Evonik, hali hazırda ürün portföyünde anti-fouling (zehirli) boyalar için etkin çözümlere sahiptir.
Bununla birlikte grup araştırmacıları, şu an, gemi gövdelerinin biyolojik kirlilik (biofouling) karşısında etkili şekilde korunması adına daha az biyosit kullanılan ve hatta biyosit kullanımını tamamen kaldıran boya ve kaplamalar için yeni hammaddeler üzerine çalışıyor.
Deniz yolu taşımacılığı, kargo taşımacılığı için ilk tercihtir. Dünyanın dört bir yanında taşınan tüm malların neredeyse yüzde 90’lık kısmı, dünya okyanuslarında seferlerini sürdüren 50.000’den fazla gemide taşınıyor. Küresel ticaret filolarının devamlılığı, büyük oranda gemilerin dış gövdelerine bağlıdır.
Gövdenin suyun altında kalan kısmında bitki ve deniz canlılarının çoğalmasından kaynaklanan biyolojik kirlilik (biofouling) ise özel ve belirli bir sorundur. Okyanustaki proteinler, karbonhidratlar ve diğer mikro besinler, geminin gövdesinin denizle temas etmesinden yalnızca saniyeler sonra gövdeye tutunuyorlar.
Tüm bu besinler, daha sonra gövdeye tutunup, kabuğuna çekilecek olan deniz organizmalarını cezbediyor.
Tüm bunların gövdede oluşturduğu biyofilmler, yüzlerce türün birbiriyle olumlu ya da olumsuz şekilde temas ettiği son derece karmaşık habitatlardır. Bu habitatlar, gemilerin dünya okyanuslarındaki seyrini aksatmakta ve engellemektedir (Şekil 1).
Şekil 1: Biyofilmlerin oluşma biçimi - Mikroorganizmalar, geminin su ile temasından yalnızca saniyeler sonra gövdeye yerleşir. Bunlar diğer organizmalar için besin görevi görür ve bir biyofilm oluşur.
Gövde yüzeyinin biofouling nedeniyle önemli derecede pürüzlenmesi, seyir esnasında sürtünme direncinde çok ciddi bir artışa neden oluyor. Bu durum ise geminin aynı seyir hızını sürdürebilmek için daha fazla enerjiye ve yakıta ihtiyaç duyması ve CO2 emisyonunun artmasından oluşan bir kısır döngü ile sonuçlanıyor.
Güncel çalışmalar, hafif kireçlenmelerin bile yakıt tüketimini %30’a kadar arttırdığını gösteriyor. Ek olarak, gemilerin manevra kabiliyeti azalıyor ve korozyon riski artıyor. Dolayısıyla, gemilerin temizlenme ve tamirler için kuru havuzda daha sık kalması gerekiyor.
Sıklıkla tekrarlanan bakım döngüleri ve artan yakıt tüketimi, nakliye şirketleri için daha fazla maliyetle sonuçlanıyor. Tüm bunların yanı sıra dünya iklimi de bu durumdan etkileniyor: İnce bir biyofilm bile, her yıl 270 milyon m3 tonun üzerinde bir CO2 emisyonuna neden oluyor.
Dolayısıyla, gemi gövdelerini biyolojik kirlilik (biofouling) etkisinden koruyan boyalara yüksek bir talep söz konusudur. Bu zehirli (antifouling) boyalar, deniz organizmalarının yerleşmesini önleyerek biyolojik kirliliğin (biofouling) olumsuz etkilerini ortadan kaldırıyor. Ancak, doğru kaplamayı aramak ve bulmak, meydan okuyucu ve zorlayıcı bir durumdur.
Gemiler gövdesini korumanın şimdiye dek bilinen en etkili yöntemi, biyosit içeren zehirli boyalardır. Bu boyaların çalışma mekanizması, aktif zehirli maddelerin, boyanın yapısından çözülerek gemi gövdesinin yüzeyine ulaştığı bir özütleme işlemine dayanıyor.
Bu zehirli maddeler, gemi çevresinde bir çeşit biyosit bulutu oluşturarak mikroorganizmalar gövdeye yerleşmeden önce onlara hasar veriyor. Biyositler arasında en bilineni, kalayın organometalik bir bileşiği olan tributiltin hidriddir (TBT). Ancak bu uygulama bir sorun oluşturuyor:
Araştırmalar, biyositlerin zehirliliğinin yalnızca gövde yüzeyindeki organizmalarla sınırlı kalmadığını, aynı zamanda denizdeki diğer canlı türlerini de etkilediğini gösteriyor. Örnek vermek gerekir ise düşük konsantrasyonlu bir TBT bile Pasifik kayaları istiridyelerinde kabuk büyümesini engelliyor.
TBT, salyangozlarda ve diğer türlerde de, dişi deniz canlılarının erkek üreme organı ve erkek deniz canlılarının da dişi üreme organı geliştirdiği bir durum olan imposeksi artırıyor ve dolayısıyla üreme artık mümkün olmadığından türler yok olma tehlikesine giriyor.
Bu nedenle, deniz organizmalarını korumak için TBT bazlı su altı boyalarının kullanımı dünya çapında yasaklandı. Ayrıca, zehirli kalay, arsenik ya da cıva bileşikleri bazlı hiçbir biyosit de artık kullanılamayacak.
Bu durum ise eşit derecede etkili ancak aynı zamanda çevre dostu olan diğer kaplama ve boya seçeneklerine yönelik bir arayışa sebep oldu. Fakat kayda değer tüm çabalara rağmen, sorunun tamamen memnun edici bir çözümü henüz bulunamadı.
Uygun alternatiflerin yokluğundan, biyositlerin hala zehirli (antifouling) boyalar olarak kullanımı devam ediyor. Günümüzde ise TBT yerine TBT’den daha çevre dostu olarak kabul edilen ve TBT ile aynı çalışma mekanizmasına dayanan etken madde olarak bakır oksit tercih ediliyor.
Ancak bu madde de ağır bir metal oksittir. Boyadan çözülen bu bakır iyonları da yüksek konsantrasyonlarda zehirleyici olabiliyor. Dolayısıyla, daha iyi bir antifouling çözümü arayışı sürüyor.
Biyosit içermeyen kaplamalar
Evonik, işte tam bu çözüm arayışında devreye giriyor. Boya ve Kaplama Katkıları Bölümü, boya teknolojisinde çözülmeyi bekleyen sorunları çözmek için “Akıllı Yüzey Çözümleri Yeterlilik Merkezi” kurma üzerine çalışıyor.
Bu ekip, ayrıca, mevcut antifouling çözümlerine biyosit içermeyen tamamen çevre dostu bir ürün ile alternatif geliştirmeyi planlıyor. Araştırmacılar, silikonu yararlı bir şekilde kullanmaya yönelik mevcut uzmanlıklarını bu alana da aktarıyor.
Evonik’in portföyünde olan SILIKOPON® EF isimli silikon- epoksi hibrit reçine sisteminin yüksek yapışma önleyici özelliği, mikroorganizmaların yerleşmesini daha en başından zorlaştırıyor. Bu durum, hibrit sistemin pürüzsüz yüzeyi ve çok düşük yüzey gerilimi sayesinde mümkün olabiliyor.
Algler, çift kabuklular ve sülük ayaklılar gibi organizmalar, bu yüzeye yapışmakta zorlanıyor. Başlangıçta yapışmayı başarmış olsalar dahi, gemi düşük hızlarda bile hareket etmeye başladığında su akımları ile yüzeyden ayrıldıkları için pürüzsüz olan yüzey de kolaylıkla temizleniyor.
Tüm bunlara artı olarak ayrıca SILIKOPON® EF, uzun süreli korozyon hasarını önleyen yüksek mekanik ve kimyasal direnç kazandırıyor.
Araştırmacılar, bu faydaları kullanmanın yanı sıra yeni, başka bir özellik daha eklemek istiyor: Bu boyaların yeni bağlayıcısı, organizmaların gövdeyi fark etmelerini engelleyerek gövdeye hiç yapışmamalarını sağlamalı.
Bu amaçla bilim insanları, hidrofilik ve hidrofobik alanların yer değiştiği, amfifilik polimerler olarak bilinen bir maddeyi üretmek üzere hidrofobik silikon ile hidrofilik polimeri birleştiriyor (Şekil 2). Hidrofilik alanlar, polimer etrafında organizmalara karşı yüzeyi maskeleyen bir su filmi oluşturuyor.
Organizmalar ise bu durumda kafa karışıklığı yaşayarak yüzeyi belirleyemiyor ve yerleşmemeyi tercih ediyor (Şekil 3). Araştırmacılar, burada bilinen bir doğa prensibinden yararlanıyor: Canlılar, üreme için her zaman en uygun habitatı ararlar.
Şekil 2: Faydaların birleştirilmesi - Bilim insanları bir sertleştirici katalizörü kullanarak
hidrofobik silikon ile hidrofilik polimeri birleştirir.
Şekil 3: Biyokirliliği önleyici koruma - Yeni sistemde hidrofobik ve hidrofilik alanlar değişir.
Organizmalar ise bu durumda kafa karışıklığı yaşayarak yüzeyi belirleyemez.
Maliyetlerin azaltılması
Araştırmacılar, bir çözüm bulma yolunda emin adımlarla ilerliyor. Yeni geliştirilen bu boyanın ham maddelerinin zehirli olmadığını ve piyasada hali hazırda kullanılan bağlayıcı sistemlerine kıyasla daha etkili olduğunu yapılan testlerde gösterebildiler.
Hedef ise, müşterilerle yakın işbirliği içerisinde çalışarak bu polimerleri temel alan dayanıklı ve koruyucu boyalar geliştirmektir. Araştırmacılar, yakında gemilerin yeniden boyanma aralıklarını uzatmayı başaracakları konusunda iyimserler.
Bu sayede, nakliye şirketleri gemilerin bakım maliyetlerini azaltırken kirlenmenin (fouling) zararlarının da üstesinden gelmiş olacaklardır. Bunu başarabilmek adına, araştırmacılar, bağlayıcı madde sistemlerinin optimizasyonunu artırmak için çeşitli test yöntemleri kullanıyor.
Münster Üniversitesi ile yapılan iş birliğiyle, kaplamaların anti-fouling performansının, uygulamadan yalnızca altı hafta sonrasında tahmin edilebilmesine olanak sağlayan yeni tarama testleri geliştirildi.
Test edilen bir madde, daha ilk laboratuvar testinde istenmeyen zehirleyici özellikler gösteriyorsa reddediliyor ya da formülasyon yeniden gözden geçiriliyor. Diğer bir yandan ise, madde umut vaat ediyor ise denizde test ediliyor. Uzmanlar, her yıl Mart ve Ekim ayları arasında, birçok kaplanmış test panelini denize indiriyor.
Yüksek “büyüme baskısı” olan bu süreçte, biyokirlilik eğilimi en üst seviyesinde seyrediyor. Büyümenin gerçek koşullarda gelişme oranı daha belirgin hale geliyor. Araştırmacıların yeni formüllerin etkinliğini güvenilir şekilde değerlendirmesi ancak o zaman mümkün hale geliyor.
Evonik’in, sadece tamamen yeni bir çözüm geliştiriyor olmamasının, aynı zamanda mevcut antifouling kaplamaların da daha da ilerletilmesi üzerinde çalışmasının nedeni de budur.
Boya ve Kaplama Katkıları Bölümü araştırmacıları, antifouling boyaların etkinliğini ve kullanım ömrünü önemli derecede iyileştiren, hidrofilik yapıda modifiye edilen yeni bir AEROSIL® silica geliştirdi.
Boya üreticileri, piyasaya VP 4200 olarak tanıtılan boyanın ömrünü ve etkisini arttırmak için geliştirilen bu ürünü, bakır oksit ile birlikte formüllerinde kullanabilirler. VP 4200 bakır oksit ile etkileşime girerek, bakır oksiti filme sabitleyip daha sert ve daha dirençli hale getiriyor.
Dolayısıyla, bakır oksit daha uzun süre kullanılabiliyor. Sıvı boyanın formülüne %10 VP 4200 katılması halinde, yaklaşık %6 gibi düşük bir bakır oksit içeriği ile biyokirlilik karşısında etkili bir koruma sağlanabiliyor.
Bu, boyanın normalde %30 ya da daha fazla bakır oksit içeren geleneksel formülasyonlarından %80 daha az bakır oksit içermesi demektir.
AEROSIL VP 4200, Cu2O içeren bir sistemde disperse edildi.
VP 4200 olmadan dispersiyon
%10 VP 4200 ile dispersiyon
Dr. Katrin Roland
Evonik Ar-Ge Yetki Merkezi
Anti-Fouling Bölümü Başkanı
Dr. Michael Fiedel
Evonik Ar-Ge Sentezleme
Birimi Başkanı
Çeviri: Duygu Özgün
Evonik Boya Katkıları
Departmanı İş Müdürü
