Özet
Bu çalışmada, özellikle ülkemizde bol miktarda bulunan bor kimyasallarından biri olan bor oksit özelliklerinden faydalanılarak gelişmiş özelliklere sahip boyaların elde edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla hazırlanan bor oksit katkılı solvent bazlı boya, farklı metal plakalara uygulanarak yüzey özellikleri incelenmiştir.
Boyaların alev geciktirici özelliğini tespit etmek amacıyla TG/DTA (Termogravimetrik/Diferansiyel Termal Analiz) analizi gerçekleştirilmiştir.
Bor oksit içeren ve farklı katkılardan oluşan boyanın, sağladığı alev geciktirici ve korozyon önleyici özelliğiyle çeşitli metal sektörlerinde kullanım alanı bulacağı öngörülmektedir. Anahtar Kelimeler: bor oksit, boya, korozyon, mineral
Giriş
Gelişen teknoloji ile birlikte son yıllarda otomotiv, gemi inşaatı, uçak sanayi gibi metal endüstrilerinde; kendi kendini temizleyebilen, yüksek darbe dayanımlı, alev geciktirme ve korozyona dayanıklılık gibi özellikleri sağlayabilen boyaların kullanımına olan talep hızla artmaktadır.
Boya bir yüzeye uygulandığında sadece dekoratif değil, aynı zamanda koruyucu da bir tabaka oluşturur. Bu nedenle boya ile kaplanabilecek yüzeylerde sahip olunması istenilen özellikler boya özellikleri geliştirilerek de sağlanabilmektedir.
Yüzeyi korunmamış metaller; hava, su, ışık, karbondioksit gibi etmenlerin etkisiyle yavaş veya hızlı bir şekilde oksitlerine dönüşür. Metalleri oksitlerinden ayırmak zorlu bir süreçtir ve büyük miktarlarda enerji, hammadde ve iş gücü kaybına sebep olmaktadır.
Bu nedenlerden ötürü malzemeleri korozyona karşı korumak, kullanım ömrünü uzatmak ve enerji kaybına engel olmak açısından oldukça önemlidir. Süresiz etkili antikorozif bir sistemin varlığı mevcut olmamasına rağmen, iyi seçilmiş bir boya veya kaplama metoduyla korozyon etkilerinin büyük ölçüde önlenebileceği bilinmektedir.
Alıcılar vd. (2015) tarafından yapılan çalışmada, su bazlı stiren akrilik boyaya; sodyum tetraborat, kalsiyum ve potasyum metaborat, susuz ve sulu çinko borat gibi bor bileşikleri ilave edilmiştir.
Katkılı boyaların boyama özellikleri, duman bastırma, alev geciktirme ve iki bakteriye karşı (E.coli ve S.aureus) antibakteriyel etkinlikleri belirlenmiştir. Boratlarla kıyaslamak amacıyla amonyum polifosfat katkısıyla deneyler tekrarlanmıştır.
Yapılan deneyler ve analizler sonucunda, sodyum tetraboratın duman bastırıcı ve alev geciktirici olarak boyalarda kullanılabileceği, çinko boratın ise alev geciktirici özelliğinin yanısıra S.aureus bakterisine karşı etkin bir reaktif olabileceği gözlemlenmiştir.
Sodyum tetraborat ilavesiyle boya viskozitesinde meydana gelen azalmanın kalınlaştırıcı kullanılarak giderilebileceği öne sürülmüştür. Çinko borat ve sodyum tetra borat katkılarının sağladıkları avantajların yanısıra, boyanın viskozite, parlaklık, renk şiddeti gibi diğer özelliklerini de olumsuz etkilemedikleri gözlemlenmiştir.
Diğer borlu bileşikler (kalsiyum ve potasyum metaborat) duman bastırma ve alev geciktirme özelliklerine kısmen sahip olmalarına rağmen kullanılan bakterilere direnç gösterememişlerdir [1].
Adamsons (2000) yapmış olduğu bir derlemede otomotiv kaplama sistemlerinin profillerini ve kimyasal yüzey karakterizasyonunu detaylı olarak araştırmıştır.
Çeşitli sistem bileşenleri (örneğin, clearcoat, taban kaplama veya plastik alt tabaka ile yapışma arttırıcı), yeterli ömür performansına sahip sistemler oluşturmak için dayanıklı, uyumlu ve birbirleriyle entegre olmalıdır.
Bu çalışma, araştırmacılara araçların kendi karakterizasyon ihtiyaçlarını ele almaya yönelik uygulamaları hakkında fikir vermektedir [2].
El Nemr vd. (2014) tarafından yapılan bir çalışmada ise boya içeren bazik çözeltide birlikte çalışan halojenür katkıların alüminyum korozyonuna etkisi incelenmiştir. Çalışılan boyalar üzerinde kuantum kimyasal hesaplamalar yapılarak moleküler yapıları ve korozyon inhibisyonu etkinlikleri arasındaki ilişki belirlenmiştir [3].
Yapılan başka bir çalışmada, katı faz reaksiyonu ile sentezlenen magnezyum borat uygun bir bağlayıcı aracılığı ile boya içeriğine ilave edilmiştir. Magnezyum Borat, Magnezyum Oksit ve Bor Oksitin sinterleme reaksiyonları sonucunda meydana gelmiştir.
Mg2(B2O5) ve MgB4O7 formülasyonları ile boya yapısına katılan Magnezyum boratlar, çinko levhalar üzerine uygulandığında yüksek sıcaklığa dayanımı artırdığı görülmüştür. Ayrıca Limit Oksijen değeri de magnezyum boratın ilave edildiği boyaya alev ; geciktirici özellik kazandırdığı bilgisini doğrulamaktadır [4].
Giúdice ve Benitez (2001) tarafından klor içeren kaplamalarda çinko boratın alev geciktirici etkisi incelenmiştir. Yapılan çalışmada, kaplamalarda antimon trioksit yerine çinkoborat kullanılmıştır. 2ZnO.3B2O3.3,5H2O (2:3:3,5) çinko boratı TGA’da yüksek termal kararlılık göstermiştir.
Yaklaşık %85,5 kütle fraksiyonu ile en yüksek kütle kaybını 800oC’ de sergilemiştir. Limit oksijen indeksi ile bağlantılı olarak malzemelerin alev geciktirici özellik gösterdiği doğrulanmıştır.
Sonuç olarak, yüksek sıcaklıklarda serbest bırakılan hidrat su molekülü sayısı, büyük bir miktar ısıyı absorbe edebildiğinden, bu ısı alev direncini yükseltmişve ısı artmasını geciktirmiştir [5].
Garba (1998) tarafından yapılan çalışmada farklı bir alanda bazı tropikal odunlar üzerinde alev geciktirici formülasyon olarak çinko borat etkisi incelenmiştir. Çinko borat aşılanan tropikal odunlarda aşılama etkisinin sonuçları incelenirken termal karakteristikler de göz önüne alınmıştır.
Bu muamele sonucunda alev yayılma hızı, parlaklık sonrası süresi ve alev sıcaklığı şiddetle azaltılmıştır. Çinko boratın, HCl ile asitleşmesinin, dehidrasyon, yoğunlaştırılmış faz ve buhar fazı mekanizmalarını içeren karmaşık bir işlemde, alev geciktirici formülasyonu olarak işlev gördüğü gözlemlenmiştir [6].
Yapılan bir diğer çalışmada, katkı olarak kullanılan çinko borat elektrik kablolarında alev geciktirici özellik sağlaması amacıyla kullanılmıştır. İlave edilen çinko borat katkılarının alev alma sıcaklıklarını 235oC’ye kadar yükseltebildiği görülmüştür [7].
Yıldız vd (2009) tarafından yapılan çalışmada poliüretanın alev geciktirici özelliğini artırmak amacıyla yeni poliüretan-çinko borat kompozitleri hazırlanmıştır.
İndüksiyon zamanı testleri ile gözlemlenen ve gerçek hava koşulları odasının testleriyle desteklenen sonuçlara göre çinko boratın polimerin oksidatif stabilitesi üzerinde çok önemli etkileri olduğu keşfedilmiş ve çinko boratla doldurulmuş poliüretanın daha iyi bir performansa sahip olduğu gözlemlenmiştir.
Önemli ölçüde alev geciktirme özelliği sağladığı kanıtlanan çinkoborat katkılı ürünü karakterize etmek için mekanik testler, termogravimetrik analiz ve taramalı elektron mikroskobu çalışmaları yapılmıştır [8].
Bu çalışmada, bor kimyasallarından biri olarak bor oksiti içeren ve farklı katkılardan oluşan boyanın, sağlamış olduğu alev geciktirici ve korozyon önleyici özelliğiyle farklı metal sektörlerinde değerlendirilebileceği görülmüştür.
Deneysel Çalışmalar
Tinerle seyreltilmiş belirlenen miktarda solvent bazlı boya içerisine kütlece % 0-6 (w/w) arasında farklı özelliklere sahip malzemeler ilave edilmiştir.
Katkı olarak, doğal mineral, flor esaslı surfaktan madde ve bor oksit solvent bazlı boyaya kütlece farklı yüzdelerde ilave edilerek, elde edilen karışımlar 1000 rpm’de 3 dakika boyunca karıştırılmıştır.
Elde edilen boyalar, 10x10 cm2’ lik özel hazırlanmış metal plakalara aplikatör yardımı ile uygulanmış ve 24 saat kurumaya bırakılmıştır. Alev geciktirici özelliği incelemek amacıyla TG/DTA analizi yapılmıştır. Antikorozif özelliği incelemek amacıyla tuzlu su sisi testi gerçekleştirilmiştir.
Sonuçlar ve Tartışma
Referans boyada, 260°C ‘ye kadar %4.7, 260-450°C arasında %19.4, 450-490°C arasında %10, 500°C’ den sonra %0.8 kütle kaybı görülmektedir.
260°C ‘ye kadar olan %4.7’lik kütle kaybının boya ile karıştırılan solventin uçmasından kaynaklı olduğu düşünülürken, esas yapısal bozunmanın büyük ölçüde kütle kaybının (%19.4) gözlemlendiği 260-450°C sıcaklık aralığında gerçekleştiği söylenebilmektedir. (Şekil 1).
Bor oksit katkılı boyada ise; 70°C ‘ye kadar %1.0, 70-150°C arasında %2.1, 150-326°C arasında %5.8, 326-410°C arasında %13.7, 410°C’ den sonra ise %11.1 kütle kaybı görülmektedir.
Hazırlanmış olan boya karışımı; referans boya ile kıyaslandığında yapısal olarak bozunma sıcaklığının daha yüksek sıcaklık değerlerinde (326°C) başladığı söylenebilmektedir. Buna göre, ilave edilen katkı maddelerinin boyaya alev geçiktirici özellik kazandırdığı ifade edilebilmektedir (Şekil 2).
Korozyon testi amacıyla, plakalar, 96 saat boyunca 0.7-1.4 bar hava basıncı ile püskürtülen %5’lik Sodyum Klorür çözeltisine maruz bırakılmış ve belirli aralıklarla boya filminin görsel olarak kontrolü yapılmıştır.
Demirden yapılmış plakaların boyanmayan kısımları korozyona uğramış, boyanın olduğu kısımların altından yüzeye korozyon çıkışı gözlemlenmemiştir.
Bu durum boya karışımlarının korozyona karşı dirençli olduğunu kanıtlar niteliktedir. Boya yüzeyinde görülen izler korozyona uğramış kısımlardan boya yüzeyine pas akmasından kaynaklanmaktadır (Şekil 3).
Sonuç
Yapılan çalışmada ilave edilen katkı maddeleri ile boyanın hem alev geciktirici özelliği iyileştirilmeye çalışılmış hem de korozyona karşı dirençli boyalar elde edilmiştir. Özellikleri geliştirilmiş boya karışımlarının çeşitli metal sektörlerinde kullanım alanı bulabileceği görülmüştür.
Bu çalışmanın boya alanında yapılacak çalışmalara gerek boya özelliklerinin iyileştirilmesi gerekse kullanılacağı sektöre göre değerlendirilmesi anlamında ışık tutacağı düşünülmektedir.
Yrd.Doç.Dr. Nil Acaralı / Kimya-Metalürji Fakültesi / Kimya Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi
Gizem Toprakçı / Kimya-Metalürji Fakültesi / Kimya Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi
Kaynaklar
[1] Alıcılar, A., Ökenek, F., Kayran, B. ve Tutak, M. (2015). ‘’Bor Katkılı Stiren Akrilik Boyaların Alev Geciktirme, Duman Bastırma
ve Antibakteriyel Etkinlikleri’’ Journal of The Faculty of Engineering & Architecture of Gazi University, 30(4): 701-70.
[2] Adamsons, K. (2000). ‘’Chemical Surface Characterization and Depth Profiling of Automotive Coating Systems’’, Progress in
Polymer Science, 25(9): 1363- 1409.
[3] El Nemr, A., Moneer, A. A., Khaled, A., El Sikaily, A. ve El-Said, G. F. (2014). ‘’Modeling of Synergistic Halide Additives’ Effect
on the Corrosion of Aluminum in Basic Solution Containing Dye’’, Materials Chemistry and Physics, 144(1): 139-154.
[4] Atalay, Ö., (2012). ‘’Magnezyum Borat Sentezi ve Alev Geciktirici Pigment Olarak Kullanılabilirliği’’, Yüksek Lisans Tezi, Gazi
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
[5] Giudice, C. A. ve Benitez, J. C. (2001).’’Zinc borates as flame-retardant pigments in chlorine-containing coatings”, Progress in
organic coatings, 42(1): 82-88.
[6] Garba, B. (1999). ‘’Effect of Zinc Borate as Flame Retardant Formulation on Some Tropical Woods’’, Polymer Degradation and
Stability, 64(3):517- 522.
[7] Miroğlu, C., (2005). ‘’Yerli Kaynaklardan Çinko Borat Üretimi ve Yanmaz Kablo İmalinde Kullanımı’’, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul
Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
[8] Yıldız, B., Seydibeyoğlu, M. Ö. ve Güner, F. S. (2009). ‘’Polyurethane–Zinc Borate Composites with High Oxidative Stability and
Flame Retardancy’’. Polymer Degradation and Stability, 94(7): 1072-1075.
