Su bazlı inşaat boyalarının performansına farklı dolgu maddelerinin etkilerinin incelenmesi
Evaluation of the effects of various fillers on the performance of waterbased architectural paint
Yazar: SEHER GENÇ TAŞDELEN
Danışman: PROF. DR. HANZADE AÇMA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Boya ve kaplamalar koruyuculuk veya dekoratif amaçlı kullanılan ve uygulandığı yüzeyde ince bir film tabakası bırakan kimyasal maddelerdir. Çözücü tipine göre solvent bazlı ve su bazlı olarak sınıflandırılmaktadır. Ayrıca kullanım alanlarına göre endüstriyel boyalar, inşaat boyaları, ahşap boyaları, mürekkep vs gibi sektörel dağılımları mevcuttur. 
Üretiminde bağlayıcı, katkı maddeleri, pigment ve dolgular ile çözücüler bulunmaktadır. 
Bağlayıcılar boyaya genel olarak istenilen çoğu özelliği veren ve boyanın ana hammaddesi olan kimyasallardır. Solvent bazlı sistemlerde hava kurumalı alkid, tek bileşenli akrilik, 2K akrilik, doymuş poliester, doymamış poliester, 2K epoksi vs olmak üzere farklı kimyasal yapıdaki reçineler kullanılır. Su bazlı sistemlerde ise stiren akrilik, vinil akrilik ve saf akrilik gibi reçineler kullanılır.
Katkı maddeleri ise boyaya az miktarda katılan ama etkisi büyük olan kimyasal maddelerdir. Genel olarak ıslatıcı ve dispersiyon ajanları, köpük kesiciler, kalınlaştırıcılar (reoloji ajanları), matlaştırıcılar gibi katkı maddelerini içerirler.
Pigmentler ise inorganik, organik ve karbon karası olmak üzere üç gruba ayrılabilir. İnorganik pigmentler TiO2, demir oksit sarı, demir oksit kırmızı vs, organik pigmentler magenta, kırmızı, 
mavi (PBl 15:3 vs) gibi pigmentleri içerir. Dolgular kalsit, talk, barit, kaolen, mika, dolomit, 
silika vs gibi mineralleri içerir. Doğal mineral dolgular hem ucuzdur hem de çevreye zararlı 
değildir.
Çözücüler ise su veya ksilen, toulen, nafta, bütil asetat gibi solvent gruplarını içermektedir.
Günümüzde boya sanayisi Küresel Regülasyonlar gereği solvent bazlı sistemlerden su bazlı sistemlere geçiş yapmaktadır. Bu noktada boya endüstrisinin su bazlı boya sistemiyle ilgili çalışmaları devam etmektedir ve bu boyaların nasıl kullanılacağı ve uygulanacağı konusundaki bilgi birikimi hala öğrenme aşamasındadır. 
Ayrıca çevre dostu ürünlerle çalışmalara başlanmış olup, üretilen ham maddelerin de çevre dostu olan ham maddeler olmasına dikkat edilmektedir. Boya sektöründe TiO2 pigmenti gibi üretiminde zararlı maddelerin oluştuğu ham maddelerin miktarı azaltılmak veya tamamen ortadan kaldırılması istenmektedir. Yine de beyazlık ve örtücülüğün TiO2 pigmenti kadar iyi olan bir başka pigment veya dolgu arayışları hala devam etmektedir. 
Bu çalışmada su bazlı orta PVC içeren inşaat boyası sisteminde çalışılmıştır. Boya hazırlanırken su, pH ayarayıcı ve HEC karıştırılıp daha sonra köpük kesici, dispersiyon ajanı ve diğer katkılar ilave edilmiştir. Ezim aşamasında TiO2, kalsit (5µm), talk kullanılmıştır. Alt ilavede kaynaştırıcı ajan ile bağlayıcı kullanılıp boyalar hazırlanmıştır. İncelenecek dolguların performanslarının değerlendirilmesi için TiO2 miktarı %3, %5 ve %10 oranlarında azaltılmış ve azaltılan oranlar kadar kaolen, PCC, mika, PPWax ilave edilmiştir. 
Hazırlanan boyaların ezim değerleri grindometre ile kontrol edilmiş ve ilk çıkış viskoziteleri reometre ile farklı kesme kuvvetlerinde ölçülüp boyaların akışkanlık profillerinin "Psödoplastik yapıda" olduğu görülmüştür. Daha sonra bu boyaların örtücülük performansına bakılmıştır. Boyaların ayrıca beyazlık ve sarılık değerleri ölçülmüş dolguların etkisi karşılaştırılmıştır. Boyalar PR122 standart bir pigment pasta ile tint edilip kartlara uygulanımış, kuruma tamamlandıktan sonra spektrofotmetreyle L* a* b* değerleri okutulup renk şiddetleri belirlenmiştir. Bu kartlara surfaktan sızıntısı 1 mL su damlatılıp 10 dk ve 30 dk bekletilmiş daha sonra su akıtılıp kuruması beklenmiş renk farkı (∆E) spektrofotometreyle ölçülmüştür. Boyalar yaş ovalama direnci testi için kartlara uygulanmış ve silinebilirliği simüle eden cihazda test edilmiştir. Bu test ile film kaybı ve parlaklık farkı ölçülmüştür. Su direnci için boyalara su damlatılmış üzeri cam kaplarla kapatılmış ve gece boyu bekletilmiştir, yüzey kusurları incelenmiş ve puanlanmıştır. Aynı zamanda temas açılarıyla boyaların hidrofobik/hidrofilik karakterleri tespit edilmiş, sertlik değerlerine de Pendulum cihazıyla bakılmıştır. Hazırlanan boyalar depolama stabilitesi için 50°C sıcaklıkta 2 hafta boyunca etüvde bekletilmiştir, daha sonra ayrışma, çökme ve viskozite değişimleri kontrol edilmiştir.
Oranı azaltılan TiO2 yerine ilave edilen dolguların oranı arttıkça viskozite değerlerinin beklendiği gibi kısmen arttığı gözlemlenmiştir. Depolama stabilitesi sonrasında çökme ve ayrışma gözlemlenmemiştir. %10 PPWax içeren boyada jelleşme başladığından bu oranın yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Renk şiddetinde ise %3 PCC, %5 mika ve %3 ile %5 PPWax içeren boyalar referansa paralel sonu vermiştir. Beyazlık ve sarılık değerleri incelendiğinde referansa en yakın sonuçlar PCC ve PPWax ile elde edilmiş olup sarılık değeri en düşük olan PPWax içeren boya olduğu gözlemlenmiştir. 
Örtücülük testinde ise her dolguda spesifik oranda başarılı bir değer yakalanmıştır. Parlaklık 
değerlerinde büyük bir farklılık yoktur. 
Yaş ovalama direncinde ise PCC içeren boyaların bir etkisi yokken kaolen, mika ve PPWax içeren boyalar performansı iyileştirmiştir. Oluşan parlaklık farkı minimum olanlar ise %10 kaolen ve %10 mika ile %3 PPWax içeren boyalardır. Dolguların temas açılarını arttırdığı görülmüştür ve sertlik değerleri PPWax içeren boyalar hariç bir miktar artmıştır. Su direnci performansında ise mika ve %10 PPWax içeren boyalar hariç diğerlerinde iyileşme görülmüştür.
Sonuçlar incelendiğinde kullanılan dolguların gerek parçacık boyutu, gerek yağ absorpsiyonu,kırılma indisi veya morfolojisi sebebiyle farklılıklar olduğu ve kısmen TiO2 yerine kullanıldığında boya performansına belli konularda olumlu özellikler katarken örtücülük üzerine olumsuz bir etkisi olmadığı görülmüştür. 
Genel olarak en iyi performans %3 PPWax ilaveli boyada elde edilmştir. Daha sonra %3 mika içeren boya, %5 PCC içeren boya ve %3 kaolen içeren boyalarda iyi performans elde edilmiştir. %5 PCC içeren boyanın genel performansı %3 PPWax içeren boyadan bir miktar düşük olsa da TiO2 oranı daha çok azalacağı için tercih edilebilir veya bu dolgular kombinasyonlar şeklinde de kullanılabilirler.

Abstract:
Paints and coatings are chemical substances that are used for protection or decorative purposes 
and leave a thin film layer on the surface where they are applied. According to the solvent type, 
it is classified as solvent-based and water-based. In addition, industrial paints, architectural 
paints, wood paints, ink etc. are available in the sector distributions according to their areas of 
use. 
Its production includes binders, additives, pigments and fillers and solvents. 
Binders are chemicals that give the paint most of the generally desired properties and are the 
main raw material of the paint. In solvent-based systems, resins with different chemical structures are used, including air-drying alkyd, one-component acrylic, 2K acrylic, saturated polyester, unsaturated polyester, 2K epoxy etc. In water-based systems, resins such as styrene acrylic, vinyl acrylic and pure acrylic are used. Additives are chemical substances that are added to the paint in small amounts but have a great effect. In general, additives are wetting and dispersing agents, defoamers, thickeners (rheology agents), matting agents. 
Pigments can be divided into three groups as inorganic, organic and carbon black. Inorganic pigments include pigments such as TiO2, iron oxide yellow, iron oxide red etc., organic pigments are magenta, red, blue (PBl 15:3 etc.). Fillers contain minerals such as calcite, talc, barite, kaolin, mica, dolomite, silica, etc. Natural mineral fillers are both cheap and are not harmfull to environment.
Solvents include water or solvent groups such as xylene, toulen, naphtha, butyl acetate. 
Nowadays, paint industry is transitioning from solvent-based systems to water-based systems in accordance with Global Regulations. At that part paint industry has a problem for waterbased paint system because knowladge about how to use and apply the water-based paint is still in the learning phase. 
In addition, studies have been started with environmentally friendly products and also raw materials used in the paint formulation should be environmentallt friendly product. These raw materials production process should not be harmful. In the paint industry, it is desirable to reduce or completely eliminate the amount of raw materials in which harmful substances are formed in its production, such as TiO2 pigment. Nevertheless, the search for another pigment or filler, that has whiteness and hiding power as good as the TiO2 pigment, is still ongoing. 
In this study, a water-based architectural paint system containing medium PVC was tested.During the preparation of the paint, water, pH adjuster and HEC were mixed and then defoamer, dispersing agent and other additives were added. TiO2, calcite (5μm), talc were used during the grinding stage. Coalescing agent and styrene acrylic binder were added at the let down stage. In order to evaluate the performance of the fillers to be examined, TiO2 was reduced by 3%, 5% and 10% and kaolin, PCC, mica, PPWax were added as much as the reduced rates. 
The grinding values of the prepared paints were checked with the grindometer and the initial viscosities were measured at different shear rates with the rheometer and it was seen that the fluid profiles of the paints were "Pseudoplastic". Then, the hiding power performance of these paints was checked by applying the paints on the Leneta cards and measured by spectrophotometer. In addition, the whiteness and yellowness values of the paints were measured and the effect of the fillers were compared.The paints were tinted with a PR122 standard pigment concentrate and applied onto the cards by applicator, and after the drying was completed, L* a* b* values were measured with the spectrophometer and the color strength was determined. 1 ml of water was dropped on these cards for surfactant leaching test and left for 10 minutes and 30 minutes. Afterwards, water poured and the cards left for drying. The color difference in the place where the water was dripped was measured by spectrophotometer. The paints were applied to the cards for wet scrub resistance test and the device that simulated wipeability was used for testing. Afterwardsfilm loss and brightness difference were measured. For water resistance test, water was dripped into the paints, covered with glass containers and kept overnight, surface defects were examined and scored. At the same time, the 
hydrophobic/hydrophilic characters of the paints were determined by contact angle measurement device and the hardness values were examined with the Pendulum hardness measurement device. The prepared paints were kept in the oven for 2 weeks at a temperature of 50°C for storage stability, then the syneresis, precipitation and viscosity changes were checked. 
It has been observed that the initial viscosity values partially increase as the proportion of fillers, added instead of TiO2 whose ratio is reduced, increases, as expected. After storage 
stability, no sedimentation and syneresis were observed. It was concluded that this rate was high since gelling started in the paint containing 10% PPWax. 
In color strength, paints containing 3% PCC, 5% Mica, and 3% to 5% PPWax gave the similar results to the reference paint. When the whiteness and yellowness values were examined, the results closest to the reference were obtained with PCC and PPWax and it was observed that the paint containing PPWax had the lowest yellowness value.
In the hiding power test, each filler has good results in their specific amount used. There is no 
major difference in brightness values. 
In wet scrub resistance test, PCC-containing paints had no effect, while paints containing kaolin, mica and PPWax improved performance. The minimum gloss difference was 10% kaolin and 10% mica and 3% PPWax containing paints. 
Fillers have been shown to increase contact angles and their hardness values have increased slightly, with the exception of paints containing PPWax. 
Water resistance performance improved with the exception of paints containing mica and 10% PPWax.
When the results were examined, it was seen that the tested fillers had differences due to particle size, oil absorption, refractive index or morphology. When the fillers were used partially instead of TiO2, they added positive features to the paint performance in certain subjects but had no negative effect on hiding power. 
Overall, the best performance was achieved with 3% PPWax additional paint. Subsequently, good performance was achieved in paints containing 3% mica, paints containing 5% PCC and paints containing 3% kaolin. Although the overall performance of paint containing 5% PCC is slightly lower than that of paint containing 3% PPWax, it may be preferred because the TiO2 ratio will be reduced more, or these fillers can also be used in combinations.