Dış cephe boyalarında uv dayanımının arttırılması için yeni nesil çinko oksit bazlı nano katkıların ve hibrid bağlayıcıların geliştirilmesi
Developing new generation zinc oxide based nano additives and hybrid binders for improving uv resistance of exterior paints
Yazar: MESUT EREN
Danışman: PROF. DR. HATİCE KAPLAN CAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Boya endüstrisinin teknolojik gelişimi ile birlikte son kullanıcılar tarafında inşaat boyalarını kalitesi ve dayanıklılığı beklentileri devamlı artmaktadır. Bu boyaların kar sınırı dar olduğundan üreticiler devamlı olarak makul maliyetle iyileştirme sağlayacak katkılar için araştırmaktadır. Nano çinko oksit düşük maliyeti,  bilinen UV absorpsiyon kapasitesi ve diğer boya bileşenlerine göre zehirsizliği nedeniyle son zamanlarda denenen popüler katkılar arasında kabul edilmektedir. 
Bu çalışmada dış cephe boyaları bağlayıcıyısı olarak kullanılmak üzere, metakrilik asit veya akrilamid veya benzofenon metakrilat/ metakrilik asit komonomerleri de içeren, metil metakrilat-butil akrilatın yarı kesikli çekirdek veya monomer açlığı yöntemi ile emülsiyon polimerizasyonları gerçekleştirilmiştir. Polimerizasyon esnasında değişik tipte hibridler hazırlamak üzere monomer beslemesine modifiye olmamış toz veya suda dispers nano çinko oksit, hidrofilik veya hidrofobik silan modifiye nano çinko oksit katılmıştır.
Metakrilik asit içeren komonomerler katıldığı durumda nano ZnO, asit grupları ile tepkimeye girerek çapraz bağlanma tepkimelerine katılan çinko metakrilat veya çinko dimetakrilatı oluşturmaktadır.  Katılan modifiye olmamış veya modifiye nano ZnO miktarı eşdeğerlik noktasına kadar artırılmış ve bazı durumlarda da eşdeğerlik noktasının üzerine çkılmıştır.. Polimer emülsiyonları ve bunlardan hazırlanan şeffaf polimer filmleri bilinen yöntemlerle karakterize edilmiştir. Eşdeğerlik noktasına kadar çinko oksitlerin çinko metakrilatlara dönüşümü FTIR ve UV-Vis spektrumları ile doğrulanmıştır.
Polimer emülsiyonları opak ve transparent baz boyalar hazırlanmasında kullanılmıştır. Bu baz boyalar bir kırmızı pigment pastası ile renklendirilmiş ve renkli boyalar elde edilmiştir. Polimer emülsiyonlarından hazırlanan şeffaf polimer filmleri ve boyalardan hazırlanan filmler UV ışıması-yoğuşma hızlandırılmış yaşlandırma testine tabii tutulmuştur. 1000 saate kadar her 250 saatte bir renk parametreleri, parlaklık ve temas açısı değişimleri belirlenmiştir. Optik mikroskop ve bazı durumlarda da AFM ve FTIR kullanarak ilave karakterizasyonlar yapılmıştır. Çinko metakrilat çapraz bağlanması ve bazı durumlarda da ayrıca nano ZnO bulunması,  boya ve polimer filmlerinde kabarmaların engellenmesinde, parlaklık ve renk kararlılığında önemli iyileşmeler sağlamıştır.

Anahtar Kelimeler: nano çinko oksit; çinko metakrilat; akrilik emülsiyon polimerizasyonu; dış cephe boyası; hızlandırılmış yaşlandırma

Abstract:
Along with technological development of paint industry,  the quality and durability expectations the final consumers for architectural paints is continiously increasing. Since the profit margin of these paints is low and competition is serious, the manufacturers are continuously researching for additives which shall provide improvement with reasonable cost.  Nano zinc oxide is accepted to be among recent popular additives on trial, due to its low cost, known UV absorption capacity and is considered to be non toxic in comparison with other paint components.
In this work, semi-batch seed or monomer starved emulsion polymerization of methyl methacrylate-butyl acrylate containing either methacrylic acid or acrylamide or benzophenone methacrylate/methacrylic acid co-monomers were carried out to prepare binders for exterior architectural paints. During polymerization, unmodified powder or water dispersed nano zinc oxides or hydrophilic or hydrophobic silane modified nano zinc oxides were added to monomer feed to prepapare different types of nano zinc oxide hybrids.
In case of addition of methacrylic acid containing co-monomers nano ZnO reacted with acid groups to form zinc methacrylate or dimethacrylate which participated in crosslinking reactions. The amount of nano ZnO added was increased up to the equivalence point and in several cases exceeded for unmodified or modified nano zinc oxides. The emulsions and clear polymer films obtained from them were characterized with conventional methods. FTIR and UV-Vis spectra confirmed the transformation of nano zinc oxide to zinc methacrylates up to the equivalence point.
The emulsions were used for preparing of opaque and transparent base paints. These base paints were tinted with a red pigment paste and colored paints were obtained. The paints and clear polymer films obtained from emulsions were subjected to UV exposure-condensation accelerated weathering test The color parameters, gloss and water contact angle changes were determined for every 250 hours up to 1000 hours. Optical microscopy and for some cases AFM and FTIR were also used for further characterizations. Presence of zinc methacrylate cross linking and in some cases, additional presence of nano ZnO, provided blistering prevention and significant improvement of gloss and color stability.

Key words: nano zinc oxide; zinc methacrylate; acrylic emulsion polymerization; exterior paint; accelerated weathering