Noniyonik Sentetik Asosyatif Kalınlaştırıcılar (NiSATs), orta-kayma viskozitelerine yaptıkları ilave katkı ile birlikte, “Hangi yüksek kayma gerilimlerinde hangi yüksek viskoziteler elde edilebildiği” ile tanımlanabilirler.
Piyasada çok çeşitli asosyatif etkili kalınlaştırıcılar bulunmaktadır ve hepsi de viskoziteyi farklı şekilde etkilerler. Uygun ürünün seçiminde, istenen özel performans kriterleri belirleyicidir. Buna ilaveten, giderek sıkılaşan çevre mevzuatları ve maliyetler de artık önemli bir rol oynamaktadır.
Bu taleplerin karşılanabilmesi adına (Örneğin çevre-etiketi ecolabel için) Alman “Blauer Engel” vb. formülasyonların uygun adaptasyonunu talep ediyor ve dolayısıyla bunu ilgili hammaddeler için de istiyor.
Prensip olarak, Latex boyaların reolojik özelliklerini (örneğin aplikasyon ve performans kriterlerini) kontrol etmek için çok sayıda reolojik katkı kullanılabilir. Polimer bazlı katkılar bu bağlamda en sık kullanılan ürün grubudur. Bunlar kendi içinde üç kategoriye ayırılırlar; Modifiye Selülözler, Alkali-Şişebilir Akrilikler ve Noniyonik Sentetik Asosyatif Kalınlaştırıcılar (NiSATs) (bkz. Şekil 1).
Şekil 1. Kalınlaştırıcı Sınıflandırması
Polimer-bazlı reolojik katkılar kalınlaştırma fonksiyonlarını hacim dışlanımı (volume exclusion) (moleküler ağırlık/hidrodinamik hacim) ve/veya asosyatif bir mekanizma ile yaparlar.
Bu asosyatif mekanizmada, latex partikülleri ile daha düşük ölçüde pigment hacim artırıcıların birbiriyle etkileşimi sonucunda bir yapı (strüktür) (bkz. Şekil 2) elde edilir. Bu yapı sadece düşük kayma geriliminde korunabildiğinden ve yüksek stres altında geriye (tersinir) parçalanacağından, bir “geçici network” olarak tercih edilir.
Genel anlamda, düşük kayma geriliminde “yüksek viskozite oluşturma” özelliği gösteren ürünlerdeki kalınlaştırma mekanizmalarında asosyatif özellik, yüksek oranda “kayma gerilimi altında derecede incelme” akış özelliği ile birlikte, bu nedenle daha baskındır.
Newtonyan akış karakteristiklerini daha ön planda gösteren ürünlerde ise, yüksek kayma geriliminde viskozite oluşumu için büyük oranda “hacim dışlama” etken faktördür.
Bu özelliklerinden dolayı, bu ürünlerin kayma- incelme fonksiyonuna sahip olan kalınlaştırıcılarla karşılaştırıldığında aynı efekti elde etmeleri için oransal olarak yüksek konsantrasyonlarda kullanılmaları gerekmektedir.
Bunun sonucu olarak bu ürün grubu kalınlaştırıcı kombinasyonlarının her zaman büyük kısmını oluşturur ve bu durum dolayısı ile maliyetlerde belirleyici rol oynar.
Bu makalenin konusu olan yeni RHEOLATE® HX 6008 ve RHEOLATE® HX 6050 Katkı maddeleri, özellikle yüksek kayma geriliminde verim optimizasyonu için yapılan yoğun araştırma-geliştirme çalışmalarının ürünüdür. Buna ek olarak bu atkılar, belirli miktarda orta-kayma viskozitesine de katkı yaparlar.
Şekil 2. NiSAT ile kalınlaştırılmış boyada network strüktürü
NiSAT kalınlaştırıcılar, taşıdıkları özelliklerinden dolayı, iyi akış ve optimum yayılma (levelling) yanında iyi kapatma etkisi (film oluşturma) istenen sistemler için belirleyici önemdedirler.
Bunun ötesinde; neme, hava koşullarına, ışığa ve kire karşı yüksek oranda direnç isteyen dış boyalarda, yüksek verimli bir kalınlaştırıcı ile pozitif etki de sağlanabilir.
Bununla birlikte, özellikle RHEOLATE® HX 6008’in sulu akrilik ve alkid sistemler (diğer bir deyişle, daha çok ince partikül boyutlu ve büyük yüzey alanlı çözeltiler) için uygun olduğu görüldü.
Diğer taraftan RHEOLATE ® HX 6050 ise güçlü özelliklerini vinil asetat-etilen (VAE) ve aynı zamanda vina-veova bazlı, daha küçük aktif yüzey alanı olan iri partiküllü çözelti sistemlerinde gösteriyor.
Her ikisi de stiren-akrilik bağlayıcı (Binder) sistemlerinde eşit performans gösteriyorlar. Bu aşağıda, bu çalışmanın Bölüm 1 başlığında açıkça gösterilmiştir. Bu bağlayıcı çözeltilerinin partikül büyüklükleri orta seviyededir.
Dahası, hem RHEOLATE® HX 6008 hem de RHEOLATE ® HX 6050, bir orta/düşük kaymada kalınlaştırıcı ve bir yüksek kaymada kalınlaştırıcı kombinasyonu yerine, fiilen eşdeğer bir alternatif olarak görev görebilir.
Bu da boya formülasyonlarını önemli ölçüde basitleştirme imkanı verir. “Karmaşıklık Azaltma” ile ilgili detaylı bilgi Bölüm 2’de anlatılmaktadır.
Daha önce anlatıldığı üzere, Newtonyan karakteristikler (Yüksek kaymada kalınlaştırıcılar) elde etmek için kullanılan katkılar genelde bir kalınlaştırıcı kombinasyonunun baskın kısmını oluştururlar; bunlar verim artışı sağlayan herhangi bir etkiden de yararlanırlar.
Bu ürünler, “iç kutu koruyucu” viskoziteyi aşırı yoğunlaştırmadan, mükemmel yayılma (levelling) özelliklerini iyi film oluşturma ile kombine ederler.
Daha yüksek verim vermesi daha düşük konsantrasyonlarda da kullanılabilmesi anlamına gelir. Bu da formülasyon maliyetlerini düşürür. Genel olarak bu nitelikler, daha iyi film özellikleri ile ilişkilendirilir (sertik, su dayanımı, ovalama direnci vb.).
Bu konu ile ilgili, bu çalışmadaki Bölüm 3’e de bakınız.
Bölüm 1: Farklı Bağlayıcı (Binder) Sistemleri
Arasında Verimlilik Değerlendirmesi
Bu bölümde, bağlayıcı (Binder) olarak işlev görecek iki katkı maddesi, RHEOLATE® HX 6008 ve RHEOLATE® HX 6050 ilgili formülasyonların tümünde eşit konsantrasyonlarda bulunmaktadır.
Bu amaçla kullanılan boya sistemi, saf Akrilik bazlıdır ve pigment hacim konsantrasyonu (PVC) %30’dur. PVC yüzdesi %50 olan başka bir boya sistemi de ilaveten kullanılmıştır. Bu alternatif olarak hazırlanan formülde kullanılan bağlayıcı, stiren-akrilik, vina-veova ve vinil asetat-etilen (VAE) bazlıdır (Tablo 6 ve 7’ye bakınız).
Aşağıdaki grafikler, yüksek kayma oranı (ICI) 1,000 s-1‘deki viskoziteleri de göstermektedir ve Krebs- Stormer viskoziteleri de tablo olarak verilmiştir. ICI viskoziteleri bu grafiklerde görülmemektedir, zira ölçümlerde kayma gerilimi ölçüm aralığı 1,000 s-1’de bitmektedir.
Bazı durumlarda ölçüm cihazının tork aralığının dışına çıkılacağından, bu limitlerin koyulması zorunludur. Yüksek kayma viskozitesi birimi Poise (P) olarak alınmıştır ve 10 P = 1 Pascal’dır.
Şekil 3. RHEOLATE® HX 6008 ve 6050’nin saf akrilik boyadaki
(PVC 30) verimleri
En güçlü Newtonyan akış karakteristikleri ve en yüksek ICI viskozite değerleri RHEOLATE® HX 6008 ile elde edildi (bakınız Şekil 5). RHEOLATE® HX 6050 ile elde edilen akış karakteristikleri belirgin derecede yüksek kayma altında incelme gösteriyor.
Bu durum, RHEOLATE ® HX 6050 ile elde edilen oldukça yüksek KU viskoziteleri ve fark edilir derecede daha düşük yüksek kayma viskozite değerleri ile ortaya konmuştur.
Şekil 4. RHEOLATE® HX 6008 ve 6050’nin saf akrilik boyadaki (PVC 50) verimleri
Her iki reolojik Katkı maddesi ile kıyaslanabilir akış karakteristikleri elde edilmekle birlikte, RHEOLATE® HX 6008 ile formüle edilen boya özelliklerini hafiften daha Newtonyan olarak sınıflandırabiliriz.
Genel olarak söylemek gerekirse, RHEOLATE® HX 6008 ihtiva eden formülasyon tüm kayma gerilimi değerlerinde az miktarda daha yüksek viskozite değerleri ortaya koyuyor. (Bkz. Şekil 6)
Şekil 5. RHEOLATE® HX 6008 ve 6050 ‘nin Vina-Veova (PVC 50)
bazlı emülsiyon boyadaki verimleri
RHEOLATE® HX 6008 ile karşılaştırıldığında, RHEOLATE ® HX 6050 Vina-Veova (Şekil 7) ve VAE (Şekil 8) bazlı boyalarda daha yüksek orta kayma ve yüksek kayma viskozite katkısı sağlamaktadır.
Şekil 6. RHEOLATE® HX 6008 ve 6050 ‘nin Vinil Asetat-Etilen (PVC
50) bazlı emülsiyon boyadaki verimleri
Yüksek kayma gerilimlerinde en kuvvetli Newtonyan akış karakteristiklerini ve yüksek kayma gerilimlerinde en yüksek viskoziteleri, saf akrilik sistemlerde kullanılan RHEOLATE® HX 6008 gerçekleştirdi.
RHEOLATE® HX 6050 ise vina-veova ve VAE bağlayıcı bazlı boyalarda baskındı. RHEOLATE® HX 6008 ve RHEOLATE® HX 6050 stiren-akrilik boya ve kaplamalarda benzer sonuçlar elde ettiler. Orta kayma gerilimi aralığında, RHEOLATE® HX 6050 tüm sistemlerde daha yüksek viskozite yapısı üretiyor.
Bu, özellikle akrilik bazlı sistemlerde ve (biraz daha düşük oranda) stiren-akrilik sistemlerde de geçerli. İlk bakışta, bu bir avantaj gibi gözükmekte. Bununla birlikte, bu aynı zamanda çok düşük miktarlarda RHEOLATE ® HX 6050 ilavesinin orta kayma gerilimlerinde istenmeyen büyüklükte viskozite artışına da yol açabileceği anlamına geliyor.
Bölüm 2: Karmaşıklığı Azaltma
Yukarıda bahsedildiği üzere, uygulamada olan birçok formülasyonda yüksek, düşük ve orta kayma gerilimleri için özel kalınlaştırıcı kombinasyonları kullanılmaktadır. RHEOLATE® HX 6008 ve RHEOLATE® HX 6050 ise istenen tüm özellikleri tek bir ürün kullanılarak elde etmenin mümkün olduğunu göstermişlerdir.
Hammadde sayısının azaltılması daha düşük depolama maliyetlerini beraberinde getirerek formül hazırlayana maliyetleri düşürme olanağını da vermektedir.
RHEOLATE® HX 6008 ve RHEOLATE® HX 6050’in bu özelliklerini göstermek üzere, bu çalışmanın 1.Bölümü’nde, baskın özellikte olduklarının kanıtlandığı boya sistemlerinde test edildiler.
RHEOLATE® HX 6008 için PVC yüzdesi %30 olan saf akrilik boya seçildi. RHEOLATE® HX 6050, PVC yüzdesi %50 olan VAE bazlı boya sisteminde test edildi. Referans ürün olarak piyasada satılan reolojik katkı kombinasyonları kullanıldı.
Tüm boyalarda referans viskozite aynı Krebs-Stormer viskozitelerine (KU/orta kayma gerilimi aralığı) ve ICI viskozitelerine (yüksek kayma gerilimi aralığı 10,000 s-1) set edildi.
RHEOLATE® HX 6008 için yüksek kayma geriliminde değerler 118 KU (± 1) ve 3 Poise (± 0.2) idi. RHEOLATE® HX 6050 için ön-set değerleri 105 KU (± 1) ve ICI viskozitesi de 1.5 Poise (± 0.2) idi.
Tablo 1. Katkı kombinasyonlarının konsantrasyonu
Hem RHEOLATE® HX 6008 hem de RHEOLATE® HX 6050 orta ve yüksek kayma gerilimlerinde piyasada satılan kalınlaştırıcı kombinasyonlarının yerine kullanılabiliyor; toplam konsantrasyonu önemli miktarlarda düşürerek. Referans viskoziteleri elde etmek için gerekli olan konsantrasyonlar da aynı şekilde önemli ölçüde düşüyor.
Şekil 7 ve 8. RHEOLATE® HX 6008 ve 6050’nin referans kalınlaştırıcı kombinasyonlarıyla karşılaştırıldığında akış karakteristikleri
Katkı kombinasyonları ihtiva eden test boyalarıyla karşılaştırıldığında, RHEOLATE® HX 6008 ile modifiye edilmiş saf akrilik boya daha Newtonyan olduğunu kanıtlamıştır (Bkz. Şekil 9). Yaklaşık 100 s-1 kayma geriliminde tüm formülasyonlar birbiriyle kesişmektedir.
Bu kayma geriliminde tüm viskozite değerleri ön-set KU viskozitesi ile çakışmaktadır.
VAE bazlı boyada, test edilen referans kalınlaştırıcı kombinasyonları ile karşılaştırıldığında, RHEOLATE® HX 6050 çok daha düşük kayma gerilmeleri altında incelme akış karakteristiğine sebep olmaktadır (Bkz. Şekil 10). Her iki örnek de yaklaşık 100 s-1 kayma gerilimi altında birbirine çok benzer viskozite değeri göstermektedir.
Tablo 2. Aplikasyon sonuçları – RHEOLATE® HX 6008 saf akrilik boya, PVC 30
Tablo 3. Aplikasyon sonuçları – RHEOLATE® HX 6050 VAE-bazlı boya, PVC 50
RHEOLATE® HX 6008 ve RHEOLATE® HX 6050’nin özünde geleneksel kalınlaştırıcı kombinasyonları yerine kullanılabilecek, karşılaştırılabilir özellikte olabildikleri görülmektedir. RHEOLATE® HX 6008 ihtiva eden boyaların proses sürecinde kalite özellikleri yüksek oranda korunabilmektedir.
RHEOLATE® HX 6050 ile ise, özellikle yayılma (levelling) anlamında, oldukça pozitif olarak sınıflandırılabilecek bazı dikkate değer farklılıklar gözlenmiştir. Her iki ürünün de baskı silindiri (Roller Spatter) dirençleri, katkı kombinasyonları ile karşılaştırıldığında eşit derecede pozitiftir.
Bölüm 3: RHEOLATE® HX 6008’in Boya Sistemi Son Kat Özellikleri Üzerindeki Etkileri
Kürleşmiş kaplamanın performans parametreleri (parlaklık, sertlik gibi) genelde çok kritiktir ve zaman zaman formülasyondaki ufak değişimlerden etkilenebilir.
Bu nedenle, akış karakteristiklerine ek olarak bu bölümün ana odağı, piyasada satılan reolojik katkılarla karşılaştırıldığında RHEOLATE® HX 6008’in aplikasyon ve kürleşme sonrası bazı boya parametreleri üzerindeki etkisi üzerinde oldu.
Test sistemi akrilik bazlı parkedir. Sistem, aşağıda tarif edilen testler için, DIN 4 akış kabı viskozitesi 100 saniye olarak set edildi. Kör örnek için referans değeri 14 saniye.
Şekil 9. RHEOLATE® HX 6008’in akrilik ahşap kaplamadaki akış
karakteristikleri
RHEOLATE® HX 6008 piyasadaki standart kalınlaştırıcı ile karşılaştırıldığında aynı akış sürelerini elde etmek için önemli ölçüde daha düşük konsantrasyonlara ihtiyaç göstermektedir (Bkz. Şekil 1). Her iki formülasyon da yüksek kayma gerilimlerinde (ICI; 10,000 s-1) eşit yüksek viskoziteler göstermektedir.
Reogramlara bakıldığında, RHEOLATE® HX 6008’ın piyasanın referans örneği ile karşılaştırıldığında, düşük ve yüksek kayma gerilimlerinde daha yüksek viskoziteler ortaya koyduğu görülüyor. Her iki formülasyon da orta kayma gerilimlerinde karşılaştırılabilir viskozite değerleri göstermektedir.
Tablo 4. RHEOLATE® HX 6008 Akrilik Ahşap Kaplama içinde – Aplikasyon özellikleri
RHEOLATE® HX 6008 ihtiva eden kaplama, daha düşük katkı yükleme seviyeleri nedeniyle, tüm test zamanlarında dikkat çekici ilerleme kaydediyor.
Bu özellikle piyasa referans ürünü ihtiva eden kaplama ile karşılaştırıldığında, çok daha kısa kuruma zamanında gözle görülür, yüksek derecede parlaklık ve daha yüksek film sertliğine bağlıdır (Bkz. Tablo 4).
Sonuç
RHEOLATE® HX serisi, yakın zamanda geliştirilmiş, sulu sistemler için yüksek verimli assosiyatif kalınlaştırıcı (Ni- SATs) jenerasyonudur ve aşağıdaki özelliklere sahiptir:
• Yüksek kayma gerilimlerinde mükemmel viskozite ICI) yapısı (, buna ilaveten orta kayma viskozite katkısı,
• Piyasada satın alınabilen ürünlere kıyasla, yüksek verimin önemli miktarda tasarruf imkanı sunması,
• Azaltılmış karmaşıklık sayesinde basitleştirilmiş boya ve kaplama formülasyonları,
• Boya filmi özellikleri üzerinde (örneğin, daha düşük yükleme seviyelerinden dolayı parlaklık ve sertlik) daha düşük etki gösterme.
RHEOLATE® HX serisi ile elde edilen akış karakteristikleri newtonyan tiptedir (yüksek kayma gerilimlerinde viskozitede güçlü artış kombinasyonuyla birlikte). Tüm test sistemlerinde, orta kayma gerilimlerinde (KI) ilave viskozite artışı gözlenmiştir.
Burada anlatılan, sulu kaplama formülasyonlarının reolojik özellikleri üzerindeki etki her iki RHEOLATE® HX serisi için karakteristiktir ve bu nedenle onları açıkça günümüz piyasasında bulunabilen Kalınlaştırıcılardan ayırıyor.
Hem RHEOLATE® HX 6008 hem de RHEOLATE® HX 6050 çok sayıda bağlayıcı kimyasallarında kullanılabilirler. Bununla birlikte, sunulan iki ürün kuvvetli özelliklerini aşağıdaki bağlayıcı sistemlerde gösteriyorlar (Bkz. Tablo 5).
Tablo 5. Bağlayıcı tayini
İki ürünün çevresel “anahtar data” bilgileri istek üzerine temin edilebilinir.
Formülasyonlar
PVC30 ve PVC50 formülasyonları ile akrilik ahşap kaplama formülasyonları istek üzerine temin edilebilinir.
Tanıtım Metni
Reference: Lynch, T., Mangnus, E., Buford, N., Beaupre, J., Aidoo, Y. (2015). New Nonionic Synthetic Associative Thickeners. Presentation at the European Coatings Congress 2015, Nuremberg.
Teşekkür
Laboratuvar Müdürü Elke Piron’a, Sebastian Heinz, Wolfgang Fuchs, Anja Wingerath, Parwis Adli, Jörg Bungarten ile Lisa Hoppe’den oluşan ekibine özel teşekkürlerimizi ifade etmek isteriz. Sunulan dataları onların katkısı olmadan hazırlamamız mümkün olmazdı.
Carlos Feito
Teknik Direktör
Elementis
Frank Abschlag
Teknik Satış Müdürü
Elementis
Dilşat Şahin
Teknik Müdür
Fuchs
Udo Schonhoff
Teknik Satış Müdürü-Kaplama
Fuchs
