Eyüp YAYLACI

Yüksek Performanslı Termoplastik Kompozitler

Kompozit Malzeme Nedir?

İki veya daha fazla sayıdaki aynı veya farklı gruptaki malzemelerin, en iyi özelliklerini bir araya toplamak ya da ortaya yeni bir özellik çıkarmak amacıyla, bu malzemelerin makro seviyede birleştirilmesiyle oluşan malzemelere “Kompozit Malzeme” denir. Başka bir deyişle birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacı ile bir araya getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzemeler olarak da adlandırılabilir.

Termoplastikler

Bütün polimerler düşük sıcaklıklarda yüksek bir katılık (elastik modülü ve kayma modülü yüksektir) gösterirler ve gevrektirler.

Camlaşma sıcaklığı Tg (donma sıcaklığı) denilen belirli bir sıcaklık bölgesinin üzerinde zincir molekülleri belirli bir ısıl hareketlilik kazanırlar.

Böylece madde daha kolay bükülebilir hale gelir ve sünekleşir. Ancak sekonder bağlar ve hareket sonucu meydana gelen düğümlenmeler kaymayı engeller. Malzeme termo-elastik duruma geçer.

Termoplastlar sıcaklığa bağlı olan özelliklere sahiptir:

– Elastik modülü,

– Mukavemet,

– Süneklik.

Sıcaklık daha da yükselirse, primer bağlar teker teker çözülmeye başlar, molekül zincirleri parçalanır ve düşük moleküllü maddeler haline geçer. Malzeme hasara uğrar (ayrışma).

Termoplastik Çeşitleri

1. Sellüloz Türevleri

Sellüloz birçok bitkilerde bulunan doğal bir polimerdir ve genel­likle pamuk ya da ağaçtan elde edilir. Sellülozun yapısı şöyle belirle­nebilir:
Ham sellüloz suda erir hale getirilerek; saflaştırılır. Bundan sonra uygun bir kimyasal reaksiyonla rejenere edilir. İşlem, plâstik bir fiber veya tabaka seklinde çekilmek üzere düzenlenir. Hidrojen bağları dolayısıyla moleküller arası kuvvetler bir hayli yüksektir; plâstik suda erimez, çok kristalsidir ve ergimeden önce kömürleşir.

Rejenere selülozdan yapılan fiberler büyük bir endüstrinin te­melini meydana getirirler.

Çeşitli fiberler yapılabilir ve bunlar reyon olarak sınıflandırılır. Fiberlerin dayanımı çekme ile arttırılabilir.

Ham sellüloz tabakanın bükülebilirliği kullanılamayacak kadar az olduğundan plâstikleştirilmesi gerekir. En iyi plâstikleştirici su­dur ve plâstik tabakanın gliserine daldırılması ile % 1 oranında bün­yeye girer. Gliserinin plâstikleştirici bir etkisi vardır, fakat su da soğurarak plastiğin bünyesinde tutar. Başka plâstikleştiriciler de kulla­nılabilir. Plâstikleştirilmemiş tabaka su buharına geçirgendir ve pa­ketlemede geçirmez hale getirilmek üzere kaplanır. En çok kullanılan kaplama malzemesi süellüloz nitrat esaslı bir verniktir. Kaplama sonunda elde edilen ısı geçirmez film paketlemede kullanılır ve selofon adı ile bilinir. Başka bir kaplama metodu da sellülozun polietilen gibi iki film tabaka arasına konmasıyla elde edilen “sandviç” filmdir.

Sellüloz nitrat nitrik asidin sellülozla reaksiyonundan elde edilir. Bu reaksiyonda sellülozdaki hidroksil gruplarının bir kısmı ya da tamamı yer değiştirirler:

Sellüloz nitrat yanıcılığı dolayısıyla enjeksiyon veya basınçlı kalıplamaya uygun olmamakla beraber özel üfleme metodları ile masa tenisi topları yapılır. Malzemenin bu şekline genellikle sellüloid adı verilir. Yanıcı olmayan ısılplastiklerin geliştirilmeleri sellüoidin uygulama alanlarını oldukça sınırlamıştır. Sellüloz nitrat tabaka uzun süre açık havada kaldığı takdirde çatlama ve renk bozulması görülür. Bu plastik çeşitli çimentolarla birleştirilebilir. Bu amaçla en çok kullanılan eritkenler aseton, eter alkol karışımı ve amil asetattır.

Sellüloz asetatın nitrata üstünlüğü yanıcı olmayışıdır. Sellülozun asetilleştirilmesinin ilk ürünü tri asetattır ve hidroksil grupları tamamıyla yer değiştirmişlerdir. Bu malzeme eritkenlerin çoğunda erimez. Hidroliz işleminden sonra bileşimleri di asetatla tri asetat arasında değişen çeşitli ürünler haline gelir. Bu tip plastikler plastikleştirici ile kuru halde karıştırıldıktan sonra tabaka haline getirilirler ve kalıp pudrası elde etmek için öğütülürler veya standart profiller haline getirilirler.

Ayrıca kokusuz ve tatsız olup ses dalgalarını yutabilme özellikleri vardır. Kaynak edilebilir ve parlatılabilirler. Alet sapları, şarter kolları, möble, direksiyon kaplaması, oyuncak, gözlük çerçevesi, yazı cihazları … vb. yerlerde kullanılabilir.

2. Polietilen Tereftalat

Yoğunlaşma polimerleştirmesi ile yapılan doğrusal bir polyesterdir. Polimerin yapısı;

ile belirlenir. Plastik kristalsidir ve normal sıcaklıklarda cam geçiş noktasının oldukça altındadır. Ergimiş halden cam geçiş noktasının altına hızla soğutulduğunda amorf bir plastik elde edilir. Bu amorf plastik cam geçiş noktasının üzerine ısıtıldığında tekrar kristalleşir. Polietilen tereftalat fiber halinde çok kullanılır. Fiber ergimiş plastiğin ekstrüzyonu ile elde edilir. Fiber malzeme halat ve filtre gibi özel uygulamalarla kumaş yapılmasında kullanılır.

Polietilen tereftalat film halinde de bulunur. film ergimiş plastikten ekstrüzyonlar elde edilerek amorf bir şekil elde etmek için hızla soğutulur ve sonra gerilerek cam geçiş noktasının hemen üzerine ısıtılır. Germe önce bir yönde ve sonra da buna dik yönde uygulanır. Bundan sonra film bir miktar daha ısıtılarak kristalitlerin film düzleminde yönleşmeleri sağlanır. Bu film yüksek dayanımlı, geçirgen ve ısıl kararlıdır. Elektriksel özellikleri de oldukça yüksektir. Elektrik ve elektronik endüstrisinde pek çok uygulama alanları vardır. Conta ve konveyör bantı gibi mekanik uygulamalarda da kullanılır. Dekorasyon, ciltleme, daktilo şeridi, fotoğraf filmi diğer uygulama alanları arasında sayılabilir. Ayrıca kanalizasyon ve temiz su boruları (10 bar’a kadar olan basınçlarda kullanılır; sürünme eğilimi), paketlemede ve inşaat malzemesi üretiminde kullanılan folyeler, ev eşyası ve oyuncak yapımı için püskürtme dökme parçalar, kaplar, kablo ve boruların kılıflandırılması, saç parçaların kaplanmasında kullanılır.

3. Nylon

Doğrusal poliamid tipi plastikler bu genel isimle bilinirler. Nylonlar bir dibazik asitle bir diaminin yoğunlaşma polimerleştirilmesiyle elde edilirler:

Nylonlar amino asitlerin yoğunlaşma polimerleştirilmeleriyle de yapılabilirler:

Nylonlarda en güçlü molekül arası kuvvetler hidrojen bağlarıdır. Nylon ergiyikten sarma ile fiber haline getirilebilir.

Elde edilen fiber gerilerek çekme dayanımı yükseltilir. Tekstil endüstrisinde, halat, fırça kılı, tenis raket örgüsü gibi ürünlerde kullanılır.

Nylonların atmosferik rutubet soğurma özellikleri diğer ısılplastiklerden daha yüksektir. Soğurum miktarı çeşitli nylonlar arasında değişir ve plastiğin özelliklerini etkiler. Bunların en sakıncalısı plastiğin elektriksel uygulamalarını sınırlayan yalıtım direncidir.

Nylonlar imalattan önce iyice kurutulmalıdırlar; aksi halde imalat esnasında ortaya çıkan buhar nylonun yüzeyini bozabilir.

Nylon parçalar normal kalıplama işlemleriyle imal edilebilirler. Nylonu kalıp içinde polimerleştirmekle de imalat mümkündür ve bir tona kadar büyük parçalar bu metodla yapılabilir.

Nylonların en önemli özellikleri yüksek mekanik dayanım, aşınma direnci, yüksek üst sıcaklık limiti ve düşük sürtünme katsayısıdır. Nylonlar pahalıdırlar ve daha çok özel karakteristikleri yönünden kullanılırlar. Yüksek basınçlı hortum, konveyör kayışları, yağda dirençli şişeler, aşınma dirençli kablo kılıfları nylondan ekstrüzyon metodu ile yapılabilir. Nylona cam fiber katmakla mekanik dayanımı ve ısıl bozulma sıcaklığı yükseltilebilir.

4. Polikarbonatlar

Bir polikarbonat karbonik asidin bir polyesteri olduğuna göre bu plastikler sınıfı aslında polyester grubunun bir üyesidir.

Bu polikarbonatın boyutsal kararlılığı ve darbe direnci çok yüksektir. Normal sıcaklıkların üzerinde ve altında çok geniş sıcaklık limitleri içinde mekanik dayanımını korur. Işığa geçirgendir ve pigment katılmadığı takdirde soluk sarı renklidir. Sürekli açık hava şartlarına dayanıklıdır. Başlıca sakıncaları bazı eritkenlerle etkilenmesi ve gerilme çatlakları yapmasıdır.

Plastik piyasada kalıp pudrası halinde bulunur ve normal tekniklerle imalata uygundur. Film halinde de bulunabilir. Bu plastiğin uygulamalarının çoğunda dielektrik özeliklerinden yararlanılır. Akım taşıyan iletken süpportları, şalter kutu kapakları ve kondansatör mahfazaları bunlar arasında sayılabilir. Polikarbonat film kondansatör yapımında kullanılır. Bebek biberonlarından madenci baretlerine kadar çeşitli uygulamaları vardır ve geçirgenliği dolayısıyla lamba kapakları ve benzer eşya yapımında kullanılır.

5. Poliasetaller

Temel yönden poliformaldehid olan bu plastiklerin yapıları;

CH2 – O2

ile belirlenir. Doğrudan doğruya formaldehidden yapılmazlar; polimerin kararlı hale getirilebilmesi için zincirde bazı değişiklikler yapmak gerekir, aksi halde polimer bozulur. Molekül ağırlıkları değişik olan çeşitli kaliteleri vardır, fakat zincirde yapılan değişikliğin tipine göre de farklı kaliteler üretilebilir.

Poliasetaller pudra halinde bulunurlar ve ısılplastikler için geçerli metodlarla işlenebilirler. Plastiğin rijitlik ve dayanımı yüksektir. En göze çarpan üstünlüğü bu özelliklerinin geniş sıcaklık, çevresel şartlar ve zaman limitleri arasında değişmemeleridir. Yorulma direnci çok iyidir. Dielektrik özellikleri iyidir ve plastik mükemmel bir yalıtıcıdır. Bu plastikten yapılan eşya atölye işlemleriyle bozulmaz ve sürtünme katsayısı çok düşüktür.

Poliasetal kalıp imalat ürünleri birçok alanlarda magnezyum, alüminyum, çinko ve pirinç alaşımlarının yerini almaktadır. Yataklar, dişliler, yaylar, zincir baklaları ve kapı tokmakları bunlar arasında sayılabilir.

Diğer Mühendislik Isılplastikleri

Polipropilen, nylon ve ABS’nin mühendislikte gittikçe daha çok kullanılmaları, polikarbonat ve poliasetallerin ortaya çıkmaları yüksek mekanik özellikli diğer ısılplastiklerin araştırılmasına yol açmıştır. Bu araştırmalar sonunda üç yeni ısılplastik ortaya çıkmış bulunmaktadır. Bunlar polisulfonlar, fenoksiler ve polifenilen oksittir (PPO). Bu plastikler polikarbonat ve poliasetalden daha pahalı olmakla beraber, mühendislikteki uygulanma potansiyelleri çok yüksektir.

Yüksek Performanslı Termoplastik Kompozitler

Son 15-20 yıldır termoset ve termoplastik matrikli kompozit malzemeler daha çok uçak,uzay ve taşımacılık sistemlerinde önemli ölçüde kullanılmaya başlamıştır. Bunun nedeni yapının yüksek performans göstermesi, fiyatı, işlenebilirliği ve doğada uzun yıllar bozulmadan kalmasıdır.

Uçak sanayinde kullanılan termoplastik kompozitlerin yüksek mukavemete sahip olmasının yanı sıra tabakaların birbirleri üzerinde kayarak darbeyi absorblaması da bu malzemenin yüksek performanslı termoplastik olarak literatüre girmesine sebep olmaktadır.

Termoplastik liflerin kalitesi genellikle standart olarak 177 °C de hazırlanan epoksiye ilavesi oldukça zordur. Geleneksel olarak eritilerek yapılan bu işlem için sıcaklığın 343°C dir. Karbon fiber takviyesi yapıldığı zaman ise kompozitin erime noktası 6000-12000°C arasında değişmektedir.

Tabloda 27 adet yüksek performanslı termoplastik kompozitlerin formülleri belirtilmiştir. Bu formüller genellikle literatürde aynı şekilde ifade edilmektedir.

Bu 27 termoplastik polimerin üretimi ise tamamen polimerizasyon tekniği ve bununla beraber molekül ağırlığı 10 000 r/mol olarak şekilde yapılmıştır. Sadece Avimid K-III ve Avimid N’nin üretiminde monomerlerin karıştırılmasında sorun çıkmış olup bu ise polimerizasyon prosesinin yerinde etki yapması ile buharlaşan yapının yayınması sonucu oluşmaktadır.

Yüksek performanslı termoplastik malzemelerin karakteristik olarak dominant yani baskın bir yapıya sahiptirler. Bu da aromatik gruplarında Tg sıcaklığının yükselmesine ve polimerik etkisini malzeme yapısından 100°C veya daha yüksek bir sıcaklık altında göstermesine sebep olmaktadır.


Genellikle termoplastikler yüksek moleküler ağırlıklara ve yüksek erime viskozitesine, kompozitleri ise yüksek camsı geçiş sıcaklığına sahiptir ve genellikle 300°C civarındadır. Oligometrik epoksi termoset çeşitleri ise 177°C de camsı geçiş sıcaklığını göstermektedir.

Genellikle malzemenin kırılma tokluğu 2500J/m²’nin çok ama çok daha üzerindedir. Bazen ise 70-120 J/m² arasında bir kırılma tokluğu da göstermektedir. 177°C de ilave edilen epoksili kompozit malzemenin kırılma tokluğu çok ama çok daha fazla olup 525-960 J/m² arasında bir tokluk değeri gösterirler.

Yüksek Performanslı Termoplastik Kompozitlerin Özellikleri ve Performansı:

Sürekli fiber takviyeli termoplastik kompozit malzemenin yapısı termoset kompozitlerin dinamik, statik ve güvence bakımından aynısı olmalıdır. Bu kriter sebebi ile uçak sanayinde kullanılırken kompozit yapısının mükemmel performanslı olması için iki testten geçerek kullanılır. Öncelikle kompozit düz ve hantal bir alanda basınç altında bir süre çalıştırılır ve akabinde ufak bir kısmına zarar verilir. İncelenen kompozitin fiziksel özellikleri eğer istenen değer aralığında ise o zaman bu kompozit uçak sanayinde kullanılır.

Kompozitin mekanik özelliklerine bakacak olursak; Uçak sanayinde kullanılan kompozitlerin statik kuvvet ve bu kuvvet altında stabilitesi, yorulma ömrü ve dayanıklığının toleransı belli başlı prensiplere göre değerlendirilerek tasarlanmalıdır. Ancak çok küçük veriler oka sıcağındaki yüksek performanslı termoplastik malzemelerden elde edilir. Aşağıdaki tabloda yüksek performanslı termoplastik kompozitlerin oda sıcaklığında göstermiş olduğu özelikler verilmiştir.

Bu tabloda bazı malzemelerin uçak sanayinde kullanımı için gerekli olan özellikleri gösterdiği bilinmektedir.

Kesme dayanıklığı (shear strengths) 177°C de genellikle 97 Mpadan yukarıda iken tabloda bazı kompozit değerlerinin bu değerden aşağı olduğu görülmektedir. Bunun nedene 177°C de ki epoksiden kaynaklanmaktadır.

Oda sıcaklığında basma mukavemeti 177°C dekinden 1.45 GPa daha fazladır. Basma mukavemeti termoplastiklerde ise 1.14 Gpa altındadır. Ancak bazı termoplastik kompozitlerin yüksek performans sergilemesinden dolayı basma mukavemeti 1.38 Gpa değerinden fazla olduğu da bilinmektedir. Bunun sebebinin lineer bölgelerde bulunan gerilme genleme modülünün yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Eğer modül akma bölgesinden hesaplanmaya kalkılırsa o zaman termoplastik düzgün olmayan bir yapı göstererek modülün düşmesine sebep olarak malzemenin basma mukavemeti değerini düşürürken lineer bölgedeki basma mukavemeti termoplastik kompozitin deneysel verilerinde yüksek sonuçlar çıkmasına sebep olur.

Kaynaklar:

1. Teknolojide Plastikler, Mühendisler Odası, 1971, Ankara.
2. Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, Wolfgang WEİSSBACH, Çev: Prof. Salahattin ANIK-E.Sabri ANIK, İstanbul, 1977.
3. nitropdf.com “Neden Kompozit?”
4. Leif A. Carlsson “Thermoplastic Composite Materials”, Volume 7, Composite Materials Series, 1991
5. Anon., The Place for Thermoplastic Composites in Structural Components, National Materials Advisory Board, Report No. NMAB-434 (National Academy Press, 1987).
6. VL. Bell. B.L. Stump and H. Gager, J. Polym. Sci.: Polym. Chern. 14 (1976) 2275-2292.
7. P.M. Hergenrother, M.W Beltz and S.J. Havens, Sci. Adv. MatI. Proc. Eng. Ser. 34 (1989) 963-975. P.M. Hergenrother and S.J. Havens, SAMPE J. 24(4) (1988) 13-18.
8. J.M. Margolis, Engineering Thermoplastics (Dekker, New York, 1985)
9. Charles A. Harper “ Handbook of Plastics, Elastomers & Composites”, Fourth Edition
10. Astm Handbook Volume 21
11. Manas Chanda, Salil K.Roy “Plastics Tecnology Handbook Four Edition”, Crc Press 2007
12. Hatem Akbulut “Kompozit Malzemeler Ders Notu” 2009 Sakarya Üniversitesi

Eyüp YAYLACI