Çok karmaşık bir kimyasal karışım olan bitümlü kömür, 700°C’nin üzerindeki hava olmadan distilasyon kolonlarında ısıtıldığında daha basit bileşenlerine ayrışır. Kok kömürünü kalıntı olarak bırakarak, gaz, sulu buharı ve kömür katranı olarak çekilir.
Kömür katranı, yağ ve kömür katranı zifti vermek üzere imbiklerde ısıtılarak suyu alınır. Kömür katranının kaynağına ve uygulanan ısının miktarına bağlı olarak, farklı kömür katranı zifti elde edilir.
Performanslı boya ve kaplamalar için ana madde olarak kullanıldığında, kömür katranı yeniden işleme alınır ve korozyon hızlandırıcı maddeler yapıdan çıkarılır. Daha sonra çeşitli türlerdeki kömür katranları birbirleriyle karışım yapılır.
Kömür katranı boyaların, son derece düşük geçirgenliği, yüksek elektrolitik direnci ve suyun yıpratıcı etkilerine karşı gösterdikleri benzersiz dayanıklılık, bu ürünün olağanüstü kalitesinin sonucudur. Uygun bir biçimde hazırlanmış kömür katranı boya ve kaplamaları gibi suya dirençli, eski ya da yeni, neredeyse hiçbir malzeme yoktur.
Madeni yağlardan etkilenmezler, ancak doğrudan temas ettikleri sürece, bitkisel ve hayvansal yağlarda, greslerde ve deterjanlarda çözünebilirler. Zayıf mineral asitlere, alkalilere, tuzlara, tuzlu su çözeltilerine ve öteki etkili kimyasallara karşı direnci iyidir.
Ayrıca, kömür katranlı boyalar, öteki koruyucu boya ve kaplamalardan daha ekonomiktir. Belirli bir iş için boya seçerken bu gerçek göz ardı edilmemelidir.
Beş temel kömür katranı boyası vardır:
1. Herhangi bir dolgu kullanılmadan hazırlanan ince kömür katranı zifti solüsyonu,
2. İnert dolgularla hazırlanmış ağır kömür katranı zifti solüsyonu,
3. Tiksotropik jel yapısında olan, ancak yalnızca orta derecede doğal viskoziteli inert dolgular içeren çok ağır kömür katranı zift boya ve kaplamaları,
4. İnert dolgu maddeleri içeren ve düşük doğal viskozitedeki ağır kömür katranı emülsiyonları,
5. Sıcak uygulanmış kömür katranı kaplamaları.
İlk üç tip solüsyondur ve yaklaşık aynı kimyasal ve su direncindedirler. Bunlar, temel olarak, tek kat olarak uygulama yapılabilmelerine göre film kalınlıklarında değişiklik gösterirler. Dördüncü tip, kömür katranı emülsiyonları, sudaki kömür katranı zifti dispersiyonlarıdır ve solüsyon tiplerine oranla korozyon dirençleri daha düşüktür.
Bu, kömür katranının kendisinin bir hatası değildir, fakat uygulanan filmin daha yüksek geçirgenliğinden kaynaklanır. Su içinde dispersiyon haline getirilmiş zift parçacıkları nispeten büyüktür ve çok daha küçük çözünmüş zift parçacıkları gibi kuruduktan sonra tümüyle kaynaşmazlar.
Ancak kömür katranı emülsiyonlarının daha sonra bahsedilecek öteki çok iyi özellikleri vardır.
İnert dolgu maddeleri ile desteklenmiş ve bir astar üzerinde erimiş durumda uygulanan beşinci tip, kömür katranı zifti, ticari kömür katranı emayesi olarak adlandırılmaktadır.
Bu emayelerde, kömür katran boyalarının tüm iyi nitelikleri bulunur, fakat kaplamanın çok kalın olması ve solvent buharlaşmasına bağlı olmaması nedeniyle çok daha yüksek bir nitelik derecesindedir.
%60 ila 70 katı içeriğindeki Tip 1, litresi 7 ila 10 metrekare yayılma oranında düşük viskoziteli ince bir kömür katranı solüsyonudur. Her kat için yaklaşık 25 ila 50 mikronluk bir kalınlık verir. Bu kalınlık arttırılamaz çünkü ince solüsyon sarkma olmaksızın daha düşük bir hızda uygulanamaz.
Tip 2 daha ağır bir kat elde etmek için tasarlanmıştır. Daha yüksek katı içeriğine ek olarak, sarkma olmadan litrede 3-4 metrekare uygulanabilen dolgulu bir kömür katranı solüsyonu kullanılmalıdır. Bu, yaklaşık 150 mikronluk bir kuru film kalınlığı verir.
Daha ağır kaplamaları fırça ile uygulamak için, sarkma olmadan litrede 2 metrekare gibi düşük oranlarda uygulanabilen bir jel seçilmelidir. Bu, tek kat olarak yaklaşık 400 mikron kuru film kalınlığı verecektir.
Kömür katranı emülsiyonları, litrede 2 metre kare bir kaplama ile sarkma olmadan ve bir katta olarak yaklaşık 300 mikron kuru film kalınlığı verecektir.
Kömür katranı boyaları, nemin ve havanın mekanik olarak dışarı atılmasıyla koruma sağlar. Ara vermeden sürekli bir film olarak uygulanırlarsa, neredeyse mükemmel bir koruma sağlarlar. Tek kat bir uygulamalarda yüzeyde deliklenme ve yüzey kusurlarından kaçınılma olası olmadığından, birden fazla kat uygulaması gerekecektir.
Bu boyalar yalnızca solvent buharlaşmasıyla kururlar. Kural olarak beton, ince kömür katranı solüsyonlarıyla korunabilir, ancak çelik, ciddi aşındırıcı etkilere karşı neredeyse geçirimsiz bir bariyer oluşturacak daha ağır kaplamalar gerektirir.
Bütün kömür katranlı boyalar güneşte az ya da çok timsah derisine benzer çatlamalar “alligatoring” gösterebilirler. Boya bir timsah derisi gibi gözüktüğü için bu ad verilmiştir. Bu durum bir yüzey hatasıdır. Bu durum, güneş ışınları tarafından ısı etkisiyle filmin üst tabakasının sertleşmesiyle ortaya çıkar.
Bu, üst tabakanın henüz yumuşak durumda olan alt tabaka üzerinde büzülmesine, çatlamasına ve kaymasına neden olur. Yeterli kat uygulanmıyorsa, bu alligatoring yapı atmosferik korozyona yol açabilecek biçimde metal yüzeyinden aşağı doğru gidebilir.
Alligatoring oluşumu, boyanın güneş ışınlarından korunduğu su altında gerçekleşmez (ya da sadece sınırlı bir derecede olabilir). Kömür katranı emülsiyonlarında zift parçacıkları solüsyon tiplerinde olduğu gibi sıkıca kaynaşmadıkları için bu alligatoring olayı olmaz.
Bu nedenle, kömür katranı emülsiyonları, ağır kömür katranı boyalarındaki kötü bir biçimde alligatoring oluşmuş olan boyaların üzerine son kat kaplamalar olarak kullanılabilir. Bu emülsiyonların daldırma uygulamalarında daha az koruma kapasitesinde olduğu ve bu kullanım için önerilmediği unutulmamalıdır.
Daldırma işleminden önce güneşte ve havada geçici olarak kalacak olan ağır kömür katranı boyaların alligatoring oluşumunu önlemek için birçok popüler yöntem vardır. Bunlarda biri de en eski bir yöntem olan kireç badana kullanılmasıdır.
Daha güncel bir çözüm olarak, kömür katranı boyanın yüzeyine uygulanan akrilik bir lateks boya ya da benzer bir emülsiyon boya kullanılabilir. Bununla birlikte, bu boya filminin kömür katranı boyadaki yağlarla renk değiştirmesinin, başarısızlık nedeni olarak kabuledilmemelidir.
Kömür katran ziftlerinde kullanılan solventler ağır kokulu olmalarından dolayı uygulama ve kuruma sırasında yeterli havalandırma gereklidir.
Suyun bir tiner olarak kullanıldığı kömür katranı emülsiyonları bu bakımdan üstündür ve uygun havalandırmanın mümkün olmadığı durumlarda kullanılmalıdır. Kömür katranı boyaları, baraj ve taşkın kontrol tesislerinde, baraj kapaklarında, iskelelerde, deniz işleri gibi alanlarda düşük maliyetle mükemmel koruma sağlar.
Tip 5 boyaları olan kömür katranı emayeler, sargıyla desteklenmiş olsun ya da olmasın çelik boru hatlarının dış koruması için yaygın olarak kullanılmaktadır. Makinayla ya da el ile sürülerek uygulanırlar. Çelik ya da beton boruların iç astarı için ise, kömür katranı emayeler santrifüj döndürme ile uygulanır.
Bu işlem son derece pürüzsüz bir yüzey sağlar ve boru yüzeyi ile akışkan sıvı arasındaki sürtünmeyi azaltır. Kömür katranı emaye boyalar, aşırı yüksek ve aşırı düşük sıcaklıklar ya da toprak gerilimlerdeki değişimler gibi servis koşullarına bağlı olarak farklı tiplerde üretilirler.
Bu gerilimler, yeraltı boru hatlarının döşenmesinde karşılaşılan belirli toprak türlerinden kaynaklanmaktadır. Modifikasyonlar temel olarak, farklı derecelerde plastifiyan ve kömür katranı emayeye verilen dolgu maddesinin miktarını içerir.
Çok sayıda öteki yüzeyleri kömür katranı emaye ile korumak mümkündür, ancak genellikle uygulamada daha kolay olduğu için, soğuk uygulamalı ağır kömür katran kaplamaları tercih edilmektedir, çünkü kömür katranı emayelerinden daha iyi bir sıcaklık değişimleri gösterebilir, özel olarak eğitilmiş bir çalışma ekibi gerektirmez ve daha az toplam bir maliyet oluşturur.
Kömür Katranlı (Coal-Tar) Epoksiler
Kömür katranı bazlı boya ve kaplamalar geleneksel olarak korozif etkilete karşı koruyucu bir bariyer olarak olağanüstü performans göstermiştir. Bu malzemeler çok düşük maliyetlidir ve su ve sulu koroziflere karşı dayanıklıdır.
Koruyucu boyalar açısından modifiye edilmemiş kömür katranları ile ilişkili olan tek olumsuz noktaları, bunların solvent direncinden yoksun olmaları ve boyanın yüksek sıcaklık koşullarında yumuşama ve akmaya eğilimli olmalarıdır.
Bu olumsuzlukların her ikisinin de, sıvı epoksi rezinlerin kömür katranı ile karıştırılması ve karışımın tipik amin sertleştirici ajanlarla sertleştirilmesi ile üstesinden gelinir.
Kömür katranlı epoksileri, yaklaşık %60 kömür katranı, düşük maliyetli ve hidroklorik asit, sodyum hidroksit, tuzlu su dahil olmak üzere çok çeşitli sulu koroziflere ve sert ham petrole karşı dirençlidir.
Ek olarak, bu kompozisyonlar 196°C’ye kadar sarkmaya karşı dirençlidir ve modifiye edilmemiş kömür katranından daha az kırılgan ve darbeye karşı daha dirençlidirler. Tipik bir formülasyon aşağıda verilmiştir:
Üretim Yöntemi
Kömür katranı zifti, 49°C’ye ısıtılır. Epoksi rezin, ksilen ve segonder bütil alkol ile inceltilir ve kömür katranı ziftine verilir. Karışım homojen olana kadar karıştırılır. Epoksi / zift solüsyonunun katı maddesi ayarlanır ve magnezyum silikat ve kolloidal silikanın kuru bir karışımı güçlü bir karıştırma işlemi ile solüsyon içinde disperse edilir.
Sertleştirici bileşenini hazırlamak için, dietilen triamin, segonder bütil alkol ile karıştırılır ve ayrı olarak ambalajlanır. Pistole uygulaması için, karışım formülasyon, yaklaşık %10 gibi düşük oranlarda ksilen ya da tolüen ile inceltilebilir.
Kömür katranlı epoksileri, gemi altı karina boyalarında ve oldukça yüksek korozif ortamlarda kullanılmak üzere tasarlanmış tanklarda ve öteki ekipmanlarda kullanılır. Bunlar ayrıca yeraltı depolama tankları, boru hatları ve kazıklar gibi metalik yapıların korozyona karşı korumasında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Öteki uygulama alanları arasında toprak üzerindeki çelik duvarlar, asitli beton tanklarda ve kanalizasyon tankları bulunur.
Kömür Katranlı (Coal Tar) Epoksi Boya Standardı
Kapsam: Bu spesifikasyon, yapısal çelik ya da beton yüzeylerde kullanım için uygun olan kömür katranı içeren epoksi poliamid boyayı kapsar. Bu şartname, Çelik Yapıların Boyama Konseyi’nce hazırlanmış Boya Spesifikasyonu No.16, Tip 1, Sınıf II’nin gereklerini karşılar.
Kompozisyon:
Boya, katran, dolgu maddesi ve katalizörle bir bileşen ayrıca reçineyi içeren bir başka bileşenle birlikte iki-bileşenli bir sistem olacaktır.
Belirtilen malzemelerle hazırlanan bu boyanın her bir bileşeni, homojen, grit ve kalın partiküllerden arınmış depolamada kararlı olacaktır. Bileşenleri maddeler aşağıdaki türde ve oranlarını içerecektir:
Üretim İşlemi
Talk ve kalınlaştırıcı toz katkı, önemli ölçüde kesme değerlerini geliştirme yeteneğinde olan bir ezme ekipmanı aracılığıyla komponent A içinde disperse edilir. Kalınlaştırıcı eşit miktardaki talkla birlikte karıştırılır ve daha sonra alkol içinde karıştırılarak ıslatılır.
Oluşan karışım komponent A içine verilir ve iyice karıştırılır. Komponent A’nın viskozitesi, talk ve kalınlaştırıcının dispersiyon derecesinden önemli ölçüde etkilenir. Girdiler aşağıda belirtilen özellikleri taşımalıdır.
Coal Tar Pitch
Kömür katranı zifti, 700˚C’nin üstündeki bir sıcaklıkta çalışan slot fırınlarda kömür yıkım destilasyonu sırasında elde edilen bir ürün olan, ham kok fırını katranının yüksek sıcaklıkta damıtılmasıyla elde edilen bir üründür. Kömür katranı zifti aşağıdaki özelliklerde olacaktır:
Kalınlaştırıcı:
Kalınlaştırıcı ya da tiksotropi sağlayan katkı, magnezyum montorillonit ya da hidrojene hint yağının organik bir türevi olmalıdır. En çok %3 su içeren ve 1.75 ± 0.2 gr/cm3 kütle yoğunluğunda krem renkli beyaz toz olmalıdır.
Aktivator:Eğer kullanılacaksa metanol, etanol, ya da propilen karbonat olmalıdır.
Katalist: Hızlandırıcı katalist 2, 4, 6 - tri (dimetilamino metil) fenol olmalıdır.
Epoksi Rezin: Epoksi rezin, bisfenol A ile epokslorohidrinin kondensasyon ürünü terminal epoksit grubu bulunan bir di-epoksit olacaktır. Açık renkli, bulanık olmayan, kristal ve partikül madde içermeyen aşağıdaki özelliklerde olmalıdır:
Poliamid Rezin: Poliamid rezin, dimerize bir yağ asidinin poliamidler içindeki bir kondensasyon ürünü olmalıdır. Saydam olmalı bulanık olmamalıdır. Aşağıdaki özelliklerde olmalıdır.
Magnezyum Silikat (talk): Magnezyum silikat ASTM Standardı D 605 “Magnezyum Silikat Pigment (Talk)” ile uyumlu olacaktır.
Koyu kırmızı renkli bir boya belirtildiğinde, koyu kırmızı bir boya %50 ya da daha fazla (hacimce) magnezyum silikatın yerini ASTM Standardı D 3721’e uygun sentetik kırmızı demir ile değiştirilecektir.
Kırmızı boya tüm siyah boya için öngörülen test koşulları, uçucu olmayan içeriğin dışında Bileşen A, demir oksit pigmentinin daha yüksek özgül ağırlığını yansıtan bir miktar olmalıdır.
M. Namık Kayaalp
Kimya Mühendisi
Ecelak Boya Kimya Ltd. Şti.
Kaynakça
1. National Engineering Handbook, Chapter 3, Part 642, National Standard Material Specifications, November 2005.
2. R.A. Allen, Epoxy Resins in Coatings, Federation of Societies for Paint Technology, Philadelphia, Pennsylvania, 1972.
3. Henry R. Stoner, Coal tar mastıcs and epoxies, Liberty Bell Corrosıon Course, Philadelphia, PA, 1977.
4. Stephen H. Alexander, Asphalt and asphalt coatings, in Film Forming Compositions, Volume 1, Part 1 (Raymond R. Myers
and J. S. Long, eds.). New York: Marcel Dekker.
5. Coatings Technology Handbook Second Edition Revised and Expanded edited by D. Satas & Associates Warwick, Rhode Island.
