Solventli ve Su Bazlı Boyalarda Hacimce Katı Madde ve Kaplanabilir Alan Teorik Bilgilendirme ve Hesaplama Teknikleri

14 Eylül 2017

1.Teorik Bilgilendirme
Günlük yaşamda ve endüstride kullandığımız birçok malzemeden farklı olarak boyalar uygulama sonrası;
• Şekil/görünüm,
• Yapı,
• Boyut,
Değişimlerine uğrayarak uygulandıkları yüzeyde bir kuru filme / örtüye dönüşürler. Bu dönüşüm süreci “Film Oluşumu” (Film
Formation)  olarak tanımlanır ve boya türüne göre;
• Fiziksel kuruma (Uçucuların filmi terk etmesi),
• Kimyasal kuruma (Film yapıcıların kimyasal bir reaksiyon ile kürlenmesi),süreçlerinin birincisini veya ikisini birden içerir. Bu dönüşüm sırasında hacimce katı maddenin önemini ve etkisini daha iyi anlayabilmek için solvent ve su bazlı boyalarla ilgili aşağıdaki  özet bilgiler yararlı olacaktır.

Hacimce katı madde(HKM), yaş boyaların toplam uçucu olmayan kısımlarının toplam hacme oranıdır. Solvent ve su bazlı boyalar temel olarak aşağıdaki girdilerin uygun prosesler ile karışımları sonucu oluşurlar:

1.Reçineler (Film oluşturucu),
2.Pigmentler ve Dolgular (Renk, örtücülük ve hammadde maliyetinde ekonomi sağlarlar),
3.Katkılar (Çökme önleyiciler, reoloji ajanları, yayılma, matlaştırma ve yüzey ıslatma ajanları vs.),
4.Uçucular (solventler ve / veya su).

Boyanın herhangi bir uygulama metodu ile uygulanmasından sonra formülasyonda kullanılan uçucular,reçine ve katkılardan taşınan uçucularla birlikte kaynama noktaları, buharlaşma hızları ve çözücülüklerine bağlı olarak yaş filmi terk etmeye başlarlar. Fiziksel kuruma dediğimiz bu süreçte film kalınlığının hacimce katı madde oranı artar (Şekil 1). Yaş filmden kuru filme geçiş sırasında boya filminde hacimce bir küçülme olur ve bu küçülme tüm uçucular filmi terk edinceye kadar sürer (Şekil 2).

 

Şekil 1. Boya filminde film formasyon sürecinde yaş filmden kuru filme geçişte zamana bağlı olarak %HKM artışı

Şekil 2. Film formasyonu sürecinde filmde hacim küçülmesi

 

A: Sıfır zamanında uygulama viskozitesindeki yaş boya durumu,
h1: Uygulamanın hemen sonrasında oluşan yaş film kalınlığı,
B: Fiziksel kuruma sürecinin herhangi bir anındaki boya filmi durumu,
h2: Fiziksel kuruma sürecinin herhangi bir anındaki yaş film kalınlığı,
C: Fiziksel kurumanın tamamlandığı andaki boya filmi durumu,
h3: Fiziksel kurumanın tamamlandığı andaki boya film kalınlığı,
D: Kimyasal kurumalı (kondenzasyon, poliüretan vs gibi yan ürünlerin oluştuğu reaksiyonlar) boyalarda kimyasal reaksiyonun tamamlanma süreci, h4: Kimyasal kurumalı boyalarda kürlenme reaksiyonu tamamlandıktan sonraki kuru film kalınlığı,(h4-h3) farkı genellikle ihmal edilebilecek kadar küçük olduğu için teorik HKM hesaplarında eşit varsayılır. Biz de buradaki hesaplama yöntemlerimizde eşit varsayarak h3 olarak anacağız. (h3-h1) değeri ne kadar küçük olur ise;

• Boyamızın HKM değeri o kadar yüksek olacaktır,
• Boya ve uygulama maliyetleri o kadar düşük olacaktır,
• Çevre ve insan sağlığına olumsuz etkileri o oranda düşük olacaktır.

Boyalar içerdikleri HKM oranlarına göre aşağıdaki şekilde sınıflandırılırlar:

2.Hacimce Katı Madde Hesaplama Yöntemleri
Boyaların hacimce katı maddeleri aşağıdaki yöntemler ile hesaplanabilir:
2.1. Teorik HKM % = (Girdilerin tek tek HKM toplamları / Boyanın hacmi) * 100
Bu yöntem boya formülasyonunu ve girdilerin fiziksel özelliklerini bilmeyi gerektirdiği için boya üreticileri tarafından kullanılabilen bir yöntemdir.
2.2. Deneysel HKM % = (h3 / h1) * 100
Uygulama viskozitesindeki boya aplikatör yardımı ile bir panel üzerine bilinen bir yaş boya kalınlığında (h1) uygulanır. Spesifikasyonlarına uygun şartlarda kurutulur / kürlendirilir. Kürlenme sonrası panelin değişik bölgelerinden en az 5 noktadan kuru film kalınlığı ölçülür, ortalaması alınır (h3).

2.3. ISO 3233-1:2013: Boyalı bir test panelinin Arşimet prensibine göre kuru film yoğunluğunu ölçme prensibine dayanır.

2.4.Hesaplama yöntemi ile;
HKM % = {[(1000/db) – 1000 (1 – xk) / ds] / (1000 / db)} * 100
db= 20ºC’de boya yoğunluğu, gr/cm³;Laboratuarda ölçülmeli veya boya üreticisinden istenmelidir,
ds= Boya ve tiner içerisindeki solventlerin 20ºC’de ortalama yoğunluğu, gr/cm³; boya üreticisinden istenmelidir,
xk= Boyanın ağırlıkça katı madde fraksiyonu (ağırlıkça KM% / 100); Laboratuarda ölçülmeli veya boya üreticisinden istenmelidir.

Özellikle kullanıcılar açısından boya seçimi yapılırken boyaların görsel, fonksiyonel, fiziksel ve kimyasal performanslarının beklentileri karşıladığı durumlarda en önemli kriter hacimce katı madde oranlarının yüksekliği ve dolayısı ile 1 kg. veya 1 Lt. boya ile ne kadar alan boyanabileceğinin hesaplanarak karşılaştırılabilmesidir.

Özellikle kullanıcılar açısından boya seçimi yapılırken boyaların görsel, fonksiyonel, fiziksel ve kimyasal performanslarının beklentileri karşıladığı durumlarda en önemli kriter hacimce katı madde oranlarının yüksekliği ve dolayısı ile 1 kg. veya 1 Lt. boya ile ne kadar alan boyanabileceğinin hesaplanarak karşılaştırılabilmesidir.

Birden fazla boyayı hacimce katı madde hesabı ile karşılaştırırken dikkate alınması gereken diğer önemli bir nokta her iki boyayı da aynı oranda tiner ile incelterek uygulama viskozitesine getirmek gerekliliğidir. Eğer rakip boyaların incelme oranları arasında önemli bir fark var ise (> ± %3 ), tinerleri de hesaba katarak eşit viskozitedeki incelmiş boyaların hacimce katı maddelerinin ve dolayısı ile boyanabilir alanların karşılaştırılması gerekliğidir. İnceltme oranı farklılığının final maliyete etkisi ayrıca hesaplanmalıdır.

1 kg boya ile boyanabilen alan, A = [(1000 / db) – 1000 (1-xk) / ds] / h m²
h = Uygulanacak ortalama kuru film kalınlığı, mikron

3. Sonuçlar
3.1. Boyanın hacimce katı maddesi, uygulama sonrası elde edilen kuru film hacmine eşittir.
3.2. Bir boyanın inceltme oranı arttıkça hacimce katı madde oranı düşer.
Bu ise:
• Daha yüksek malzeme maliyeti,
• Daha yüksek uygulama maliyeti,
• İnsan sağlığına, çevreye ve iş güvenliğine daha fazla olumsuzluk demektir.

3.3. Boyaların HKM oranlarını belirleyen temel girdi boya formülasyonunda kullanılan reçineler ve seçilen çözücülerin çözme güçleri olup, reçinelerin molekül ağırlıkları yükseldikçe viskoziteleri artar, HKM’leri düşer. Daha az çözücü içeren, daha az çözücü ile incelerek uygulama viskozitesine getirilebilen reçineler ile üretilen boyaların HKM’leri daha yüksek olacağından reçine üreticileri fiziksel ve kimyasal  dirençlerini düşürmeden daha düşük molekül ağırlıklı ve daha yüksek katılı reçine geliştirme çalışmalarına Ar-Ge projeleri ile yoğun bir şekilde devam etmekte özellikle emisyon değerlerine yönelik giderek çıtayı yükselten regülasyonlar bu çalışmaların önemini daha da artırmaktadır.

Muhammet Demirkıran / Boya, Mürekkep ve Yapıştırıcı Grubu Satış Müdürü / Kempro Kimyasal Mad. ve Dış Tic. A.Ş.

4.Kaynaklar
1.BASF Handbook on Basics of Coating Technology; by Prof.Dr.A.Goldschmidtand Dr.H.-J.Streitberger,2003
2.Organic Coatings: Scienceand Technology; by Zeno W. Wicks,2007
3.European Coatings Handbook; by Thomas Brock, Michael Groteklaes, Peter Mischke,2000
4.SurfaceCoatings: Rawmaterialsandtheirusage; Surface Coatings Association Australia, Oiland Color Chemist’s Association,1993