Yüksek Katılı Reçine Tasarımı: Çevre Dostu Bir Yaklaşım
Amerika Birleşik Devletleri’nde, Çevresel Koruma Ajansı’nın (EPA) tanımına göre uçucu organik bileşikler (VOC) atmosferik fotokimyasal reaksiyonlara katılan karbon monoksit, karbon dioksit, karbonik asit, metalik karbürler veya karbonatlar ve amonyum karbonat hariç herhangi bir karbon bileşiği anlamına gelir [1].
Temel olarak uçucu organik bileşikler (VOCs), organik yapıda, kaynama noktası düşük
ve kolay buharlaşabilen kimyasal bileşiklerdir. VOC’lerin atmosfere salınması, ozon oluşumunu tetikleyerek troposferdeki hava kalitesini olumsuz etkileyebilir. Bu durum, troposferik ozon seviyelerinin artmasına ve hava kalitesi standartlarının aşılmasına yol açabilir.
Ayrıca, ikincil kirleticilerin oluşumuna katkıda bulunarak geniş çaplı hava kirliliğine sebep olabilir. Çevresel zararlarının yanında, yüksek konsantrasyonlarda maruziyet, VOC’lerin solunması veya ciltle teması, insan sağlığı açısından çeşitli sorunlarına yol açabilir.
Son yıllarda bütün zarar faktörleri göz önünde bulundurularak dünya genelinde VOC limitleri ile ilgili yüksek yasal sınırlandırılmalar getirilmiştir. Bunlar öncelikli olarak EPA ve AB’deki Kimyasalların Kaydı, Değerlendirilmesi ve Yetkilendirilmesi (REACH) aracılığıyla uygulanmaktadır.
Avrupa Birliği tarafından 2007 yılında yürürlüğe giren REACH yönetmeliği, kimyasal maddelerin kaydedilmesi, değerlendirilmesi, izin verilmesi ve kısıtlanması konularında bir çerçeve sunar. Bu yönetmelik, çevresel etkileri en aza indirmeyi, insan sağlığı ve çevre güvenliği için yüksek standartları sağlamayı amaçlar. Boya ve kaplama endüstrisi bu kapsamda, ürünlerinde kullanılan kimyasal maddeleri kaydetme ve deklare etme yükümlülüğüne tabidir.
Aynı zamanda, REACH, potansiyel olarak tehlikeli maddelerin kullanımını sınırlayarak çevresel sürdürülebilirliği destekler. EPA çevre üzerindeki etkileri azaltmak adına çeşitli
düzenlemeleri uygular. Boya ve kaplama sektörü için oluşturulan özel düzenlemeler ile VOC kullanımını kontrol ederek, VOC emisyonlarını sınırlayan standartları belirler.
Boya ve kaplama sektöründe kullanılan VOC’lerin dünya genelindeki yasal kısıtlamaları, çevresel ve insan sağlığına olan etkileri göz önüne alındığında, sektörün sürdürülebilir ve çevresel dostu alternatiflere yönelmeleri kritik bir önem taşımaktadır. Bu yasal kısıtlamalar, endüstrinin çeşitli aşamalarında – üretimden tüketime kadar – çevresel ve insan sağlığı
etkilerini kontrol altına almak için işbirliği yapmayı teşvik eder.
Bu da, daha düşük VOC içerikli ve çevreyle uyumlu boyaların ve kaplamaların pazarlanmasını artırarak sürdürülebilir bir geleceği destekler. Firmaların sistemlerinde uyguladıkları sıfır VOC ya da düşük VOC politikaları arasında özellikle solventsiz toz boyalar, organik solventlerin yerini tamamen veya kısmen suyun aldığı su bazlı sistemler ve UV ile
kürlenebilen kaplamalar yer almaktadır [2].
Organik solventlerin emisyonunu azaltmak için kullanılan ve giderek yaygınlaşan bir diğer yöntem ise solvent bazlı kaplama ve boya sistemlerinin katı içeriğini arttırmaktır [3].
Yüksek katı maddeli boyalar, geleneksel solvent bazlı boyaların içerdiğinden daha fazla miktarda pigment ve bağlayıcı içeren solvent bazlı ya da solventsiz boyalardır. Yüksek katı maddeli boyaların geleneksel malzemelere göre çok daha düşük solvent içeriği, solvent emisyonunu minimuma indirmeyi amaçlamasının yanında düşük boya tüketimi, kısa kürlenme süresi, düşük yangın tehlikesi, yüzey üzerindeki kaplama ve boya katmanlarının miktarını düşürerek maliyet iyileştirmesi gibi birçok önemli konuda avantaj sağlamasında rol oynar.
Yüksek katılı reçinelerin kullanımı gibi yeni teknolojilerle, geleneksel ürünlerin performansını koruyup yüksek katılı boya sistemleri geliştirerek VOC seviyelerini azaltmak mümkün olmaktadır. Yüksek katı bağlayıcıların az miktarda solvent içeren doğası nedeni ile göz önünde bulundurulması gereken en önemli ölçüt düşük viskozitedir. Bu nedenle yüksek katılı reçine tasarımı gerçekleştirirken viskoziteyi güçlü bir şekilde etkileyen parametrelerin
hangileri olduğu gözlemlenmeli ve gerekliliklere uyacak şekilde değişiklikler yapılmaya çalışılmalıdır.
Bir bağlayıcı sistemindeki viskoziteyi etkileyen başlıca faktörler polimer zincirleri arasında oluşan hidrojen bağları, polimer yapısını oluşturacak monomerlerin seçimi, polimer yapısının moleküler ağırlığı, polimer zincirinin yapısı ve zincirler arasında oluşan serbest hacim, zincir üzerindeki fonksiyonel yan gruplar ve kullanılacak solvent seçimi olarak belirtilebilir [5].
Hidrojen bağları, hidrojen bağı donörleri olarak bilinen –OH, –SH ve –NH gibi grupların hidrojen atomları ve karboksil ya da ester grupları gibi hidrojen bağı akseptörleri arasındaki güçlü moleküller arası kuvvetlerdir. Polimer yapısındaki bulunan zincirler arasında meydana gelebilecek bu güçlü bağ reçinelerde viskozite artışına neden olur.
Reçine sentezinde kullanılacak monomerlerin ve diğer yapı taşlarının seçimi de viskozitenin ayarlanmasında potansiyel bir yaklaşımdır. Genel olarak, uzun zincirli monomerler, polimer yapısı içinde hidrojen bağları verebilecek polar gruplar arasında daha büyük bir mesafe oluşturduğu için daha düşük viskozite sağlar. Bunun yanı sıra, sikloalifatik bileşikler içeren monomerler kullanılarak hazırlanmış polimerlerin çözelti viskoziteleri, kısa yan zincirler veya aromatik bileşikler içeren polimerlerinkinden oldukça düşüktür [6].
Polimerin ortalama moleküler ağırlığı ve viskozitesi arasındaki doğrusal orantı Mark-Houwink denklemi ([η] = k · Mα ) üzerinden tanımlanabilir. Fakat genel olarak, moleküler ağırlık düştükçe, kuruma özellikleri etkilenir ve aynı zamanda mekanik ve kimyasal özellikler de aynı oranda değişebilir. Bu sebeple yüksek katılı reçine sentezi tasarımı yaparken moleküler ağırlık dengesi en çok dikkat edilmesi gereken noktaların başında gelir.
Düşük moleküler ağırlıklı polimer tasarımları için polimerin hidroksil değerinin optimizasyonu ve dolayısıyla sahip olacağı daha yüksek çapraz bağ yoğunluğunu dengeleyerek kaplamanın nihai özelliklerini korunması mümkün kılınabilir.
Polimerin yapısal mimarisi reçine viskozitesinde büyük önem taşımaktadır. Daha düşük bir viskozite elde etmek için, polimeri oluşturan ana yapının, hidrojen bağı donör gruplarına ve yüksek camsı geçiş sıcaklığına (Tg) sahip segmentlerine sahip olmaması gerekir. Polimerlerde camsı geçiş sıcaklığını etkileyen parametreler polimerin moleküler ağırlığı ve yapısal içeriği olarak belirtilir. Düşük moleküler ağırlığa sahip polimerler kısa zincir uzunluklarına sahiptir ve yapısında zincir ucu yoğunluğu fazladır.
Polimerlerin yapısındaki yüksek miktardaki zincir ucu yapıdaki serbest hacmi artmasını sağlar. Bu nedenle polimer zincirlerin hareket kabiliyetleri yüksek moleküler ağırlıklı polimerlere göre daha fazladır. Böylelikle polimerlerin moleküler ağırlığındaki artış camsı geçiş sıcaklığını yükseltir. Bu da yüksek viskoziteye neden olur.
Genellikle bu trend tüm yarıkristal ve amorf yapıdaki polimerlerde gözlenir. Polimer zincirinin esnekliğini düşüren ve polimer yapısındaki zincirlerin hareket yeteneğini kısıtlayan tüm yapısal özellikler, Tg’nı artırır.
Reçine çözeltilerinin yüksek viskozitesine neden olan bir diğer önemli etken ise, orta ve yüksek moleküler ağırlığa sahip reçinenin ana polimer zincirlerinin çok uzun lineer yapıya sahip olmasıdır. Bu, yapıdaki zincirlerin dolaşmasıyla sonuçlanır ve zincirlerin hareket kabiliyetini engeller. Daha küresel bir yapıya sahip reçine tasarımı polimer zincirlerinin dolaşmasını azaltmaya yönelik yaklaşımlardan bir tanesidir. Bu tür polimerik yapılar dallanmış yapıya sahiptir.
Geleneksel reçinelerle karşılaştırıldığında daha yüksek dallanma derecesine sahip olan reçine moleküllerine aşırı dallanmış reçineler veya dendrimerler denir [7]. Bu tür polimerler daha düşük reçine viskozitesine sahiptir. Bu nedenle tüm sistemin uygulama viskozitesini elde etmek için daha az solvente ihtiyaç duyulur.
Polimerlerin ana zincir yapısındaki fonksiyonel gruplar ve zincirde bulunan yan grupların polar yapısı arasındaki oluşabilecek güçlü hidrojen bağının katkısını azaltmak için reçine tasarımında kullanılacak solvent seçimi çok önemlidir. Yüksek katılı reçinelerin içerdikleri sınırlı solvent miktarı nedeniyle, yapıdaki zincirler arasındaki hidrojen bağını minimize edip kendisi ile zincirler arasında bir hidrojen bağı oluşturabilen hidrojen bağı donörü veya hidrojen bağı akseptörü olarak görev yapan solventler arasından seçim yapılmalıdır.
Çözücüler film oluşumu sırasında buharlaşır ve zincirler arasındaki etkileşimler yeniden kurulur, böylece fiziksel kurumaya ve mekanik özelliklere katkıda bulunur.
Viskoziteyi azaltmak için reaktif seyrelticilerin kullanılması, yüksek katı reçineler için başka bir pratik yaklaşımdır. Bunlar çok düşük moleküler ağırlıklı ve düşük viskoziteli, polimer zincirleriyle reaksiyona girebilen ve dolayısıyla kürlenmiş filme dahil edilebilen fonksiyonel gruplara sahip bileşiklerdir.
Boya endüstrisindeki sürekli gelişmeler, çevre bilinci ve sürdürülebilirlik odaklı çalışmaların önemini artırmaktadır. Bu bağlamda, Kanat Boyacılık Tic. ve San. A.Ş. bünyesinde bulunan Polimer Ar-Ge birimi, düşük VOC içeren reçine tasarımı ve üretimi konusunda çalışmalar yapmaktadır. Bunun yanı sıra su bazlı reçine teknolojileri üzerine de çalışmalarını sürdürmektedir.
Böylelikle, karbon ayak izini azaltarak şirketin sürdürülebilirlik ilkeleri doğrultusunda çevresel sorumluluğunu yerine getirmesine katkı sağlamaktadır.
Referanslar
[1] Dinh, T.-V. et al. (2016) ‘Volatile Organic Compounds (vocs) in surface coating materials: Their compositions and potential as an alternative fuel’, Journal of Environmental Management, 168, pp. 157–164. doi:10.1016/j.jenvman.2015.11.059.
[2] Pélissier, K. and Thierry, D. (2020) ‘Powder and high-solid coatings as anticorrosive solutions for Marine and offshore applications? A Review’, Coatings, 10(10), p. 916. doi:10.3390/coatings10100916.
[3] Goldschmidt, A., & Streitberger, H.-J. (2018). BASF Handbook: Basics of Coating Technology. Vincentz Network.
[4] Goldschmidt, A. and Streitberger, H.-J. (2018) BASF Handbook: Basics of Coating Technology. Hannover, Germany: Vincentz Network.
[5] Wicks, Z.W. (2008) Organic coatings: Science and technology /. Chichester, West Sussex etc.: Wiley.
[6] Carraher, C.E. and Seymour, R.B. (2008) Polymer chemistry. Boca Raton, FL: CRC Press.
[7] Lu, Y.Y. et al. (2012) ‘Intrinsic viscosity of polymers: From linear chains to Dendrimers’, EPL (Europhysics Letters), 97(6), p. 64003. doi:10.1209/0295- 5075/97/64003.
Gülten Özkul Atlı
Deneyimli Araştırmacı-Polimer
Kanat Boyacılık Tic. ve San. A.Ş.
