Epoksi Esaslı Boya Hazırlanması ve Özelliklerinin İncelenmesi

Epoksi Esaslı Boya Hazırlanması ve Özelliklerinin İncelenmesi


 Kevser Bal / Yüksek Lisans Öğrencisi - Kimya Mühendisliği Bölümü - İstanbul Üniversitesi

 Doç. Dr. Işıl Acar / Kimya Mühendisliği Bölümü - İstanbul Üniversitesi

 Kerim Can Ünlü / Yüksek Lisans Öğrencisi - Kimya Mühendisliği Bölümü - İstanbul Üniversitesi

 Prof. Dr. Gamze Güçlü / Kimya Mühendisliği Bölümü - İstanbul Üniversitesi


 

 Özet

Bu çalışmada, devam eden bir Proje [1] ve Yüksek Lisans Tezi [2] kapsamında, iki komponentli ticari epoksi reçine kullanılarak laboratuvar şartlarında sentezlenen epoksi esaslı boyanın tanecik büyüklüğü, viskozite, yoğunluk ve örtücülük gibi yaş boya özellikleri belirlenmiştir. Üretilen boyadan hazırlanan yüzey örtü filmlerine; kuruma derecesi, sertlik, adhezyon, aşınma dayanımı, darbe dayanımı, parlaklık gibi fiziksel dayanım testleri uygulanmıştır. Ayrıca, ASTM D1308-02 standardında verilen "ev kimyasallarına dayanım testi” kapsamında, spot testler ve daldırma yöntemleri ile, "soğuk destile su, sıcak destile su, alkali çözeltisi (3’lük NaOH), asit çözeltisi (%3’lük H2SO4), sabun çözeltisi, deterjan çözeltisi, etil alkol (hacimce %50’lik), sirke (ağırlıkça %3’lük asetik asit), ve içecekler (çay, kahve, kola)” gibi çeşitli kimyasalların boya filmlerine etkisi belirlenmiştir. Bunların yanı sıra, boya filminin çözücü dayanımı, çevre şartlarına dayanımı belirlenmiştir.

 

Epoksi Reçineleri

Her bir molekülünde, bir veya daha fazla epoksit grubu içeren oligomerlere "epoksi reçineler” denir. Ticari anlamda önemi ilk olarak 1947 yılında kavranmış ve ilk üretim Amerika Birleşik Devletlerinde Devoe-Raynolds adlı şirket tarafından gerçekleştirilmiştir [3]. Epoksi reçineler; yüksek kimyasal ve elektriksel dirençleri, yüksek sıcaklıkta iyi mekanik ve fiziksel performans göstermeleri, her türlü yüzeye iyi yapışma özellikleri, kürleşme süresince uçuculuklarının düşük olması gibi birçok üstün özelliklere sahip oldukları için çok tercih edilmektedir [4]. Epoksilerin suya, kimyasal maddelere, özellikle alkali maddelere karşı direnci çok yüksektir. Ayrıca epoksi esaslı yüzey örtü malzemelerinin, termal dayanımları yüksektir, bakteri ve mantarlara karşı üstün dayanım gösterirler ve elektriği üstün yalıtma özelliğine sahiptirler [5].


 

Epoksi reçineleri sahip oldukları bu üstün özellikleri ile boya yüzey kaplama sanayinde, beton yüzey kaplamalarında yapıştırıcı olarak, uçakların çeşitli imalat aşamalarında, uydu ve uzay alanlarında, elektrik elektronik aletlerde, dolgu bileşiği olarak gemi, otomobil ve plastik tamirinde, dişçilik, ameliyat ve protez uygulamalarında, dekoratif döşeme amaçlı uygulamalarda kullanım alanı bulmaktadır [6].

Epoksi reçinesi üretimi, en yaygın olarak ticari ismi bisfenol-A olan 2,2-bis(4-hidroksifenil) propan ileepiklorhidrin’in NaOH ortamında reaksiyonu ile gerçekleştirilir. Düşük molekül ağırlıklı sıvı reçinelerin üretiminde epiklorohidrin fazlası kullanılır. Daha yüksek molekül ağırlıklarına sahip katı reçinelerin üretiminde ise epiklorohidrin miktarı azaltılır [7].

 

Epoksi reçineler, iki komponentten oluşur. Birinci komponent; epoksi reçinesi, ikinci komponent ise çapraz bağlanmayı sağlayacak olan komponenttir. Epoksi reçineleri, içerdikleri aktif epoksi grupları ve hidroksil grupları üzerinden, sertleştirici olarak da adlandırılan ikinci komponent ile reaksiyona girerek çapraz bağ oluştururlar.



 

Epoksi Reçinelerinin Sertleştirilmesi

Primer ve sekonder alifatik aminler, poliamin bileşikleri ve poliamidler oda sıcaklığında; aromatik aminler ise yüksek sıcaklıklarda uygulanarak sertleştirme işlemi yapılır. Dietilen triamin, trietilen tetramin, tetraetilen pentamin, sikloalifatik amin, modifiye edilmiş aromatik aminler, metilen dianilin ve sikloalifatik poliamin yaygın olarak kullanılan alifatik ve aromatik aminlerden bazılarıdır [9].

 

Anhidrit ve asitler kullanılarak epoksi reçinesinin sertleştirilmesi yöntemi, aminlerle sertleştirme kadar tercih edilmese de önemli bir kullanıma sahiptir. Anhidritlerin kullanımı asitlerin kullanımına göre daha yaygındır. Asit anhidritleri ile epoksi reçinesi arasındaki reaksiyon 100oC’nin üzerindeki sıcaklıklarda asit ya da alkali katalizör varlığında gerçekleşir. Anhidritler sertleştirici olarak kullanıldığında elde edilen filmlerin kimyasal direnci, amin sertleştirici kullanımı ile karşılaştırıldığında daha düşük olmakla birlikte ısı dayanımları daha yüksektir [5].

 

Epoksi reçinelerinin sertleştirilmesinde kullanılan diğer bir grup ise poliamidlerdir. Yağ asitlerinin dimerleştirilmesi ya da polimerize edilmesinden sonra çeşitli alifatik aminlerle reaksiyonundan poliamidler elde edilir. Poliamidler, serleştirme işleminde kullanıldıklarında uçuculuğu azaltırlar, bükülebilirliği, darbe dayanımını ve suya karşı direnci artırırlar [10].

 

İmidazoller de epoksi reçinelerinin sertleştirilmesinde geniş ölçüde kullanılırlar. Hem tek başlarına sertleştirici olarak, hem de sertleştiricileri hızlandırıcı olarak etki ederler. Tek başlarına sertleştirici olarak kullanıldıklarında, yapıdaki epoksi gruplarının homopolimerizasyonuna neden olarak sertleşme sağlarlar. Aromatik aminler ve anhinditler gibi imidazoller de sertleşme için yüksek sıcaklığa gereksinim duyarlar [11].

 

Epoksi Esaslı Boya Hazırlanması

Epoksi esaslı boya, belirlenen boya formülasyonuna uygun olarak, laboratuvar şartlarında, Yokeş marka disperser kullanılarak hazırlanmıştır. Tablo 1’de pigment pasta bileşimi Tablo 2’de ise epoksi esaslı boya bileşimi verilmiştir.







Yaş Boya Testleri
Laboratuvar şartlarında hazırlanan epoksi esaslı boya %80 katı maddeye seyreltildikten sonra, yaş boya özellikleri standartlara uygun olarak incelenmiş ve sonuçlar Tablo 3’te topluca sunulmuştur.
 




Kuru Boya Test Sonuçları

Yüzey örtü özelliklerinin test edilmesi için, hazırlanan epoksi esaslı boya amin bazlı sertleştirici ile karıştırılmış, takiben cam ve metal plakalara, 50 μ’luk aplikatör ile boya filmleri hazırlanmıştır. Hava kurumalı filmler için, oda sıcaklığında 72 saat kuruma sağlanmıştır. Fırın kurumalı filmler için ise, havada kurutmayı takiben filmler, 110°C’de 1 saat etüvde bekletilmiştir. Çift komponentli epoksireçine kullanılarak hazırlanan sentetik boya filmlerine uygulanan fiziksel yüzey örtü testlerine ait standartlar ve test sonuçları Tablo 4’te sunulmuştur. Bu testlere ait sonuçlar ayrıca Şekil 1, Şekil 2 ve Şekil 3’te de grafik olarak sunulmuştur.




Ev kimyasallarına dayanım testi, ASTM D1308-02 standardına göre yapılmıştır. Bu test kapsamında, spot testler ve daldırma yöntemleri ile, "soğuk destile su, sıcak destile su, alkali çözeltisi (3’lük NaOH), asit çözeltisi (%3’lük H2SO4), sabun çözeltisi, deterjan çözeltisi, etil alkol (hacimce %50’lik), sirke (ağırlıkça %3’lük asetik asit), ve içecekler (çay, kahve)” gibi çeşitli kimyasalların boya filmlerineetkisi göz ile incelenerek belirlenmiştir. Sonuçlar özet olarak Tablo 5 ve Tablo 6’da sunulmuştur.




Tablo 5. Epoksi esaslı boyanın ev kimyasallarına dayanım özellikleri (daldırma yöntemine göre uygulanan testler)



Çözücü dayanımı testi, literatürde verildiği şekilde gerçekleştirilmiştir [12]. Bu test yönteminde, 1x1 cm boyutlara sahip sargı bezi parçaları, çeşitli çözücüler (metanol, toluen, etil asetat, aseton) içine daldırılmakta ve üzerlerindeki fazla çözücü alındıktan sonra cam plaka üzerine hazırlanmış film yüzeylerine yerleştirilmektedir. Filmlerin üzeri bir petri kabı ile kapatılıp oda sıcaklığında 30 dakika bekletildikten sonra filmin yüzeyindeki değişiklikler gözlenmiş ve boya filminin yukarıda verilen dört çözücünün hiçbirisinden etkilenmediği görülmüştür.




Tablo 6. Epoksi esaslı boyanın ev kimyasallarına dayanım özellikleri (spot testler)



Çevre şartlarına dayanım testi (wet-dry and heat cycle test) literatürde verildiği gibi [12] üç adımda gerçekleştirilmiştir. İlk olarak boya filmi ile kaplı cam plakalar, 18 saat oda sıcaklığında destile su içinde bekletilmiş, takiben derin dondurucuda, -20±2°C’de 3 saat ve ardından +50±2°C’deki etüvde 3 saat bekletilmiştir. Bu işlemler iki hafta boyunca 10 defa tekrarlanmıştır. Bu süre sonunda filmin yüzeyindeki değişiklikler gözlenmiş ve boya film yüzeyinde bir değişiklik ve etkilenme görülmemiştir.

 

Sonuç

Bu makalenin giriş kısmında, epoksi reçineler ile ilgili derleme şeklinde özet bilgi verilmiştir. Takiben, çift komponentli epoksi reçine kullanılarak laboratuvar şartlarında üretimi gerçekleştirilen epoksi esaslı boyanın, ilgili standartlara uygun olarak yapılan yaş boya ve kuru boya testlerinden elde edilen sonuçlar bir rapor halinde sunulmuştur. Ticari epoksi reçine içeren sentetik boyadan, sert, %100 adhezyonu olan, darbe dayanımı ve aşınma dayanımı yüksek, parlak filmler elde edilmiştir. Filmler, ev kimyasallarına dayanım testi kapsamında, sıcak ve soğuk destile su, alkali, asit, sabun ve deterjan çözeltilerine 48 saat sonunda belli oranlarda dayanım göstermiştir. Fırınlama işlemi sonunda, boya filmlerinin kimyasal film özellikleri bir miktar iyileşmiştir. Bunların yanı sıra filmler, özellikle fırınlamadan sonra ev kimyasallarına dayanım testi kapsamında mükemmel etil alkol, asetik asit ve içecek (çay, kahve, kola) dayanımı göstermiştir. Ayrıca boya filminin fırınlamadan önce ve sonra, çevre şartları dayanımı ve çözücü dayanımı test sonuçları da mükemmeldir. Bu ön çalışma, bir Proje ve Yüksek Lisans Tezi kapsamında gerçekleştirilmiş olup, çalışmalar devam etmektedir.




Kaynaklar

1. Güçlü, G., Acar, I., 2015, Atık Plastiklerden Epoksi Esaslı Boya Üretimi, İ.Ü. BAP Projesi, Proje No: 34135.

2. Bal, K., Atık PET’in Glikoliz Ara Ürünlerinden Epoksi Esaslı Boya Üretimi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi, İstanbul, devam ediyor.

3. May, C.A., 1988, Epoxy Resins: Chemistry and Technology, 2nd Edition, Marcel Dekker Inc., USA.

4. Kaw, A., 1997, Mechanics of Composite Materials, CRC Pres Inc., USA.

5. Begimgil, M., Kocatürk, A., Gerçek, B., 1997, Bağlayıcı Reçine Türleri, Temel Kullanım Alanları ve Uygulama Metodları, Türkiye İnşaat Mühendisliği 14. Teknik Kongresi.

6. Gündüz, G., 2007, Boya Bilgisi, Kimya Mühendisleri Odası, Ankara.

7. Saçak, M., 2004, Polimer Kimyası, Gazi Kitabevi, Ankara.

8. Potter W.G., 1970, Epoxide Resins, Plastics Institute, London, UK.

9. Licari, J.J., Hughes, L.A., 1990, Handbook of Polymer Coatings for Electronics, 2nd Edition, Noyes Publications, USA.

10. Goodman, S.H., 1998, Handbook of Thermoset Plastics, 2nd Edition, Noyes Publications, USA.

11. Lee, S.M., 1989, Reference Book for Composites Technology, Technomic Publishing Company Inc., USA.

12. Mizutani, T., Arai, K., Miyamoto, M., Kimura, Y., 2006, Prog. Org. Coat., 55, 276-283.


Teşekkür

Bu çalışma, "Atık PET’in Glikoliz Ara Ürünlerinden Epoksi Esaslı Boya Üretimi” isimli Yüksek Lisans Tezininin bir kısmını içermektedir ve İstanbul Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi (BAP) tarafından desteklenmiştir. Proje No: 34135 (YÖP).


KaydetKaydetKaydet