PROJE RAPORU PROJE ADI ALEV GECİKTİRİCİ VE YÜKSEK SICAKLIĞA DAYANIKLI ÇÖZELTİ ESASLI BOYA HAZIRLANIŞI

Transkript

1 TÜBİTAK-BİDEB Kimya Lisans Öğrencileri Kimyagerlik,Kimya öğretmenliği, Kimya mühendisliği Araştırma Projesi Eğitimi Çalıştayı KİMYA-1 ÇALIŞTAY 2010 PROJE RAPORU PROJE ADI ALEV GECİKTİRİCİ VE YÜKSEK SICAKLIĞA DAYANIKLI ÇÖZELTİ ESASLI BOYA HAZIRLANIŞI Proje Ekibi M. Sena EREL Yağmur KARDEŞLİK B. Fatih DEMİR PROJE DANIŞMANLARI Prof. Dr. Metin GÜRÜ Prof. Dr. Ayşe Z. AROĞUZ Prof. Dr. Alipaşa AYAS Doç. Dr. Yusuf DİLGİN KEPEZ/ÇANAKKALE 3-11 TEMMUZ

2 İÇİNDEKİLER SAYFA NO Proje kapağı İçindekiler Proje özeti 1.Giriş Deneysel Çalışma Mermerle Hazırlanan Boya Tebeşirle Hazırlanan Boya Çinko Oksitten Hazırlanan Boya.8 3.Bulgular ve Tartışma..9 4.Sonuçların Değerlendirilmesi ve Öneriler..9 Kaynaklar Katkıda Bulunanlar Çalışma Takvimi Malzeme Listesi Kısa Özgeçmiş

3 TÜBİTAK-BİDEB Kimya Lisans Öğrencileri Kimyagerlik,kimya öğretmenliği, kimya mühendisliği Araştırma Projesi Eğitimi Çalıştayı kimya-1 çalıştay 2010 GRUP YANMAZ PASLANMAZ PROJE DANIŞMANLARI : Prof. Dr. Metin GÜRÜ, Prof. Dr. Alipaşa AYAS, Prof. Dr. Ayşe Z. AROĞUZ, Doç. Dr. Yusuf DİLGİN PROJE ÜYELERİ : M. Sena EREL,Yağmur KARDEŞLİK, B. Fatih DEMİR PROJE ÖZETİ Bu projemizde Avrupa stardartlarına uygun, yüksek sıcaklıkta toksik olmayan alev geciktirici boya elde etmek hedeflenmiştir. Çinko oksit ve borik asit seyreltik olmayan bir çözeltide stokiometrik miktarlarda C de bulanık halden saydamlaşana kadar karıştırılır ve ısıtılır. Daha sonra soğutularak kristallendirilir. Kristal kısmı filtreden geçirilerek ayıklanır ve çinko borat elde edilir. Mermer parçaları (CaCO 3 kristal halde) ve tebeşir havanda öğütülür. Öğütülmüş malzemelerin her ikisi de kalsinasyon işlemi için kül fırınında bekletilir. Daha sonra tozların tartımı yapılır, borik asit ve bir miktar su eklenerek hazırlanan karışım ısıtıcı-karıştırıcıya konulur. Elde edilen bulamaçlar malzemenin nemini gidermek için etüve konulur. Kurutulan malzemeler toz haline getirilir. Hazırlanan metal borat tozları belirli miktarlarda tartılır. Beherlerin içine ayçiçek yağı konur üzerine tartılan tozlar eklenir. Karışıma yüzey aktif madde olarak deterjan, tiner, renk verici pigment son olarak da çözeltinin kıvamını artırmak için talk pudrası karışıma eklenir ve karıştırılmaya bırakılır. Elde edilen boyalar ile kürdan ve kontroplaklar boyanarak kurutma işlemi yapılır. Boyanın tutuşma noktasına etkisini görmek için boyanan malzemelerden önce kürdan sonra 3

4 kontroplak kronometre tutularak yakılır ve ilk tutuşmaya başladıkları an süre durdurularak not edilir. PROJE AMACI Aleve ve yüksek sıcaklığa dayanıklı metal boratların solvent sentezleyerek esaslı boya üretiminde pigment olarak kullanılabilirliği. PROJE HEDEFLERİ : 1. Alternatif pigmentler kullanarak metal boratların solvent esaslı boya üretiminde kullanmak. 2. Avrupa ve EPA standartlarına uygun boya üretimi. 3. Ülkemizde çok miktarda bulunan katma değeri yüksek madenlerin ekonomiye kazandırılması. 1. GİRİŞ: Doğada tüm canlıların yaşantısını devam ettirmesi için vazgeçilmez elementlerden birisi bordur. Bunun yanında; bor dünyada en yaygın kullanım alanına sahip olan elementlerin başında gelmektedir. Bor, 1808 yılında Gay-Lussac, Thenard ve Davy tarafından aynı anda bulundu. Kahverengimsi-siyah, biçimsiz bir toz görünümü vardır. Çok serttir. Bilinen hiçbir çözücüde çözünmez. Elektrik iletkenliği, sıcaklıkla aşırı ölçüde artar[1]. Dönemsel sınıflandırmanın üçüncü kolonunda metal olmayan tek element bordur. Kimyasal özellikleri bakımından karbon, silisyum, ya da alüminyum gibi kimi metallere benzer. Ametaller arasında en elektropozitif olanıdır. Sıcakta hemen hemen öteki tüm elementlerle birleşir. Havada yeşil bir alevle yanarak borik anhidridi (B 2 O 3 ) verir. Kükürt, azot, karbon, ve halojenlerle birleşir. Metallerin çoğunluğuyla borürleri oluşturur. Özellikle iyi bir indirgendir; tüm ametal oksitler ile metal oksitlerin büyük bölümünü indirger [2]. 4

5 Tablo 1. Bor elementinin fiziksel özellikleri. Atom Numarası 5 Atom Kütlesi 10,81 Erime Sıcaklığı ~2300 C Kaynama Sıcaklığı 2550 C Özgül Kütlesi 2, 34 g/cm 3 Yükseltgenme Derecesi 3 Bor, doğada çoğunlukla borat biçiminde bulunur. Önemli cevherleri arasında boraks (Na 2 B 4 O 7, 10H 2 O), kernit (Na 2 B 4 O 7, 4H 2 O) ve kolematit (Ca 2 B 6 O 11, 5H 2 O) sayılabilir. Cevher, 90 C dolayında sülfürik asitle tepkimeye girerse, borik asit elde edilir. Doğada serbest olarak bulunmaz. Bor elementi, doğada değişik oranlarda bor oksit (B 2 O 3 ) ile 150'den fazla mineralin yapısı içinde yer almasına rağmen; ekonomik anlamda bor mineralleri kalsiyum, sodyum ve magnezyum elementleri ile hidrat bileşikleri halinde teşekkül etmiş olarak bulunur. Bor minerallerinden ticari değere sahip olanları; tinkal, kolemanit, üleksit, probertit, borasit, szyabelit, hidroborasit ve kernit'tir. Bor madenleri, topraktan çıkarıldıktan sonra kırma, eleme, yıkama ve öğütme işlemlerini müteakip, ilgili sanayilerin kullanımına hazır hale gelebilmektedir [2]. Bor ürünlerinin kullanım alanları cam sanayi, enerji depolama, metalürji, uzay, tekstil, otomotiv, tarım, nükleer ve güç tutuşurluk olarak sıralanabilir. Dünya bor üretiminin % 90 ını Türkiye ve ABD yapmaktadır. Türkiye de kolemanit, üleksit ve boraks mineralleri ve borik asit, boraks dekahidrat, boraks pentahidrat, sodyum perborat monohidrat ve susuz boraks ticari olarak üretilmekte ve üretimin büyük bir bölümü ihraç edilmektedir[3]. Sanayinin en önemli temel taşlarından birisi olan bor ürünleri; katma değerinin çok yüksek olması nedeniyle Türkiye de çok önemli bir paya sahiptir. Ancak, rezerv ve cevher kalite avantajının yüksek olmasına rağmen; yurt içi ve yurt dışı pazarda istenen düzeyi henüz yakalayamamıştır[4]. Boratlar, yanmayı geciktirici özelliğinden dolayı malzemelerin alev alabilme seviyesini azaltmak için kullanılmaktadır. Alevlenebilmenin azaltılması malzemeye alev geciktiricilerin ilavesiyle olur. Alev geciktiriciler, tutuşmayı ve alevin yayılmasını önlerler. Çinko borat, son yıllarda alev geciktirici olarak gittikçe artan oranlarda kullanılan ve bünyesinde bor ihtiva eden kimyasal bir maddedir. En yaygın olarak kullanılan çinko borat 2ZnO.3B 2 O 3.3,5H 2 O dır. Bununla birlikte birçok farklı kimyasal formüle sahip çinko boratlar 5

6 mevcuttur (örneğin; 4ZnO.B 2 O 3.H 2 O, 2ZnO.3B 2 O 3, ZnO.B 2 O 3.2H 2 O, ZnO.3B 2 O 3.7H 2 O, 2ZnO.3B 2 O 3.9H 2 O) [1]. Çinko boratlar, alev geciktirici, duman bastırıcı, korozyon geciktirici olarak polimerlerde ve kaplamalarda, PVC, halojenli polyester ve naylonlarda kullanılır. Çinko boratlar yaygın kullanım alanına sahiptir; alev geciktirici, duman bastırıcı, korozyon geciktirici olarak polimerlerde ve kaplamalarda, özellikle PVC, halojenli polyester ve naylonlarda kullanılır.yüksek dehidrasyon sıcaklığına ( C gibi) sahip olduğu için yüksek sıcaklıklara dayanıklı plastik malzemelerin imalatında yaygın olarak kullanılır. Kablolarda, yanmaya dayanıklı boyalarda, kumaşlarda, elektrik/elektrotronik parçalarda, yanmaya dayanıklı halı kaplamalarda, otomobil/uçak iç aksamlarında, tekstil ve kağıt endüstrisinde kullanım alanına sahiptir. Diğer alev geciktiricilerle karşılaştırıldığında çok daha etkili bir duman bastırıcı olması ve diğer alev geciktiricilere göre daha ucuz olması sebebiyle, bazı alev geciktiriciler yerine tamamen olmasa bile kısmen kullanılır. Son yıllarda çinko boratın, diğer alev geciktiricilerle farklı uygulamalarda kombine kullanımı gittikçe artmaktadır. Örneğin, çinko borat halojen içeren ve içermeyen sistemlerde Al(OH) 3 ve Mg(OH) 2 ile birlikte kullanılma özelliğine sahiptir[5]. Çinko boratın diğer alev geciktiricilere göre bazı avantajları vardır. Örneğin;duman emisyonunu azaltma yeteneğine sahiptir ve kömürleşmeyi çabuklaştırmaktadır. Çok çeşitli sayıda plastikte, etkili alev geciktirici olarak kullanılır. Borun varlığı çinko boratı etkin bir alev bastırıcı yapar. Antimon ile birlikte yüksek dereceli bir alev geciktirici özelliğe sahiptir. ATH ile birlikte kullanılarak duman bastırma özelliği kuvvetlendirilir. Boyama (renk verme) kuvveti zayıftır.antimon ile karşılaştırıldığında daha ucuzdur. Elektriksel özellikleri iyileştirir.metallerle plastikler arasında yapışma özelliğini arttırır. Antimon oksidin aksine, reçine tabakalarında yarı şeffaflık özelliği gösterir. Zehirli özelliğe sahip olmadığından, reçinelere ilave edilmeleri esnasında özel aletlere ihtiyaç yoktur. Nem absorplamaz ve suda çözünmez [5]. Çinko borat, çinko oksit ve borik asitin reaksiyonu sonucu açığa çıkar. Borik asit, elementel borun bir oksiasidi olup, formülü H 3 BO 3 şeklindedir. Kokusuz, tatsız, havada kararlı, beyaz kristaller şeklinde bir maddedir. Molekül ağırlığı 61.83, erime noktası 169 C ve kaynama noktası 300 C dir. Özgül ağırlığı 1.46 g/cm 3 tür. Borik asit suda orta derecede çözünür ve sıcak sudaki çözünürlüğü soğuk sudakinden fazladır. Ayrıca alkol ve gliserinde de çözünür. Borik asit bir lewis asidi vazifesi yapan ve bir hidroksil iyonu olan çok zayıf mono bazik asittir[6]. 6

7 Bu çalışmada, aleve ve yüksek sıcaklığa dayanıklı çinko borat, mermerden ve tebeşirden hazırlanan boyaların kullanılabilirliğini test etmek amaçlanmıştır. 2.DENEYSEL ÇALIŞMA: 2.1. Mermerle Hazırlanan Boya 1. Depodan mermer parçaları (CaCO 3 kristal halde) alınarak havanda öğütüldü. 2. Bu öğütülmüş malzemeyi kalsinasyon işlemi için kül fırınında 2,5 h 900 o C de ısıtıldıktan sonra fırından çıkarılarak soğutuldu. 3. Sitokiyometrik orana bakılarak 14 g kalsine edilmiş mermer tozlarından 46,4 g H 3 BO 3 tartıldı. 4. İçinde 100 ml saf su bulunan beherin içine tartılan CaO ve borik asit eklenerek, karışım ısıtıcı-karıştırıcıya konuldu. Reaksiyonun hızlı gerçekleşmesi için 250 ml saf sıcak su eklendi. Karıştırma- ısıtma işlemi o C de yaklaşık 3 h sürmüştür. 5. Elde edilen bulamaçlar malzemenin nemini gidermek için 105 o C de etüve konuldu. 6. Sonra etüvden alınan malzeme öğütüldü ml sıvı yağ ölçülerek behere konuldu. 8. 5,209 g mermer tozundan elde edilen kalsiyum borat tartılarak yağa ilave edilerek karıştırma işlemi başlandı. 9. Karışıma yüzey aktif madde olarak deterjan, 25 ml tiner, renk verici pigment olarak da Cr 2 O 3 ve son olarak da çözeltinin kıvamını artırmak için talk pudrası karışıma eklendi. 10. Bu elde edilen karışım yaklaşık 20 h saat karıştırıldı. 11. Bu boyalar önce kürdan boyanarak boyama özelliği test edildi. Sonra kontroplakların boyasız kısmı 3 kat boyanarak kurutma işlemi yapıldı. 12. Boyanın tutuşma noktasına etkisini görmek için boyanan malzemelerden önce kürdan sonra kontroplak kronometre tutularak yakıldı. 13. İlk alevlendiği an süre durdurularak not edildi Tebeşirle Hazırlanan Boya 1. Sınıflardan tebeşir ve tozları toplandı. 2. Tebeşirler havanda öğütüldü. 3. Kalsinasyon işlemi için 400 o C de 1 h, 870 o C de 2,5 h kül fırınına konuldu. 4. Kalsine edilen tebeşir tozlarından 14 g ve borik asitten 46,4 g tartıldı ml saf su bulunan behere tartılan malzemeler ilave edilir. 7

8 6. Sonra o C de ısıtıcı- karıştırıcıda konulur. 7. Reaksiyonun çabuk gerçekleşmesi için 150 ml sıcak su ilave edildi. 8. Isıtma karıştırma işlemi yaklaşık 150 dakika sürmüştür. 9. Elde edilen bulamaç 15 dakika etüvde kurutuldu. 10. Etüvden alınan malzemeden 16,8 g tartıldı. 11. Bir behere 150 ml sıvı yağ koyulur. 12. Bu yağın üzerine tartılan tebeşirden elde edilen kalsiyum borat eklendi. 13. Yüzey aktif madde olarak birkaç damla deterjan, pigment olarak Cr 2 O 3, 25 ml tiner çözeltiye katıldı. 14. Son olarak kıvamı istenilen düzeye gelinceye kadar talk pudrası eklendi. 15. Bu çözeltilerin homojenliğini sağlamak için karıştırıcıda yaklaşık olarak 20 h karıştırıldı. 16. Bu boyalar önce kürdan boyanarak boyama özelliği test edildi. Sonra kontroplakların boyasız kısmı 3 kat boyanarak kurutma işlemi yapıldı. 17. Boyanın tutuşma noktasına etkisini görmek için boyanan malzemelerden önce kürdan sonra kontroplak kronometre tutularak yakıldı. 18. İlk alevlendiği an süre durdurularak not edildi Çinko Oksitten Hazırlanan Boya 1. 20,5 g ZnO ve sitokiyometrik orana göre borik asitten 46,7 g tartıldı. 2. İçinde 50 ml saf su bulunan behere tartılan malzemeler eklenerek ısıtıcı karıştırıcıya konulur ml sıcak su ilave edilerek reaksiyonun hızlı gerçekleşmesi sağlanır. 4. Isıtma-karıştırma işlemi (70-80 o C) yaklaşık olarak 3 saat sürmüştür. 5. Bulamacın nemini gidermek için etüvde 4,5 saat boyunca o C kademeli olarak sıcaklıklara maruz bırakıldı. 6. Etüvden alınan çinko borat öğütüldü. 7. Çinko borattan 6,7 g tartıldı. 8. Behere 75 ml sıvı yağ konuldu. 9. Tartılan çinko borat, 25 ml tiner yağa eklendi. 10. Pigment olarak Eriochrome Black-T kullanıldı. 11. Karışımın istenilen akıcılığa gelinceye kadar talk pudrası eklendi. 8

9 12. Bu karışım homojenliği sağlamak için 20 saat karıştırıcıda karıştırıldı. Bu boyalar önce kürdan boyanarak boyama özelliği test edildi. Sonra kontroplakların boyasız kısmı 3 kat boyanarak kurutma işlemi yapıldı. 13. Boyanın tutuşma noktasına etkisini görmek için boyanan malzemelerden önce kürdan sonra kontroplak kronometre tutularak yakıldı. 14. İlk alevlendiği an süre durdurularak not edildi. 3. BULGULAR VE TARTIŞMA: Boyanan malzemelerin tutuşma noktası geciktiriciliğini ölçmek için kontrol gurubu oluşturarak hem kürdan hem de kontroplak üzerinden test edildi. Bu testte kronometre tutularak malzemelerin ilk alev alma anı tespit edildi. Yapılan deneyler sonucunda hem kürdanda hem de kontroplakta en geç alev alan malzeme çinko borat ile boyananlar olmuştur. Sırasıyla alev dayanıklılığı çinko borat ile boyananlar, tebeşirden yapılan boyalı malzemeler, mermerden yapılan boyalı malzemeler ve katkısız malzemeler şeklindedir. Sonuçlar Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. ZnO dan, mermerden ve tebeşirden yapılan boyaların karşılaştırılması. Malzeme ZnO'dan elde edilen boya Mermerden elde edilen boya Tebeşirden elde edilen boya Katkısız Kürdan 5,26 s 2,65 s 1,90 s 1,25 s Kontroplak 24 s 19 s 16 s 13 s 4. SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ VE ÖNERİLER: Çinko boratın alev geciktiriciliği diğer malzemelere göre daha fazla olduğundan daha uzun süre malzemeyi korumayı başarmıştır. Sıvı yağ hidrokarbonlardan oluştuğu için yanıcılığı çok yüksektir. Yağ yerine silikon reçinesi kullanılması durumunda ısıl dayanımı daha çok artacaktır. Çünkü yanıcılığı yağa göre daha düşüktür. 9

10 Yapılan literatür araştırmalarına göre çinko boratlı silikon reçineli boya, yüksek ısıl ve alev dayanımı yüksek olduğundan alev alması riskli malzemelerin boyanmasında kullanılması mümkündür. KAYNAKLAR [1] Tokmak B., Bor Uç Ürünleri ve BM Bor Teknolojileri Tecrübesi, BM Bor Teknolojileri, [2] [3] Bayça U., Köseoğlu K., Batar T., Bor mineral ve bilesiklerinin endüstride baslıca kullanım alanları. [4] Pöslü K., Çebi H., Özel bor kimyasalları ve Bor dünyasındaki gelişmeler. [5] Eti Holding A.Ş. Genel Müdürlüğü Araştırma Geliştirme Dairesi Başkanlığı, Çinko Borat Üretimi Ön Fizibilite Etüdü. [6] [7] M. Gürü, S. Tekeli, Ç. Çakanyıldırım, C. Cabbar, Processing of Cer-Met Composite Material from Zn and B 2 O 3, High Temperature Materials and Processes, 27(4), , [8] Barış Ayar, Çinko Borat Sentezi ve Yüksek Sıcaklıkta Pigment Olarak Kullanılabilirliği, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bil.Ens. Kimya Müh Bl, Ocak [9] Gürü, M., B. Ayar, Ç.Çakanyıldırım, L. Özmen, B.Z. Uysal, Çinko Borat Sentezi ve Yüksek Sıcaklıkta Pigment Olarak Kullanılabilirliği, BOREN Ç [10] Gürü M, Ayar B, Çakanyıldırım Ç, Özmen L, Aleve ve Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Boya ve Üretim Yöntemi TPE Dosya No: [11] M. Gürü, B. Ayar, Ç. Çakanyıldırım, M. Bilen, Synthesis and Characterization of Zinc Borate Pigment Resistant to Corrosion and Stable at High Temperatures, 17th International Congress of Chemical and Process Engineering, August 2006, Prague-Czech Republic. KATKIDA BULUNANLAR Bu çalışmamızın her aşamasında yardım ve desteklerinden dolayı Sayın Metin Gürü ye teşekkürü borç biliriz. Yardımlarından ve ilgilerinden dolayı Hülya Cankorur, Neşe Dişçioğlu ve Esra Bozkurt a teşekkür ederiz. 10

11 ÇALIŞMA TAKVİMİ TARİH NOT Literatür çalışması Literatür çalışması ve danışmanlarla görüşme, malzeme listesi hazırlanması Malzemelerin temini Deneysel uygulama: Tebeşir ve mermer tozlarının kalsinasyonu Kalsine edilen tebeşir ve mermer tozları ile ZnO nun ayrı ayrı borik asit ve su ile karışımı Karışımların ısıtıcı-karıştırıcıya konulması Deneysel uygulama: Mermer ve tebeşir tozlarından elde edilen kalsiyum borat ile çinko borattan boya yapımı Deneysel uygulama: Hazırlanan boyalar ile boyanan kürdan ve kontroplakların tutuşma süreleri tespiti Proje sunumu Proje raporlama ve sunum hazırlama 11

12 MALZEME LİSTESİ No Malzeme Adı Miktarı Birim Açıklama ve Teknik Özellikler 1 Baget 3 adet 2 Magnetik balık 3 adet 3 karıştırıcı ısıtıcı 1 adet Çok kuvvetli mekanik karıştırıcı ısıtıcı 4 HK 46 silkon reçinesi 1 kg Yoksa alkid reçinesi 5 Beher 5 adet 500 ml 6 Çinko oksit g 7 Borik asit 250 g 8 Termometre 1 adet 9 Tiner 1 L 10 Talk pudrası 200 g 11 Filtre kağıdı on veya yirmi adet 12 Piset 2 adet 13 Tahta 10 adet (10cmx4cmx2cm) sunta, kontroplak, ceviz, çam 14 Buz banyosu 1 adet 15 Buz kalıbı 2 adet 16 Saf su 1 L 17 Etüv 1 adet 18 ph metre 1 adet 19 Üç ayak 1 adet 20 Saat camı 1 adet 12

13 ÖZGEÇMİŞLER: Meryem Sena EREL Ankara da doğdu Özel Çağlayan İlköğretim Okulu Özel Murat Lisesi, okul birinciliği Selçuk Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü, bölüm üçüncülüğü 22 Haziran Kimya Mühendisliği Kongresi Poster sunumu B. Fatih DEMİR İstanbul da doğdu Nilüfer Hatun İ.Ö.O Y.D.A. Cengizhan Lisesi İ.Y.T.E. Kimya Müh Y.T.Ü. Kimya Müh. Yağmur KARDEŞLİK Antalya da doğdu Gazi Mustafa Kemal İ.Ö.O Faruk Tugayoğlu İ.Ö.O Adem Tolunay Anadolu Lisesi İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Kimya Müh. 13