Yüksek Performanslı Işık Stabilizatörleriyle Çeşitli Ahşaplarda Ön İşlem Çalışmaları

05 Şubat 2019


Yung-Chi Yang

Özel Kimyasallar Teknik Müdürü
Everlight Chemical Industrial Corp

 

 

 

Samir Günaştı
Genel Müdür
ELİTE A.Ş.

 

 

Özet
Lignin (ahşap parçası) güneş ışığına maruz kaldığında kolayca bozulabilir. Ahşabın güzelliğini korumak için UV emici içeren su bazlı şeffaf kaplamaların ve ışık stabilizatörlerinin koruma amacıyla yüzeye uygulanması yaygındır. Ancak, bu tip bir uygulamanın faydası kısıtlıdır. Çalışmalarımıza göre, şeffaf son kat uygulamadan önce ahşap yüzeyin ön işleme tabi tutulması, lignini UV ışınlarının bozulmasına karşı korunmasını etkin bir şekilde artırabilir.

UV emici ve HALS karışımı bir ürün olan Eversorb® AQ, Everlight Chemical Industrial Corporation (ECIC) tarafından özellikle su bazlı şeffaf kaplamalar için üretilmiştir. Ahşap önişlemleri için üretilen Eversorb® SB, ise lignini UV ışığının etkilerinden koruyabilir.

Eversorb® AQ için ahşap koruma etki yeterlilik faktörü %14,69’dur. Eversorb® SB için ahşap koruma etki yeterlilik faktörü ise %13,35 olarak saptanmıştır. Eversorb® AQ ve Eversorb® SB beraber ektileşim etkisine sahiplerdir. Etki faktörleri %10.09’dur. Hem Eversorb® AQ hem de Eversorb® SB ahşap koruma için iyi performansa sahip ürünlerdir.

Bu makale, Eversorb® SB ile önceden veya farklı olarak işlenmiş farklı ahşap tiplerini farklı çözücülerde test etmek için hızlandırılmış hava şartlandırma yöntemini kullanan bir karşılaştırma çalışmasıdır. Bu çalışmada Deney Tasarımı (DT) kullanılmıştır. Veriler, Eversorb® SB ile yapılan işlemin UV etkisi testinde daha iyi performans gösterdiğini teyit etmektedir. Lignin hidroksil fonksiyonel grupları (-OH) içeren bileşik bir organik polimerdir.

İki tür yardımcı çözücü, izopropil alkol ve butil karbitol, sistemde test edilmiş olup çözünürlük parametreleri sırasıyla 11.5 ve 9.9’dur. Ayrışma testinden sonra, izopropil alkolle karıştırılmış Eversorb® SB, butil karbitol için daha iyi sonuç vermiştir. Yumuşak ağaçların (%25–35), sert ağaçlardan (%18–25) daha yüksek lignin içermesi nedeniyle, teorik olarak, Eversorb® SB ön işlemi yumuşak ağaçlara daha iyi koruma sağlayabilir.

Verilerimiz hipotezi desteklemektedir; Eversorb® SB ile ön işlem, yumuşak ağaçlarda (Southern Pine ve Douglas Köknar) sert ağaçlarda (Cedar, Southern Kayın ve Afrika Tikası) çok daha fazla koruma sağlar.

Giriş
Genellikle, geleneksel solvent bazlı kaplamalarla ilişkili olan yüksek VOC sorunlarını gidermek için su bazlı şeffaf kaplamalar geliştirilmiştir [1]. Çoğu müşteri, ahşap malzemeleri korumak için su bazlı açık ahşap kaplamalar kullanmaktadır. Bununla birlikte, güneş ışığı ve UV radyasyonu ahşap yüzeyindeki kaplamalara nüfuz ederek sararmaya neden olabilir. Sararma hem kaplama hem de ligninden dolayıdır. Odun, ligninin, selülozun ve hemiselülozların bir bileşimi olarak ligninin fotodegradasyonu nedeniyle sararmaya başlar [2-6].

Ligninin fotodegrasyon yolu [7-8] Figür 1’de görülmektedir.

Şekil 1. Ligninin fotodegradasyonunun yolu

Eversorb® AQ su bazlı ışık dengeleyicidir. Eversorb® SB, ahşap ön işlemleri için tasarlanmış bir lignin stabilizatörüdür. Test verileri, berrak üst katmandaki Eversorb® AQ konsantrasyonunu artırarak Güney Çamı’nı UV ışığı bozulmasından etkili bir şekilde koruyabileceğini doğruladı. Diğer deneyler, berrak üst kat uygulanmadan önce Güney Çam’ındaki Eversorb® SB ile yapılan ön muamelenin, Eversorb® SB ön işlemine sahip olmayandan daha iyi bir hava alabilirliği sağladığını göstermektedir.

Ayrıca, veriler kaplama kalınlığının artırılmasıyla, Güney Çam’ının ışık haslığının da bir dereceye kadar iyileştirilebileceğini, ancak açık kaplamadaki ışık stabilizatörlerinin dozajının artırılması ya da vernik uygulanmadan önce güney çamının ön işlemden geçirilmesi gibi diğer yöntemler kadar etkili olmadığını ileri sürmektedir [9]. Lignin, hidroksil fonksiyonel gruplar (-OH) içeren bileşik bir organik polimerdir. Solventlerin Eversorb® SB’nin koruma performansını etkileyip etkilemediğini kontrol etmek için, deneyde Eversorb® SB ile karıştırmak için farklı yardımcı solventler kullanıldı.

Teorik olarak, Eversorb® SB ön işlem, yüksek lignin içeriği nedeniyle yumuşak ağaçlarda, sert ağaçlara göre daha iyi bir performansa sahip olabilir. Yumuşak ağaçlar %25–35 lignin içerirken sert ağaçlar %18–25 lignin içerir [10]. Bu yazının konusu yumuşak ağaçlar (Güney Çam ve Douglas Köknar) ve sert ağaçlar (Sedir, Güney Kayın ve Afrika Tik ağacı) dahil olmak üzere 5 farklı türde ahşaptır.

Deney
Bu çalışmada kullanılan üç model formülasyon akrilik bazlı su bazlı berrak bir kaplama, ahşap ön işlemleri ve yardımcı çözücülerdir. Detay kompozisyonları Tablo 1, Tablo 2 ve Tablo 3’te gösterilmektedir. Şekil 2’de gösterildiği gibi bölgede 5 farklı ağaç seçildi. Deney Tasarımı (DOE), test çalışmalarını tasarlamak ve test verilerini analiz etmek için kullanıldı. DOE tekniği verileri doğrulamamızı sağlamaktadır.

Tablo 1. Su bazlı model formülasyonun bileşimleri

Tablo 2. Ahşap ön muamele model formülasyonları

Tablo 3. Farklı yardımcı çözücülerin çözünürlük parametreleri
(Unit: (cal/cm3)1/2)

EV-AQ ve EV-SB kullanarak Farklı Tiplerde Odun ve Yardımcı Çözücülerin Tarama Tasarımı
Ayrışma testinden sonra minimum renk değişimini sağlayan faktörleri belirlemek için tarama tasarımı (Tablo 4) kullanılmıştır. Verilerden türetilen matematiksel model tüm faktörleri gösterir –X1:5 farklı ahşap türü (Sedir, Douglas Köknar, Güney kayın, Afrika Tik ve Güney Çam). X2:3 tip uygulama (X2-1: Üst Kat: Su Bazlı Akrilik Reçine, X2-2: Ahşap Ön İşlemi: EV-SB ile karıştırılmış Butil Karbitol, Üst Kat: Akrilik Reçine ve X2-3 ile karıştırılmış EV-AQ: Ahşap Ön Arıtma: EV-SB ile karıştırılmış IPA Üst Kaplama: Akrilik Reçine ile karıştırılmış EV-AQ).

Şekil 2. Farklı ağaç türleri

Tablo 4. Tarama tasarımının detayları ve test sonuçları

Optimal Tahmin Profilcisi
Tahmin profili (örneğin, Güney Çamı), 300 saatlik hava koşullarına dayanma testinden sonra 3 tip işlemin etkisini gösterir. Sadece su bazlı akrilik reçine kullanan madde için, ayrışma testinden sonra sararma önemlidir. (Renk farkı ΔE=31.85) (Şekil 3’te görüldüğü gibi).

%10 EV-SB ön işlemde Butil Karbitol ve üst kat %2 EV-AQ ile karıştırıldı. Performansı UV katılmamış olandan daha iyi çıktı. (Renk farkı ΔE=10.25) (Şekil 4). Ön işlemdeki IPA ve üst kattaki %2 EV-AQ ile karıştırılan %10 EV-SB. Güney Çamının ışık haslığında en iyi olduğu görüldü. (Renk farkı ΔE=6.55) (Şekil 5). Ayrışma testinden sonra farklı tipteki ağaçların fotoğrafları, Şekil 6 ila Şekil 10’da gösterilmektedir.

Şekil 3. Güney Çamının 300 saat boyunca hava koşullarından
sonra akrilik reçine ile kaplanmış etkisi

Şekil 4. Güney Çamının ve ön işlemlerin bütil karbitol ile 300 saat
boyunca havalandırıldıktan sonra etkisi (Tahmin Profilcisi)

Şekil 5. Güney Çamının ve ön işlemlerin IPA ile hava koşullarından sonra 300 saat boyunca etkisi (Tahmin Profilcisi)

Şekil 6. Douglas Köknar 300 saat için test sonra fotoğraf

Şekil 7. 300 saat için ayrışma testinden sonra Afrika Tik fotoğrafı

Şekil 8. 300 saat için ayrışma testinden sonra Güney Kayın fotoğrafı

Figure 9. Photo of Southern Pine after weathering test for 300hrs

Şekil 10. Santa-for için 300 saat boyunca ayrışma testinden sonra fotoğraf

Sonuç
Yaşlandırma testinden sonra, sonuç Eversorb® SB ve Eversorb® AQ karışımının ahşap yüzeyleri sararmaya karşı önemli ölçüde koruyabileceğini göstermektedir.Ayrıca, izopropil alkolle karıştırılmış Eversorb® SB, butil karbitol ile karıştırılan Eversorb® SB’den daha iyi performans sağlayabilir.

Karar
Çevre dostu kaplamalar gelecekteki gelişme trendidir. Özellikle kaplamalar için birçok benzersiz ürün geliştirdik.

UV emici ve HALS karışımı olan Eversorb® AQ, su bazlı şeffaf kaplamalar için geliştirilmiştir. Ahşap ön işlemleri için tasarlanan Eversorb® SB, lignini UV ışık bozulmasından koruyabilir. Lignin, bileşik bir organik polimerdir, hidroksil fonksiyonel gruplar içerir (-OH).

İzopropil alkol ve bütil karbitolün çözünürlük parametresi sırasıyla 11.5 ve 9.9’dur. Yaşlandırma testinden sonra, sonuç Eversorb® SB’nin izopropil alkolde butil karbitolden daha iyi performans sağlayabildiğini göstermektedir. Başka bir deyişle, çözücülerin daha yüksek çözünürlük parametreleri daha iyi koruma sağlayabilir. Yumuşak ağaçlardaki (%25–35) sert ağaçlardan (%18– 25) daha yüksek lignin içeriği nedeniyle, teorik olarak Eversorb® SB ön işlemi yumuşak ağaçlara daha iyi koruma
sağlayabilir.

Verilerimiz, Eversorb® SB ile yapılan ön işlemlerin sert ağaçlarda (Güney Çam ve Douglas Köknar) sert ağaçlarla (Sedir, Güney Kayın ve Afrika tik ağacı) karşılaştırıldığında çok önemli koruma sağladığını göstermektedir.

Kaplama üreticilerinin, kaplama sistemlerinin uyumluluğunu onaylamak için deneyler yapmaları gerekebilir. Ayrıca, özel gereksinimlerinizi karşılamak için özel olarak üretilmiş bir UV emici ve ışık dengeleyici paketi de önerilebilir.

Kaynaklar 
[1] YAO-HSING HUANG, YUNG-CHI YANG. Light stabilizers for clear coatings [J]. Polymers Paint Colour Journal, 2010, 2000(4544):38.
[2] EVANS, P. D., A. F. A. WALLIS and N. L. OWEN. Weathering of chemically modified wood surfaces [J]. Wood Science and Technology, 2000, 34(2): 151-165
[3] CHANG, S. T., D. N. S. HON and W. C. Feist. Photodegradation and photoprotection of wood surface [J]. Wood and Fiber Science, 1982, 14(2): 104-117.
[4] EVANS, P. D., A. F. A. WALLIS and N. L. OWEN. Weathering of chemically modified wood surfaces [J]. Wood Science and Technology, 2000, 34(2): 151-165.
[5] Heitner, C. Light-induced yellowing of wood-containing papers. In” Photochemistry of Lignocellulosic Materials “ (C. Heitner and J.C. Scaiano Ed.) [A]. American Chemical Society. Washington D.C. 1993, pp.2-22.
[6] SCHMIDT, J.A.; HEITNER, C. “Light-Induced Yellowing of Mechanical and Ultra-High Yield Pulps. Part3. Comparison of Softwood TMP, Softwood CTMP, and Aspen CTMP.” [J] Journal of Wood Chemistry and Technology, 1995, 15(2): 223-245.
[7] Heitner, C. Light-induced yellowing of wood-containing papers. In” Photochemistry of Lignocellulosic Materials “ (C. Heitner and J.C. Scaiano Ed.) [A]. American Chemical Society. Washington D.C. 1993, pp.2-22.
[8] SCHMIDT, J.A.; HEITNER, C. “Light-Induced Yellowing of Mechanical and Ultra-High Yield Pulps. Part3. Comparison of Softwood TMP, Softwood CTMP, and Aspen CTMP.” [J] Journal of WoodChemistry and Technology, 1995, 15(2): 223-245.
[9] Yung-Chi Yang, Shih-Chen Huang, Chih-Hsien Chein, Dr. Yao-Hsing Huang. Light stabilisers for woodpre-treatment applications[J]. Polymers Paint Colour Journal, 2011, 201(4565):21-22
[10] Himmel, M. E., J. O. Baker, and R. P. Overend(1994). “Enzymatic Conversion of Biomass for Fuels Production”, ed. By M.J. Comstock, American Chemical Society, Washington, DC.