Polimer Tasarımlarının Çimento Esaslı Sistemlerin Uzun Dönem Su Direncine Etkisi

Polimer Tasarımlarının Çimento Esaslı Sistemlerin Uzun Dönem Su Direncine Etkisi
Polimer Tasarımlarının Çimento Esaslı Sistemlerin Uzun Dönem Su Direncine Etkisi

Giriş
Su iticilik (hidrofobisite) ile su direnci her tür malzeme konusunda birbirine karıştırılabilen veya birbiri yerine kullanılan iki kavramdır. Katı malzemeler için su iticilik, en basit şekilde "yüzeylerinin su ile ıslanmaması, yüzey­lerine damlatılan suyun büyük temas açıları arz etmesi ve yüzeyden kolaylıkla uzaklaştırılabilmesi” olarak açık­lanabilir. Oysa su direnci, su itici olsa da olmasa da uzun süreler boyunca su etkisine maruz kalan malzemelerin fiziksel veya kimyasal bir deformasyona uğramadan gö­revini yerine getirmeye devam edebilmesidir. Bu karşılaş­tırmaya örnek olarak camdan bahsedilebilir. Cam, yüzeyi çok hidrofobik olmadığı için kolaylıkla ıslanabilir. Bir cam üzerine damlatılan su, cam eğildiğinde yerçekimi etkisiy­le uzaklaşırken belirgin bir iz bırakır. Ancak bir cam par­çası çok çok uzun bir süre suya daldırılsa bile herhangi bir deformasyona uğramaz. Bu bağlamda cam için çok su itici olmasa da suya karşı yüksek dirençlidir denebilir.

Çimento esaslı kaplama malzemelerinden (seramik ya­pıştırıcıları, ısı yalıtım sistemi harçları, su izolasyon harç­ları vb.) su itici olmalarının ötesinde suya karşı yüksek bir direnç arz etmeleri ve bunu kullanım süreleri boyunca (yıllarca) sürdürebilmeleri beklenmelidir. Çimento esaslı yapı kimyasalları olarak da adlandırılan bu tip malzeme­lerin ana bağlayıcısı olan çimentonun son derece hid­rofilik bir yapıda olması ve çimento su ile reaksiyonunu tamamladıktan sonra oluşan yapının oldukça gözenekli olması nedeniyle bu sistemlerin sudan korunması kaçınıl­maz bir zorunluluktur. Bu amaç için kullanılan en yaygın yöntem ise aynı zamanda sistemin bağlayıcılığını ve es­nekliğini de arttıran polimerlerin kullanılmasıdır. Yukarı­da adı geçen tek bileşenli harçlarda ise pazarda "toz po­limer” olarak adlandırılan su bazlı, tekrar dispers olabilen (redispersible) polimerler kullanılmaktadır. Su bazlı olan bu tip polimerlerin suya yüksek dirençli olmaları gerek­mektedir.

 Çok farklı monomer kompozisyonları ile sentezlenebilen toz polimerlerin üretiminde en çok kullanılan monomer vinil asetat monomeridir. Vinil asetat monomeri (VAM) yüksek camsı geçiş sıcaklığına sahip olması, kolay kuru­tulabilmesi ve nispeten ucuz olması nedeniyle kullanıl­maktadır. VAM, bu olumlu özeliklerinin yanında oldukça riskli bir özellik de taşımaktadır. Etilen, stiren, vinil versa­tat veya akrilik monomerlerle karşılaştırıldığında oldukça hidrofilik olan VAM aynı zamanda yüksek pH koşulları al­tında su ile reaksiyona girerek hidrolize uğrar. Bu durum, toz polimer üreticileri ve kullanıcıları açısından ilginç bir handikap yaratmaktadır. Yani çimento esaslı sistemlerin suya karşı dirençli olmaları için kullanılan bir katkı malze­mesinin (toz polimer) büyük bir kısmını, suyu çok seven ve hatta su ile reaksiyon veren bir madde teşkil etmek­tedir.

Polimer üreticileri bu noktada VAM molekülünü sudan koruyabilen bir polimer tasarımı geliştirmek zorundadır­lar. VAM molekülünü sudan koruyabilmenin en sağlıklı yolu ise hacimce bundan çok daha büyük, yüksek sayıda karbon içeren, polimerize olduğunda yüksek miktarda dallanmış bir yapı arz eden ve VAM molekülünün etrafını bir şemsiye gibi sarabilen bir başka monomer(ler) ile po­limerizasyon tasarımı yapmaktır.

Toz polimer üretimlerinde sıklıkla kullanılan bir kaç mo­nomerin moleküler yapılarına ait örnekler aşağıda veril­miştir.


 

Bu test formülünde performanslarını karşılaştırmak ama­cıyla hidrofobik olarak modifiye "edilmemiş”, standart performanslı toz polimerler kullanılmış olup bunlara ait monomer kompozisyonları aşağıdaki gibidir.

VA-AC : Vinil asetat ve akrilik kompozisyonu

VA-VV : Vinil asetat ve vinil versatat kompozis­yonu

VA-VV-AC : Vinil asetat, vinil versatat ve akrilik kom­pozisyonu

VA-E : Vinil asetat ve etilen kompozisyonu

Bu polimerlerle ile yukarıdaki formüle göre ayrı ayrı ha­zırlanan harçlar Şekil 2’de gösterilen kalıplar içinde 7 gün boyunca normal şartlarda bekletildikten sonra Şekil 3’te gösterildiği gibi suyun içine daldırılmıştır. Daha sonra be­lirli aralıklarla harç numuneleri sudan çıkarılarak ağırlık değişimleri ölçülmüş ve su alma miktarları başlangıçtaki ağırlıklarının yüzdesi cinsinden hesaplanmıştır.



Yukarıdaki monomer yapıları incelendiğinde etilen mo­lekülünün VAM molekülünden dahi küçük olduğu, diğer monomerlerle karşılaştırıldığında çok daha az sayıda kar­bon atomu içerdiği görülmektedir. Akrilik ve vinil versatat moleküllerinin çok daha büyük olduğu ve daha kompleks bir yapı arz ettikleri gözönüne alınırsa "teorik olarak” bu moleküllerin VAM molekülünü, etilene kıyasla, suya karşı daha yüksek dirençle koruyabilmeleri beklenmektedir.

Su Alma Testleri

Bu teorik yaklaşımı pratikte de gözleyebilmek adına Organik Kimya Ar-Ge Merkezi Yapı Kimyasalları Laboratuvarı’nda aşağıdaki gibi basit bir çalışma gerçekleştirilmiştir.

Toz polimerlerin, içinde bulundukları çimentolu sistemlerin suya karşı uzun dönem direncini test etmek üzere aşağıda­ki test formülü tasarlanmıştır.









                                                                                                     
                                                                                                                                                                                                                                                        
                                                                                                                                                                       
                                                                                                                                                                   Hesaplanan su alma miktarları grafize edildiğinde, farklı
                                                                                                                                                                   polimerlerin sistemin su direncine katkılarının zaman
                                                                                                                                                                   içindekideğişimleri aşağıdaki gibi şekillenmiştir.
  














Şekil 7’de açık bir şekilde görülebileceği üzere VAM-Etilen bazlı toz polimer ile hazırlanan harç, suya daldırılışının üçüncü gününde ilk 2 gündeki su alma seyrini terkede­rek birden daha fazla su almaya başlamıştır. Bu seyir, iler­leyen günlerde etkisini daha da arttırmış ve VAM-Etilen bazlı toz polimer, test sürecini suya karşı en düşük direnci gösteren toz polimer olarak tamamlayabilmiştir. Bu sıra­da hem vinil versatat hem de akrilik monomeri içeren toz polimer ise en düşük miktarda su alma değeri göstererek en iyi sonucu vermiştir.

Suya daldırma sürecinin üçüncü gününde VAM-Etilen bazlı toz polimer ile hazırlanan harcın birden bire daha fazla su almaya başlaması yukarıda açıklanan teorik ger­çek ile örtüşür niteliktedir. Bu durum, etilen monomerinin vinil asetat monomerini suya karşı koruyabilme sınırına ulaşması ve onu su karşı daha fazla koruyamaması ne­deniyle suyun vinil asetat monomerine ulaşıp reaksiyon vermesi şeklinde açıklanabilir. Bu aşamadan sonra VAM-Etilen bazlı toz polimerin degrade olmaya başlayıp çimen­to matrisini terkettiği ve sistemin suya karşı korunmasız hale geldiği anlaşılmaktadır.

Mekanik Performans Testleri

Farklı monomer kompozisyonlarının su alma perfromans­ları konusunda tespit edilen farkların, içinde bulundukları harçların mekanik performanslarına etkisini anlayabilmek adına yine Organik Kimya Ar-Ge Merkezi Yapı Kimyasalları Laboratuvarı’nda EN 12808-2 standardına göre yüzey aşınma testi ve EN 1348 standardına göre suya daldırma sonrası yapışma mukavemeti testi gerçekleştirilmiştir. Standarların belirlediği test metotlarından farklı olarak harç numuneleri (daha) uzun süreler boyunca yine suya daldırılarak belirli aralıklarla aynı mekanik testler gerçekleştirilmiştir.









 

Suya daldırma sonrası yapışma mukavemetlerinin za­man içindeki değişimleri incelendiğinde ise VAM-Etilen bazlı toz polimerin sürecin başından sonunda en düşük yapışma mukavemeti sonuçlarını verdiği görülmektedir.

Sonuç

Su iticilik, çimento esaslı yapı kimyasalları için istenen bir özelliktir. Ancak "uzun dönem su direnci” çimento esaslı sistemlerin mekanik performansını direkt olarak etkiley­en bir parametre olduğu için hidrofobisiteye kıyasla çok daha önemli bir özellik olarak kabul edilmeli ve kontrol edilmelidir. Bu amaçla kullanılan toz polimerlerin mono­mer kompozisyonları ise kendilerini suya karşı uzun süre koruyabilecek şekilde tasarlanmalıdır. Bu yüzden uzun süre suya dirençli olması istenen sistemlerde kullanılan toz polimerlerin yüksek sayıda karbon atomu içeren, büyük hacimli ve dallanmış yapıya sahip monomerler ile sentezlenmiş olmasına dikkat edilmelidir.

Yazımızı küçük bir benzetme ile bitirelim: Vinil asetat monomerini dik bir tepenin yamacını oluşturan toprak tabakasına benzetelim. Eğer bir önlem alınmazsa bu to­prak tabakası yağmurların etkisi ile erozyona uğrayacak ve dağılacaktır. Etilen molekülünü ise gayet su itici olan çimenlere benzetelim. Toprağa ekilecek çimenler su damlalarını itecektir ama zayıf kökleri toprağı dağılmaktan koruyamayacak ve malesef erozyon gerçekleşecektir. Oysa bu toprağa, çimen yerine ondan çok daha büyük ve güçlü köklere sahip olduğu için ekilmesi tercih edilen ağaçları ise akrilik veya vinil versatat monomerlerine ben­zetebiliriz. Bu ağaçlar bağlı oldukları toprağı (vinil asetat molekülünü) uzun yıllar boyunca sudan ve erozyondan koruyacaktır.

Kaynaklar

Organik Kimya Ar-Ge Merkezi Tekrar Dispers Olabilen Toz Polimerlerin Sıvılarının Sentezlenmesi Projesi Aplikasyon Çalışmaları, 2011, Erşen N.Başak, Şen Ö.Faruk.