Ford, 1908 yılında, hem uzun ömürlü hem de ve maliyeti düşük bir kaplamayı sağladığı için, Model T için tek pratik otomotiv boyasının siyah renk olduğunu düşündü.
Elbette, Ford’un Model T’ye koyduğu siyah araba boyası aslında “otomotiv” boyası değildi, ancak bu o zaman için var olan boya teknolojisiydi; bağlayıcı olarak doğal keten tohumu yağı reçinesine dayanan bir boya.
Yağ reçineleri oksidatif çapraz bağlarla sertleşirler; bu da boya kuruması için uzun bir süre gerektirir. Ford’un siyah boyası, fırça ile Model T’ye uygulandı ve bu işlem sonunda tamamlanması bir hafta aldı.
Siyah boya diğer tüm mevcut renklerden daha hızlı kurumuş olsa bile, bu süre Ford’un yenilikçi seri üretim süreci için korkunç bir üretim tıkanıklığına neden oldu. Montaj hattının sonundaki boya işleminden geçen Model T’ler, otomotiv fabrikasının deposunda birikmeye başlamıştı.
Bu tıkanıklık süreci, özellikle otomotiv kaplaması olarak geliştirilen ilk boya için temel motivasyon oldu, yani Du- Pont Company’nin “Duco” boyası. Bu yeni kaplama teknolojisi, boyamayı ve kuruma süresini birkaç günden birkaç saate düşürerek üretkenlikte son derece önemli bir değişiklik yaptı.
Patlayıcılar ve sinema filmi geliştirmek için nitroselüloz kimyasını kullanmış olan DuPont kimyagerleri, selüloz omurgasındaki NO2 gruplarının molar oranını değiştirdiklerinde, yaklaşık %15 katı reçine oranında, düşük viskoziteli bir reçine elde ettiklerini keşfettiler ve bunun bir kaplama olarak uygulanabileceğini fark ettiler.
Bir lak olarak, bu kaplama (sadece çözücü buharlaştırma yoluyla) yaklaşık iki saat içinde kurutulmaktaydı. Boya kimyagerleri tarafından yapılan bazı formülasyon geliştirme çalışmaları, bu yeni sentetik lake reçinesinin, doğal yağ reçine boyalarına karşı geliştirilmiş görünüm, tokluk ve dayanıklılığa sahip bir boya için mükemmel bir temel oluşturduğunu ve aynı zamanda, siyahın yanı sıra, çok çeşitli renk pigmentleri ile kolaylıkla pigmentlenebilir olduğunu bulmuştur.
Birkaç yıl süren testlerden sonra, General Motors 1924 yılında Duco’nun neredeyse tüm otomotiv hatlarında kullanıldığını bildirdi.
Bu, endüstrinin ihtiyaçlarının, otomotiv kaplama teknolojisinin ilerlemesine nasıl yön verdiğini gösteren ilk örnekti. Bu durumda, otomotiv fabrikasında üretkenliğin artırılması ihtiyacı, yeni bir kaplama kimyasının icadına ve geliştirilmesine yol açtı.
1920’lerde ilk yeni teknoloji gelişinden bu yana, otomotiv kaplama teknolojisindeki yenilikler kesintisiz devam etti.
Aslında, kaplamalar bilimindeki yeni teknolojilerin ve kimyaların çoğunun, otomotiv kaplamaları alanında öncülük edilen gelişmelerden geldiğini görüyoruz. Bu yazı, otomotiv kaplama teknolojisinin evrimi hakkında kısa bir tarihsel araştırma yapmak için hazırlanmıştır.
Erken Otomotiv Kaplama Kimyası: Alkidlerden Akrilik Laklara
Nitro selülozlu boyalar son derece üretkendi, ancak son katta yüksek parlaklık elde etmek için parlatılmaya ihtiyaç duyuyordu. 1930’lu yıllarda boya kimyacıları, bir şekilde doğal bir yağ reçinesinin üretkenliğini ve doğal olarak daha iyi görünmesini sağlayan bir boya bağlayıcı sistemi geliştirmek için çalışmalara başladı.
Bu çalışmaların sonucu, ilk alkid boya sisteminin geliştirilmesiydi. Üç monomeri kullanarak sentezlendiğinden, kaplamalar için yapılan ilk “polimer” idi: ftalik anhidrit, gliserol ve linoleik asit. Kimya, hem sentetik monomerleri hem de doğal ürünleri bir araya getirerek sentetik cilalar ve doğal yağlar arasında ara performans gösteren bir kaplama reçine sistemi sağladı.
Bu teknolojinin olağanüstü film özellikleri sağladığı göz önüne alındığında, bu yeni alkid boya ilk olarak bir otomotiv astarı olarak ticari hale getirildi.
Kaplamalar bilimi için önemli olan, bu durumda bir reçine teknolojisinin, kaplamalarda kullanılan temel bir konsept olan toplam kaplama sisteminin spesifik bir kaplama tabakası için seçildiğini unutulmamalıdır. Ayrıca, alkid kimyası, mevcut kaplama teknolojisinin temel dayanağı olarak devam etmektedir.
Bir sonraki büyük otomotiv kaplama teknolojisinin gelişimi 1950’li yıllara gelinene kadar beklenmesi gerekti; termoplastik akrilik verniklerin kullanılması.
Amerikan toplumu içinde bu kez otomobil artık sadece bir ulaşım aracı değildi. Arabalar, artık sahiplerinin arkadaşlarına göstermek istedikleri kişisel bir gösteriş unsuru haline geldi. Bu, kaplamaların daha iyi görünmesi ve zamanın yeni kavisli şekillendirme tasarımlarının vurgulanması gerektiğini ifade ediyordu.
Rohm and Haas Co., poli metil metakrilata dayanan yeni bir sentetik polimer geliştirdi ve kaplamalar endüstrisi bu teknolojinin kaplamalarda kullanılıp kullanılamayacağını araştırdı.
Bu kimya, elbette, istenen moleküler ağırlık ve cam geçiş sıcaklığına sahip bir polimer reçinesi elde etmek için çeşitli akrilik monomerlerin kontrollü polimerizasyonuna dayanmaktadır. Bu, otomotiv kaplamalarında kullanılmak üzere insan yapımı reçine teknolojisinin ilk örneği olacaktır.
Termoplastik akrilik reçine teknolojisi, 1950’lerden 1970’lere kadar yaklaşık 20 yılda otomotiv kaplamaları otomotiv son kat pazarında egemen oldu.
Bunun nedeni, bu kaplamalarla elde edilebilen mükemmel sonkat görünümündü. Akrilik reçine bağlayıcısı, yüksek molekül ağırlığı (80-100k) ve yüksek Tg (yaklaşık 70°C) göz önüne alındığında, viskozitesi yüksektir. Bu nedenle, bu teknolojiye dayanan kaplamalar yaklaşık %20’lik nispeten düşük katı oranlarında püskürtülmeliydi.
Bu istenilen yaklaşık 25 mikronluk film yapımına ulaşmak için çoklu üst katlar anlamına geliyordu. Elbette bu, günümüz standartlarına göre bu bir dezavantaj gibi görünüyor.
Ancak zamanında bu akrilik lake teknolojisi, geçmiş otomotiv boyalarına göre kritik bir avantaja sahipti: yeni pigment boyama teknolojisi-metal pigmentler için mükemmel bir bağlayıcı sistem sağlamıştı. Metalik efekt pigmentleri, araba gövdesinin eğriliğini algılayan parlak, parlak araba renkleri sunar.
Bu pigmentler otomotiv renk stilini yeni bir seviyeye taşıyordu. Bununla birlikte, düz, plaka benzeri metalik pigmentlerin maksimum görsel etkisini elde etmek için, pigmentler boyalı yüzeye paralel olarak hizalanmalıdır.
Akrilik lake boya reolojik profili, bu etkiyi elde etmek için mükemmeldir; metalik pulların düz hale gelmesine izin vermek için düşük başlangıç viskozitesi (düşük katılar düşünüldüğünde) ve daha sonra pulları yerinde tutmak için viskozitede hızlı bir yükselme (yüksek moleküler ağırlık ve Tg verildiğinde).
Bu kaplama teknolojisi, 1960’lı yıllara gelindiğinde\ General Motors’un neredeyse her arabayı akrilik vernik sonkat boyayla renklendiren stili için bir avantajdı.
Otomotiv Gövdesinin Korunması
Topcoat teknolojisi otomotiv kaplama sistemleri için giderek gelişiyordu, ancak otomobiller hala otomotiv gövdesinde büyük bir sorun yaşıyorlardı. 1970’lerde büyük bir kaplama teknolojisinin gelişmesi bu sorunu çözdü: elektrokimyasal astar, yaygın olarak “e-kat” olarak biliniyordu.
İlk otomotiv elektrokotu Dr. George Brewer tarafından Ford’da 1957 yılında geliştirilen bir anodik üründü, ancak bu teknolojide bazı dezavantajlar vardı.
Sonrasında PPG Industries 1973 yılında otomotiv gövdeleri için ilk katodik e-kat sistemini piyasaya sundu. Bu kaplamalar otomotiv gövdesini paslanmaya karşı durdurduğundan, bu yeni astar teknolojisi, otomotiv kaplama teknolojisinde en büyük atılımlardan biri olmuştu.
Modern elektrokot otomotiv astarları, monte edilmiş otomobil gövdesini, suyla bazlı e-katmanı içeren büyük bir depoya tamamen batırarak uygulanır ve kaplama, katodik elitrodepozisyon ile gerçekleştirilir. Bu, astar tarafından tüm metal yüzeylerin yaklaşık %100’ünü kapsar.
Bu reçine teknolojisi, elektrodepozisyonla sağlanan mükemmel kaplama ile birleşince bilinen korozyon koruması için en etkili kaplamalardan birini sunar. Hemen hemen tüm arabalar bugün bile kaplama sisteminin temeli olarak e-kat teknolojisi kullanmaktadır.
E-coat mükemmel bir korozyon koruması sağlarken, bir otomotiv kaplama sistemi için iki zayıf yönü vardır: yetersiz görünüm ve fotostabilite yetersizliği.
Bu sorunların giderilmesi için, 1980’lerde yeni emaye otomobil astarları geliştirildi. Bu astar yüzeyleyicileri, e-katman astarlarını UV ışınlarından korumak için opaklık sağlarken iyileştirilmiş sonkat görünümü sağlamak adına, daha pürüzsüz bir yüzey elde etmek için sertleştirilmiş e-katmana uygulanacak şekilde tasarlandı.
Elektrokot ve astar-yüzey arasındaki kombinasyon, mükemmel korozyona ve son kat için olağanüstü bir yüzeye sahip toplam bir otomotiv astar sistemi sağladı. Bu, otomotiv kaplama teknolojisinde bir sonraki büyük atılım olan bazkat / şeffaf kat kaplama için bir atlama taşı oluşturmuştu.
Bazkat / Şeffaf Kat Otomotiv Son Katları
Daha önce de belirtildiği gibi termoplastik akrilik lake otomotiv kaplamaları, mükemmel görünümü göz önüne alındığında, 1950-70’lerde kullanılan en önemli otomotiv son kat boyalarıydı. Bununla birlikte, bu lake son katların önemli bir dezavantajı vardı; zayıf dış durabiliteye sahiptiler.
Yaklaşık bir ila iki yıl sonra, kaplamalar bozulmaya başlayordu ve bu sistemlerin “parlaklığını geri getirmek” için agresif cilalama gerekliydi.
1980’li yıllara gelindiğinde, otomotiv üreticileri otomobillerin son katları için daha iyi dayanıklılık istiyorlardı, çünkü tüketiciler arabalarını en az beş yıl boyunca ilk günkü görünümünde ve ışıltısında kalmasını istiyorlardı.
Aynı zamanda ABD’de Çevre Koruma Ajansı, bir otomotiv tesisinin atmosfere yayabileceği solvent miktarını sınırlayan yeni uçucu organik bileşik (VOC) yönetmeliklerini ilan etmeye başladı. Akrilik vernik kaplamaların yüksek VOC içeriği ve zayıf dayanıklılığı, otomotiv pazarında artık kabul edilebilir değildi.
Otomotiv kaplamaları formulatörleri daha katı, daha iyi dayanıklılık elde ederken kaplamanın görünümünü nasıl geliştirdi?
Cevap, otomotiv kaplamalarında meydana gelen bir sonraki adımdı yani bazkat ve şeffaf kat emaye üst kaplama teknolojisi.
Şimdi, tek katmanlı bir üst katmanın yerine, formülasyon makineleri, güzel renk efektleri sağlamak için pigmentleri içeren bir taban katından ve ardından alt kat izini koruyan açık bir polimer kaplama katmanından oluşan iki katmanlı bir sistem tasarladı.
Hem taban kaplamalı hem de şeffaf kat, melamin kimyası kullanılarak çapraz bağlanmış hidroksil işlevli akrilik reçinelere dayanan emayerlerdi. Bu taban kaplamalı / temiz katmanlı sistemler otomotiv kaplama sistemi için daha önce ulaşılamayan bir denge sağlamış, çarpıcı görsel görünüm ve uzun süreli dayanıklılık sağlamıştır.
Su bazlı temel kaplamalar, yeni çapraz bağlama kimyası ve yeni uygulama süreçleri
1990’lı yıllarda, otomotiv kaplamalarının formülasyonunda bir başka büyük gelişme meydana geldi: su bazlı bazkatların kullanılması.
Bu alt katların kimyasal özellikleri su ile indirgenebilen akrilik ve poliesterlerden akrilik latekslere, poliüretan dispersiyonlarına kadar değişebilmektedir, ancak ortak faktör suyun ana uçucu bileşenlerden biri olarak kullanılmasıdır.
Tipik olarak, suyla taşınan teknolojiyi kullanmanın nedeni, daha düşük VOC’ler elde etmek ve kaplama işleminin çevresel izini azaltmaktır; ancak bu, otomotivde su bazlı bazkatların kullanılmasının tek faydası değildir.
Düşük formüllü katıları ve benzersiz reoloji profilleri göz önüne alındığında, su bazlı otomotiv bazkatların genellikle gelişmiş görünüm ve metalik etkiler sağlayabileceği ortaya çıkmaktadır. Birçok yeni çapraz bağlama kimyası kullanan otomotiv kaplamaları da son yirmi yılda geliştirildi.
Yeni kimya teknolojileri şeffaf katlara odaklanmıştır; bu nedenle, orijinal akrilik reçine / melamin sistemlerine ek olarak şimdi akrilik / silan / melamin, asit / epoksi, karbamat / melamin ve akrilik / izosiyanat sistemleri de mevcut.
Şeffaf katlar için önemli yeni özellikler, iyileştirilmiş görünüm ve dayanıklılık, asitli aşınmaya ve çizilmeye karşı daha iyi direnç olarak özetlenebilir.
Otomotiv kaplamaları teknolojisinde nihai büyük adım değişimi 2000’li yıllarda gerçekleşti ve bu ilerleme süreç verimliliğine odaklandı.
Tipik bir otomotiv montaj fabrikasında, boya işlemi, tesisin tamamının yarısına kadar yer kaplayabilmektedir, bir montaj fabrikasının sermaye maliyetinin büyük bir bölümünü oluşturabilir, enerjinin %80’ini kullanabilir ve tesiste salınan CO2’nin ve VOC emisyonlarının en büyük çoğunluğunu üretebilir.
OEM üreticileri, boya tedarikçilerinden tesisin neredeyse yarısını bulan bu alanın daraltılmasını ve uygulanma maliyetini azaltmanın bir yolunu bulmasını istediler. Bu istek, boya formülleştiricilerinin daha verimli, daha az adımda ve daha düşük bir enerji gereksinimi ile uygulanabilen kaplamalar geliştirmesine neden oldu.
Bu kriterleri karşılayan otomotiv fabrikalarında şu anda birçok yeni süreç var. Geleneksel su bazlı astar, su bazlı bazkat ve solvent bazlı şeffaf kat sisteminin tipik prosesi, her biri zaman ve enerjiye ihtiyaç duyan iki fırın kabı ve ısıtmalı bir flaş içerir.
Bu artık yerini yeni teknolojiye yani, solvent bazlı astar, solvent bazlı bazkat ve solvent bazlı şeffaf katın birbiri ardına uygulandığı yeni “3-Islak”, üç katmanının hepsinin uygulanmasından sonra tek bir fırında gerçekleştirildiği prosine bırakmaya başlayacaktır.
Bu 3-Islak uygulama yöntemi, kaplama hattının karbon ayak izini azaltır, boyama işleminin toplam süresini kısaltır ve enerji maliyetlerinden tasarruf sağlar.
Açıkçası, uygulama sürecindeki bu değişiklikler ıslak ıslak süreçleri tolere etmek için astar / sonkat kaplama sisteminin yeniden formüle edilmesini gerektirmiştir. Önümüzdeki dönemlerde de, yeni teknolojilerin ortaya çıkacağını öngörmemiz yanlış olmayacaktır.
Hazırlayan: B. Serhat Cengiz
Kaynakça:
• John Pfanstiehl (1998). Automotive Paint Handbook: Paint Technology for Auto Enthusiasts & Body Shop Professionals. Penguin.
• Kimio Toda; Abraham Salazar; Kozo Saito (21 December 2012). Automotive Painting Technology: A Monozukuri-Hitozukuri
Perspective. Springer Science & Business Media.
• “A Guide to Seals in the Automotıve Industry, Pre-Treatment & Paınt Plants” arthomson.com.
• DuPont Automotive: Paint & Coatings for Metal Exterior.
• http://www.paint.org/article/brief-history-automotive-coatings-technology/
