmesi için yeterli süreyi tanımaz ve neticesinde düzensiz bir atomik yapı ile katılaşır. Silisyum soğutulduğunda gerçekte aşırı soğutulmuş bir sıvıdır. Bu yapıya cam gibi silisyum anlamına gelen Camsı Silis adı verilir. Diğer bilinen bir cam yapıcı madde; bor metalinin oksitidir (B 2 O 3 ). Fosfor oksitleri, arsenik ve germanyumda cam yapıcı madde sınıfına girer. Fakat bunlar büyük hacimde üretilen ticari camların üretiminde yaygın olarak kullanılmazlar. Özetle cam sıvı yapısına sahip fakat katı gibi davranan bir maddedir. AĞ YAPI DÜZENLEYİCİLER Silise sodanın ilavesi (sodyum oksit, Na 2 O) iki madde arasında kimyasal bir reaksiyona neden olur. Soda ve silis karışımı, silisin ergime noktasından çok daha düşük bir sıcaklıkta reaksiyon verir. Gerçekte, soda-silis karışımının sıvı faza geçtiği sıcaklık soda miktarının artırılmasıyla 1000ºC’nin altına düşebilir. Soğutulduğunda soda-silis karışımı da silis camı gibi bir cam oluşturur. Bu oluşum sırasında kristal ağındaki bağlar kırılmış ve sodyum atomları (iyonik olarak) yapının içine yerleşmiştir. Kristal yapıdaki boşluklar, muntazam şekil ve büyüklüğü sahiptir. Soda-silis camındaki soda miktarı artırıldığında; camın suyun kimyasal etkilere hassasiyeti de artar. Bu nedenle kolay ergitilebilen ve şekillendirilebilen bir cam üretmek için camın kompozisyonuna bazı ilaveler yapmak gerekir. Yaygın kullanılan ve bilinen bir başka ağ yapı düzenleyici madde kireçtir (kalsiyum oksit, CaO). Kireç ilavesi camın kimyasal etkilere dayanıklılığını artırır. Bu nedenle kireç, cama bozulmazlık kazandıran ağ yapı düzenleyici bir madde özelliğindedir. Magnezyum oksitte (MgO) camın dayanıklılığını artırır, ancak kireç kadar etkili değildir. Diğer ağ yapı düzenleyiciler, potasyum oksit (K 2 O), lityum oksit (LiO 2 ) ve çinko oksittir (ZnO). ARA OKSİTLER (ARACILAR) Ara oksitler, cam bileşenlerinin diğer bir tipidir. Adından da anlaşılacağı gibi, bu maddeler kısmen bir cam yapıcı ve kısmen de bir ağ yapı düzenleyicisi gibi hareket ederler. Alumina (aluminyum oksit, Al2O3) ara oksitlere bir örnektir. Ara oksitin rolü; camın devitrifikasyon (kristallenme) eğilimini azaltmak ve sağlamlığını artırmaktır. Camın atomik ağ yapısına bir cam yapıcı gibi katılırlar. Kurşun oksit, ara oksit gibi hareket eden diğer bir maddedir. Ara oksitler, cam yapıcı ve ağ yapı düzenleyici maddelerin rolünü birlikte oynayarak camın özelliklerini etkiledikleri gibi aynı zamanda, atomik ağ yapısını zenginleştirirler. Camın Kompozisyonu Başlıca cam tiplerini 3 grupta toplamak mümkündür. 1. Soda-kireç-silis camı 2. Borosilikat camı 3. Kurşunlu cam Soda-kireç-silis camı Üretilen camların %95’i bu temel kompozisyona sahiptir. Bu tip camlar bütün cam kap çeşitlerinin, düz camların, bilinen sofra eşyalarının, bazı elyaf camların ve bazı elektriksel camların yapımında kullanılır. Borosilikat camlar Bu tip camlar ısıya dayanıklı kaplarda, düşük çözünürlük istenen kimyasal madde ve ilaç şişlerinde, bazı optik uygulamalarda ve elektriksel güç kaybını düşüren radar valfleri gibi malzemelerin elde edilmesinde kullanılır. Kurşunlu camlar Bu tip camlar ise yüksek kalitede mutfak eşyaları, optik camlar, yüksek elektriksel direnç göstermesi beklenen camlar ve radyasyon koruma panolarında kullanılır. Bu 3 cam türü için temel bileşen yüzdesi aşağıdaki gibidir. SODA-KİREÇ-SİLİS Na 2 O %14 CaO %11 SiO 2 %72 BOROSİLİKAT Na 2 O %4 B 2 O 3 % 12 SiO 2 %81 KURŞUNLU CAM PbO %32 K 2 O %11 SiO 2 %56 Bileşen oranlarının farklılığı Soda-kireç-silis camında silis miktarının artırılması, camın ergime sıcaklığını yükseltici, sağlamlığını artırıcı ve genleşmesini düşürücü etki yapar. Soda miktarının artırılması camın erime sıcaklığını düşürür, sağlamlığını azaltır ve ısıl genleşmesini artırır. Kalsiyum oksit miktarı artırılırsa, kimyasal dayanımı yüksek ve daha çabuk sertleşen bir cam üretilir. Ancak yüksek seviyede eklenirse devirifikasyona sebep olur. Aluminyum oksir miktarının artırılması, camın sertleşmesini yavaşlatır. Aynı zamanda ergime sıcaklığını ve sağlamlığını da artırır. Kurşunlu camlarda kurşun oksit miktarı artırılırsa, camın yoğunluğu ve aynı zamda kırılma indisi artar. Kırılma indisindeki artış optik camlarda olduğu gibi kristal sofra eşyaları içinde önemlidir. Camın kırılma indisindeki artış, harmana daha büyük miktarda kuşun oksit ilave edilmesiyle sağlanır. Bazı özel cam tipleri E-camı, soda oranı düşük, aluminyum oksit ve kalsiyum oksit oranı yüksek bir camdır. Bu durum işleme esnasında çabuk sertleşen ve kimyasal açıdan çok dayanıklı bir cam elde edilmesini sağlar. Bu nedenle cam, çabuk uzayabilir ve elyaf üretimi için kullanılır. Bu camlar elektrik kablolarının izolasyonunda kullanılır. Yüksek sağlamlıkta bir camdır. Tungsten sızdırmazlık camı ampüllerdeki tungsten metalini tespit etmek için kullanılır. Camın tungstenin genleşmesi ile uyumlu olması gerekir. Bu camlarda bor oksit miktarı oldukça yüksektir ve bu camın genleşmesini engelleyici bir etki yaratır. Sodyum direnç camı ise ender rastlanan bir cam kompozisyonuna sahiptir. Silis miktarı sadece %8 dir. Aynı zamanda aluminyum oksit ve bor oksit miktarı aşırı yüksektir. Sodyum direnç camı, sodyum buharlı lambaların içindeki sodyum metaline dayanır fakat suda çözünür. E-camı SiO 2 %54.4 Na 2 O %0.5 CaO %17.7 MgO %4.5 Al 2 O 3 %14.5 B 2 O 3 %8.5 Tungsten camı SiO 2 %75 Na 2 O %4 K 2 O %1.5 Al 2 O 3 %2 B 2 O 3 %17 Sodyum direnç camı SiO 2 %8 Na 2 O %14 CaO %6 Al 2 O 3 %24 B 2 O 3 %48 CAMIN ERGİME PROSESİ VE DÜŞÜK VİSKOZİTENİN ÖNEMİ Cam yapım prosesi hammaddelerin karıştırılması ve ısıtılmasıyla başlar. Bu işleme ergime prosesi denir. Ergime prosesi, kimyasal reaksiyonların meydana gelmesini sağlar. Bu reaksiyonlar sayesinde hammaddeler cama dönüşür. Oluşan sıvı fazın harman bileşenleri arasında teması artıracak konveksiyon akımlarının meydana gelmesini sağlayacak kadar akışkan olması gerekir. Aynı zamanda erime sırasında cam içinde oluşan havanın cam bileşimini terk etmesi sıvının düşük viskoziteye sahip olması ile mümkündür. Erime sıcaklığında 10 2 poise civarındaki birviskozite olağandır. Çalışma Aralığı Cam şekillendirme prosesi için fırından alındığında sıcaklığı düşer ve buna bağlı olarak viskozitesi yükselir. Şekillendirme prosesinin başlangıç ve sonu arasındaki viskozite aralığına, çalışma aralığı adı verilir. Çalışma aralığının alt ve üst değerleri şekillendirmede kullanılan metoda bağlıdır. Örneğin ağızla üflenerek şekillendirme yapılacaksa daha düşük viskoziteye ihtiyaç vardır. Ancak sigara tablası yapımında kullanılan mekanik bir pres için viskozite değeri daha yüksek olabilir. SOĞUTMA VE TAVLAMA ARALIĞI Cam normal olarak soğutmaya bırakılırsa kırılabilir ya da içinde daha sonra kırılmasına neden olacak gerilimler oluşabilir. Bu durum kesme, dekorlama ve kullanım sırasında tehlike yaratır. Oluşan bu gerilimin giderilmesi için bir sıcaklık aralığı vardır ki bu aralıkta soğutma hızı kontrollü olmalıdır. Bu sıcaklık aralığına tavlama aralığı denir. Bu aralıkta soğuyan camın viskozitesi 10 13 poise ile 10 14 poise arasındadır VİSKOZİTE-SICAKLIK EĞRİLERİNİN YORUMU Diğer sayfada üç ana tip cama ait viskozite sıcaklık eğrileri görülmektedir. Bu grafikte dikey eksen viskozite değerinin logaritmasını, yatay eksen ise sıcaklığı göstermektedir. Y ekseninde LV8 gibi gösterilen değer viskozitenin 100 000 000 poise olduğu durumu göstermektedir. Farklı camlar için log viskozite-sıcaklık eğrileri