Boya Nedir

Boyalar, çeşitli yüzeyler üzerine yüzey koruyucu veya dekoratif amaç için, çeşitli yöntemler kullanılarak uygulanan ve uygulandığı yüzey üzerinde belirli bir incelikte film tabakası oluşturan kimyasal maddelerdir. Farklı bir tanım olarak boya; askı durumundaki pigmentler ile sıvı haldeki bağlayıcı bir maddeden oluşan ve genellikle katı yüzeyler üzerine örtücü bir katman oluşturacak şekilde uygulanan koruyucu ve dekoratif kaplama malzemeleridir.

Yüzeyler üzerinde koruyucu ve dekoratif amaçla kullanılan boyanın tarihçesine bakıldığında koruyucu kaplama özelliği daha yakın bir zaman diliminde kullanılmaya başlanmış ve günümüzde devam etmektedir. Ancak dekoratif olarak boyanın kullanılması insanlık tarihinde yaklaşık 40000 yıl önceye denk gelmektedir.

Paleolitik ve neolitik dönemlerde boyar maddelerde genellikle çok fazla değişiklik ve çeşitlilik gözlenmemiştir. Siyah ve kırmızı rengin bazı tonları olarak gözlemlenmiş renkler, odun, kemik ve demir madeni kaynaklı olmuşlardır. Bitki ve toprak bazlı boyar maddelerin de mağara duvarlarında kullanılmaya başlanması, insanoğlunun ilk boya algısıyla tanışması olarak belirtilebilir.

İnsanoğlunun yerleşik yaşama geçmesiyle boya ve boyama tekniklerinde de gelişmeler meydana gelmiş, el ve parmak boyamalarının yerini fırça kalem gibi aletler almış, renk çeşitliliği artmıştır. Mağara çizimleri yerini duvar, alet ve ekipmanların boyanmasına, basit yün boyamalardan kumaş boyanması gelişimine bırakmıştır.

Doğal cevherlerin ilk pigmentler olarak kullanımı, ancak M.Ö 6. yüzyıl dönemlerinde kavrulmuş karışım ve çeşitli organik pigmentlerin keşfi ile azalmıştır. Yine yumurta akı, balmumu ve jelatin boya hammaddelerinden bağlayıcı olarak tarihte kullanılmıştır. Tarihte boyanın koruyucu özelliğini ilk kullananlar ise Mısırlılar olmuştur. Gemilerinde oluşan delik ve yarıkları zift ve doğal reçineler yardımı ile kapatan Mısırlıların uyguladığı bu yöntem diğer antik halklar tarafından da uygulanmıştır.

Boya endüstrisinin önemli gelişmelerinden birisi de 1800’lü yılların ortalarında titan oksit, çinko oksit kurşun sülfatın reçine esaslı bağlayıcılar ile birlikte kullanılmasıyla boya üretilmesidir. Daha sonra plastik endüstrisindeki gelişimler, 1920’li yıllarda selülozikler, 1945’li yıllarda ise akrilik ve PVC bağlayıcıların boya imalatında kullanımını sağlamıştır. Sentetik boyalar 19.yy sonlarına kadar üretilememiş olsalar da, gelişmeleriyle boya hammaddelerinde kullanımlarının (sentetik polimer bağlayıcılar, sentetik renk pigmentleri gibi) artması, boyaların fiziksel ve kimyasal yapılarının incelenmesini, aşınmaya ve korozyona dayanıklı ve yanmayı geciktirici boyaların yapılmasının önünü açmışlardır.

Önerilen Makale: Boya malzemeleri, boya teknikleri ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için jotun bayileri sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

 

Belirli şekillerde formüle edilen boyaların her ne kadar bileşenleri farklı olsa da, genel olarak boya içeriğindeki kimyasallar dört ana hammadde başlığında toplanabilir. Bu hammaddeler;

• Bağlayıcılar 
• Pigmentler ve Dolgu Malzemeleri 
• Çözücüler 
• Kimyasal Katkı Maddeleri şeklinde sınıflandırılır.

Bağlayıcılar: Bütün boya çeşitleri uygulandıkları yüzeyin üzerinde, sürekli, sağlam ve yapışan bir film oluşturmaktadır. Bağlayıcılar pigment ve dolgu maddelerinin içinde homojen olarak dağılarak bu filmi oluşturan kısmıdır. Bu nedenle aynı zamanda film oluşturucu olarak da anılırlar. Boyaların kuruma süresi, yapışması, sağlamlık, esneklik, kimyasal maddelere karşı gösterdiği direnç ve sertlik gibi fonksiyonel özelliklerinin büyük çoğunluğu bağlayıcının cinsi tarafından belirlenmektedir. Bağlayıcılar bütün boyanın omurgasını oluşturur, yüzeye yapışmasını sağlar ve aynı zamanda pigment parçalarını düzgün boya filmi oluşturmak üzere bağlar.

Genellikle doğal veya sentetik reçinelerin çözeltileri polimerleri veya dispersiyonları olan bağlayıcılar polimerik bağlayıcı grubunun yanı sıra monomer ya da oligomer yapıya sahip halde de olabilir. Bu tür bağlayıcılar, diğer grubun aksine çok büyük moleküllere sahip olmadıklarından çözücü ya da suyun buharlaşması sonucu sert ve sağlam bir film halinde yüzeyde kalamazlar, daha çok UV ışımalarının etkisi altında polimerleştirilir ve sert bir film oluşturacak molekül büyüklüğüne sahip olmaları sağlanır.

Boyanın yüzey üzerine iyi yapışması, bağlayıcı polimerin esnekliği, düz zincir ya da ağ yapıda olup olmaması ile ilgilidir. Polimerin düz zincirli olma oranı ile boyanın yüzey ile ilişkisi arasında doğru orantı kurulabilir.

Bağlayıcı olarak en yaygın kullanımlar, akrilik, vinil ve bunların kopolimerleridir. Vinil bağlayıcı, vinil (CH2 = CRX) monomerlerinin katılma polimerleşmesi ile Akrilik bağlayıcı ise, asit grubu (CH2 =CR-COOH) veya ester (CH2 =CR-COOR’) içeren monomerlerin katılma polimerleşmesinden oluşur. Akrilik bağlayıcılar, vinil bağlayıcılara göre ester gruplarının daha iyi yapışma özelliğinden dolayı boya üretimi kullanımında daha elverişlidirler.

Pigmentler ve Dolgu Malzemeleri: Boyanın tarihçesinde de bahsedildiği gibi doğadan saf halde ya da saflaştırarak veya sentetik yollarla elde edilen, bağlayıcı içerisinde mikron boyutlu katı asıltı halindeki tanecikler olarak bulunan pigmentler; boyaların renklendirilmesi, pas önleme ve örtücülük gibi amaçlarla kullanılan çoğunlukla inorganik esaslı katı maddelerdir. Pigmentler bağlayıcı ve çözücülerde çözünmezler. Boya üretiminin en önemli aşamalarından birisini pigmentlerin çözücü-bağlayıcı ortamında homojen bir biçimde yayılması oluşturur.

Pigmentlerin renk verme özelliklerini, kimyasal yapısında yer alan kromofor yani renk verici gruplar ile oksokrom- yardımcı renk grupları belirler. Pigmentlerin boyarmadde gibi renk verme özelliğine sahip diğer hammadde grubundan farkları, boyarmaddelerden daha yüksek ısıl kararlılığa ve dış dayanıma sahip olmalarıdır.

Boyanın örtücülüğüne etki eden önemli faktörlerden birisi de pigmentlerin kırınım indis dereceleridir. Kırınım indisi ışığın boşluktaki hızının belirtilen madde içerisinde sahip olduğu hıza oranıdır. Boya endüstrisinde kullanılan hammaddelerden en yüksek kırınım indisine sahip madde 2,76’lık değeri ile rutil titanyum dioksittir. Bu çalışmada da kullanılan rutil titanyum dioksit (TiO2), anataz isimli bir diğer çeşide daha sahiptir. Ancak rutil TiO2, daha sıkı bir molekül yerleşimine sahip olmasından dolayı yoğunluk ve kırınım indisi olarak daha yüksek değere sahiptir.

Pigmentler farklı şekilde sınıflandırılabilmektedir. Bunlar boya içerisindeki görev dağılımına göre;

• Ana pigmentler: Boyaya renk verme, örtücülük kazandırmaya yararlar. Başlıca örnekleri demir oksit, titanyum dioksit, çinko oksittir. 

• İşlevsel pigmentler: Boyaya korozyona, yanmaya dayanıklılık kazandırmak gibi özel görevleri olan pigmentlerdir. Fosfat, kromat, çinko oksit örnektir. 

• Pigmentsel katkı maddeleri: Boya üretiminde maddenin akış ve bozulmasının denetimini sağlamak, bakteri oluşumunu önlemek gibi amaçlara sahip katkı maddeleridir. 

• Çoğaltıcı pigmentler: Boyanın pigment hacmini kontrol için kullanılırlar. Çoğaltıcı pigment miktarı boyanın parlaklığını ve yayılma gibi mekanik özelliklerini etkiler. Alüminyum, baryum, kalsiyum gibi metallerin silikat ve karbonatları örnektir.

Pigmentler bu sınıflandırmanın haricinde inorganik pigmentler, organik pigmentler, sedef pigmentler ve alüminyum pigmentler şeklinde de sınıflandırılabilir. İnorganik ve organik pigmentlerin partikül boyutları 1µm’den daha az iken sedef pigmentlerin 2-110 µm, alüminyum pigmentlerin ise 8-80 µm arasındadır. Organik pigmentler moleküllerinde kromofora yani renk yapıcı atom gruplarına sahiptir, inorganik pigmentler ise çözünmeyen metal boya bileşiklerin oluşturduğu ve renklerinin temeli metal elektronlarının düzeyine bağlı olan pigmentlerdir.

Dolgu Maddeleri: Dolgular, renk ve örtücülüğü olmayan, içinde bulunduğu ortamda çözülmeyen, boyaya ekonomik fayda sağlamak amaçlı kullanılan ve boyanın bazı teknik özelliklerinde iyileşme sağlayabilen katı malzemelere denir. Dolguların pigmentlerden temel farkı renksiz olmaları ve boya filmi içerisinde saydam davranış sergilemeleridir. Örtücülük oranları pigmentlere göre çok daha azdır, fiyatları da daha uygundur. Dolgu maddeleri, doğal uygun kayalardan kimyasal çöktürme yöntemi kullanılarak elde edilen sülfat karbonat veya silikat bileşikleridir. Sektörde yaygın olarak kullanılan başlıca dolgu maddeleri kalsit, barit, talk, dolomit, ve silika dolgulardır.
Çözücüler: Boyaların akış ve biçim yapısının uygun bir şekilde ayarlanmasını sağlayarak boyanın yüzeye sürülebilmesini sağlayan, boya içerisindeki diğer maddeleri bir arada tutan ve boya uygulamasından sonra uçmak suretiyle giderek boyanın yüzeye ince bir tabaka halinde yapışmasını sağlayan, kimyasal maddelerdir. Çözücüler boyanın özelliğini bozmayan, kururken uçan ve boyanın kıvamını düzenleyen inceltici sıvılardır. Çözücüler bunun haricinde boyayı meydana getiren farklı organik bileşenlerin birbirleri içerisinde çözünmelerini, kuruma zamanı ve boyanın yüzeye yapışma kuvvetini etkiler. Çözücünün buharlaşma hızı da boyanın fiziksel ve mekanik özelliklerini önemli ölçüde etkileyen etmenlerdendir. Eğer çözücü çok çabuk buharlaşırsa, boyanın yayılma özelliği, polimer zincirlerinin birleşip yüzeyi kaplaması ve yüzeye yapışması için yeterli zaman bulamamasından dolayı azalır. Çözücünün çok geç buharlaşması da boya yüzeyinde akma tabir edilen yüzeyin üst kısımlarının alt bölümlere göre daha ince olmasına neden olur.

Katkı Maddeleri: Boyanın teknik özellikleri üzerinde önemli değişikliklere yol açan, boyanın üretimi uygulanması ve depolanmasında önemli etkinliklere sahip hammaddelerdir.

Boya üretimi ve depolanması süreçlerinde katkı maddeleri farklı özellikler sağlamak ya da boya üzerinde oluşabilecek olumsuz etmenlerin önüne geçmek için kullanılırlar. Katkı maddeleri boyanın cinsine ve kullanış amacına göre ilave edilir. Köpük oluşumunun giderilmesi, sert ve dayanıklı film oluşumu, ekstra parlaklık, matlık gibi özellikler kazandırılabilir. Boya endüstrisinde en yaygın kullanılan katkı maddeleri, kazandırdıkları özelliklere göre aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir:

• Köpük kesiciler: Yüzey geriliminin azaltılmasını sağlayarak dağılım esnasında molekül içerisine giren hava kabarcıklarının oluşturduğu köpüklerin patlayarak yok olmasını sağlarlar. Yüzey aktif maddelerdir. 

• Kalınlaştırıcılar: Boya kıvamını artırarak dolgu maddeleri ve pigmentlerin çökmesini engellerler. 

• Islatıcılar: Boya dağılımında pigment parçacıklarının bağlayıcı tarafından sarılması anlamına gelen ıslatma, boyanın dağılım ve yapışma kalitesini olumlu şekilde etkiler. Aynı zamanda ıslatıcılar pigmentlerin depolanma esnasında birbirleri ile tekrar bağ oluşturmasını da engellerler. 

• Film oluşturucular: Yüzey üzerine uygulanan boyada çözücü buharlaşırken polimer parçacıkları pigmentlerin etrafını sararak yayılır ve boya filmi oluşur. Bu katkı maddeleri yayılmayı artırarak polimerlerin yumuşamasını ve dolayısıyla pigment etrafını daha rahat bir şekilde sarmasını sağlar 

• Belirtilen katkı maddelerinin haricinde boya endüstrisinde çeşitli özellikler ve dayanıklılıklar kazandırmak için spesifik görevlere sahip katkı maddeleri de kullanılmaktadır. Özel katkı maddeleri olarak adlandırılabilen bu maddelere örnek olarak biyositler, UV (mor ötesi) dengeleyicileri, fungusitler, matlaştırıcılar ve pas önleyiciler verilebilir.
 

Boyalar sınıflandırma açısından sahip oldukları özellikler, son kullanım alanı, kuruma yöntemi, içerdiği bağlayıcı türü gibi birden fazla ölçüt göz önünde bulundurularak çeşitli şekillerde sınıflandırılır. Örneğin bağlayıcı çeşitlerine göre;

• Selülozik boya 
• Akrilik boya 
• Poliüretan boyalar 
• Epoksi boyalar şeklinde sınıflandırılır.

Ancak boya endüstrisinde en yaygın kullanım çözücü isimlerine göre boyaların sınıflandırılmasıdır. Aynı zamanda boya içerisinde kullanılan çeşitli bileşenlerin, boyanın üretimi ve kullanımı sonrası oluşturabilecekleri çevre kirliliği ve atıkların yönetimi dolayısıyla, atık kontrolü ve miktarının azaltılması açısından da çözücü temelinde sınıflandırılma yapılır. Çözücü cinsine göre boyalar:

• Solvent bazlı boyalar 
• Toz boyalar 
• Su bazlı boyalar olarak sınıflandırılır.

Solvent Bazlı Boyalar: Temel çözücü olarak tiner, etil glikol, tolüen gibi solvent bazlı çözücülerin kullanıldığı boyalardır. Organik solvent bazlı boyalar yapıları dolayısıyla önemli bir miktarda uçucu organik kimyasal içerirler. Solvent bazlı boyaların atıkları genellikle çevre için zararlıdır. Yanıcı ve tehlikeli sınıfta olan bu atıklar, yüksek ısıl içerik ile atık geri döngüsü, yeniden kullanılması gibi alanlarda da değerlendirilebilir. Ekolojik açıdan su bazlı ve toz boyalara göre tehlikeli olarak sınıflandırılabilecek solvent bazlı boyalarda, bağlayıcı olarak solvent kullanımının faktörleri fiyat, buharlaşma oranı, alevlenme noktası olarak örneklenebilir.

Toz Boyalar: Su bazlı ve solvent bazlı boyaların aksine toz boyalar çözücü içermezler. Toz boyalar pigment, bağlayıcı, kuruma ajanları, akış kontrol ajanları, güçlendirici dolgu maddeleri ve diğer katkı maddelerinden oluşurlar. Toz boyalar uygulandıkları yüzeylere elektrostatik püskürtme ve akışkan yatak teknikleri kullanılarak kuru halde uygulanır. Toz, bir film tabakası oluşturulacak şekilde ısı uygulanarak eritilir ve böylece boyanacak yüzey üzerine tutunur. Yüksek aktarım verimine sahip olması dolayısıyla çok az atık üreten ve çevresel avantaj oluşturan toz boyalarda anlatılan uygulama şekli en büyük dezavantaj olarak ortaya çıkar. Çünkü çoğu kaplama uygulama yöntemlerinde büyük ve ağır parçaların ısıtılması gerekmektedir. Yine elektrostatik toz püskürtme sistemlerinde bazı geometrilerde boya tozunun düzenli şekilde birikmesini engelleyebilecek elektrik alanları oluşmaktadır.

Su Bazlı Boyalar: Çözücü olarak su kullanılan boyalardır. Su bazlı boya grubunda sulu emülsiyonlar, suyla inceltilen kaplamalar bulunur. Emülsiyon kaplamalar, suda sentezlenen ve yüzey aktif madde içeren polimerlerden yapılmaktadır. Emülsiyon boyaları sıvı monomerin su içerisinde küçük damlacıklar halinde polimerleşmesi sonucu emülsiyon polimerizasyonu ile elde edilir. Farklı polimerik bağlayıcı çeşitlerine sahiptir. Akrilikler, stirenler, stiren – bütadien, stiren – akrilik kopolimerleri, alkidler ve polistirenler kullanılır.

Su bazlı boyalar uçucu organik kimyasalların emisyonunu azaltır. 20. yüzyıl başlarında kullanılan arsenik, sistematik zehirlenme sorunları sonrası yerini turpentin isimli maddeye, zamanla böbrek bozukluklarına ve alerjilere yol açtığı keşfedilen turpentin de yerini bütanol, metil etil keton, etil asetat gibi organik çözücülere bırakmıştır. Bu organik çözücüler turpentinden daha uçucu olduklarından boya endüstrisinde kullanımı hızla yayılmıştır. Ancak yapılan çeşitli çalışmalarda gözlemlenen bazı sonuçlar mesleki açıdan bu belirtilen organik solventlere maruz kalmakta olan kişilerde merkez sinir sistemlerinde çeşitli hasarlar oluşabildiğini göstermiştir. Belirtilen bu durum, içerisinde organik çözücü miktarı çok az olan su bazlı boyaların endüstride kullanımının yaygınlaşmasını sağlamıştır. Hava kirliliğine yol açan solventlere sahip olmaması, temizlenmesi ya da inceltilmesinde solventlere ihtiyaç duymaması, içerisinde bulundurduğu organik çözücü miktarının çok az olması sebebiyle atık suyunda daha az toksik organik içermesi, stoklama maliyetinin solvent bazlı boyalara göre daha düşük olması, uygulama kolaylığı, uygulandığı yüzey, bina, mekanların daha kısa sürede aktif kullanıma açılabilmesi, solvent bazlı boyalara göre daha uygun olan üretim maliyeti gibi sebeplerden dolayı bu çalışmada su bazlı boyalar tercih edilmiştir.