Kendini İyileştirebilen Kaplamalar için Keten Tohumu Yağının Kapsüllenmesi

Kendini İyileştirebilen Kaplamalar için Keten Tohumu Yağının Kapsüllenmesi

 


Göksenin Kurt-Çömlekçi / Yüksek Kimya Mühendisi - Kimya Mühendisliği Bölümü - Ege Üniversitesi

Prof. Dr. Sevgi Ulutan / Kimya Mühendisi - Kimya Mühendisliği Bölümü - Ege Üniversitesi

Dilek Dönmez / Kimya Mühendisi - Kimya Mühendisliği Bölümü - Ege Üniversitesi

Şeyma Akgül / Kimya Mühendisi - Kimya Mühendisliği Bölümü - Ege Üniversitesi


Özet

İyileştirici maddeyi içeren mikrokapsüller reçine içine dağıtılarak kendini iyileştirebilen kaplama sistemleri oluşturulur. Bu çalışmada kendini iyileştirebilen kaplamalar için kullanıma uygun, keten tohumu yağının üre-formaldehit reçinesi içine alındığı mikrokapsüller, geleneksel (tek aşamalı) ve ön-polimerleşme (iki aşamalı) yöntemleri ile yerinde polimerleşme uygulanarak üretilmiştir. Mikrokapsüllerin üretiminde uygulanan yöntem, süreç koşulları ve yüzey aktif madde türünün kapsülleme işleminin başarımına etkileri, optik mikroskopi çalışmalarında kapsül boyutu ve şekli ile izlenmiştir.

 

Giriş

Polimerik kaplamalar yüzeyi çevresel etkilerden koruyan yapılardır. Ancak, bu malzemeler kullanım süresi boyunca ısıl, mekanik ve kimyasal dış etkenlerden zarar görmektedir [1]. Yüzeyde meydana gelen çatlaklar malzemenin yapısında mikro çatlakların oluşumuna neden olur. Saptaması ve dışarıdan müdahale etmesi zor olan bu mikro çatlaklar, korunması hedeflenen tabakanın aşınmasını hızlandırır. Kendini iyileştiren polimerik malzemeler kavramı, polimerik malzemelerde oluşan gözle görülemeyen çatlakların onarılması ve bu malzemelerin kullanım ömrünü arttırmak amacıyla 1980’li yıllarda önerilmiştir [2,3].

 

Kendini iyileştirme mekanizmasının çalışması için iyileştirici madde içeren kapsüller polimer matris içine önceden yerleştirilmelidir. Kapsüllerin bir darbe sırasında çatlamasıyla içerdikleri akışkan iyileştirici madde dışarı salınarak zarar görmüş mikroçatlakları doldurur ve onarılmasını sağlar. Kapsül kabuğu poli(üre-formaldehit) (PUF) reçine yapıştırma, esneklik ve malzemenin içine işleme yönünden iyi özellikler sağlar. Yüksek dayanıklılık gösteren ve geçirimsiz mikrokapsüller asit kataliz altında oluşturulur [4].

 

İyileştirici öz madde olarak bilimsel kaynaklarda disiklopentadien, epoksi reçine, keten tohumu yağı, tung yağı, o- diklorobenzen ve dimetil siloksan gibi birçok madde kapsüllenmiştir [5]. Bitkisel yağ bazlı polimerler, çevre ve sürdürülebilirlik ile ilgili endişelerin yanı sıra yağların özel kimyasal yapısı nedeniyle de gittikçe popülerlik kazanmaktadır [6]. Keten tohumu yağı en sık ve yaygın olarak kullanılan kurutucu yağdır. Keten tohumu yağı (LO) kurutucular ile birlikte atmosferik oksitlenmeyle film oluşturma özelliği sayesinde bir iyileştirici davranışı gösterir [7]. Bu çalışmanın amacı, kaplama reçine için uygun keten tohumu yağ içeren kapsül üretimidir. Bu nedenle, keten tohum yağı PUF reçine ile yerinde polimerleşme tekniği kullanılarak yağ / su ortamında kapsüllenmiştir.

 

Malzemeler ve Yöntemler

Çalışmada keten tohumu yağı (LO, LawterTM), Üre ve Formaldehit (Merck AG) ile kapsüllenmiştir. Resorsinol (Merck AG) çapraz bağlayıcı, NH4Cl (Horasan Kimya) ise çapraz bağlayıcı olarak kullanılmıştır. Polivinil alkol (PVA, Sigma Aldrich Co), Polioksietilen (20) sorbitan monooleat (T80, Merck AG), Linear Alkil Benzen Sulfonik Asit Ester (LABSA, Teknik saflıkta) ve Polivinil pirolidin (PVP, Teknik saflıkta) yüzey aktif madde olarak kullanılmıştır.

Geleneksel (tek aşamalı) ve ön polimerleşme (iki aşamalı) yöntemleri ile mikrokapsülleme için, eşsıcaklıklı koşullar altında 55±2oC ve 1 atmosfer basınç altında, Şekil 1’de verilen deney düzeneğinde yerinde polimerleşme tekniği uygulanmıştır. Önce yüzey aktif madde tepkime kabına alınıp suyla ve ardından üre, Amonyum klorür ve Resorsinol eklenerek 15-20 dakika karıştırılmıştır. Sisteme keten tohum yağı eklenip karıştırma altında, eşsıcaklık koşulları ve pH değeri 3.5 olması sağlanmıştır. Formaldehitin eklenmesiyle polimerleşme tepkimesi gerçekleştirilmiştir. Oluşan mikrokapsüller tepkime ortamından bir ayırma hunisi yardımıyla ayrılarak yıkanıp kurutulmuştur. Mikrokapsüllerin yapısal analizleri, Perkin Elmer (Spectra 100) FTIR Spektrometre kullanılarak FTIR Spektroskopisiyle yapılmıştır. Mikrokapsüllerin boyut ve şekilleri, Leica DFC 295 cihazı ile çekilen optik mikroskop (OM) görüntüler üzerinden belirlenmiştir.

Şekil 1 LO/PUF Mikrokapsülleme deney seti; 1.Karıştırıcı, 2.Tepkime kabı, 3.pH algılayıcı, 4.Sıcaklık algılayıcı, 5.Isıtıcı tabla,
6.Gösterge birimi.

 

Tartışma ve Öneriler

Mikrokapsüllerin FTIR spektrumları, üre-formaldehit yapısını N-H, C-H, C=O, C-N ve O-H bağlarını göstererek doğrulamıştır. Kapsül içeriğindeki keten tohumu yağının, karakteristik pikler olan gerilme titreşimlerinde C=C, C=O, C-H ve O-H bağları ile eşleştiği bulunmuştur [8,9]. Kapsülleme yönteminin etkisinin incelenmesi için geleneksel ve ön polimerleşme yöntemlerinin ikisi birden kapsüllemede kullanılmıştır. Karıştırma hızı, yüzey aktif madde çeşidi gibi süreç koşullarının kapsülleme verimine etkisi çalışılmıştır.

 

Yöntemin Etkisi:

Geleneksel yöntem ile sarımsı yapışkan kitle halinde mikrokapsüller elde edilmişken, önpolimerleşme yöntemi ile serbest akan, ince ve beyaz işlenmesi kolay mikrokapsüller elde edilebilmiştir (Şekil 2). İlk yöntemde LO/PUF oranının yüksek olmasının mikrokapsüller üzerlerinde yağ kalıntıları kalmasına ve yapışkanlığa neden olduğu düşünülmektedir.

 

pH’ın Etkisi:

Çözeltinin pH’ı mikrokapsül özelliklerini belirleyen üre formaldehit tepkimelerini doğrudan etkilemektedir. NH4Cl ortam pH’ının aniden düşmesine neden olmuş ve ortam pH’ının istenilen düzeyde tutulmasını güçleştirmiştir.

 

Yüzey Aktif Madde Etkisi:

Kararlı bir yağ/su dağılımı oluşturmak için emülsiyon yapıcı olarak kullanılan yüzey aktif madde (YAM), sıvının yüzey gerilimini ve iki sıvı arasındaki arayüzey gerilimi düşürerek dağılımı kolaylaştırmaktadır. LABSA ve PVP polikondensasyon tepkimesi için uygun olmayan yapışkan karışımlar verse de, PVA kullanıldığında süzme ile kolayca ayrılabilen, büyük damlacıklar oluşmuş ve serbest akan tozlar

elde edilmiştir. Misel çapı yaklaşık 10 nm olan T80 kullanımı ise süzme ile ayrılamayacak kadar küçük damlalar oluşturmuştur. Şekil 3’te elde edilen mikrokapsüllerin OM görüntüleri incelendiğinde YAM etkisi ile oluşan değişimler görülebilmektedir.


Şekil 2 LO/PUF Mikrokapsülleri a)tek aşamalı, b)iki aşamalı polimerleşme tekniği ile üretim.


Karıştırma Hızının Etkisi:

Kapsülleme için 800-1500 devir/dakika karıştırma hızında çalışıldığında, çap ortalaması 62 μm ve boyut aralığı 23–109 μm olan kürecikler olarak elde edilmiştir.

 

Sonuç

Kendini iyileştiren kaplama reçineleri, iyileştirici maddeyi içeren kapsüllerin bu reçinelerin içine yerleştirilmesiyle üretilirler. Durgun kapsüller, kaplamada çatlak oluştuğunda içerdikleri iyileştirici maddeyi ortama salar. Bu çalışmada keten tohumu yağının (LO) PUF içinde kapsüllenme süreci incelenmiştir:

 

• İki aşamalı, yerinde kapsülleme tekniği çalışılan LO/ PUF oranları için tek aşamalıdan daha iyi, kaplamada uygulanabilir, serbest akan toz halinde kapsüller vermiştir.

• Mikrokapsül özelliklerini doğrudan etkileyen pH için uygun değerin 3,5 olduğu saptanmıştır.

• Yüzey aktif madde türü kararlı bir emülsiyon ortamı sağlanması ve istenen kapsül şekli ve boyut aralığı elde edilmesinde önemli rol oynamaktadır.

• Karıştırma hızı istenen kapsül boyutu ve şeklini elde etmek açısından önem taşımaktadır.

Çalışmalara miktarlarını optimize etmek üzere PVA ve T80 ile ve ~800-2000 devir/dakika karıştırma hızı uygulanarak devam edilmektedir.

 

Bilgilendirme:

Bu çalışma Kimya Mühendisleri Odası Ege Bölge Şubesi’nin 7-9 May 2015 tarihlerinde Çeşme/İzmir’de düzenlediği

"IV. Uluslararası Polimerik Kompozitler Sempozyumu, Sergi ve Proje Pazarı”nda yapılan sunumdan düzenlenmiştir.

Yazarlar Kimya Mühendisi Nilüfer Konukçu’ya ve Kimya Mühendisi Gizem Civan’a diploma projesi sürecinde verdikleri katkılar için teşekkür eder.

 

Referanslar / References:

1. Osswald T, Menges G., "Failure and damage of polymers.” In: Osswald T, Menges G, editors. Materials science of polymers for engineers. Munich: Hanser Publishers; 2003 447–519.

2. Jud K, Kausch H.H, Williams JG., "Fracture-mechanics studies of crack healing and welding of polymers.” J Mater Sci 16 (1981) 204-210.

3. Aissa, B., Therriault, D., Haddad, E., Jamroz, W.; "Self-healing materials systems: Overview of major approaches and recent developed technologies”, Advances in Material Science and Engineering 2012 (2011) 1-17 Article ID 854203, 17 pages.

4. Qin, R., Xu G., Guo, L., Jiang Y. and Ding, R.; "Preparation and characterization of a novel poly(ureaeformaldehyde) microcapsules with similar reflectance spectrum to leaves in the UV-Vis-NIR region of 300-2500 nm” Materials Chemistry and Physics 136 (2012) 737-743.

5. Liu, X., Zhang, H., Wang, J., Wang, Z. And Wang S.; "Preparation of epoxy microcapsule based self-healing coatings and their behavior” Surface & Coatings Technology 206 (2012) 4976–4980.

6. Riaz, U., Nwaoha, C., Ashraf, S. M.; "Recent advances in corrosion protective composite coatings based onconducting polymers and natural resource derived polymers”, Progress in Organic Coatings 77 (2014) 743-756.

7. Suryanarayana, C., Rao, K. C., Kumar, D.; ”Preparation and characterization of microcapsules containing linseed oil and its use in self-healing coatings”, Progress in Organic Coatings 63 (2008) 72-78.

8. Hatami, S.B., Peikari, M., Asrhafi, A., Samadzadeh, M., "Self-healing ability and adhesion strength of capsule embedded coatings-Micro and nano sized capsules containing linseed oil”, Progress in Organic Coatings, 75 (2012) 292-300.

9. Samadzadeh, M., Hatami Boura, S., Peikari, M., Ashrafi, A., Kasiriha, M., "Tung oil: An autonomous repairing agent for self-healing epoxy coatings”, Progress in Organic Coatings 70 (2011) 383–387.




Kaydet