Pigment, Katkı ve Dolgu Amaçlı Kullanılan Mineral Maddeler: GCC/PCC ve Talk

Ağustos 21, 2017, 10:13 am
16 dakika
Prof. Dr. Öner Yusuf Toraman
Endüstriyel Hammaddeler ve Yapı Malzemeleri
Uygulama ve Araştırma Merkezi

Çeşitli Boyalarda Yardımcı Pigment, Katkı ve Dolgu Amaçlı Kullanılan Mineral Maddeler: GCC/PCC ve Talk

  1. Giriş

Bilindiği üzere; boya, yüzeylerin korunması veya dekoratif amaçlarla çeşitli yüzeylere uygulandığında yüzeyler üzerinde kuruyan bir film tabakası oluşturan kimyasal bileşimlerdir. Hayatımıza her gün birtakım boyalarla yapılan sayısız ürün dokunmaktadır. Bu ürünler başta evlerimizin duvarlarında, mobilya yüzeylerinde, motosikletlerde, otomobillerde, köprülerde olmak üzere ofislerimizdeki dolaplar ve fabrikalarımızda bulunan makine ve depolama tanklarında karşımıza çıkmaktadır. Boyalar genel olarak uygulandığıyere göre 3 grupta sınıflandırılabilir:

  • Mimari/dekoratif boyalar (iç/dış cephe ve ahşap boyalar) (İnşaat Boyaları),
  • Endüstriyel boyalar (otomotiv orijinal ekipman imalatı (OEM) ve toz boyalar) (Sanayi Boyaları),
  • Özel boyalar (bakım, marina, trafik veya yol işaretleme, otomobil boyaları ve aerosol boyaları).
Talk

Çizelge 1. Boyayı oluşturan temel bileşenler

 

Birçok boya türü için aşağıdaki gibi bir mineral dolgu maddesi ve yardımcı pigment kullanıldığında yarar sağlar:

  • Öğütülmüş kalsiyum karbonat (GCC),
  • Çöktürülmüş (Presipite) kalsiyum karbonat (PCC),
  • Talk.

Öğütülmüş kireçtaşı olarak da adlandırılan, öğütülmüşkalsiyum karbonatlar (GCC) genellikle en ekonomik dolgu mineralidir ve çok yüksek parlaklığa sahiptir. Bununla birlikte, film bütünlüğüne çok fazla katkıda bulunmazlar ve kimyasal yapısı onları asit saldırısına maruz bırakır. Çöktürülmüş kalsiyum karbonat (PCC) sentetik kalsiyum karbonat formu olup, dünyanın bazı yerlerinde, özellikle lateks veya emülsiyon boyalarında yaygın şekilde kullanılmaktadır.

 

Talk, dış cephe boyaların ve yarı şeffaf veya opak boyaların nem bariyer özelliklerini, düz/yassı tane şekli ve

hidrofobik (su itici) yapısı nedeniyle geliştirir. Kalsiyum karbonatlar kadar parlak değildir ve maliyeti daha yüksektir. Talk aynı zamanda önceden disperse edilmiş sıvırenklendiricilerde, renklendiricide ana renk pigmentlerinin süspansiyon ve renk gelişimini destekleyen boya renklendirme sistemleri için de kullanılır.

 

Bir dolgu pigmenti seçerken hem son kullanıcıların talepleri hem de maliyet kısıtlamaları (yani satış fiyatı) dikkate alınmalıdır. Belirli bir dolgu maddesinin boyada performansı şunlara bağlıdır:

  • Kimyasal yapısı,
  • Tane boyutu,
  • Tane şekli,
  • Yüzey kimyası,
  • Rengi,
  • Beyazlığı veya parlaklığı.

Çoğu dekoratif boya, uygulama, görünüm, dayanıklılık ve maliyet özelliklerinin hedeflenen dengesini sağlamak için farklı tip ve ebattaki dolgu minerallerinin bir kombinasyonunu içerir.

 

  1. Mimari Boyalar

Mimari boyalar; ev, apartman ve ofis binaları gibi yapıların iç ve dış kısımlarında kullanılır. Mimari boyalar için diğer uygulamalar ticari boyalar, dekoratif boyalar, bina boyaları ve DIY (kendin yap) boyalarıdır. Bunlara ahşap için yarı şeffaf veopak boyalar dahil edilebilir. Bunlar, insanların en çok gördüğü, kullandığıve uyguladığı boyalardır. Kullanıcılarının dekoratif ve işlevsel ihtiyaçlarını karşılamak için, ev ve ticari inşaat boyaları, düz veya mat parlak renklerden yumurta kabuğu ve yarı parlak aralıklar arasında formüle edilmiştir.Dış mimari boyalar ve ahşap boyaları, rüzgâr,yağmur ve doğrudan güneş ışığına dayanacak şekildeformüle edilmelidir. İç cephe boyaları genellikle daha elverişli bir ortamda kullanılır, ancak yüzey kusurlarının daha kolay fark edildiği yerlerde, rötuş ve yıkanabilirliğinönemli olduğu yerlerde kullanılır. Boyanın rengi kullanılan asal pigment ile belirlenir. Boya beyaz veya açık renkli ise, dolgu maddesi genellikle titanyum dioksit (TiO2) olacaktır; Koyu renk boya tonlarında, demir oksit, karbon siyahı veya bazı parlak renkli organik pigment olabilir. Yukarıda tarif edilen asal renk pigmentlerine ek olarak, dekoratif boyalar aynı zamanda, GCC, talk ve kaolin gibi dolgu maddesi veya yardımcı pigmentleri içerir. Bu minerallerin temel işlevleri şu şeklidedir:

  • Daha pahalı renk pigmentlerinin etkinliğini arttırmak veya maksimize etmek,
  • Istenen rengin elde edilmesi için gereken kullanım miktarını azaltmak,
  • Boyadaki hacmi doldurarak reçinelerin ve/veya çözücülerin kullanımını azaltmak.
Talk

Tablo 2. Mimari boyalarda kullanılan mineral dolgu ve tane boyutu

 

  1. Endüstriyel Boyalar

Endüstriyel boyalar, genellikle üretim sürecinin bir parçasıolarak imal edilen mallara fabrikada uygulanan boyaları ifade eder. Bu gibi boyalar orijinal ekipman imalatı (OEM) boyalar veya ürün boyaları olarak da bilinir.

Örnek olarak, otomobil, mobilya ve metal yapıürünlerinde kullanılan boyalardır. Bu boyalar sıkı kalite kontrol prosedürleri kullanılarak kontrollü ortamlarda uygulanır. Mimari amaçlı boyalardan farklı olarak, endüstriyel boyalar ek maliyet düşüşünün yanı sıra ilave sebeplerle yardımcı pigmentleri de içerecektir. Bu formülasyonlar boyaya bazı işlevsellik veya performans katan minerallere yönelir. Bir OEM formülasyonu yayıcıiçerdiğinde, genellikle talk seçilecektir. Kolay zımparalanabilirlikve iyi bir yapışma sağladığı için talk astar boyasında kullanılır. Talk ayrıca bir nem bariyeri oluşturmaya yardımcı olur ve dış dayanıklılığı artırır.

Genel olarak, nano tipi PCC’ler haricinde, endüstriyel boyalarda kalsiyum karbonatlar kullanılmamaktadır. Kaplı ve kapsız nanoPCC’ler kullanılır, ancak seçim sisteme bağlıdır. PCC, boya içinde çoğunlukla titanyum dioksit için bir yayıcı olarak kullanılır. Küçük ve dar boyut dağılımlı PCC taneleri, bireysel TiO2 tanelerine yer açılmasına yardımcı olur. Asal beyaz pigmentin bu yayılması matlığı artırabilir ve maliyeti düşürebilir.

Sadece tek bir tane şekline sahip olan GCC’nin aksine, PCC’lerde tek başına öğütme ile elde edilemeyen pek çok tane şekli ve daha küçük boyutlar elde edilebilir. İğne şekilli aragonitler ve kümelenmiş skenohedral kalsitler, opaklık ve poroziteyi artırmak için yayıcı olarak kullanılan tipik kristal türleridir. PCC kristalinin morfolojisindeki ve boyutundaki bu gibi farklılıklar, belirli bir PCC’nin farklı boya formülasyonlarında nasıl performans gösterdiği konusunda büyük farklara neden olabilir. Boya için birçok PCC ürünü, üretilen tanenin dağılmasınısağlayan ve kurutulmuş tozları yeniden dağıtmak için bir üretim basamağına ihtiyaç duymayan “sulu” formda bulunur. GCC’ye çok benzeyen PCC, içve dış mimari boyalarda en büyük uygulamasını bulur. Toz boyalarda, özellikle küçük ve dar tane boyut dağılımlarıile ince ve ultra ince nano kalitelerde bir miktar kullanılır. Standart olmayan, kaplanmamışhidrofilikkalitelere ek olarak, bazı PCC’ler stearik asit ile kaplıolabilir. Bu ürünler, solvent bazlı veya %100 katı boyalarda hidrofobiklik, dağılabilirlik ve uyumluluğu artırır. PCC’nin boya formülasyonları için standart hammadde olarak kabul edilme derecesi bölgeden bölgeye değişir. PCC’ler Avrupa, Güney Amerika ve Asya’daki dekoratif boyalarda yaygın olmakla birlikte, Kuzey Amerika’da daha az görülür. Seçim genellikle bölgedeki diğer maden minerallerinin göreceli olarak bulunabilirliğine ve göreli maliyetlere bağlıdır.

Öte yandan, Talk, boyada en çok kullanılan minerallerden birisidir. Dış ve iç mimari boyalar, yarı şeffaf ve opak ahşap boyalar, özel boyalar ve endüstriyel/OEM (orijinal ekipman imalatı) uygulamalarında kullanılır. Talk, gerçek bir fonksiyonel yayıcı mineraldir. Tabakamsıyapısı, hidrofobik (su itici) yüzey ve inert kimyasal yapısı, gerçek bir nem bariyeri sağlayan boyaların oluşturulmasına yardımcı olur. Tabakalı yapısı güçlü, esnek bir film sağlar. Talk endüstriyel minerallerin sertliği en düşük olanıdır. Bu yumuşaklık talkı zımpara astarlarında özellikle iyi bir katkı maddesi haline getirir. Çok ince bir ebatta öğütülen d50=1 mikron talk, endüstriyel boyalarda perdahlığı ve parlaklığı kontrol etmek için kullanılabilir. Talk, pigmentlerin süspansiyonda asılı ve dağılmış halde kalmasına yardımcı olur ve renklendiricide kullanılan asal pigmentlerden boyama şiddetinin gelişmesini en üst düzeye çıkarır.

 

  1. Özel Boyalar

Özel boyalar grubu, mimari boyalar veya endüstriyel OEM (orijinal ekipman imalatı) boyalarının dışına çıkan geniş bir ürün yelpazesine sahip bir ürün yakalamaktadır. Bu kategoride yol işaretleri veya trafik boyaları, köprüler ve depolama tankları için bakım boyaları, diğer metal koruyucu kullanımlar, çatı ve aerosol boyalarıda bulunur. Özel boyalar öncelikle görünüm boyalarıyerine koruyucu boyalardır. Birçok özel uygulama çok yüksek performans gerektirdiğinden, katkı maddeler öncelikle fonksiyonellikleri ve ikincil bir faktör olarakmaliyet etkinliği için seçilir. Metal koruyucu bakım boyaları, talkın bariyer özelliklerini etkili biçimde kullanabilir.

Bununla birlikte, trafik boyaları gibi sıkı maliyet parametreleri dahilinde asgari performans standartlarınıkarşılaması gereken diğer durumlar da vardır. Dolgu maddelerini yoğun şekilde kullanan yol işaretleme boyalarında genel formülasyon maliyetini düşürme özelliği, diğer pigmentlere kıyasla bir renklendirici pigmentseçimi açısından çok önemlidir. Genelde daha ekonomik bir mineral olan GCC kullanılır. Aerosoller gibi bazıçok özel boyalarda, formülasyonda kullanılan belirli hammadde setini tamamıyla tamamlayan yalnızca bir yayıcı sistemi olabilir. GCC (aynı zamanda öğütülmüşkireçtaşı veya tebeşir) boya uygulamalarında en yaygın kullanılan yayıcı mineral maddedir. Dünya genelinde temin edilebilir ve çoğu boya üretim yerinin yakınında mevcuttur. Parlaktır ve çok çeşitli tane boyut dağılımlarına (PSD) sahiptir. Tüm yaygın dolgu madenlerinin en ekonomik olanıdır. GCC için en geniş kullanım, mimari veya dekoratif boyalarda dolgu olarak kullanılır. Öncelikle iç cephe boyalarında kullanılırken bazı dış formülasyonlarada katılır. Düşük bir fiyat noktasında satılan boyalar için ve/veya uzun ömürlülüğün birincil özellik olmadığı yerler için dolgu maddesi olma eğilimindedir.

Yüksek parlaklıktaki kalsiyum karbonatlar, tavan boyalarıve diğer uygulamalar için seçilir ve kritik pigment hacim konsantrasyonunun (CPVC) üzerinde formüle edilir. Farklı tane boyutlarının iki veya daha fazla sınıfınıbirleştirerek dolgu paketinin tane boyut dağılımınıdeğiştirerek üreticiler, iç mimari boyaların yüzeydeki düzgünlüğünü ayarlayabilirler. GCC, pigment hacim konsantrasyonu (PVC) çok yüksek olmadığı sürece, dışbina boyalarında kullanılabilir. GCC’ler ayrıca bitmiş filmin optik özelliklerini karşılarken maliyetleri düşürmek için yol işaretleme ve trafik-boya formülasyonlarına dahil edilen ekonomik yayıcılardır. Yüksek en-boy oranlıplakalı talklardan farklı olarak, kalsiyum karbonatlar, yuvarlak veya nodüler tane şekli ve düşük en-boy oranıile geliştirilmiş film oluşumuna ve bütünlüğüne nispeten daha az katkı sağlar ve film gözenekliliğini artırır. Bu nedenlerden dolayı, endüstriyel, marina ve metal korumalı bakım boyalarında GCC kullanımı sınırlıdır.

 

Kaynaklar

1.http://www.mineralstech.com/Pages/SMI/Paint-and-Coating.aspx

2.http://www.dynkimya.com/haberler/detay/TR/1/Boya-Nedir

3.Industrial MineralsandTheirUses- A HandbookandFormulary, Peter A. Ciullo, NoyesPubl., 1996.

4.Ö.Y.Toraman, Boya ve Plastikte Kullanılan Mineral Dolgu Maddeler, Boyatürk, Nisan-Mayıs 2014, s.34-40.

5.Ö.Y.Toraman, Boyada Kullanılan Mineral Dolgu Maddeleri, Boyatürk, Haziran Temmuz 2016, s.38-42.

6.Paints, CoatingsandSolvents, EditedbyDieterStoye, VCH Publishers, Inc., NY (USA), 1993.

7.S.Koltka, E.Sabah, Boya Sektörü ve Sentetik (Çöktürülmüş) Kalsiyum Karbonat (PCC), 8.Uluslararası Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, Bildiriler Kitabı, s. 47-56, 29-30 Kasım 2012, İstanbul.

  • (gizli tutulacaktır)