Katıdan Sıvıya Boya ve Kaplamaların Anton Paar Modüler Kompakt Reometre Serisi ile Karakterizasyonu

Katıdan Sıvıya Boya ve Kaplamaların Anton Paar Modüler Kompakt Reometre Serisi ile Karakterizasyonu


Katıdan Sıvıya Boya ve Kaplamaların Anton Paar Modüler Kompakt Reometre Serisi ile Karakterizasyonu

 

Reoloji, malzemelerin akış ve deformasyon altındaki davranışlarını açıklayan bilim dalıdır. Polimer, yapı kimyasalları, boya ve kaplama endüstrileri için akma noktası, psödoplastiklik, tiksotropi ya da viskoelastik davranış oldukça bilinen terimlerdir.

 

Geçmişten günümüze akış kapları, cam kapiler viskometreler, rotasyonel viskozimetreler gibi (flow cups, glass capillary viscometers, rotational viscometers) birçok test metodu malzemelerin akma davranışını açıklamak amacıyla kullanılmaktadır. Bu metotlardan bazıları ise hala rağbet görmektedir.

 

Katıdan sıvıya bütün malzeme tiplerinin reolojik davranışını belirlemek amacıyla; daha geniş ölçüm aralıkları, farklı tipte numunelerin ölçümlerine imkan tanıması gibi birçok avantajları nedeniyle viskometrelerin yerini reometreler almaya başlamıştır. Reometreler kalite kontrol ölçümlerinde kullanıldığı gibi aynı zamanda araştırma ve geliştirme çalışmalarında da kullanılabilmektedir.

 

Anton Paar reometreler rutin reolojik ölçümlerin yanı sıra, özel aksesuarlarla kullanımı sağlayan modüler tasarımı sayesinde reolojik değişkenler ile beraber farklı değişkenlerin de ölçülmesine olanak tanır. Bunlara örnek olarak DMTA (dinamik mekanik termal analiz), immobilizasyon hücresi, UV kürleme hücresi verilebilir.

Boya ve kaplama endüstrisinde sıvıdan katıya bir takım örneklere aşağıda yer verilmiştir.

 

Sıvı Kaplamalar

Boya ve kaplamalar için aşağıda bahsedilen kriterler önem taşımaktadır:

Depolama esnasındaki faz ayrımı ve çökelme (uzun dönem stabilitesi)

Dispers haldeki pigment ve dolgu maddeleri, süspansiyon içerisinde çökelme davranışı göstererek

uzun sürelerde faz ayrımına neden olabilirler. Bu taneciklerin tekrar boya içerisinde dağıtılması ekstra maaliyet ve işlem gerektirmektedir.

 

Üretim ve uygulama esnasındaki akış ve pompalama davranışı

Üretim veya uygulama esnasında, sıvı hammaddeler ve kaplamalar ve boyalar boru hatları boyunca pompalanabilmekte, akışa maruz kalabilmektedir. Farklı akış ve kayma hızlarında davranışın bilinmesi, uygun

pompa seçimi ve kurulumu açısından önemlidir.

 

Yüzeye uygulandıktan sonra gözlemlenen davranış (sarkma ve yayılma davranışları)

Uygulama sonrasında, boyanın yayılması ve sarkması ürünün değerlendirmesi için belirleyici bir faktördür. Uygulama sonrasındaki (fırça, rulo veya sprey ile uygulama) ideal yayılma ve yüzeydeki izlerin engellenmesi için, viskozitenin çok yüksek olmaması gerekmektedir. Fakat; viskozitenin gereğinden fazla düşük olması da dikey duvarda sarkma gibi problemlere neden olabilmektedir.

 

Tüm bu davranış ve özellikler, modern bir reometre yardımı ile araştırılabilmektedir. Örneğin; reometre ile gerçekleştirilebilen test metodu, "3-interval thixotropy test (3ITT)” vasıtasıyla sarkma ve yayılma davranışı detaylı bir şekilde incelenebilmektedir. Boyanın uygulanma prosesinin simülasyonu, bu test ile aşağıda belirtilen üç adım dahilinde gerçekleştirilebilmektedir:

 

1. Uygulama öncesi: Uygulama öncesinde, numunenin başlangıçtaki reolojik özelliklerinin incelenmesi.

2. Uygulama esnasında, yüksek akış hızlarında: Numunenin yapısının deforme edildiği uygulama aşaması.

3. Uygulama sonrası: Uygulama sonrasında rejenerasyon davranışının zamana bağlı takibi.

Testin üçüncü adımında zamana bağlı yapısal rejenerasyonun incelenmesi ile yüzeyde yayılma ve sarkma davranışları öngörülebilmektedir. Şekil 4’ te; iki farklı boya numunesi için, uygulamadan 120 s (2 dak) sonraki viskozite değerlerinin başlangıç viskozitesine göre yüzde rejenerasyonları hesaplanmıştır.

 

Üçüncü adımda, 120 s sonrasında Numune A’nın viskozitesi (mavi semboller) %82 oranında başlangıç viskozitesine ulaşmaktadır.

A numunesinin uygulama sonrasında neredeyse tamamen başlangıç yapısına, viskozitesine geri döndüğü söylenebilir.

 

Numune B’ye (kırmızı semboller) ait sonuçlar incelendiğinde ise; 120 s sonunda, başlangıç değerinin sadece % 62’sine ulaşılmıştır. Ayrıca ilk 30 saniyedeki veriler de benzer şekilde değerlendirilip karşılaştırılabilir. Yapısal rejenerasyon değerleri, "3-interval thixotropic test (3ITT)” analizi ile hesaplanmıştır. Numune A’ nın hızlı bir şekilde yapısal rejenerasyonu, sarkma eğilimin düşük olması ve paralelinde istenilen yayılmayı göstermesine neden olabilir. B numunesinde ise, yavaş toparlanma nedeni ile düzgün yayılma sağlaması ve paralelinde sarkmaya eğilimli olması beklenebilir. Yüksek sarkma eğilimi ve yayılma nedeni ile B numunesinin daha ince bir tabaka oluşturması beklenebilir. Yayılma davranışında; yapısal rejenerasyon ile birlikte kurumanın ve sabitleme pigmentlerinin etkisi de göz önünde bulundurulmalıdır.

 

Toz Boyalar

Sıvı boyaların aksine, toz boyalar başlangıçta sıvı formda değildir. Film oluşumu, toz boya taneciklerinin uygun bir fırında eritilmesi ile meydana gelmektedir. Klasik kaplama numunelerine (ıslak, sıvı boyalar) kıyasla toz boyalar, çözücü kullanılmaması ve bu sayede proses esnasında neredeyse emisyon meydana gelmemesi nedenleri ile daha avantajlıdır.

 

Film oluşumu için gerekli sıcaklık ve süre, üretim tesisi boyutunun ve üretim maliyetinin belirlenmesinde oldukça önemli iki parametredir. Bu nedenle toz boya üreticileri, maliyeti mümkün olduğunda düşürmek amacıyla; minimum sıcaklık ve en kısa sürede film oluşturan toz boya üretimini amaçlarlar.

 

Toz boyaların kürlenme davranışını incelemek amacı ile; sabit gerinim ve açısal frekans altında, osilasyonel modda sıcaklık taraması testi uygulanır (Şekil 6). Sıcaklık belirlenen bir ısıtma veya soğutma hızında değiştirilir. Öncelikle tozun erimesi ile birlikte viskozite düşer. G’’ > G’ gözlemlediği süre zarfında numune sıvı karakter sergilediğinden, akabilmekte ve yayılabilmektedir. G’ ve G’’ değerlerinin kesişim noktasından sonra; yani G’(shear storage modulus) değeri, G’’(shear loss modulus) değerinden yüksek olması, elastik davranışın baskın hale gelmesi ile toz boya kendi kendine akış göstermez. Jelleşme noktasına ulaşılmıştır ve toz boya kürlenmiştir.

 

Katı Boya Filmleri

Boya ve kaplamaları karakterize etmenin diğer bir yolu da katı filmlerde "Dinamik Mekanik Termal Analiz” (DMTA) gerçekleştirmektir. DMTA ölçümlerinde geniş bir sıcaklık aralığında numune davranışı incelenir.

 

DMTA ölçümleri ve camsı geçiş sıcaklığının,Tg tayini kürlenmiş filmin farklı sıcaklıklarda esnekliği hakkında faydalı bilgiler sağlar. Örneğin; bir kaplamanın kimyasal dayanıklılığı camsı geçiş sıcaklığı incelenerek kontrol edilebilir.

 

Camsı geçiş sıcaklığı, Tg altındaki sıcaklıklarda numune; sert, kırılgan ve camsı bir davranış sergiler, zor deforme edilir. Camsı geçiş sıcaklığından,Tg üstündeki sıcaklıklarda ise; polimer türüne bağlı olarak kauçuğumsu, esnek bir davranış (kürlenmiş bir boya filminde olduğu gibi) sergiler veya sıcaklık çok arttığında eriyik hale geçebilir.

 

DMTA ölçümleri için, hava yataklı bir reometre ve film-fiber ölçüm aparatı (UXF) kullanılmalıdır. Hassas sıcaklık ayarının sağlanması için ise; konveksiyon ısı kabini kullanılmalı, düşük sıcaklıklar için de Dewar kabı ve evaporasyon ünitesi yardımı ile sıvı azot ısı kabinine bağlanmalıdır.

 

UXF sisteminde film numunesi, teste başlama sıcaklığında gergin bir halde durması amacıyla bir miktar ön yük uygulanarak çekilir. Ön yük uygulanması ısıtma esnasında numunenin gergin tutulması açısından gereklidir. Örneğin 2 K/dak gibi belli bir ısıtma hızıyla numunenin sıcaklığı arttırılır.

 

Numunenin elastik davranışını ifade eden E’ (tensile storage modulus), viskoz bileşenini ifade eden E’’ (tensile loss modulus) ve kayıp faktörü, tand Şekil 8’ de görüldüğü üzere belirlenebilmektedir. Bükülme ve osilasyonel testlerden elde edile G’ ve G’’ değerleri ile E’ ve E’’ değerleri, birbirine dönüştürülüp, karşılaştırılabilmektedir.

Sonuç olarak; sıvıdan katıya, boyalar ve kaplamalar modern hava yataklı bir reomere ile karakterize edilebilmektedir. MCR Serisi, rutin kalite kontrol uygulamalarından araştırma ve geliştirme çalışmalarına kadar birçok reolojik ve mekanik test için ideal cihazlardır. Ayrıca aşağıda belirtilen özellikleri sayesinde ölçümlerin etkili ve yüksek verimde gerçekleştirilmesini sağlar.

• Fazla yer tutmayan dizaynı,

• Çeşitli aksesuarların patentli ToolmasterTM teknolojisi ile otomatik tanınması ve konfigürasyonunun sağlanması ile kullanıcı hatalarının en aza indirgenmesi,

• TruStrainTM ile eş zamanlı pozisyon kontrolü, özellikle düşük tork gerektiren ölçümlerde,

• TruGapTM ile termal numune genleşme ve büzülmeleri esnasında otomatik gap kontrolü,

• T-ReadyTM ile aktif numune sıcaklığı kontrolü,

• Hava-yataklı senkronize EC (Electronically commutated) motor teknolojisi gibi.

Referanslar

1. Mezger, Thomas: The Rheology-Handbook 3rd Revised Edition, Hanover: Vincentz Network, 2011.

2. Paints and Coatings, Application Report, Anton Paar, 2008.

3. Rheology of Paints and Coatings, Application Report, Anton Paar, 2011.

4. Modern rheological measuring methods for the coating technology, Application Report, Anton Paar, 2014.