1. Giriş
Pigmentler pek çok ürüne örtücülük ve renk vermek üzere kullanılan organik ve inorganik malzemelerdir.
Eklendiği maddeye rengini verme özelliği olan, çok küçük ve çözünmeyen parçacılardan oluşan pigmentler, korozyona ve ısıya mukavemet, mikro yapıyı güçlendirme gibi diğer bazı özelliklerin eldesinde de kullanılır.
Bu çalışmada özellikle “mineral pigmentler” olarak da bilinen inorganik pigmentler üzerinde durulacaktır.
İnorganik pigmentlerin genelde 3 işlevinden söz edilebilir:
• Renk verme,
• Örtücülük (kapatma),
• Dayanıklılık.
Bu tür pigmentlerin en çok kullanıldığı alanlar başta boya olmak üzere, kâğıt, plastik, inşaat, seramik ve mürekkep, tekstil, cam, gıda ve kozmetik vb. sektörlerdir.
Kullanım miktarlarına göre beyaz pigmentler (özellikle Titanyum Dioksit, TiO2) ve karbon siyahının baskın olduğu siyah pigmentler en çok tüketilen pigmentlerdir. Renkli pigmentler ise nispeten daha maliyetli olmaktadır.
Mineral pigmentlerde aranan başlıca özellikler ise şu şekildedir: Uygun renk, örtme gücü, yağ emme (absorblama / tutma) kapasitesi, suda eriyen tuz ihtiva etmemesi, nem içeriği, asgari Fe2O3 oranı, ışığa karşı dayanıklılık ve uygun fiyattır.
Öte yandan, dünyadaki TiO2 üretiminin %60’ının kullanıldığı pigmentlerin en çok tüketildiği alan boya endüstrisidir. Piyasada satılan özellikle dekoratif amaçlı boyada beyaz renkli pigmentler kullanılmaktadır.
Renkli pigmentler ise nispeten çok daha düşük oranlarda ve ilave olarak kullanılmaktadır. Başta doğal (GCC) ve çöktürülmüş / sentetik (PCC) kalsiyum karbonat olmak üzere kaolin ve talk gibi çeşitli dolgu minerallerinin ilavesi ile kullanılan TiO2 miktarı azaltılabilmektedir.
Plastik ve kâğıt endüstrisinde de tıpkı boyada olduğu gibi beyaz pigmentler (TiO2 ve diğer dolgu mineralleri) tercih edilmektedir. Farklı renklerdeki pigmentler plastikte de kullanılmaktadır.
İnşaat sektöründe ise manganez ve diğer bazı bileşikler yanında nispeten daha düşük maliyetli olduğu için genellikle oksit pigmentler tercih edilmektedir.
2. Doğal (Mineral) Pigmentler
Pigmentleri genel olarak kimyasal yapılarına göre doğal inorganik, doğal organik ve yapay (sentetik) olmak üzere 3 gruba ayırmak mümkündür. Bu araştırmada sadece doğal inorganik (mineral) kökenli olanlardan söz edeceğiz.
2.1. Demir Oksit
Bu mineralleri renklerine göre sarı, kırmızı, kahverengi ve siyah olmak üzere dört başlıkta toplayabiliriz. Demir oksitler harmanlama ile birlikte çok çeşitli renklerde de üretilebilir.
Ticari olarak ise şu şekilde sınıflandırmak mümkündür; Boya toprağı-okr (kırmızı, sarı),
amber boyası (koyu kahverengi), siyena toprağı (sarı, turuncu) ve kırmızı demir oksit.
Doğal pigmentlerde renk verici unsur genellikle mineraller içindeki demir elementidir. Hematit, manyetit, götit ve limonit gibi mineraller bozunma sonucu topraklaşarak okr ve amber gibi sarı-kırmızı ve kahverengi renk oluşturmaktadır.
Hematit kırmızı renk verirken, manyetit kahverengiden siyaha değişim gösterebilmektedir.
Genel olarak, boya toprağı demirce zengin, manganezce fakirdir ve sarıdan kırmızının değişik tonlarına kadar renk verebilir.
Bunlar, demir yataklarının bozunması, diyabaz gibi demirce zengin kayaçların killeşmesi şeklinde görülür. Siyena toprağı da benzer bir şekilde sarıdan turuncu renge sahipken,
amber demir ve manganez içeriğinden dolayı koyu kahverengidir.
Mineral pigmentlerin kalsine edilerek renklerinin koyulaştırılması ve stabil hale getirilmesi
mümkündür.
[caption id="attachment_144434" align="aligncenter" width="374"]
Tablo 1. Demir oksit pigment kaynakları ve renkleri[/caption]
2.1.1. Sarı
Sarı boya toprağı nispeten düşük demir oksit seviyelerinde (%20-50) karakterize edilir. Kırmızı boya toprağı ise daha yüksek demir oksit içerir. Siyena yüksek demir oksit içeriğine (%60) sahip olmasıyla boya toprağından ayrılmaktadır. Boya toprağı gibi siyenalar da
sarının değişik tonlarında oluşur.
2.1.2. Kahverengi
Ana kaynağı amberlerdir. Amber; sarı renkli hidrate demir oksit ve siyah renkli manganez bileşiklerinin varlığından dolayı sarı-zeytin yeşili renge sahiptir. Amberin 260-425oC sıcaklıkta kalsinasyonu ile su içeriği uzaklaştırılır ve rengi değişir.
Demir oksit içeriğine göre sarıdan kırmızıya dönüşür ve ayrıca siyah manganez bileşikleri kahverengi ceviz rengi bir ürün verir.
2.1.3. Kırmızı
Kırmızı demir oksit pigmentin ana kaynağı hematit (Fe2O3)’tir.
2.1.4. Siyah
Doğal siyah demir oksit manyetitten (Fe3O4) elde edilir. Ancak sentetik olanına göre daha iri tane boyutuna ve daha zayıf renk verme (boyama) özelliklerine sahiptir.
2.2. Krom Oksit
Krom oksit (Cr2O3) pigmentler aynı zamanda “krom yeşili” pigmentler olarak da tanınmaktadır. Krom yeşili; krom sarısı ve demir mavisi pigmentlerinin, ftalokrom yeşili ise krom sarısı ve mavi ftalosiyanin pigmentlerinin bir karışımıdır.
Krom oksit yeşil (açık-koyu) pigmentler asitte, suda ve alkali ortamda çözünmez ve kükürt dioksit varlığında ve betonda stabildirler.
Işığa, atmosferik koşullara ve sıcaklığa dayanıklı olup infrared kamuflaj kaplamalarda kullanılır.
Öte yandan, cam imalatında, yeşil krom oksit ilavesi camı yeşil bir renge (örneğin soda şişeleri) dönüştürür.
Konsantrasyonu ne kadar fazlaysa, renk o kadar yoğun olur. Bunun ticari bir örneği şarap şişesidir. Ayrıca şarabın tadını korumak için biraz ışık koruması sağlar. Yeşil krom oksit, erime noktası 2300°C olduğu için refrakter (ateşe dayanıklı) tuğla üretiminde de kullanılmaktadır.
Yine, fazla aşınmanın olduğu endüstriyel boyalarda kullanılır. Örneğin, askeri araçlar yeşil krom oksit boya ile boyanmaktadır. Yüksek ısı ve ışığa maruz kaldığında rengini korur, dış mekân uygulamaları için ideal bir seçenektir.
Sadece mürekkeplere, gözlüklere ve boyalara renk katmakla kalmaz, plastiklere ve seramiklere yeşil verir. Kil ile iyi karışır ve verniklerde bir bileşen olarak kullanılabilir.
2.3. Mangan Oksit
Manganez içeriği bakımından ele alındığında dünyadaki toplam manganez üretimi yaklaşık 6 milyon ton civarındadır. Ancak bunun sadece çok az bir kısmı pigment endüstrisinde kullanılmaktadır.
Manganez madencilik yöntemi dışında elektroliz ve kimyasal yollarla da üretilmektedir. Pigment kalitesindeki kullanılan manganezin çoğu öğütülmüş cevherdir. Manganez menekşe rengi pigment (manganez amonyum fosfat) düşük miktarlarda üretilir.
Ayrıca manganez mavisi (baryum sülfat permanganat) de üretilebilmektedir. Ancak kullanılan tüm manganez pigmentler okside MnO2 (ısı ile parçalanma ile oluşan) formundadır. Bu ise genellikle siyaha yakın çok koyu bir renk demektir.
Fakat kırmızı, kahverengi, mor veya siyah tonlar da içerebilir. Manganez pigmentleri genellikle siyah, kahverengi ve gri renk üretmek için kullanılmakta olup pigment olarak %65-80 mangan dioksit (MnO2) içermektedir.
2.4. Karma Metal Oksit
Karma metal oksit pigment terimi stabil okside bir kafeste kristalize olmuş pigmentleri ifade etmektedir. Renk, kafesteki katyonların bir araya gelmesiyle oluşur.
Pigment olarak kullanılan 3 karma metal oksit; rutil (TiO2), spinel (MgAl2O4) ve hematit (Fe2O3) strüktürleriyle olandır. Stabil okside kafesler çok iyi kimyasal / termal stabiliteye ve iyi bir optik pigment özelliği olan yüksek kırılma indisine de sahiptir.
2.5. Mika
Mika olarak tanımlanan pek çok mineral olmasına karşın ticari olarak en önemlisi muskovit mikasıdır (beyaz mika). Diğerleri ise dolgu veya pigment uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaz.
Ancak bazı özel uygulamalarda flogopit kullanılmaktadır. Mika üretiminin sadece küçük bir kısmı pigment uygulamalarında kullanılmaktadır. Kullanımdan önce çeşitli boyutlara
öğütülen ufak parçalı ve yaprakçık şeklindeki mika pigment hammaddesi olarak kullanılır.
Mikronize mika (d50<53 mikron) normal olarak sedef etkili pigment üretiminde kullanılır. Mika seçimi pigmentin kalite ve görünümünü belirlemede önemli bir faktördür.
En-boy oranı 300-600 nanometre kalınlığa sahip ve farklı boyut aralıklarında (5-25 mikron, 10-50 mikron ve 30-110 mikron) mika levhalarının tane boyut dağılımına bağlıdır.
Diğer pigmentlerle farklı kombinasyonlar üretmek de mümkündür. Son yıllardaki diğer bir gelişme ise grafit, laminar ftalosiyanin ve flasky (döküm) demir oksit gibi absorblayıcı pigmentlerdir.
Demir oksit tabakaları metalik renk efekti ve çeşitli tonlar göstermektedir. Bu pigmentler genellikle metalik boya etkisi vermek için tercih edilir. Plastikten baskı mürekkebine, otomobil üst kaplama boyasından kozmetiğe kadar çeşitli alanlarda kullanılır.
2.6. Zirkon
Zirkon, pişirme süresince yüksek sıcaklıklara dayanımı dolayısıyla seramik endüstrisinde kullanılırlar. Sır ve duvar tuğlasında kullanılan tüm renkli pigmentlerin yarıdan fazlasını bu pigmentler karşılar.
Az miktarlarda diğer elementlerle zirkon yapıyı karıştırarak farklı renkler elde edilebilir. Örneğin, vanadyum mavi renk verirken, praseodmiyum (Pr) açık sarı ve demir mercan pembesi bir renk verir. Son zamanlara kadar zirkonyum oksit ya doğal oluşan baddeleyit (ZrO2) veya çok daha yaygın olan zirkonyum silikat (zirkon, ZrSiO4)’tan elde edilmekteydi.
Baddeleyit kullanmadan özel kalitede yeniden formülasyon mümkün olmakla birlikte, çoğu kez seramik pigmentleri için renk yapıcı hammaddelerin tümüyle yeniden değerlendirilmesi gerekir.
2.7. Nadir Toprak
En yaygın nadir toprak pigmenti kırmızı bir pigment olan seryum sülfit (CeS)’dir. Turuncudan Burgunya şarabı renge kadar üretilebilir. Praseodmiyum (Pr) da pigment uygulamaları için kullanılır ancak esasen sarı seramik pigmenti oluşturmak için zirkon pigmentlerde katkı olarak kullanılır.
Neodymium (Nd) mor renk elde etmede, yttrium (Y) ise turuncu pigment olarak kullanılabilir. Seryum oksit (CeO2) beyaz seramik sırlamalarda matlaştırıcı olarak kullanılır ancak bu tür bir
uygulama için esas malzeme daha az pahalı olması sebebiyle zirkondur.
[caption id="attachment_144435" align="aligncenter" width="371"]
Tablo 2. Çeşitli pigment kaynakları ve
elde edilen renkler[/caption]
3. Sonuç
Pigmentler çok farklı alanlarda renk verici, örtücülük ve dayanıklılık katan organik, inorganik veya sentetik yolla üretilen malzemelerdir. Özellikle pigmentlerin mineral esaslı olanları çeşitli üretim proseslerinden geçirildikten sonra boyada yaygın olarak kullanılmaktadır.
Kaynaklar
[1] Akar, A., 1987. Endüstriyel Hammaddeler ve Zenginleştirme Yöntemleri, DEÜ yayını, MM/MAD-87 EY 142, İzmir.
[2] Dickson, T., 2006. The Colour of Minerals, Industrial Minerals, September 2006, p.28-35.
[3] Kayaalp, M.N., 2010. Siyah Pigmentler, BoyaTürk, Şubat-Mart 2010, s.80-84.
[4] Milli Eğitim Bakanlığı, MEGEP (Mesleki Eğitim ve Öğretim Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi), Kimya Teknolojisi, Pigmentler, 2008, Ankara.
[5]Toraman, Ö.Y., Çiftlikli, M. 2012. Doğal (Mineral) ve Sentetik Pigmentler: Sektöre Genel Bakış, BoyaTürk, Nisan-Mayıs 2012, s.48-56.
[6] http://www.madencilik.net/hm_boya/oksitler.doc
[7] http://www.reaksiyon.com.tr/index_organik.html
[8] https://www.kimyaborsasi.com.tr/tr/k/krom-oksit-75.html
Prof. Dr. Öner Yusuf Toraman
Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi
Maden Mühendisliği Bölümü
