Deney Tasarımı ile Etkili Köpük Kesici ve Hava Atıcıların Dizaynı

16.03.2022

Günlük yaşantımızda, içecekler (kahve, gazlı içecekler, vb.), sabunlar, izolasyon malzemeleri (poliüretan köpük) gibi köpüklü bir malzemeyle karşılaşma olasılığımız çok yüksektir. Bu saydığımız malzemeler için köpük istenen bir özelliktir. Özellikle köpüklü bir Türk kahvesi vazgeçilmezdir ve günlük yaşantımızda yer etmişlerdir. Boya üreticileri ve uygulayıcıları için bu durum tam tersidir. Kaliteli ve pürüzsüz bir görünüme sahip boya elde edilmesi ve bunun uygulanması esnasında köpük kontrolünün sağlanması zorunlu bir görevdir. Bu nedenle, boya ve kaplamalarda köpük oluşumunu engellemek ve gidermek için yüksek performanslı köpük kesici veya hava atıcı katkıların kullanımı gereklidir. Köpük kesici ve hava atıcılar; boyaların üretimi, uygulanması ve taşınması sırasında köpük oluşumunu engelleyerek boyaların performansının istenilen düzeyde kalmasını sağlar. Özellikle, dispersiyon prosesleri, sıvıların pompalanması, karıştırma süreçleri gibi endüstriyel uygulamalarda ve boyaların uygulanması esnasında köpük oluşumu kesinlikle istenmeyen bir durumdur. Oluşan bu köpükler; üretim proseslerinin gereğinden fazla uzamasına (örneğin dispersiyon süresi), ambalajların dolumu sırasında etkili ve verimli bir dolum yapılamamasına, yüksek karıştırma hızları gerektiren operasyonlarda etkinliğin kaybolmasına, uygulaması yapılmış boyanın yüzeylerinde kabarcıklanma, krater, balık gözü, “iğne deliği* ” denilen çeşitli boya kusurlarına yol açmaktadır. Köpük, en basit deyişle, sıvı içerisinde dağılmış gaz kabarcıklarıdır (hava, karbondioksit gazı vb.). Su gibi saf sıvılarda oluşan köpük termodinamik olarak stabil değildir; sıvı içerisinde hızla oluşan köpükler, yine hızlı bir şekilde sıvı yüzeyine çıkar ve patlayarak yok olurlar [Şekil 1(a)]. Fakat, herkesin daha önce deneyimlediği gibi su ile sabun karıştırıldığında, sabunun köpüğü stabil hale getirmesiyle muazzam bir kalıcı köpük oluşur. Aynı şekilde, su bazlı boyalarda, mürekkeplerde ve yapıştırıcı formülasyonlarında bulunan ıslatma ajanları ve emülgatörler de sabun gibi birer yüzey aktif maddedir ve oluşan köpüğün stabil kalmasına sebep olurlar. Yüzey aktif maddeler, sıvı içerisinde oluşan havanın etrafını sararak diğer hava kabarcıkları ile birleşmesini engeller ve bu durum hava kabarcıklarının yüzeye ulaşma hızını yavaşlatarak mikro köpükleri** stabil hale getirir. Yüzeye ulaşmayı başarmış hava kabarcıkları ise makro köpükleri oluşturur [Şekil 1 (b)]. [caption id="attachment_136387" align="aligncenter" width="696"]

Şekil 1. Saf sudaki köpük davranışının şematik gösterimi (a), makro ve mikro köpük gösterimi (b)[/caption] Köpük kesici ve hava atıcılar etkili oldukları köpük tipine göre işlev gördükleri için birbirinden farklı ürünler olarak nitelendirilebilir. Köpük kesiciler daha çok sıvı yüzeyinde (sıvı-hava arayüzeyi) oluşan stabil köpüklerin (makro köpük) üzerinde etkili olurken, hava atıcılar sıvı içerisinde hapsolmuş küçük hava kabarcıklarının (mikro köpük) giderilmesinde etkin bir rol oynarlar. Mikro köpükler çok küçük tanecikler olduğu için görsel olarak fark edilmeleri her zaman mümkün olmayabilir. Ancak, boya formülasyonunun yoğunluğunun beklenenden düşük çıkması gibi yöntemler ile fark edilebilirler. Hava aldırma mekanizması, küçük mikro köpüklerin bir araya getirilerek boyadan daha hızlı bir şekilde uzaklaşabilen daha büyük köpükler haline getirilmesi prensibi ile çalışır. Mikro köpükler oluştuğu andan itibaren sıvı içerisinde yükselerek yüzeye ulaşmaya çalışırlar. Stoke Yasası’na*** göre; köpüğün yükselme hızı, köpük çapına ve sıvı viskozitesine bağlıdır. Sıvının viskozitesi ne kadar düşük olursa yüzeye doğru o kadar hızlı yükselirler. Stoke Yasası uyarınca köpüğün yükselme hızı yarıçapının karesi ile doğru orantılıdır. Dolayısı ile, köpük çapı yükselme hızı üzerinde sıvı viskozitesine oranla daha etkilidir. Hava aldırıcı ajanlar, mikro köpüklerin birleşerek çaplarını büyütmelerine ve daha hızlı bir şekilde yüzeye çıkmasını sağlarlar. Bunu yaparken, mikro köpüklerin etrafını saran yüzey aktif maddelerin stabilizasyonunu bozar ve köpük içerisindeki havanın boya içerisine difüzlenmesini sağlarlar. Böylece mikro köpükler birleşerek daha büyük çaplı köpüklere dönüşür ve daha hızlı bir şekilde yüzeye çıkarlar (Hava aldırma) (Şekil 2). [caption id="attachment_136389" align="aligncenter" width="696"]

Şekil 2. Hava aldırma mekanizması[/caption] Etkili bir hava atıcı tasarımı, birçok değişkene ve prosese bağlıdır. Hava atıcının sistem ile uyumluluğu, hava atma etkinliği, maliyeti, özellikle şeffaf kaplamalarda pusluluk yapmaması gibi değişkenlerin göz önüne alınarak ince ve titiz bir çalışma yapılması gerekir. 6 Sigma**** metadolojisi yüzlerce deneme ile elde edilecek sonuçların, etkin bir deney tasarımı ile çok daha az deneme yapılarak elde edilmesini ve zaman yönetiminin en iyi şekilde değerlendirilmesini sağlar. Deney Tasarımı (DOE); proje takımının, olası tüm proses girdilerinin son ürün üzerinde olan etkilerini anlamasına yarayan kullanışlı bir 6 Sigma aracıdır. Denge Kimya, yer aldığı tüm projelerde 6 Sigma felsefesini benimseyen ve ön planda tutan bir firmadır. Denge Kimya’da bu felsefe ile gerçekleştirilen yeni bir çalışma; şeffaf kaplamalar için geliştirilen etkili hava atıcıların üretilmesi projesidir. Şeffaf kaplamalarda, en iyi performans veren hava atıcının elde edilme süreci etkin bir deney tasarımının oluşturulması (Tablo 1) ile başlatılmıştır. İki komponentli (2K) şeffaf kaplamalarda, genelde yüksek bir viskozite gözlenir. Mekanik yollarla (karıştırma) sistem içine sürüklenen hava kabarcıkları (mikro köpükler) yüzeye ulaşmak için viskozite ile savaş halindedir. Viskozitenin yüksek oluşu, oluşan mikro köpüklerin yükselme hızını son derece yavaşlatır. Bu sistemlerde kürlenme hızlı olduğu için mikro köpükler yüzeye ulaşmak için yeterli zamanı bulamaz ve sistem içerisinde hapsolur. Bu sorunu aşmada hava atıcılar devreye girer. Hava atıcılar, mikro köpüklerin kürlenme gerçekleşmeden yüzeye ulaşmasını ve yüzeyde patlayarak yok olmasını sağlar. Kullanılan hava atıcıların, reçine sistemi içerisinde hızlıca havayı atmasının yanı sıra pusluluk oluşturmaması beklenir.

Tablo 1’de belirtilen deney tasarımından elde edilen ürünler, aşağıda belirtilen yönteme göre test edilmiştir: Öncelikle, yüksek viskoziteli (11000-14000 mPas) solventsiz epoksi reçinenin A ve B komponent karışımına %0,5 hava atıcı ilave edilmiştir. Eklenen hava atıcılardan sonra karıştırma hızı ve süresi tüm numunelerde eşit tutulmuştur. 5 cm kalınlığında oluşturulan kaplamalar hiçbir kesme kuvveti uygulamadan tamamen dökme yöntemi ile uygulanmıştır. 1 saat sonra köpük miktarları ve bulanıklıkları görsel olarak kontrol edilmiştir. Gerçekleştirilen testlerden sonra en iyi sonucu veren çalışmanın görsel analizi rakip ürün ve kör numune (hava atıcı içermeyen) ile karşılaştırılarak Şekil 3’te verilmiştir. Görselde, hava atıcı içermeyen kör numune altındaki “Densurf” yazısı okunamazken “RD-Safe 80001-31” kodu verilen hava atıcı içeren kaplama altındaki yazının kolaylıkla okunabildiği görülebilmektedir. Rakip üründeki okunabilirlik kör numuneye göre iyi olsa da yeterli değildir. [caption id="attachment_136391" align="aligncenter" width="696"]

Şekil 3. 5 cm kalınlığındaki şeffaf kaplamaların üstten görünümü; kör numune, RD-Safe 80001-31, rakip.[/caption] Kaynaklar: 1. Béla Márton Somosvári, PhD Thesis, Foam evolution and stability at various gravity conditions, University of Miskolc, Faculty of Materials Science Department of Polymer Engineering, Miskolc, 2012. 2. Garrett, P.R. (Ed.). (1992). Defoaming: Theory and ndustrial Applications (1st ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781315140827. 3. Web: http://www.kansaialtan.com/icerik/pinhol-ve-gaz-hapsi_274 Dipnot: *“İğne deliği kusuru, yaş boya içinde oluşan gaz kabarcıklarının, filmin kuruması sürecinde filmi terk etmesi ve yükselen viskozitesi nedeniyle, kabarcıkların çıkışı sırasında oluşan yırtılma izlerinin yayılmayla kapanmaması sonucunda oluşan bir boya film kusurudur.” ** Mikro Köpük: Sıvı içerisinde hapsolmuş, genellikle yuvarlak bir görünüme sahip hava kabarcıklarıdır.Makro Köpük: Sıvı yüzeyinde bulunan, genellikle polihedral bir görünüme sahip hava kabarcıkarıdır. *** ν=r^2η (Stoke Yasası) ν:Köpük yükselme hızı r:Köpük yarıçapı η:Sıvı viskozitesi **** 6 sigma; mevcut ve elde edilebilir her türlü veriyi bilimsel yaklaşımlar kullanarak iyileştirmeleri sistematik hale getirmeyi hedefleyen proje odaklı bir çalışma metadolojisidir.