Yeni Silikon Reçine, Dış Cephe Boya ve Plasterleri için Teknoloji Standardını Yükseltiyor

Senelerdir dış cephe boyalarının iki önemli görevi vardır: Dış cepheye hoş bir görünüm kazandırır ve olumsuz hava koşullarına karşı korur. Bu sebeple, üst düzey dış cephe boyası üreticileri, bu iki özelliği büyük ölçüde optimize etmiştir. Silikon reçineli boyalar, şu anda dış cephe için en son teknolojidir. Bu boyalar, genellikle stiren akrilat dispersiyonu olan ana bağlayıcıya ilave olarak emülsifiye silikon reçine içerirler. Böylece olumsuz hava koşullarına karşı mükemmel dirence ve uzun bir kullanım ömrüne sahip boyalar üretilebilmektedir. Ancak geçtiğimiz yıllar içerisinde müşteri beklentileri artmış bulunmakta. Mevcut renk tonu seçeneklerinin daha fazla olması, dış cephenin eskiye göre artık daha yavaş kirlenmesi ve tüm bunların mümkün olduğunca çevre dostu bir şekilde gerçekleşmesi gerekiyor. Evonik’teki araştırmacılar TEGO® Phobe 1659 ile bu artan istekleri karşılayan yeni bir silikon reçine geliştirdiler. Üstelik bu reçine, formüllerde yaygın kullanılan alternatiflerine göre çok daha düşük konsantrasyonlarda kullanılabilmekte ve böylece maliyet tasarrufu sağlamaktadır.

Yüksek Su Buharı Difüzyonu, Düşük Miktarda Su Emme

Dış cephe boyaları iç taraftan gelen nemin duvarın içinde birikmemesi için iyi bir su buharı difüzyonu sağlamalıdır. Bu nem, belirli koşullarda, su buharını geçirmeyen kaplamaların patlamasına neden olabilecek bir basınç oluşturabilir. Bağlayıcı miktarının düşük olması nedeniyle dolgu maddesi ve pigment partikülleri arasındaki boşlukların tamamı doldurulamaz ve böylece bir mikro gözenek ağı ortaya çıkar. Bundan dolayı su buharı difüzyonunun yüksek olması, oldukça kritik bir PVC (pigment volume concentration-pigment hacim konsantrasyonu) ile sağlanır. Ancak bu gözenekler, örneğin yağmur nedeniyle nüfuz eden suyun etki edebileceği yüzeyler sunar. Hidrofilik gözenekler suyu yoğun bir şekilde emer; ne kadar yoğun olduğu ise dikey silindirik bir kılcal gözenek örneği alındığında görülür. Suyun çıktığı yükseklik (h), kılcal denklemi ile şu şekilde tarif edilir: Burada σ suyun yüzey gerilimi ve ρ yoğunluğudur, θ suyun kılcal yüzeyindeki temas açısıdır, g yer çekimi sabitidir ve r gözeneğin yarıçapıdır. Temas açısı 0°C ve yarıçapı 100 nm olan hidrofilik bir gözenek için suyun çıktığı yükseklik 157 metredir, bu da Köln Katedrali’nden bile daha yüksek bir su sütunudur!

Bu etkinin en aza indirgenmesi gerekir, bu da kılcalın yüzey kimyası ile en etkili olarak yapılabilir. Θ temas açısı>90°C olduğunda, su yükselmeyi bırakıp alçalmaya başlar: Yukarıda belirtilen aynı koşullar altında, temas açısının 140°C olması ile su 100 metre alçalır.

Bu nedenle su buharı difüzyonu için mikro gözenekli yapıya çok fazla müdahale etmeden gözenek yüzeylerinin hidrofobik hale getirilmesi gerekir. Pratikte bu silikon reçine emülsiyonları katılarak sağlanır. Evonik’teki araştırmacılar, deneylerde yeni silikon reçinenin hidrofobikleştirici etkisini ölçebilmişlerdir. Mineral esaslı yüzeylerin üzerine silikon reçine kattıkları bir boyayı tamamen sürüp, bu yüzeyleri 24 saat boyunca suda tutmuşlardır. Bu süre boyunca emilen su miktarının, piyasada yaygın kullanılan benzer ürünlerin bulunduğu boya formüllerine göre çok daha düşük olduğu görüldü. W₂₄ su emme katsayısı 0,1 kg/ (m²*h½) altında kalmış ve %60-%80 daha düşük olmuştur. Sadece %2,0 konsantrasyonla dahi bu yeni silikon reçine ile bu çok iyi değerlere ulaşıldı ki, bu şimdiye kadar başarılamamıştı. (Grafik 1) Normalde bir kaplamanın w₂₄ değeri, her suya maruz kaldığında azalır, çünkü suyun gözenek ağına nüfuz etmesine olanak sağlayan yüzey aktif bileşenler yıkanarak kaplamadan ayrılır. Uygulamada, sadece birkaç kez suya maruz kaldıktan sonra dahi w₂₄ değerinin mümkün olduğunca düşük olması avantaj sağlar. Buna erken su dayanımı denir. TEGO® Phobe 1659 optimum w₂₄ değerine neredeyse daha ikinci kez suya maruz kaldığında ulaşır. Benzer ürünlerde ise ilk iki evre çok daha zayıf geçti. Kullanıcılar açısından bu, TEGO® Phobe 1659 ile formüle edilen boyaların birkaç şiddetli yağmur yağdıktan sonra değil, uygulanıp kuruduktan hemen sonra suya karşı yüksek dayanıma sahip olduğu anlamına gelir.

Transmisyon Elektron Mikroskopisi

Araştırmacılar, silikon reçinenin boya içindeki dağılımını daha fazla araştırmak için elektron mikroskobu görüntüsüne ulaştılar. Ayrıca uzaysal çözünürlüklü, enerji dağınımlı X ışınları çözümleyici (EDX) ile elementlerin yerel dağılımını belirlediler. Silikon reçinenin tasnif edilebilmesi için kuvars veya silika gibi silisyum içeren dolgu maddeleri veya pigmentler değil, sadece kalsiyum karbonat ve titanyum dioksit kullanıldı. Birincil bağlayıcı olarak ise piyasada yaygın kullanılan bir stiren akrilat dispersiyonu kullanıldı. %2,0 ve %4,8 oranlarında TEGO® Phobe 1659 ve piyasada yaygın kullanılan standart bir silikon reçine içeren boya katmanları yüzeyden ayrıldı ve vakum altında epoksi reçineye yatırıldı. Ardından araştırmacılar 180 nm kalınlığında ince kesitler hazırlayarak bunları inceledi. Şekil 1’de temsili bir sonuç gösterilmektedir. (Şekil 1)

Şekil 1. %2,0 TEGO® Phobe 1659 içeren bir silikon reçineli boyanın elektron geçirimi görüntüsüdür. Büyütme oranı: 2000x. Şekilde I, II ve III ile işaretlenen üç alan birbirinden ayrılabilmektedir.

Boya %2,0 TEGO® Phobe 1659 içermektedir ve beklendiği gibi gözenekli, homojen olmayan bir yapısı vardır. Daha yüksek oranda başka bir silikon reçine içeren boya tabakalarının görüntüsü ilk bakışta aynıdır. Şekilde I, II ve III ile işaretlenen üç alan birbirinden ayrılabilmektedir. I. alan açık renkli, amorf ve homojendir. Bu kısımda, EDX neredeyse sadece karbon (C) ve oksijen (O)’i gösteriyor. Burası saf bir bağlayıcı gibi görünüyor. II. alan koyu renkli, aynı şekilde yüksek elektron yoğunluklu homojen yapılardır. EDX burada titanyum (Ti) ve kalsiyum (Ca) gösteriyor; bu nedenle bu alanda pigment veya dolgu maddesi olmalıdır. Son olarak da yine yüksek elektron yoğunluklu, homojen olmayan III. alan var; EDX burada karbon (C) ve oksijenin (O) yanında silisyum (Si) da gösteriyor. Burası silikon reçine gibi görünüyor. Silikon reçinenin filmin içinde nasıl bir dağılım gösterdiği etkinlik açısından belirleyicidir. Ayrıntılı olarak incelendiğinde, bu konuda TEGO® Phobe 1659 ve piyasa standart ürünü arasında bariz farklar vardır. Şekil 2A ve B’de birincil bağlayıcının yanında silikon reçinenin de görülebildiği, yüksek çözünürlüklü görüntüler gösterilmektedir (Şekil 2A/B).

Şekil 2A. %4,8 oranında piyasada yaygın kullanılan standart bir silikon reçine içeren boyanın elektron geçirimi görüntüsüdür. Büyütme oranı: 4000x. Silikon reçinenin (koyu renkli) bir kısmı birincil bağlayıcı ile izole edilmiştir.

Şekil 2B. %4,8 TEGO® Phobe 1659 içeren bir silikon reçineli boyanın elektron geçirimi görüntüsüdür. Büyütme oranı: 4000x. Birincil bağlayıcı (açık renkli) ve silikon reçine (koyu renkli) birbirinden ayrı yerlerdedir.

Şekil A, piyasada yaygın kullanılan silikon reçinenin büyük kısımlarının birincil bağlayıcı tarafından kapsüllenmiş olduğunu gösteriyor; bu da şüphesiz etkinliği olumsuz etkiliyor. Şekil B ise TEGO® Phobe 1659 kullanıldığında silikon reçine ve bağlayıcının neredeyse tamamen ayrıldığını gösteriyor. Bu da silikon reçinenin tüm etkinliğini ortaya koyabilmesini sağlıyor. Bu mikroskobik faz ayrışmasının sebebi muhtemelen bir yandan silikon reçinenin moleküler yapısı, diğer yandan da kullanılan emülgatörlerdir. Bu iki silikon reçine arasında ikinci bir fark da pigmentlerin EDX spektrumlarında ortaya çıkmaktadır. (Grafik 2)

Grafik 2. Pigment partiküllerinin EDX’i. TEGO® Phobe 1659 kullanıldığında titanyumun (Ti) yanında silisyum (Si) da bulunmaktadır.

Piyasada yaygın kullanılan standart ürünün EDX spektrumunda biraz titanyum ve kalsiyum var, ancak silikon yok. Buna karşın TEGO® Phobe 1659’un EDX spektrumunda hem titanyum hem de silisyum gözüküyor. Bu da pigment partiküllerinin silikon reçine tabaka ile kaplandığı anlamına gelir. Yukarıda belirtilen faz ayrışmasının yanında pigmentler ve dolgu maddeleri için TEGO® Phobe 1659’un yüksek afinitesi, ürünün düşük konsantrasyonlardaki özel etkinliğini de açıklamaktadır.

Düşük Kir Tutma

Araştırmacılar, laboratuvarda gerçekleştirilen, dış cephe hava etkilerinin eğilimlerini yansıtan hızlandırılmış bir kirlenme testinde, TEGO® Phobe 1659 bazlı formüllere sahip dış cephelerin piyasadaki standart ürüne göre iki kat daha yavaş kir tuttuğunu kanıtladılar. (Şekil 3)

Şekil 3. Kirlenme eğilimi. TEGO® Phobe 1659 bazlı formüller kirlenme testinde %30’a varan oranlarda daha düşük L değerleri ortaya koyuyor.

Evonik, bu test için özel bir makine kullandı. Suya katran, is ve Japon standart kiri olarak adlandırılan standart kir katıldı. Silikon reçineli farklı boyalar sürülen test levhaları makinede kirli suya tabi tutuluyor. Ardından makine, levhaları ısıtarak 50°C’ye getiriyor ve daha sonra temiz suyla temizliyor. Bu döngü, tanımlı bir süre boyunca sürekli tekrarlanıyor. Kirlenme simülasyonunun ardından yeni silikon reçine yapısına sahip formülün ulaştığı kirlilik derecesini belirten L değerleri, diğer silikon reçineler bulunan formüllere göre yüzde 30’a varan oranlarda daha düşük oldu. (Grafik 3)

Organik Pigmentler ile Formülasyon

Yeni silikon reçinenin yüksek pigment afinitesi, pigment konsantrasyonları çekimi için de önemlidir. Yapılan testler, silikon reçine çekilen renk pastalarının, silikon reçine içermeden çekilen pigment konsantrasyonlarından daha iyi olduğunu göstermiştir. Böylece formülün hazırlanmasında pigment konsantresinden tasarruf edilebilir ve yine de aynı renk yoğunluğuna ulaşılabilir. TEGO® Phobe 1659’un bir diğer avantajı, çok yönlü olmasındadır: Organik pigment bazlı pigment konsantreleriyle de kullanılabilir ve böylece şimdiye kadar silikon reçinelerin çoğuyla mümkün olandan da çok daha geniş bir renk yelpazesi sağlar. (Grafik 4)

Grafik 4. %5 pigment konsantresi eklendikten sonraki rub-out değerleri

 

Proses ve Depolama Avantajları

TEGO® Phobe 1659, dış cephe boyalarının dışında sıvı plasterler için de uygundur. Burada işlenebilirlik konusunda başka avantajlar da ortaya çıkmaktadır, çünkü piyasadaki akma sınırı şu anda çok daha yüksektir. Özellikle depolamanın ardından testlerde yeni silikon reçine ile formüle edilen plasterlerin akma sınırının depolama süresinden bağımsız olarak benzer ürünler içeren plasterlere göre sadece yaklaşık üçte biri kadar olduğu görülmüştür. Yeni silikon reçine yapısını içeren formüller, bunları işleyen kişiler için uygulamayı kolaylaştıran, çok elverişli bir reolojik profile sahiptir. Ayrıca silikon reçinenin homojen dağılımı sayesinde plaster içinde eşit oranlı bir yapılanma ortaya çıkar. (Şekil 4)

Şekil 4. Plasterlerin yüzey yapısı. TEGO® Phobe 1659 bazlı formüller, daha eşit oranlı bir yüzey yapısına sahiptir.

Bu da yalnızca görsel cazibeyi artırmakla kalmaz, aynı zamanda daha fazla su emecek olan büyük yarıkların oluşmasını da önler. Boya uzun bir süre boyunca 50°C sıcaklığa maruz kaldığında dahi viskozitesi piyasadaki diğer ürünlere göre çok daha düşük kalır. Bu da depolama sonrasında uygulamayı kolaylaştırır. Testte 256 gün depolamanın ardından dahi viskozite üzerinde bir etki olmadığı görülmüştür; benzer ürünlerde ve katkı içermeyen boyalarda bu beş kat (!) daha yüksektir. G‘dinamik katsayı analizleri de bu gözlemi destekliyor: Bir hafta depolamanın ardından dahi bu değer benzer üründekine ve hidrofobikleştirici madde içermeyen formüle göre büyük ölçüde daha düşüktü. 256 gün depolamanın ardından G‘dinamik katsayısı TEGO® Phobe 1659’da iki katına çıkarken standart üründe ve katkı içermeyen formülde sekiz katına yükselmiştir. (Grafik 5)

Grafik 5. Zamanın fonksiyonu olarak G‘stoklama modülü. TEGO® Phobe 1659 ile G‘başlangıçtan itibaren üçte bir oranında daha düşük kalmış ve zamanla sadece az miktarda artmıştır. Silikon reçinesi olmadan ya da piyasadaki standart ürünle birlikte G‘zaman ilerledikçe büyük ölçüde artar. 

TEGO® Phobe 1659’un pigmentlere ve dolgu maddelerine karşı yüksek afinitesi sayesinde formülü kararlı hale getirerek daha stabil ürünler elde edilmesine yardımcı olur. Son olarak bu, TEGO® Phobe 1659 içeren formüllerin çok daha uzun bir kullanım ömrü olduğu anlamına gelir.

Geniş Bir Pazara Erişmek için Çevre Dostu

Tüm bu fonksiyonlar sadece ince boya tabakalarıyla elde edilebildiği için uygulayıcının malzeme ihtiyacı azalır. Ayrıca araştırmacılar ham maddeleri, en başından beri bitmiş ürünlerin sertifikalarının yüksek gerekliliklerini sağlayacak ve böylece ilgili ülkelerin düzenlemelerindeki engelleri sorunsuz bir şekilde aşabilecek şekilde seçtiği için, çevre açısından yararlıdır. Olası sertifikalar arasında Blue Angel, the Nordic Ecolabel, and the EU Ecolabel.

Teknoloji Standardı Yükseldi

Sonuç olarak TEGO® Phobe 1659 ile düşük konsantrasyonlarda dahi daha iyi teknik özelliklere sahip bir silikonlu boya elde edilebilir. Son müşteri açısından daha fazla renk seçeneği sunar ve bakım giderlerini düşürür. Tüm bunlar yüksek çevre dostu özellikleriyle birlikte gerçekleşir ve böylece dış cephe boyaları ve plasterler için hidrofobikleştirici maddeler piyasasına yeni bir teknolojik standart getirir. Markus Vogel İnşaat Boyalarından Sorumlu Kıdemli Teknik Müdür Evonik Resource Efficiency GmbH     Roger Reinartz Deri ve Kâğıt Kaplamalarından Sorumlu Kıdemli Teknik Müdür Evonik Resource Efficiency GmbH   Daniel Brünink Dekoratif Boyalardan Sorumlu Global Pazarlama Direktörü Evonik Resource Efficiency GmbH