Hızlı kuruyan su bazlı kaplama malzemelerinin sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of fast dry water based coating material
Yazar: MAHİR KAPLAN
Danışman: PROF. DR. AHMET KAŞGÖZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Emülsiyon polimerleşmesi = Emulsion polimerization ; Kopolimerler = Copolymers

Özet:
Emülsiyon polimerizasyonu; su bazlı bir emülsiyon, en az bir monomer ve sürfaktan ile
başlayan serbest radikal polimerizasyonu prosesidir. Polimerizasyon işlemi sırasında,
sürfaktanlar partikül nükleasyonu için alanlar oluşturur, partikül büyüklüğünü kontrol eder ve
partiküller oluştukça kolloidal stabiliteyi sağlar. Yüksek su duyarlılıkları nedeniyle, geleneksel
anyonik sürfaktan içeren emülsiyon polimerleri suya karşı zayıf bir dirence sahiptir.
Alkali çözünür reçineler (AÇR'ler), hem hidrofobik kısımlara hem de karboksilik asit gibi
fonksiyonel gruplarına sahip olan spesifik tipte polimerik yüzey aktif maddelerdir. Geleneksel
yüzey aktif maddeler esas olarak emülsiyon polimerlerinin stabilizasyonu için kullanılır. Bu
durum ayrıca, lateks parçacıklarına elektrosterik stabilizasyon sağlayan alkali çözünür reçineler
ile de elde edilebilir. Böylece, geleneksel yüzey aktif maddelerin miktarı azaltılabilir veya
tamamen değiştirilebilir. Alkali çözülebilir reçineler, çıkarılabilir koruyucu kaplamalar, basınca
duyarlı yapışkanlar, su bazlı grafik sanatları ürünleri, deri kaplamaları, kağıt kaplamaları ve
inşaat malzemeleri gibi çeşitli alanlarda kullanılabilir.
Bu çalışmada, bimodal partikül boyutu dağılımına sahip alkali çözünür reçine destekli
emülsiyon polimerleri sentezlenmiştir. Aynı zamanda, bu tür emülsiyon polimerlerini üretmek
için yöntem geliştirilmiş ve özellikle hızlı kuruma istenen uygulamalarda bu AÇR stabilize
polimerin kullanımına ilişkin uygulamaları belirlenmiştir.
HIZLI KURUYAN SU BAZLI KAPLAMA MALZEMELERİNİN SENTEZ VE
KARAKTERİZASYONU
xv
Bu doğrultuda, elde edilen emülsiyon polimerleri, özellikle hızlı kurumaya ihtiyaç duyulan
uygulamalarda, örneğin hızlı kuruma sürelerine sahip boya bileşimlerinin yapımında, film
oluşturma ve kaplama bileşimlerinde kullanılabilir.
Doktora tezinde, emülsiyon polimerizasyonu yöntemiyle, alkali çözülebilir reçine kullanılarak
elde edilen polimerlerin partikül boyutu dağılımının kontrol edildiği yöntemler geliştirilmiştir.
Böylelikle, monomodal ya da bimodal partikül boyutu dağılımına ve yüksek katı içeriğe sahip
alkali çözünebilir reçine destekli emülsiyon polimerleri üretilmiştir.
Çalışmada farklı oranlarda MAA monomeri kullanılarak, MMA/EA, ST, EHA, ACN, BA
bileşimlerinde AÇR'ler hazırlanmıştır. Ardından bu AÇR'ler kullanılarak; MMA/ST ve
MMA/EA bazlı polimerler sentezlenmiştir. Ürünlerin FTIR spektroskopisi analizi, termal
analizi (DSC), gaz kromatografisi (GC), partikül boyutu analizi (PBD), optik analizi (TEM),
molekül ağırlığı analizi (GPC), reolojik analiz, yapısal analizleri (NMR) ile, alkali çözünür
reçine ve polimerlerde kullanılan farklı hidrofilitedeki monomerlerin çözünürlük değerlerinin
ve buna bağlı olarak farklandırılan partikül boyut dağılımının kuruma üzerine etkileri, analiz
sonuçları ile birlikte bulgular kısmında verilmiştir.
AÇR sentezinde kullanılan MAA miktarı arttıkça, bu AÇR'ler tarafından üretilen polimerlerin
önce büyük bir ortalama partikül boyutu dağılımına, daha sonra bimodal yapıya geçtiği,
sonrasında dağılımın dar ve küçük tane boyutuna ulaştığı görüldü. AÇR'lerin çözünürlüğündeki
azalma ile oluşan polimerlerin ortalama partikül boyutu arasında doğru orantılı bir şekilde artma
olduğu bulundu.
Ayrıca, benzer MAA miktarlarına sahip AÇR kullanılarak oluşturulmuş, ancak yapıdaki komonomerin
farklılaştırılmasıyla sentezlenen polimerlerin partikül boyutu dağılımı, kullanılan
monomerin suda çözünürlüğüne bağlı olarak değişti. Suda çözünürlük arttıkça; bu monomerlere
sahip AÇR'ler tarafından üretilen polimerler önce büyük bir ortalama partikül boyutu dağılıma,
daha sonra bimodal yapıya geçtiği, sonrasında dağılım dar ve küçük tane boyutuna ulaştığı
görüldü.
Yapılan çalışmada, geleneksel sürfaktanlı sistemler ile üretilen polimerlerin su tutucu
özelliklerinin kuruma zamanını negatif olarak etkilemeleri nedeniyle, AÇR kullanılarak
sentezlenen polimerin, geleneksel polimere göre çok daha hızlı kuruduğu görüldü. Bimodal
partikül büyüklüğü dağılımı ile sentezlenen yüksek katı düşük viskoziteli polimerlerin ihtiva
ettiği su miktarının az olması nedeniyle daha hızlı kuruduğu gözlendi. Bunun yanı sıra
hidrofobite arttıkça, yüzey gerilimi ve ıslanma özelliğinin düşmesi, yüzeyde adsorplanan
ve/veya absorplanan su miktarının azalması, hızlı kurumaya sebep oldu.
Geleneksel sürfaktanlar ile hazırlanmış lateksler ve yeni geliştirilen AÇR bazlı polimerlerin
boya aplikasyon çalışmaları, ovma direnci, kuru/ıslak yapışma ve mekanik dayanımının AÇR
bazlı polimerlerde daha yüksek olduğunu gösterdi.

Abstract:
Emulsion polymerization is a type of free radical polymerization process which most of the
time starts with an emulsion incorporating water, at least one monomer and a surfactant. During
the polymerization process, surfactants provide sites for particle nucleation, controls the particle
size and provide colloidal stability as the particles are formed. Due to their high water
sensitivities, they cause poor resistance to water for the emulsion polymers containing them.
Alkali soluble resins (ASR's) are specific type of polymeric surfactants which have both
hydrophobic parts and carboxylic acid functional groups. Conventional surfactants are mainly
used for stabilization of emulsion polymers. This can also be achieved by alkali soluble resins
which provide electrosteric stabilization to the latex particles so that the amount of conventional
surfactants can be decreased or they can even be completely replaced. The applications of alkali
soluble resins have been possible in a variety of different fields such as removable protective
coatings, pressure sensitive adhesives, water-based graphic arts products, leather finishes, paper
coatings and construction materials.
This study relates to an alkali soluble resin supported emulsion polymer composition having a
bimodal particle size distribution. It also relates to a process for producing such an emulsion
polymer and to the use of this polymer in applications especially where fast drying is desired.
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF FAST DRY WATER BASED
COATING MATERIAL
xvii
Accordingly the resulting emulsion polymers can be used in film forming and coating
compositions especially in applications where fast drying is required, for instance in making
paint compositions having rapid drying times.
According to the present study, it is has been possible to provide a method for producing an
alkali soluble resin supported polymer by using emulsion polymerization process, where the
particle size distribution is controlled over a wide range. Additionally, a method for producing
an alkali soluble resin supported emulsion polymer that allows for a polymodal and/or bimodal
particle size distribution and a high solid content in the resulting emulsion polymer is also
provided.
In the study, ASR's were prepared in MMA / EA, ST, EHA, ACN, BA compounds by using
different ratios of MAA monomer. MMA / ST and MMA / EA based polymers were
synthesized with these ASRs. FTIR spektroskopy, thermal analysis (DSC), gas chromatography
(GC), Particle size distribution (PBD), optic analysis (TEM), molecular weight analysis (GPC),
reology, moleculer analysis (NMR) and drying time analysis were aplied.
It has been found out that as the amount of methacrylic acid (MAA) used in the alkali soluble
resin synthesis increases, the polymers made by these ASRs first have a large particle size
distribution, then pass to the bimodal structure, and then the particle size distribution becomes
narrow and small particle size. There is a direct relation between the solubility of the ASR and
average particle size of the polymers.
Furthermore, polymers formed using ASRs having the same MAA amounts but synthesized by
differentiation of the co-monomer in the structure; particle size distribution varies depending
on the water solubility of the monomer used. As the water solubility increases; it has been
observed that polymers in which the ASRs formed using these monomers are used have large
distributions of particle size first, then into bimodal structure, and then the distribution becomes
narrow and small.
In this study, the polymers produced with conventional surfactant systems have a negative
effect on the drying time due to their water-retaining properties, the polymer synthesized using
ACR was found to dry much faster than the conventional polymer. The high solids low viscosity
polymers synthesized by bimodal particle size distribution were found to dry faster because of
the less amount of water contained. In addition, as the hydrophobicity increases, the surface
tension decreases, the wetting property decreases, the amount of water adsorbed and / or
absorbed on the surface decreases, which caused fast drying.
Paint application studies of polymer prepared with conventional surfactants and newly
developed ASR-based polymers have shown; scrub resistance, dry / wet adhesion and
mechanical strength are higher in ASR based polymers.