Emperor® 1200 & Emperor® 1600 Karbon Siyahları: Renk Şiddeti Yüksek Pigmentlerin Solvent Bazlı B

Emperor® 1200 & Emperor® 1600 Karbon Siyahları: Renk Şiddeti Yüksek Pigmentlerin Solvent Bazlı B

Özge Şahin Turan / Boya Kimyasalları Satış Mühendisi / Univar Kimya San. ve Diş. Tic. Ltd. Şti.


Emperor® 1200 & Emperor® 1600 Karbon Siyahları: Renk Şiddeti Yüksek Pigmentlerin Solvent Bazlı Boyalarda Dispersiyon Kolaylığı

Otomotiv tamir boyaları ve OEM’ler gibi yüksek performanslı boya uygulamalarında siyah pigment derinliği ih-tiyaç duyulan bir unsurdur. Yeni reçine teknolojilerinin ortaya çıkmasıyla derinliği arttırma talepleri ortaya çık-mıştır. Bu sebeple, hammadde sağlayıcıları yeni reçineler ve ajanlar arasındaki etkileşimi geliştirme yolları aramaya başladılar. Cabot Corp. bugünün yüksek performanslı boya formulasyonları için renk ve kullanım kolaylığı sağlayan, yenilikçi siyah pigmentler geliştirmeye devam etmektedir.













Şekil 1. Softbead™ Karbon Siyahları


I. Karbon Siyahlarının Özellikleri ve Boyadaki Perfor-mansları

Boya formulasyonlarında karbon siyahlarının kullanılmasının öncelikli sebebi renge kattığı özelliklerdir. Aşağıdaki şemada gösterildiği gibi, renk geliştirilmesi renk yansımalarının 3 boyutlu renk alanlarına dönüştürülerek ölçülebilir.













Şekil 2- Renk Alanı

Birçok yüksek performanslı boya uygulamalarında örneğin, otomotiv baz katlarında, mobilyalarda, bobin boyalarında, ekstrem siyah (L değeri) ve derin mavi tonu (düşük b değeri) istenen renk özellikleridir. Rengi etkileyen önemli karbon siyahı özellikleri;

1. Birincil partikül boyutu/ yüzey alanı,

2. Birincil kümeleşmiş şekli/ morfoloji,

3. Yüzey kimyası.


Partikül Boyutun Etkisi

Çoğu pigment ışık spektrumda ışığı absorbe eder ve dağıtır. Boyanın rengi, pigmentin ışığı ne kadar iyi absorbe ettiği ve dağıttığına bağlıdır. Karbon siyahları boyanın absorbe ettiği ışık miktarının artmasına yardımcı olur; çünkü karbon siyahları birçok pigmente göre ışığı çok daha efektif bir şekilde absorbe eder ve dağıtır. Karbon siyahları özellikle derin siyah tonunu geliştirmek için üretilmektedir. Küçük partikül yapısına sahip olan karbon siyahları daha geniş yüzey alanına sahip oldukları için ışığı absorbe edebilirler. Ayrıca, küçük kümeleşmiş yapısı ile ışığı çok daha fazla absorbe edip ve daha verimli ışık dağılımı sağlayarak, daha derinlikli bir siyah renkortaya çıkarırlar.


Fiziksel Formun Etkisi

Birçok ticari karbon siyahı hem uçuşan hem payet formda bulunabilir. Payet formda olan karbon siyahları tozumayı azalttığı için daha kullanışlıdır. Fakat payet form karbon siyahı partiküllerinin sıkıca bir arada bulunmasından ötürü ezimi uçuşan forma göre daha zordur.


Yüzey Kimyasının Etkisi

Karbon siyahının yüzeyindeki uçucu içeriğini arttırmak genel olarak sıvı sistemlerde ezimi arttırırken viskozitenin düşmesinine sebep olmaktadır. Karbon siyahının ezimi aynı zamanda yüzeyindeki nemin sınırlı miktarda emilmesi yoluyla geliştirilebilir.

Bir dereceye kadar hem uçucu madde içeriği hem de absorbe edilen nem yüzey aktif maddeler olarak işlev görebilir, bu durumda yüzey ıslanmaya hazır olur. Ancak, karbon siyahındaki uçucu miktarın artması, onu daha asidik hale getirir.


II. Su Bazlı ve Solvent Bazlı Boya Formülasyonları

Hem su hem solvent bazlı formulasyonlarda iyi disperse olmuş karbon siyahı pigmentler; gelişmiş renklendirme şiddeti, maviye bakan tonlar ve yüksek derinlik sağlar. Formülasyondaki pigmentin yüzey enerjisini düşürmek polar ya da apolar formülasyonlarda daha iyi ıslatılabilirlik kabiliyetine sebep olur.

Yüzey işlem görmüş karbon siyahı pigmentlerinin etkinliği genellikle sistemin polaritesinden etkilenir. Geçmiş 20 yıl boyunca (özellikle su bazlı formülasyonlarda) pigment dispersiyonlarında katalizör göreviyle sistemin polaritesini kullanarak işlem tekniklerinin gelişmesine yol açılmıştır.


Polar Formülasyonlar için Yüzey İşlemleri

Cabot Corporation polar yapıdaki su bazlı sistemlerdeki formulasyonlarda karbon siyahı pigmentlerinin eziminin geliştirilmesi için eşsiz yüzey işlemleri geliştirmiştir. Bu ürünlerdeki (Emperor® 2000 and Emperor®1800 karbon siyahları) işlemler Şekil 3’te gösterilmiştir.



Şekil 4. Emperor® 2000 ve 1800 Karbon Siyahlarının Yüzey İşlemlerinin Nasıl olduğunun Polar Ortamda Şematik

III. Apolar Sistemli formulasyonlarda Yeni Yüzey İşlemleri

Cabot Corp., günümüzde karbon siyahı pigmentleri için apolar solvent bazlı sistemlerde yeni bir yüzey işlem teknolojisi geliştirmiştir. Bu yeni yüzey işlem teknolojisi karbon siyahının yüzeyinde dispersiyon hızlandırıcı gibi görev almasına yardımcı olmaktadır. Bu yeni teknoloji Cabot’un yeni karbon siyahları Emperor® 1200 ve 1600’da uygulanmıştır.

Solvent bazlı boyalardaki uzun sureli stabilite, karbon siyahının yüzeyindeki dispersiyona yardımcı (DA) moleküllerinin sağladığı karbon siyahı pigmentlerinin stabilitesi ile belirlenir. DA molekülleri genellikle düşük molekül ağırlığından orta molekül ağırlığı arasında değişen (20K dan 200K’ya) stabiliteye yardımcı moleküllerdir.

Partiküllerin stabilitasyonu topaklanmayı önlerken, partiküller arasında bir itme kuvveti oluşturarak düşük viskoziteli dispersiyon sağlamaktadır.

DA polimerleri partikül yüzeyinde güçlü bir kimyasal bağ kurarak karbon siyahının yüzeyinde absorbe edilir. DA’nın spesifik özelliklerine bağlı olarak ankraj gruplarının miktarı 1 ya da birkaç katı olabilir. Solvent bazlı boyalarda karbon siyahlarının kullanılmasının sebebi çoğunlukla oksitlenmiş yüzey ve yüzeyi kaplayan asidik grupların olmasıdır. DA moleküllerinin çoğu kuvvetli asitbaz etkileşimleri ile karbon siyahı yüzeyine bağlı olan amin gruplarını ihtiva etmektedir. Yüzeydeki DA etkileşmenin genellikle yavaş prosesli olmasının sebebi aynı DA molekülünde birçok asitbaz etkileşiminin olması ve kendi polimerik doğasından kaynaklanmaktadır.

Karbon siyahları üretimin ezim aşamasında büyük topaklanmalar halinde birbirine yapışmaktadır, bu kümeleşen karbon siyahlarının ayrılıp stabil hale gelmesi gerekmektedir. Bu aşamaya ulaşmak için karbon siyahı kümelerinin (topaklarının) arasındaki güçlü etkileşim kuvvetinin aşılması gerekir. Emperor® 1200 ve Emperor® 1600 karbon siyahları bu güçlü kuvvetlerin azalmasına yardımcı olurken, DA moleküllerinin absorbe olmadan kısa sureli ezim işlemini arttırmaktadır. Bu yüzey işlemi ayrıca karbon siyahının ilk ıslanma esnasında karbon siyahı yüzeyini açarak DA emilimi sağlarken kümeleşmeye karşı da kısa süreli stabilite sağlar.


Şekil 5. Ezim Aşama Sayısını Arttırarak L Değerinin Karşılaştırılması

IV. Formülasyonlardaki Performansları

Yeni yüzey işlem teknolojisinin faydaları solvent bazlı formulasyonlarda, alışılmış karbon siyahlarıyla Emperor® 1200 ve 1600 karbon siyahlarının renk performanslarının karşılaştırılmasıyla kanıtlanabilir. Bu karşılaştırmada karbon siyahlarının tümü benzer yüzey alanına ve yapısına sahiptirler, bu durumda performans farkının yüzey işlem teknolojisinden meydana geldiğini kanıtlanabilir.

Da miktarı sabit tutularak, solvent bazlı formulasyonlarda Cabot’un yeni işlem görmüş karbon siyahları okside olmuş karbon siyahlarına ve işlem görmemiş karbon siyahlarına karşı üstün renk performansı göstermektedir. Daha iyi renk gelişimi sistemdeki pigment partiküllerinin iyi disperse olması ile meydana gelir. L ve b renk dataları Şekil 6 ve 7’de gösterilmiştir.

* Model formülasyon ve renk test prosedürlerini için Cabot’un Polyester Cab Boyaları için Özel Karbon Siyahları Uygulama Klavuzu’nu inceleyiniz.


Şekil 6. Ezim Aşama Sayısını Arttırarak b Değerinin Karşılaştırılması

Benzer durum ayrıca renk derinliği için de görülebilir. İşlem görmüş yeni Emperor® 1200 karbon siyahı maksimum renk performasına 2 ezim aşamasından sonra ulaşırken, okside karbon siyahları 5. aşamada ulaşmış-tır. İşlem görmemiş karbon siyahlarının ise maksimum renk performansına 7. ezim aşamasında dahi ulaşamadığı Şekil 8’de gösterilmiştir.






Şekil 7. Ezim Aşama Sayısı Arttırılarak Mc Değerlerinin Değişiminin Karşılaştırılması

Yeni Emperor® 1600 karbon siyahı ile baz karbon siyahı ve ticari okside olmuş karbon siyahlarının farklı testlerle kar-bon siyahı yüzdesine göre ne kadar dispersant eklendiği ölçülmüştür. Şekil 9’da gösterilen sonuçlara göre yeni işlem görmüş Emperor®1600 karbon siyahının sadece %20 si kadar dispersant eklenirken, hem standart bazın hem de okside olmuş karbon siyahının %40’ı veya daha fazlası kadar dispersant eklendiği görülmüştür. Düşük dispersant gerekliliği daha önceki paragraflarda açıklanan dispersiyon hızlandırıcı işlemine dayanmaktadır.


Şekil 8. Emperor Ürünleriyle Daha Az Dispersant Kullanılarak En Yüksek Renk Performansının Elde Edilmesi



Şekil 8. Formülasyonlarda Emperor® 1200 ve 1600 Karbon
Siyahlarının Kullanım Kolaylığı


Ön Karışım

EMPEROR® 1200 and 1600 ezim süresini ve dispersant miktarını azaltarak formulasyonun genel maliyetinin azalmasını sağlar. belirtilen avantaj elde edilmek isteniyorsa aşağıdaki aşamalar izlenmelidir.


Tavsiye edilen aşamalar:

Karıştırmadan önce 2 ila 8 saat arasında pigment ıslatılmalıdır. 1 veya 2 saat yüksek devirde ön karışım yapılmalıdır.


Milbazı (Ezim) Formulasyonu

EMPEROR® 1200 ve 1600 ezim aşamasında dispersant miktarını azaltırken karbon siyahı miktarının arttırılmasını sağlar. Fazla dispersant kullanımı nihai formülasyonun maliyetini arttırırken, bununla birlikte zayıf bir renk performansının oluşmasına neden olur. Düşük milbaz viskozitesi zayıf karbon siyahı dispersiyonuna sebep olabilir.


Tavsiye Edilen Aşamalar:

Dispersant miktarınızı %50’ye kadar düşürün. Standart dispersant miktarı %20 ile %50 arasındadır. 6575 ku viskoziteye erişmek için karbon siyahı miktarını en az %10 arttırın.


Ezim

Emperor® 1200 ve 1600 karbon siyahlarını diğer karbon siyahları ile karşılaştırıldığında yarısı kadar ezim zamanı gerektiği gözlenmiştir.


Tavsiye Edilen Aşamalar:

Ön karışıma devam ediniz.


Bitmiş Formülasyon

Masterbatch’i ön karışıma alıp iyice karıştırın. İyice karıştırılmış Masterbatch’i milbazında sonradan ekleyin. Homojen bir karışım elde edilene kadar karıştırın.

Otomotiv sistemleri ve diğer yüksek performans gerektiren uygulamalar için formüle edilen karbon siyahları boya üreticilerine birtakım zorluklar çıkarmaktadır. Bunun sebebi karbon siyahlarının küçük partiküller halinde, geniş yüzey alanına sahip olmaları ve yetersiz ezilme kabiliyetleri nedeniyle istenen renge ulaşılmasının zor olmasıdır.

Yeni Emperor® 1200 ve 1600 ürünleri polar olmayan sistemlerde dispersiyonu hızlandırmak için tasarlanmıştır. Daha düşük moleküler ağırlıklı polimer dispersiyon hızlandırıcı ile işlem görmesi sayesinde daha kolay pigment dispersiyonu sağlarken daha uzun süre stabilite sağlar. Geliştirilmiş renk performansı, hızlı dispersiyon zamanı, daha az dispersant ekleme, mükemmel raf ömrü, daha az enerji ve bunların sonucunda daha az maliyetli bir boya formülü elde edilmiş olur.