Su Bazlı Kaplamalara Genel Bakış

15.12.2021

Su Bazlı Kaplamalara Genel Bakış

Yaşamımızda artan sanayileşme ile birlikte metal kullanımı da sürekli olarak artmaktadır. Metallerin çevreleri ile çoğunlukla kimyasal ve/veya elektrokimyasal reaksiyonu ile kademeli olarak zarar görmesi prosesine “korozyon” denmektedir. Korozyon metallerin görünümüne zarar vermenin yanı sıra ekipman arızasına da neden olan büyük ekonomik kayıplar yaratan yıkıcı bir olaydır (Şekil 1). Metallerin korozyona uğrama yatkınlığı tüm dünya genelinde ciddi ekonomik kayıplar yaşatmaktadır. Yapılan araştırmaların sonucu ABD’deki toplam yıllık korozyon maliyetinin 276.000.000.000$ olduğunu, Birleşik Krallık’ta Gayri Safi Yurtiçi Hasılanın %3.1’unun korozyona bağlı problemlere harcandığını göstermektedir (Hou, ve ark, 2017).

Metal yüzeyleri korumanın en etkili ve ekonomik yöntemlerinden biri korozyonun organik kaplamalar kullanılarak inhibe edilmesidir. Burada organik kaplamaların görevi fiziksel bir bariyer sağlayarak metal tabakasını aşındırıcı ortamdan korumaktır. Fakat organik kaplamaların yapısında bulunan uçucu organik bileşikler (VOC)* çevreye ve insanlara büyük zararlar vermektedir. Bu durumun aşılması için birçok düzenleme yapılmış ve boya/kaplama endüstrisi de bu kapsama dahil edilmiştir. Çevreye uyumlu kaplama proseslerine getirilen yasal gereklilikler, son 20 yılda uygun kaplama malzemelerinin (toz boya, su bazlı boya vb) daha fazla araştırılmasıyla sonuçlanmıştır. Böylece mevcut durumda, su bazlı organik kaplamalar sektörünün kaçınılmaz trendi haline gelmiştir. Günümüzde antikorozif su bazlı boyalar çözücü kullanımında azalama sağlamasının yanı sıra metallerin korunmasında da önemli rol oynamaktadır (Gangopadhyay, 2018, Mohamed, Wan et al 2017, Zhu et al, 2017). Fakat su bazlı kaplamaların piyasaya sürülmesi, solvent bazlı ürünlere göre genelde daha düşük performans özelliklerinden dolayı zorlu olmuştur. Buna ek olarak su bazlı reçinelerin ve kaplamaların üretim maliyetleri de solvent bazlı türlere göre daha yüksektir ve bu da hızlı büyümelerinin önündeki bir engel olarak değerlendirilebilmektedir (Heilen, 2014). Su bazlı boyaların ve toz boyaların önündeki zorlukları aşarak gelişimiyle beraber sanayide yer edinmeye başlamasına rağmen, Almanya’da endüstriyel proseslerdeki kaplamaların neredeyse yarısı halen geleneksel formdadır (solvent bazlı malzemeler vb). Avrupa perspektifinden bakıldığında, solvent işleme endüstrileri, boya ve kaplama endüstrisi, artık organik bileşiklerin ve solventlerin önde gelen yayıcılarıdır. Avrupalı meclis üyeleri bu gerçeğe küçük ve orta ölçekli şirketlerin bile emisyonlarını önlemek için daha katı önlemler almaya zorlamak amacıyla 1999 yılında bir AB direktifi (1999/13/EC sayılı, 11 Mart 1999 tarihli Avrupa Konseyi Direktifi) yayınlayarak tepki vermişlerdir. AB’de asıl VOC Solvent Emisyonları Direktifi 2004/42/EC sayılı Boya Direktifi’nin 13. Maddesi ile tadil edilmiştir. Öte yandan, AB katılım sürecine bağlı olarak Türkiye, bir uyum ve uyumlaştırma programı çerçevesinde yukarıda bahsedilen mevzuatı uygulama aşamasına gelmiştir. Bu kapsamda emisyonları en az düzeye indirecek sistemler konusundaki gelişmelerin takip edilmesi, boyadaki çözücü oranlarının azaltılması veya mümkün olduğunca organik çözücü içermeyen boyalara geçiş konularında çalışmalar yürütülmektedir (Heilen, 2014). Global Paint and Coatings Industry Market Analysis tarafından hazırlanan rapora (2019 - 2024) göre 2019 yılında küresel boya ve kaplama pazarı değer olarak 164 milyar dolar büyüklüğe ulaşmıştır. Hacim bazında inşaat boyaları %52 oranı ile en büyük payı alırken, sanayi boyaları %48 oranında paya sahiptir. Türkiye’de boya sanayii, ana kimya sektöründe önemli bir ekonomik büyüklüğe sahiptir. Avrupa’nın en büyük boya üreticisi firmaları, firmaların ciroları, ihracattaki payları ve çalışan sayıları dikkate alınarak araştırılmış ve listeye Türkiye’den Yaşar Holding 22. sıradan girmiştir (Web1). Türkiye’de yurt geneline dağılmış yaklaşık 600 kadar küçük ve orta ölçekli işletme faaliyet göstermektedir. 724 bin tonluk üretim ile yaklaşık 1,57 milyar dolarlık ekonomik büyüklüğe ulaşan Türk boya sanayii, Dünya pazarında yaklaşık %2 paya sahiptir. Pazardan en büyük payı %50 ile dekoratif segment almaktadır. Dekoratif boya üretiminin ~%86’sını su bazlı boyalar oluşturmaktadır (Polisan Holding Faliyet Raporu, 2020). Plastik kaplamalarda kullanılan su bazlı teknolojilerin payı da %23 olarak raporlanmıştır. Ulaşım sektöründe iç kısımlarda su bazlı 2K PU kaplamalar kullanılırken, dış kısımlarda 1K baz katlar uygulanmaktadır. Çoğu OEM sektörü, su bazlı kaplamaların uygulamaya geçirilmesini düşünmüş ve/veya değerlendirmiş, ancak uygulamadaki zorluklar, değişen viskozite profili, görünüm ve performans özelliklerinin zayıf olabilmesi nedeni ile hala tam olarak hayata geçirememiştir. Ancak OEM’in, bitmiş ürün spesifikasyonları karşılandığı sürece, bileşen tedarikçisinin solvent bazlı mı yoksa su bazlı kaplama mı kullanacağı konusunda bir tercihi yoktur. Bazı OEM’ler, su bazlı bir baz kat ile solvent bazlı astar ve su bazlı veya solvent bazlı verniği birlikte kullanabilmektedir. Su bazlı kaplama teknolojisindeki sürekli gelişmeler ile birlikte bugün su bazlı boyalar ağır hizmet sektörünün % 8’ini, ahşap kaplamaların %23’ünü, genel sanayi kaplamalarının %36’sını, varil ve plastik kaplamaların %37’sini, Otomotiv (OEM) kaplamalarının %68’ini ve mimari kaplamaların %90’ını oluşturmaktadır (Heilen, 2009). Pazar araştırma şirketi Grand View Research tarafından yapılan araştırmada, denizcilik, bobin, ahşap, metal ambalaj, matbaa mürekkepleri ve elektronik endüstrilerinde su bazlı sistemlere olan talebin artması ile tüketimlerde önemli ölçüde büyüme olması beklendiği raporlanmıştır (Cynthia Challener). Diğer bir yandan Çin, bazı endüstriyel paylaşımcılar tarafından su bazlı kaplamalar için önümüzdeki birkaç yıl içinde kilit büyüme pazarı olarak görülmektedir (Heilen,2014). 2020 yılında EALEAN Technology Co., Ltd. (Çin) tarafından çok fonksiyonlu yüzey koruması için özel olarak dünyanın önde gelen teknolojisi ile geliştirilen su bazlı seramik alaşımlı kaplama “Jung Teknik İnovasyon” ödülü almıştır (Web2). Boya sektöründe 1986 yılından beri Türkiye’de faaliyet gösteren KANAT Boyacılık Tic. ve San. A.Ş., geçen yıllar ile birlikte koruyucu kaplamalar ve genel sanayi boyaları üretimi konusunda uzmanlaşmıştır. Müşteri odaklı çalışan, sektördeki gelişmeleri takip eden geniş bir Ar-Ge ekibine sahiptir. Su bazlı boyalar konusunda da yaptığı Ar-Ge ve müşteri çalışmaları ile sektörde yerini almaya başlamıştır. Su bazlı boyaların gelişiminde karşılaşılan zorluklar temelde su bazlı boyalar ile solvent bazlı boyalar arasındaki bir takım temel farklılıklara dayanmaktadır. Su bazlı boyaların hammaddeleri geleneksel solvent bazlı sistemlere göre oldukça farklı özelliklere sahiptir. Bunların temel nedeni suyun fiziksel özellikleridir. Suyun buharlaşma ısısı pek çok solvente kıyasla oldukça fazladır. Güçlü H bağı nedeniyle suyun buharlaşması çoğu organik çözücüden çok daha zordur. Oldukça polar bir solvent olan suyun yüzey gerilimi de yüksektir. Bu da pigmentlerin/dolguların ıslatılmasını ve stabilizasyonunu zorlaştırdığından proseste yüzey aktif malzemelerin kullanımını gerektirir. Aynı zamanda, suyun yüksek yüzey geriliminden kaynaklı çeşitli yüzey kusurları ve yüzey temizliği düzgün yapılmayan substratlarda yapışma zafiyetleri ile karşılaşılabilmektedir. Bu durumlarda yine yüzey ıslatma ajanları ve yapışma katkıları kullanımı önem arz etmektedir. Dispersiyon ajanları su bazlı boyalarda inorganik pigment ve dolgu maddeleri için mükemmel bir elektrostatik stabilizasyon sağlarlar ancak katı sıvı ara yüzeyindeki (tane/bağlayıcı+tane/su) yüzey gerilimini düşüremezler. Bu nedenle su bazlı boya sistemlerinde dispersiyon ajanı ve ıslatıcı ajanların bir arada kullanımı gerekmektedir (Şekil 2). Çoğunlukla polimerik dispersiyon ve ıslatıcı ajanların kullanıldığı solvent bazlı boyaların aksine su bazlı boyalar polifosfatlar ve poliakrilik asit tuzları kullanılarak formüle edilmektedir. Özellikle airless uygulamalar için köpük kesici ve hava atıcılar formülasyonun vazgeçilmez yapı taşlarındandır (Lane,2003; Heilen, 2014, Yetiş, 2019).

Su bazlı boyalarda diğer bir temel özellik reçinelerin dispers/emülsiye yapısıdır. Bu yapıdaki bağlayıcıları stabilize etmek için yüzey aktif malzemeler kullanılır ancak bu malzemeler katı madde içeriğinin artması ile viskozitede hızlı artış sağlar ve film oluşumu sırasında faz inversiyon ve koalesense gerek olması gibi çeşitli etkilere yol açarlar (Lane, 2003). Bu emülgatörler kuru film içinde kaldıklarında su ve korozyon direncini de azaltabilirler. Yine su bazlı boyalar üretim aşamasında ve ambalajlı ürün olarak depolanması sırasında mikrobiyal enfeksiyonlara karşı hassastırlar. Yüksek sıcaklık ve nem gibi çeşitli fiziksel ve kimyasal olaylara maruz kalınması mikrobiyal kontaminasyonu kolaylaştırmaktadır ve bu durum ciddi sorunlara sebep olabilmektedir. Dolayısı ile çeşitli antimikrobiyal etki mekanizmalarına sahip kimyasal ajan gruplarından oluşan biyositlerin kullanımı önem taşımaktadır (La Rosa ve ark, 2008). Bunların yanı sıra, nem ve sıcaklığın su bazlı boyaların film oluşumuna ve kalitesine olumsuz etkisi nedeniyle boyalar sıcaklık ve nem kontrollü kabinlerde uygulanmalıdır. Yukarıda bahsedilen tüm özellikler göz önüne alındığında günümüzde hem 1K hem de 2K olarak hazırlanabilen su bazlı kaplamalar, geleneksel solvent bazlı sistemlerle karşılaştırılabilir seviyede performans göstermektedirler. Yapılan çalışmalar ile sertlik, nem ve kimyasal direnç gibi boyadan beklenen temel özellikler, endüstriyel boya pazarının taleplerini karşılayacak düzeye getirilmiştir. Boya formülasyonlarına yapılacak ince ayarlar ile performanslar daha da iyileştirilebilmektedir. Ekonomik açıdan bakıldığında ise, su bazlı kaplamalara geçiş hem boya üreticisi hem de son kullanıcı için oldukça cazip konuma gelmeye başlamıştır. *2004/42 sayılı A.B. direktifine göre VOC’lerin tanımı şu şekildedir: “Uçucu organik bileşen (VOC), 101,3 kPa’lık standart basınç altında ölçülmüş, 250°C’nin altında veya buna eşit bir başlangıç kaynama noktasına sahip her türlü organik bileşen anlamına gelir.