Genel toz üretimi 1 TOZ TOZ Ü ÜRET RET İ İM M TEKN TEKN İ İKLER KLER İ İ DERS NOTLARI DERS NOTLARI YRD. DO YRD. DOÇ Ç. DR. AT . DR. AT İ İLLA EVC LLA EVC İ İN N Atomizasyon Atomizasyon Bu i şlemde ergimi ş metal küçük damlacıklara parçalanır ve damlacıklar birbirleri ile veya katı yüzeyle temasa geçmeden hızlıca so ğutulur. Ana fikir, ergimi ş metali yüksek enerjili gaz veya sıvı çarpmasına maruz bırakarak sıvı metali daha küçük parçalara ayırmaktır. Hava, azot ve argon en çok kullanılan gazlardır. Su ise sıvılar içinde en çok kullanılandır. Nozulun tasarım ve geometrisi, atomize eden akı şkanın basıncı ve hacmi, sıvı metalin akış çapı gibi bir çok parametreyi de ğiştirerek toz boyutu da ğılımını kontrol etmek mümkündür. Tanecik şekli ise katıla şma hızı ile belirlenir, dü şük so ğutma kapasiteli gazlar icin küresel şekilden yüksek so ğutma kapasiteli su için karma şık şekle dönü şür. Genelde bu toz üretim metodu ergitilebilen tüm malzemeler için uygulanabilir ve ticari olarak demir, takım çelikleri, ala şımlı çelikler, bakır, pirinç, bronz, aluminyum, kalay, kur şun, çinko ve kadmiyum tozlarının üretilmesinde kullanılır. Krom içeren ala şımlar gibi kolayca oksitlenen metallerde atomizasyon argon gibi asal gazlar yardımıyla gerçekle ştirilir. Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 20072 Atomizasyon, ala şımı olu şturan tüm metallerin ergimi ş durumda tamamen ala şımlandı ğı için, özellikle ala şımların toz halinde üretilmesinde faydalı bir yöntemdir. Böylece her toz taneci ği aynı kimyasal bile şime sahip olur. Atomizasyon yönteminin avantajlarından biri de ala şım tozlarının ergitilmesinde rahatlıkla kullanılabilmesidir, bu yöntemle üretilen tozların bile şimleri her bir toz tanesinde aynı kalmaktadır. Atomizasyon çe şitleri ; • Döner Disk Yöntemi • Döner Elektrod (REP) Yöntemi • Vakum Atomizasyon Yöntemi •S u A t o m i z a s y o nY ö n t e m i •G a z A t o m i z a s y o nY ö n t e m i •1 D ö n e r d i s k a t o m i z a s y o n u Atomizasyon için de ğişik yöntemler kullanılabilmektedir, bunların içinde önemli bir yer tutan yöntem olarak merkezkaç kuvvetinin etkisiyle toz metal üretimini sa ğlayan döner disk yöntemini görmekteyiz. Bu yöntem içinde de iki ayrı üretim tekni ği vardır, bunlardan biri belli bir miktarda sıvı metal toz olu şturacak kadar merkezkaç kuvvete tabi tutulur, di ğer yöntemde ise ergimi ş metal sürekli olarak dönen bir disk veya koni üzerine akıtılır, buradan saçılan metalin toz haline gelmesi sa ğlanır. Şekil Döner disk atomizasyon yöntemi Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 20073 Bir potadan tandi şea k t a r ılan sıvı metal, tandi ş altındaki memeden dönen bir disk üzerine akıtılır. Disk üzerindeki set ve yarıklara çarpan sıvı metal parçalanarak şekildeki gibi saçılır. Saçılan metal parçacıklar nozülden çıkı şta bazen su ile so ğutularak birbirine yapı şmadan katıla şmaları sa ğlanır. Sıvı metali mekanik olarak parçalamakta uygulanan basit bir yol da katıla şma sırasında karı ştırmaktır. Örne ğin aluminyum katıla şırken karı ştırılırsa toz haline gelir. Aluminyum, çinko, kalay gibi metallerin bu yolla çok şekilli tozları elde edilebilir. • 2 Döner Elektrot REP Yöntemi Bu yöntemde tozu elde edilecek metalden yapılmış bir elektrot ile ergimeyen tungsten elektrot arasında ark olu şturulur ( Şekil ). Ergiyen elektrodun döndürülmesiyle, elektrik arkı altında bunun ucunda olu şan metal damlaları savrularak parçalanır ve tankta toplanır. Oksidasyonu önlemek için toz toplama tankı genellikle helyum, argon gibi bir asal gazla doldurulur. Bu yöntemle küresel ve oldukça e şit tane irili ğinde metal tozu üretmek mümkün olmaktadır. Şekil Döner elektrot (Rotating Electrote Process REP) yöntemi • 3 Vakum Atomizasyonu Bu yöntemde Şekil te görüldü ğü gibi silindirik bir tankın alt kısmında sıvı metal potası, üst kısmında da vakum atomizasyon odası bulunmaktadır. Her iki bölüm sıvının geçece ği memeyi taşıyan bir plaka tarafından bölünmü ştür. Memenin alt kısmında ona ba ğlı bir seramik boru bulunmaktadır. Vakum altındaki sıvı metal önce belirli bir sıcaklı ğa kadar indüksiyon akımı ile ısıtılır, bundan sonra bu bölüme hidrojen gazı doldurulur. Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 20074 Potadaki sıvı metalde bu hidrojen gazı çözündükten sonra potayı yukarı ta şıyan mil potayı yukarı iterek seramik boruyu potaya daldırır. Üst kısımda vakum oldu ğu için ergimi ş sıvı metal memeden geçerek parçalanarak pulverize olur ve so ğur. Böylece metal ve ala şımlarından ince küresel tozlar üretilebilmektedir. Şekil Vakum atomizasyonu yöntemi • 4 Su Atomizasyon Yöntemi Sıvı metali pulverize etmek için bu yöntemde basınçlı su kullanılır. Şekil da yöntemin temel prensibi şematik olarak gösterilmektedir. Ergitme oca ğından tandi şe, buradan da bir nozülden geçerek akan sıvı metal demetine belirli açıda basınçlı su püskürtülerek pülverize olması sa ğlanır. Kimyasal ve fiziksel özellikleri de ği ştirebilmek için suya bazı katkılar yapılabilir. Özel memelerden püskürtülen suyun basıncı 5,5- 20 MPa, hızı 70-230m/s, debisi ise 110-380 litre/dakika de ğerleri arasında de ğişir. Kullanılan su filtre edilip so ğutulduktan sonra tekrar kullanılabilir. Atomize edilen sıvı metal paslanmaz çelikten yapılan bir tankta toplanır. Metal tozunu oksidasyondan korumak için tanka azot gazı doldurulabilir. Sıvı metalin aktı ğı memenin şekli ve suyu püskürten üfleçlerin tipi elde edilecek metal tozunun boyutlarını, boyut da ğılımını ve şeklini etkilemektedir. Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 20075 Şekil Su atomizasyon yöntemi • 5 Gaz Atomizasyon Yöntemi Basınçlı gaz ile atomizasyon da prensip olarak su atomizasyon yöntemine benzer, ancak burada akı şkan olarak su yerine gaz kullanılır. Gaz yerine, su buharı veya hava da kullanılabilmektedir. Basınçlı gaz ile atomizasyonu Şekil deki gibi şematik olarak gösterebilir. Sistemin birbirine püskürtme memesi ile irtibatlı dü şey olarak üst üste bulunan iki odası vardır. Üstteki odada sıvı metal potası bulunmakta, alttaki odada ise atomizasyon i şlemi yapılmaktadır. Her iki oda da vakum pompasına ba ğlantılı olup oksidasyonu engellemek için i şlem vakum altında yapılmaktadır. Sıvı metal potası ve atomizasyon memesi yüksek frekanslı indüksiyon bobinleri ile sıcak tutulmaktadır. Atomizasyon odasında olu şan fazla buharı ve yüksek basıncı atmak için emniyet ventilinden yararlanılmaktadır. Bu ventilin bulundu ğu borunun di ğer ucu siklon ve filtre üzerinden atmosfere veya bir emi şe ba ğlıdır. Basınçlı gaz tüpünden boru ile memeye ula şan gaz potadaki sıvı metali beraberinde sürükleyerek atomizasyon odasına pulverize ederek da ğıtılır. So ğuyan metal tozu bu odanın tabanındaki bir hazne içinde toplanır. Pulverize edilen metal tozlarının birbirine yapı şmaması şekillerinin bozulmaması için atomizasyon odasının boyutları dikkatli seçilmelidir. Süper ala şımlar için kapalı devre argon gazı kullanılır. Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 20076 Şekil Gaz atomizasyon yöntemi Tozlar Tozları ın Karakterizasyon n Karakterizasyon Metodlar Metodları ı Tozların Karakterizasyon Metodları a şa ğıdaki gibi sınıflandırılır ; • Fiziksel Karakterizasyon Metodları • Termal Karakterizasyon Metodları • Mekanik Karakterizasyon Metodları • Kimyasal Karakterizasyon Metodları •M i k r o y a p ısal Karakterizasyon Metodları •Y a p ısal Karakterizasyon Metodları • Reolojik Karakterizasyon Metodları • Fiziksel Karakterizasyon Metodları Helyum piknometresiyle bulk yo ğunlu ğun ölçümü Sinterlenmi ş bir örne ğin bulk yo ğunlu ğunun hesaplanması Açık gözeneklilik ve gözenek boyut da ğılımının ölçümü Hidrostatik a ğırlık yardımıyla toplam gözeneklili ğin hesaplanması Lazer difraksiyon metoduyla tane boyut ölçümü Gaz adsorpsiyonu yardımıyla spesifik alanın ölçümü Zeta potansiyel ve mobilite ölçümü Toz akı şının ölçümü • Helyum Piknometresi Ar şimet'in akı şkan ta şması prensibini ve Boyle Kanunu'nu kullanarak hacim ve gerçek yo ğunlu ğu bulmayı amaçlar. Ölçümlerin do ğrulu ğunun maksimum olması için ta şan akı şkan, en küçükleri dı şındaki tüm gözeneklere girebilen bir tesirsiz gaz olmalıdır. Bu nedenle, ölçümler için küçük atomik boyutları 0.25 nm çapındaki girinti ve gözeneklere yakla şan Helyum gazı uygun görülmektedir. Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 20077 Helyum'un ideal gaz olarak davranı şları da tercih nedenidir. Ba şka gazlar kullanıldı ğında da (azot gibi), genellikle ölçülebilir bir fark meydana gelmemektedir Helyum'un ideal gaz olarak davranışları da tercih nedenidir. Ba şka gazlar kullanıldığında da (azot gibi), genellikle ölçülebilir bir fark meydana gelmemektedir. Helyum geçirgenli ğine sahip yapılar için (dü şük yo ğunluklu polimerler ve bitki kökenli malzemeler gibi) azot veya SF6 gazı kullanılması gereklidir. •C i v a l ı Porozimetre Cıvalı porozimetreler, tepkimeye girmeyen, ıslatımsızb i r s ıvının yeterli basınç uygulanmadıkça küçük gözeneklere giremeyece ği fiziksel prensibine göre çalışmaktadırlar. Uygulanan basınç ile gözenek çapı arasındaki ili şki Washburn denklemi ile elde edilmektedir: Burada P uygulanan basınç, D gözenek çapı, ? cıvanın yüzey gerilimi (480 dyne/cm) ? cıva ile gözenek duvarı arasındaki temas açıdır (genellikle 140°). Porozimetre, dü şük basınç (50psi'a kadar) ve yüksek basınç (60,000 psi'a kadar) olmak üzere iki örnek haznesine sahiptir. Ölçümler için çe şitli boy ve çapta penetrometreler (örnek hücreleri) kullanmak mümkündür. Cihazda 950 mikron ile 0.0036 mikron arasındaki gözenek çapları ölçülebilmektedir. Porozimetre bilgisayar kontrollüdür. Ölçümlerde intrüzyon ve ekstrüzyon verileri elde edilebilmektedir. Ölçümler granül, pelet ve katı madde parçaları üzerinde yapılabilmektedir. (Toz numuneler, ölçüm için pelet haline getirilerek teslim edilmelidir) En büyük partikülün çapı 8 mm'den fazla olmamalıdır). Uygulamalar • Gözeneklili ğin belirlenmesi, • Gözenek hacmi da ğılımı, • Gözenek boyutu da ğılımı, •Y ü z e y a l a n ı da ğılımı, •P a r ç a c ık boyutu da ğılımı, •Y ı ğın (bulk) yo ğunlu ğu ve görünür yo ğunluk Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 20078 • Lazer Difraksiyon Metodu (Mastersizer) Tane boyu bilgisi gerekir, çünkü sa ğlamlık, kimyasal reaktiflik, opaklık, akı şkanlık ve malzeme mukavemeti içindeki tane boyu karakteristiklerine ba ğlıdır. Küçük tanelerin boyutlarını ölçmek için Mie Teorisi kullanılır. Mie Teorisi ı şığın ortam içerisinde tane boyu etrafındaki hem kırılmasını hem de geçirgenli ğini dikkate alır. Mie modelini kullanabilmek için hem örne ğin hem de ortamın kırılma endekslerinin bilinmesi gerekmektedir. • Tane boyu aralı ğı: 0.02 ile 2000 mikron arası (malzeme özelliklerine göre de ği şir) •Ö l ç m e p r e n s i b i : M i e s a ç ılması • Detektör sistemi: Kırmızıı şık: Ön saçılma, kenar saçılması, arka saçılma. Mavi ışık: Geni ş açılı ön ve geri saçılma. •I şık kayna ğı: Kırmızıı şık: Helyum neon lazer. Kırmızıı şık: Katı hal ışık kayna ğı Sıvı içerisinde da ğıtılmış katılar ve kolloidler, emülsiyonlar, kuru toz ve toz kütleleri. Kuru metot için yakla şık 10 g örnek gereklidir. Ya ş metot için 200 mg gereklidir. Uygulamalar • Seramikler •T o z M e t a l ü r j i • Mineral prosesleri • Toz yiyecek ürünleri • Mürekkepler • Spesifik Yüzey Alanı Katılardaki atomlar, kom şu atomların elektriksel çekim kuvvetleri ile sabit konumda yerle şmi şlerdir. Ancak katı maddenin yüzeyindeki atomlarda, kendilerinden daha altta olanlara göre az sayıda kom şu atom vardır. Yüzey atomları bu elektriksel kuvvet dengesizli ğini telafi edebilmek için, çevredeki gaz atomlarını çekmeye çalı şırlar. Bu da katıların karakterizasyonu için yararlı bilgiler sa ğlayan adsorpsiyon (tutunum) adlı bir sürece yol açar. Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 20079 Fiziksel adsorpsiyon çalı şmaları, asıl olarak bir örne ğin yüzey alanının, gözenek boyutu da ğılımının ve gözenek şeklinin elde edilmesi amacıyla yapılmaktadır. Kimyasal adsorpsiyon deneylerinde ise bir örnekteki kimyasal olarak aktif bölgelerin belirlenmesi hedeflenmektedir. Böylelikle, kimyasal ve katalizör tepkimeleri sa ğlayacak olan yüzey aktif alanlarının sayısı bulunabilmektedir. Cihaz, herhangi bir katı örnekte yapılacak kimyasal ve fiziksel adsorpsiyon deneylerinde kullanılabilir. Kimyasal tutunum deneyleri için farklı çalışma makroları kullanmak mümkündür. Ölçümler, pelet, toz ve parça halindeki katı maddeler üzerinde yapılabilmektedir. Örneklerin önceden ısıtılarak su ve nemden arıtılmış olması gereklidir. Ölçüm için en az 5 g örnek sa ğlanmalıdır. Uygulamalar •Y ü z e y a l a n ı, • Gözenek boyutu da ğılımı, • Gözenek şekli, • Kimyasal olarak aktif yerlerin belirlenmesi. • Zeta Potansiyel Ölçümü Zeta potansiyel, taneler arasındaki itme veya çekme de ğeri ölçümüdür. Zeta potansiyel ölçümü da ğılma mekanizmaları ile ilgili ayrıntılı bilgi verir ve elektrostatik da ğılma kontrolünün anahtarıdır. Belli bir yükteki tane, süspansiyon içerisindeki kar şı yükteki iyonları çeker, sonuç olarak, yüklü tanenin yüzeyinde güçlü bir ba ğ yüzeyi olu şur ve daha sonra da yüklü tanenin yüzeyinden dı şa do ğru yayılmış bir yüzey olu şur. Yayılmı ş bu yüzey içersinse "kayma yüzeyi" diye adlandırılan bir sınır bulunur. Yüklü tane ve onun etrafında bulunan iyonların kayma yüzey sınırına kadar olan kısım tek bir parça olarak hareket eder. Bu kayma yüzeyindeki potansiyel zeta potansiyeli olarak isimlendirilir ve hem tanenin yüzey yapısından hem de içinde bulundu ğu sıvının içeri ğinden etkilenir. Tanelerin polar sıvılar içerisindeki davranı şlarını yüzeylerindeki elektrik yükü de ğil, zeta potansiyel de ğerleri belirler. Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 200710 Katı-sıvı karı şımları ve kolloidler Tane boyu aralı ğı 2 nm-3 µm 3 nm-10 µm Minimum örnek hacmi 12 µl 0.75 ml Uygulamalar • Polimer ve proteinler (Topluluk ölçümleri) • Nanotaneler •Emülsiyon kararl ılığı (Tane boyu ve Zeta potansiyel) • Pigmentler (Pigment rengi ve tonu tane boyuna ba ğlıdır) •A t ık su arıtımı (Atık suyun içindeki tanelerin topaklandırılma ko şulları) • Seramik prosesleri ( Seramik süspansiyonlarının da ğılma kalitesi) •S ıvı mürekkep ve tonerler • Termal Karakterizasyon Metodları • Termal şok direncinin ölçümü • Termogravimetrik analiz (TGA) • Diferansiyel termal analiz (DTA) • Dilatometrik analiz Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007 Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2007