Kırmızı ve Sarı Demir Oksitler için Dispersant Teknolojisi

Pigment konsantreleri her zaman renkli boyalar üretmek için modern ve esnek bir yol olmuştur. Özellikle su bazlı uygulamalarda, bu konsantreler geniş bir yelpazede farklı bağlayıcı teknolojiler için uygun olmalıdır. Bu nedenle, konsantre formülasyonlar genellikle bağlayıcı içermez ve geniş bir uyumluluk sunar. Ayrıca, depolama stabilitesi, renk muk

Kırmızı ve Sarı Demir Oksitler için Dispersant Teknolojisi

Pigment konsantreleri her zaman renkli boyalar üretmek için modern ve esnek bir yol olmuştur. Özellikle su bazlı uygulamalarda, bu konsantreler geniş bir yelpazede farklı bağlayıcı teknolojiler için uygun olmalıdır. Bu nedenle, konsantre formülasyonlar genellikle bağlayıcı içermez ve geniş bir uyumluluk sunar. Ayrıca, depolama stabilitesi, renk mukavemeti ve maliyet verimliliği açısından talepler oldukça yüksektir. Bu talepler doğrudan katkı teknolojisine yöneliktir. Katkının, yüksek pigment yüklemeleri ve en ekonomik öğütme elde etmek için üstün viskozite azaltımı sağlaması beklenmektedir. Uzun süre boyunca viskoziteyi stabilize etmeli ve pahalı pigmentlerin yetersiz kullanılmasını önlemek için maksimum renk mukavemeti geliştirmelidir. Dekoratif kaplamalar söz konusu olduğunda demir oksitler en önemli pigment sınıfıdır. Demir oksitlerdeki zorluk, pigmentin ıslanmasında değil şeklindedir. Demir oksit sarı dilate özelliği verme eğilimindedir ki bu  dağıtım makinesinde otomatik olarak dozlandığında bir felaket olabilir. Öte yandan, demir oksit kırmızısı pigment konsantrelerinde zaman içinde viskozite de artış eğilimindedir.

Bu yazıda, demir oksitler için su bazlı, bağlayıcı içermeyen pigment konsantrelerinde kullanılabilen, su kaynaklı ve dispersiyon katkı maddelerinin farklı yapıları açıklanmaktadır. Pigment konsantrasyonlarının stabilitesi ve ıslanması, viskozite azaltımı, depolama stabilitesi ve renk özellikleri ile yansıtılacaktır. Zeta potansiyeli ıslatma davranışını ve dağıtma verimliliğini karakterize etmek için kullanılır. Sonunda demir oksit pigmentlerinin formüle edilmesine yönelik kılavuzlar sağlanacaktır.

Adım Bir: Pigment Islatma

Pigment dispersiyonu üç ardışık aşamaya ayrılabilir: ıslatma, dispersiyon ve stabilizasyon. Dispersiyon işleminin ilk adımı, pigmentleri bir sıvı ile ıslatmaktır. Pigmentlerin düzgün bir şekilde ıslatılması, bir sıvıda eşit olarak dağıtılmaları için gereklidir. Pigment içinde tutulan hava temizlenmeli ve pigment parçacığı sıvı ortam tarafından tamamen kapatılmalıdır. 1 Young denklemi ile (Denklem 1) tarif edilen; pigment yüzeyinin bir sıvı tarafından ıslatılması için, sıvının yüzey gerilimi pigmentin yüzey enerjisinden daha düşük olmalıdır. 1 Alt yüzey gerilimli bir sıvı, pigmentleri yüksek yüzey gerilimi olanlardan daha iyi ıslatır. Bu nedenle, ıslamayı teşvik eden bir katkı maddesinin esas olarak sıvının yüzey gerilimini azaltması gerekmektedir.

s = Y sl + Y l • cosΘ

Adım İki: Pigment Dispersiyonu

Pigment ıslatıldığına göre işlemdeki bir sonraki adım pigment dispersiyonudur. Dispersiyon işleminin hedefi, geniş bir yüzey alanına sahip çok küçük parçacık boyutlarına ulaşmaktır. Bu, yüksek renk mukavemeti ve iyi gizleme gücü sağlar. Katkı maddesi, pigment partikülleri arasındaki Van-der-Waals etkileşimini azaltır ve sonuç olarak bu, değirmenin viskozitesini azaltır. 2 Bu da daha yüksek pigment yüklemesine ulaşılmasını sağlar.

Dispersiyon işleminde, pigment aglomeratları mekanik olarak primer taneciklere ve küçük agregatlara ayrılır. Agrega ve aglomeraları parçalamak için enerji gereklidir. Aglomeraları parçalamak ve yüzey alanını (dA) arttırmak için enerji girişi (dW) gereklidir (Denklem 2). 1 Bu enerji yüzey gerilimi ile orantılıdır (Y). Yüzey gerilimi ne kadar küçük olursa, yüzey alanı belli bir enerji miktarı kadar artar. 2

dW = Y • dA

Üçüncü Adım: Stabilizasyon

Dispersiyon işlemindeki bir sonraki adım pigmentleri stabilize etmektir. Katı parçacıkların stabilizasyonu, tüm katı parçacıkların belirli bir mesafede ayrılmasını ve aglomeraları, agregatları ve pıhtıları durdurabilmesidir. Sıvıdaki katı parçacıklar, Brownian hareketine göre hareket eder ve birbiriyle çarpışır. Eğer bu parçacıklar iyi dengelenmemişse, yeniden toplanıp topaklanacaktır. Pigmentlerin iyi bir stabilizasyonunu elde etmek için, ıslatma ve dağıtma katkı maddesinin pigmentin yüzeyinde adsorbe edilmesi gerekmektedir. Bu nedenle, katkı maddesi pigment yüzeyine yüksek afiniteli ankraj gruplarına sahip olmalıdır. Demir oksit pigmentleri için, katkı maddesi, pigment yüzeyi ile hidrojen bağı veya dipol-dipol kuvvetleri oluşturabilen afinite gruplarına sahip olmalıdır.

Pigmentlerin stabilizasyonu aşağıdaki mekanizmalar ile elde edilebilir (Şekil 1):

  • Elektrostatik stabilizasyon,
  • Sterik stabilizasyon,
  • Elektrosterik stabilizasyon.
kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-2

Şekil 1. Pigment stabilizasyon mekanizmaları

Elektrostatik Stabilizasyon ve Zeta Potansiyeli

Su bazlı formülasyonlarda en önemli stabilize edici faktör elektrostatik itme olmasıdır. En ideal durum, pigment yüzeyine adsorbe edilen ıslatıcı ve dağıtıcı katkı maddesinin anyonik ve katyonik bir parçaya ayrışmasıdır. Katyonik karşı iyonlar, pigment parçacığı etrafında hareketli bir dağınık bulut oluşturarak elektrostatik çift katmana yol açarlar. 1 Güçlü bir çift tabaka ile itme hakimdir ve dispersiyon stabildir.

Elektrostatik stabilizasyon, dispersiyondaki kayma katmanındaki potansiyelin bir ölçüsü olan zeta potansiyeli z ile ölçülebilir. Negatif yüklere sahip ilk adsorpsiyon tabakası, ıslatıcı ve dağıtıcı katkı maddesi tarafından üretilir, ancak pigment parçacığının bütün yükü dengelenmez. Difüz bir yük dağılımı ile ikinci bir katman ağırlıklı olarak karşı iyonlar ile oluşturulmaktadır. Her iki katman da iyon bulutu olarak bilinen elektrostatik çift tabakayı temsil eder. 3

Zeta potansiyeli ölçülür, çünkü yüzey potansiyeli doğrudan belirlenemez. Bu durumda, bir elektrik alanında parçacıkların göç hızı değerlendirilir. Elektrostatik yüklü parçacıklar bir elektrik alanında hareket ettiğinde, iyon bulutunun bir kısmını onlarla birlikte alırlar. İyonların pigment yüzeyine uzaklığı ne kadar yüksek olursa, pigment yüzeyi ile etkileşim o kadar düşük olur. 3

Gevşek bir şekilde bağlanan dağınık tabaka kesilir ve bu kesme düzlemindeki potansiyel zeta potansiyeli olarak adlandırılır. Zeta potansiyeli ne kadar yüksekse, pigmentlerin stabilizasyonu o kadar iyidir (Şekil 2). Zeta potansiyeli sıfıra yaklaştıkça, parçacıkların aglomera eğilimi artar.

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-3

Şekil 2. Elektrostatik stabilizasyon modu

Zeta potansiyeli, su bazlı formülasyonlarda başka bir hayati mekanizma olan sterik stabilizasyonu tanımlamaz. Sterik stabilizasyon iyonlar tarafından elde edilmez ve bu nedenle potansiyel ölçülemez.

Sterik Stabilizasyon

Elektrostatik stabilizasyonun aksine, sterik stabilizasyon için polimerik yan zincirler gereklidir. Yan zincirler kendilerini pigment yüzeyine ekler ve katkı maddesinin adsorpsiyonunu garanti eder. Pigment parçacıkları birbirine yaklaştığında, polimerik yan zincirler hareketliliği ve entropiyi azaltır.

Pigment partikülleri arasındaki etkileşimlerin azaltılması, stabilizasyonda önemli bir faktördür aksi halde flokülasyona neden olur (Şekil 3). Bu etkileşimler ayrıca parçacıkların hareketini kısıtlar ve viskoziteye yol açar. Stabilizasyon ne kadar iyi olursa, etkileşimler o kadar düşük olur ve bu nedenle viskozite düşer.

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-4

Şekil 3. Katkı maddesi içeren ve içermeyen pigment partikülleri arasındaki etkileşim

Elektrosterik Stabilizasyon

Islatıcı ve dağıtıcı katkı maddeleri karmaşık taleplere sahiptir, bu nedenle bazen elektrostatik ve sterik stabilizasyonu birleştirmek yararlıdır. Bu mekanizma elektrosterik stabilizasyon olarak bilinir. Elektrosterik katkılar, stabilizasyon ve dayanıklılık için yüksek talepleri yerine getirme yeteneğine sahiptir.

Elektrosterik katkı maddeleri, pigment partiküllerinin birbirine “kontrollü flokülasyon” ile yaklaşmasını önler (Şekil 4). Katkı maddesinin molekülleri, birbiriyle ve pigment yüzeyiyle etkileşir, üç boyutlu bir ağ oluşturur. 1 Pigmentlerin yüzmesi, farklı pigment hareketliliğinin bir sonucudur. Elektrosterik stabilizasyon ile, pigmentler aynı renkteki topaklara yapışır ve dispersiyonda yüzmeyi önler.

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-5

Şekil 4. Katkı moleküllerinin çapraz bağlanmasıyla kontrollü flokülasyon diyagramı

Sonuçlar ve Tartışma

Farklı pigment konsantrelerinin hazırlanması için demir oksit sarısı ve demir oksit kırmızısı için su bazlı bağlayıcı içermeyen pigment konsantrelerinin tipik formülasyonları kullanılmıştır (Tablo 1 ve 2). Üç farklı poliakrilat tuzları, bir yüksek polimerik katkı maddesi ve yeni bir katkı maddesi test edildi.

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-6

Tablo 1. Sarı demir oksit formülasyonu

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-7

Tablo 2. Kırmızı demir oksit formülasyonu

Parçacık Boyutu ve Gizleme Gücü

Işık saçılımı ile belirlenen pigment parçacıklarının gizleme gücü, parçacık büyüklüğü ile ilgilidir. İnorganik pigmentler, dağınık ışığın (l / 2) dalga boyunun yarısı kadar bir parçacık boyutunda ışık saçılımında maksimum bir ışık gösterir (Şekil 5).

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-8

Şekil 5. Işık saçılımının parçacık çapı büyüklüğü ile ilişkisi

Hazırlanan renklendiriciler, bir stiren akrilik emülsiyonu ile yıkıldı. Siyah ve beyaz grafiklerde çizimler hazırlandı. Gizleme gücü, beyaz üzerine ve siyah üzerine çizilen çizimler arasındaki delta E değeri ölçülerek belirlendi (Tablo 3). Delta E değeri ne kadar düşükse, gizleme gücü o kadar yüksek olur. Parçacık büyüklüğü dağılımı, dinamik ışık saçılımı (MicroWra by MicroTrack) kullanılarak ölçülmüştür. Yeni katkı maddesi ile, sarı demir oksit partikül büyüklüğü optimum (l / 2) ‘ye yakındı. Bu parçacık büyüklüğü ile en yüksek gizleme gücü elde edilebilir.

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-9

Tablo 3. Parçacık büyüklüğü tarafından belirlenen gizleme gücü

Viskozite ve Kararlılık

Pigment konsantrelerinin viskozitesi, preparasyondan 24 saat sonra ölçüldü (Şekil 6). Ölçüm için bir koni plakalı reometre kullanıldı. Gelecek çalışma, 50 ° C’de fırında iki hafta boyunca viskozite okumalarını içerir.

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-10

Şekil 6. Ortam koşullarında 24 saatlik viskozite değerleri

Poliakrilat katkı maddeleri başlangıçta sarı demir oksit ile faydalı sonuçlar göstermiştir. Polimerik katkı maddesi ve yeni katkı maddesi, sarı oksit ile çok güçlü bir viskozite azalması sergiledi. Kırmızı demir oksit için daha çeşitli sonuçlar bulunmuştur. Poliakrilat katkı maddelerinden sadece biri işlenebilir bir viskozite sağlayabilir. Polimerik ve yeni katkı maddesi daha düşük bir viskozite sağladı.

Zeta Potansiyeli

Zeta potansiyeli, % 5’lik bir pigment bulamacında ölçüldü. İlgili katkı maddesi, sabit bir zeta potansiyeline ulaşılana kadar titre edildi. Zeta potansiyeli üzerindeki en yüksek etki pigment üzerinde % 0,5’e varan katı katkı maddesi ile görülebilir. En düşük zeta potansiyeli, en güçlü stabilizasyonun elektrostatik kimya ile gerçekleştirildiğini yansıtan poliakrilatlar ile elde edildi. Beklendiği gibi, yüksek polimerik katkı maddesinin zeta potansiyeli üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktu. Bu katkı sınıfı herhangi bir elektrostatik stabilizasyon sağlamaz. Yeni katkı maddesi poliakrilatlar ve polimerik katkı maddesi arasında bir zeta potansiyeline sahipti (Şekil 7 ve 8).

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-11

Şekil 7. Sarı demir oksit zeta potansiyeli

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-12

Şekil 8. Kırmızı demir oksit zeta potansiyeli

Tek başına zeta potansiyeli, viskozite ve stabilite ölçümü ile elde edilen sonuçları tamamen yorumlayacak kadar yeterli değildir. Zeta potansiyeli, pigment partiküllerinin sterik stabilizasyonu hakkında bilgi vermez. Sterik stabilizasyonun performansa faydalı bir şekilde katkıda bulunmasıyla, sonuçlar aşağıdaki gibi yorumlanabilir (Şekil 9 ve 10). Demir oksit parçacıklarını stabilize etmek için belirli bir miktarda stabilizasyon enerjisi gereklidir. Bazı durumlarda, elektrostatik enerji pigmentleri kendi başına dengeleyemez. Bazen ek sterik stabilizasyona da sahip olmak gerekir.

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-13

Şekil 9. PY 42’nin stabilizasyonu

kirmizi-ve-sari-demir-oksitler-icin-dispersant-teknolojisi-gorsel-14

Şekil 10. PR 101’in stabilizasyonu

Sonuç

Sonuçlar, yeni katkı maddesinin geniş bir demir oksit pigmentleri yelpazesi ile çok yüksek bir seviyede gerçekleştirildiğini göstermektedir. Mükemmel viskozite azaltma ve mükemmel gizleme gücünü birleştirir. Yeni katkı maddesi, elektrostatik ve sterik stabilizasyon arasında optimize edilmiş bir denge sağlar ve bu da onu çok verimli bir katkı maddesi haline getirir. Bu katkı, karmaşıklığı azaltır ve dekoratif kaplamaları formüle etmek için daha ucuz bir yönteme katkıda bulunur.

STM Coatech, SSPC PCI (Uluslararası Kaplama Enspektörlüğü) ve Corrodere (MPI Group England) Türkiye, Romanya, Ukrayna, Gürcistan, Rusya, Azerbaycan, Turkmenistan, Kazakistan, Irak, Katar, Kuveyt, Umman, Sudan ve Cezayir resmi lisansörüdür.

Ayrıca Türkiye başta olmak üzere yukarıda bahsetmiş olduğumuz ülkelerin yetkili sınav merkezidir. Corrodere Enspeksiyon Kursları aşağıda sıralanmıştır.

  1. Icorr Level 1
  2. Icorr Level 2
  3. Icorr Level 3
  4. IMO PSPC
  5. Corrodere Hot Galvanizing
  6. Corrodere Insulation Inspector
  7. Practical Workshop Icorr 1,2,3
  8. Corrodere Marine & Offshore Inspector
  9. Transition to Icorr

Referanslar:
1.Paint and Coatings Industry, Dispersant Technology for Red and Yellow Iron Oxides, Erişim Tarihi: 22 Ekim 2018, https://www.pcimag.com/articles/102134-dispersant-technology-for-red-and-yellow-iron-oxides
2.Evonik Corporation, TEGO Chemie Service GmbH. TEGO Journal, 4th ed.; 2012. pp 79-89.
3.Heilen, W. Additives for Waterborne Coatings. European Coatings Literature,  Vincentz Network GmbH & Co.: Hannover, Germany, 2009.
4.Winkler, J. Dispergieren von Pigmenten und Füllstoffen. European Coatings Literature, Vincentz Network GmbH & Co.: Hannover, Germany, 2012.