Yapı Kimyasalları için Selüloz Eterlerin Endüstriyel Kullanım Alanları ve Ürün Tanıtımı

17.08.2020

Selüloz polimerleri, tekrar eden yapılar oluşturan zincir halindeki monomerlerdir. Selüloz molekülleri (C6 H10 O5)n formülüne sahip anhidroglikoz monomerlerinin birleşmesi ile oluşmuş polimerik yapılar olarak tanımlanmaktadır. Selüloz polimerleri, zincir boyu 5001000 Angstrom arasında olan 1800 derece doğrusal açı ile bağlı, oksitlenmeye karşı hassas monomerlerden oluşan, üç adet fonksiyonel (yer değiştirebilir) hidroksi (OH)- grubu içerir ve hidrojen bağı ile bağlı hidrofilik (su seven) özellik kazanmış yapılardır. Selüloz, moleküler hidroksi (OH)- grupları arasında hidrojen bağı ile bağlı ortalama 5000 glikol birimi içeren lifli kristal yapıdadır. Makrokapiler yapıyı oluşturan mikrokristal ağ yapısı, hava hücreleri arasındaki su fazının kıvamını artırmakta, hava hücrelerini süspansiyon ile tutan fiziksel bariyer görevi görmektedir. Mikrokristal selüloz ile oluşturulan jel dıştan bir kuvvet uygulandığında bozulmakta, kuvvet kaldırıldığında ise jel minimum viskozite kaybı ile yeniden oluşmaktadır. Bu özelliği sayesinde, selülozların sıvı çözeltileri tiksotropik akış özelliği gösterir. Selüloz bünyesinde bulunan her bir anhidroglikoz üç adet fonksiyonel hidroksi (OH)- grup içermektedir, fonksiyonel gruplar modifikasyona açık haldedir. Bu özelliğinden ötürü selülozun; boya, mürekkep, çimento bazlı yapı kimyasalları, alçı, vernik, deterjan,kozmetik, gıda, petrokimya ve tekstil gibi çok geniş endüstriyel kullanım alanına sahip değişik türevleri geliştirilebilmektedir. Selülozun bünyesinde bulunan fonksiyonel hidroksi (OH)- gruplarının düşük molekül ağırlığına sahip bağları, konsantre asidik (%70 H2SO4, %40 HCl) veya seyreltik bazik (%10 NaOH) çözeltiler içerisinde parçalanarak kırılır, bu şekilde fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı selüloz türevleri elde edilebilir. Endüstriyel olarak selülozun en önemli türevleri selüloz eterleri (Metil Selüloz- MC, Metil Hidroksi Etil Selüloz-MHEC, Metil Hidroksi Propil Selüloz-MHPC, Hidroksi Etil Selüloz -HEC, Karboksimetil selüloz-CMC), selüloz esterleri (Selüloz Asetat) ve nitro selülozlardır. Selüloz eterler, alkali ortamda uygun bir alkolün sülfat veya klor (mono kloro metan CH3Cl) tuzları ile reaksiyonu sonucu elde edilir. Alkali selüloz bir ara ürün olarak hazırlanır, eterleşme derecesi reaksiyon sıcaklığının yanı sıra selüloz zincirinin uzunluğu, alkalinin kimyasal özelliği ve su oranı ile belirlenir. [caption id="attachment_103540" align="aligncenter" width="484"]

Şekil 1. Selüloz molekülünün kimyasal yapısı[/caption] Eterleşme derecesi, selülozun fiziksel (su tutuculuk, viskozite, renk, tanecik boyutu, koku vb.) ve kimyasal (pH aralığı, molekül ağırlığı, solventler ile reaksiyonu vb.) özelliklerini belirleyen ana faktördür. Endüstride kullanıma sunulan modifiye selüloz eterlerin (Ör: Walocel MKX 45000 PP 10, Walocel M KX 25000 PP 25 L, Walocel MC 65, Methocel 327, Cellosize QP 30000 H, Cellosize QP 100 MH vb.) kimyasal reaksiyon ile elde edildiklerini bir kere daha özellikle vurgulamak isterim. Ticari olarak satmakta olduğumuz modifiye selülozlar fiziksel karışım (toz karışım) ile elde edilmiş ürünler olmayıp, kimyasal reaksiyon ile elde edilmiş modifiye selüloz eterlerdir. Çimento bazlı uygulamalarda selüloz eter seçiminde kimyasal reaksiyon ile elde edilen ürün tercihi, önemli bir kriterdir. Selülozlar makro kapiler yapılı su tutma özelliği yüksek ürünlerdir. Ancak yüksek sıcaklıklar (500C üstü) selüloz parçalanmasına neden olur, su emiciliğini ve şişme yeteneğini kaybeder. Selüloz eter seçiminde ve özelliklerinin belirlemede viskozite (genelde %1’lik veya %2’lik çözeltileri) ölçümü, en önemli parametrelerden bir tanesidir. Viskozite teriminin pek çok benzer tanımı olmakla birlikte genel olarak, sıvıların akmaya karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanmaktadır. Selüloz molekül zinciri teorisi esasına göre; molekül yapısı düşük zincirli selülozların viskozitesi düşük, molekül yapısı uzun zincirli selülozların viskozitesi yüksek olur. Viskozitesi düşük sıvıların akışkanlığı yüksek, viskozitesi yüksek sıvıların akışkanlığı düşük olur. Sıvıların mekanik kuvvetler etkisi altında şekil bozukluğu ve akış özelliği ile ilgili bilim dalına ise Reoloji denmektedir.

Aşağıda; viskozite ile akış özellikleri arasındaki ilişki Newton modeline göre açıklanmaktadır:

Viskozite (μ): Kayma (kesme) gerilmesi/kayma (kesme) hızı Viskozite (μ): Shear stress /Shear rate μ = (Newton/m2 ) x Saniye = Pascal (N/m2 ) x Saniye = Pa.s 1 Pascal x Saniye = 10 Poise = 1000 mPa.S = 1000 centipoise (cP) Bir akışkanın akış modeli, kayma gerilmesi ve kayma hızı arasında çizilen grafiğe göre belirlenir. Buna göre akışlar Newtonian ya da Newtonian olmayan akışlar olarak gruplandırılır. Gazlar, çözeltiler ve koloidal olmayan sıvılar Newtonian akışkanlardır. Konsantrasyonu yüksek süspansiyonlar ve polimer çözeltiler gibi sıvıların çoğu Newtonian davranış göstermezler. Newtonian akışta kayma gerilmesi ve kayma hızı birbirleriyle doğru orantılıdır. Orantı sabiti viskozite değerini verir ve kayma şekil değiştirmesi hızı ile değişmez. Bu tür malzemelerin akış davranışını tanımlamak için sadece viskozite değerini bilmek yeterlidir. Endüstride değişik ölçüm metotları ile viskozite ölçümü yapılmaktadır en çok kullanılan metotlar; Haake Rotovisko, Brookfield ve Höppler viskozimetre olup, viskozite değerleri birbirinden farklı sonuç vermektedir. [caption id="attachment_103556" align="aligncenter" width="385"]

Şekil 2. Newtonian ve Newtonian olmayan akış davranışları[/caption] Su, süt, şeker çözeltisi ve mineral yağ gibi Newtonian akışkanların viskozitesi sadece sıcaklığa bağlıdır, kayma hızı ve zamana bağlı değildir. Non-Newtonian bir akışkanın viskozitesi kayma hızı ve zamana bağlıdır. Non-Newtonian bir akışkanın viskozitesi sıcaklık ve kayma hızı yanında zamana da bağlı ise bu akışkana “Zaman Bağımlı Non-Newtonian Akışkan” denir. Viskozitenin zamanla nasıl değiştiğine bağlı olarak akış davranışı tiksotropik veya reopektik olarak karakterize edilir. Tiksotropi ayrı bir akış tipi değil mevcut akış tiplerinin zamana bağlı yapısal değişimi olarak kabul edilir ve bu durum dispers sistemlerde sıkça meydana gelen bir olaydır. Tiksotropide gerilim ile viskozitenin geri dönüşümlü olarak azaldığı görülür. Gerilim kaldırıldığında yapı tekrar eski haline döner. Viskozitenin kayma hızı ile nasıl değiştiğine bağlı olarak akış davranışı “shear thinning veya shear thickening” olarak adlandırılır. Shear thinning akışkanlarda kayma hızının artması ile viskozite azalırken, shear thickening akışkanlarda kayma hızının artması ile viskozite artar. Shear thinning akışkanlara (boya, şampuan, meyve suyu konsantresi, ketçap) pseudoplastik, shear thickening akışkanlara (kil, şeker çözeltileri, mısır nişastası-su karışımı, su-kum karışımı, derişik nişasta süspansiyonları) ise “Dilatant Akışkanlar” da denir. Pseudoplastik akışkanlar, düşük gerilmeler altında plastik, yüksek gerilme kuvvetleri altında ise viskoz davranış gösterirler. Açıklanan farklı reolojik davranışların birkaçı birden tek bir maddede farklı gerilme derecelerinde ve farklı karıştırma sürelerinde görülebilir. Su bazlı dekoratif boya, çimento bazlı yapı kimyasalı ve alçı uygulamaları için reolojik ajan olarak kullanılan selüloz eterler, ürünün viskozite, akış özelliği, uygulama zamanı ve kolaylığı gibi parametrelerini düzenleyen önemli girdilerden biridir. Kimsel Kimya olarak, onlarca yıllık tecrübe ile yapı malzemeleri için çok geniş uygulama aralığında, ayrıcalıklı selüloz eter esaslı ürün portföyü sunmaktayız. Bu ürün gamı, aşağıdaki belirtilen özelliklere sahip Walocel ve Methocel selüloz eterleri gibi iyi bilinen markaları içermektedir: •Sıcaklık ile değişmeyen yüksek su tutma kabiliyeti (Open Time), • Kolay işlenebilirlik için seçici kıvam ayarlaması (Workability), • Sarkma direnci ve iyi işlenebilirlik için reolojinin hassas kontrolü (Slip Resistance), •Hava boşluklarının sabitlenmesi (Stability), •Geliştirilmiş yüzeye yapışma gücü (normal şartlar altında, ısı ile yaşlandırma, donma çözünme, suda bekletme sonrası yüksek yapışma mukavemeti). Potansiyel uygulamalar; fayans, seramik yapıştırıcıları ve derz dolgularından, dolgu maddeleri, yüzey düzenleyicilere, dış cephe ısı yalıtım sistemleri için sıva ve yapıştırıcılardan alçı ve çimento esaslı sıvalara kadar çeşitlilik göstermektedir.

Walocel MKX 70000 PP 01: Çimento bazlı fayans ve seramik yapıştırıcıları, Walocel MC 65: Çimento bazlı fayans ve seramik yapıştırıcıları, Walocel MKX 45000 PP 10: Çimento bazlı yapıştırıcı ve sıvalar, Walocel MKX 25000 PP 25 L: Çimento bazlı ısı yalıtım sıva ve yapıştırıcıları, Methocel 327: Çimento bazlı ısı yalıtım sıva ve yapıştırıcıları, Walocel MKX 15000 PP 20: Çimento bazlı grout ve tamir harcı, Walocel MKX 6000 PF 01: Çimento bazlı derz dolgu,