Termoplastik
Termoplastik veya ısıyla yumuşayan plastik belirli sıcaklıkta bükülebilir veya kalıplanabilir hale gelen ve soğuduktan sonra katılaşan bir plastik polimer malzemedir.[1][2]
Termoplastiklerin çoğunun yüksek moleküler ağırlığı vardır. Polimer zincirleri artan sıcaklıkla hızla zayıflayan ve yapışkan sıvı oluşturan moleküller arası kuvvetler ile birleşir. Bu durumda termoplastikler yeniden şekillendirilebilir ve genellikle enjeksiyonla kalıplama, sıkıştırarak kalıplama, merdaneleme ve ekstrüzyon gibi çeşitli polimer işleme teknikleriyle parçalar üretmek için kullanılırlar.[3][4]
Termoplastikler kürleme işleminde geri döndürülemez kimyasal bağlar oluşturan ısıyla sertleşen polimerlerden veya "termoset”lerden farklıdırlar. Termosetler ısıtıldıklarında erimezler ancak genelde ayrışırlar ve soğuduktan sonra yeniden oluşmazlar.
Cam geçiş sıcaklığının üstünde ve erime noktasının altında termoplastik malzemenin fiziksel özellikleri ilgili bir faz değişimi olmadan büyük ölçüde değişir. Bazı termoplastikler tam olarak kristalleşmez amorf özelliklerinin bir kısmını veya tamamını koruyarak cam geçiş sıcaklığının altında kalırlar. Amorf ve yarı amorf plastikler yüksek optik netlik gerekli olduğunda kullanılırlar çünkü ışık dalga boyundan daha büyük kristalitler tarafından güçlü şekilde dağıtılır. Amorf ve yarı amorf plastikler kristal yapılı olmadıkları için kimyasal saldırılara ve çevresel stres çatlamasına daha az dirençlidir.
Kırılganlık cam geçiş sıcaklığını etkili bir şekilde düşürmek için amorf zincir segmentlerinin hareketliliğini artıran plastikleştiricilerin eklenmesiyle azaltılabilir. Polimerin polimerizasyondan önce kopolimerleştirme veya reaktif olmayan yan zincirlerin monomerlere eklenerek değiştirilmesi de kırılganlığı azaltabilir. Bu teknikler kullanılmadan önce plastik otomobil parçaları çok düşük sıcaklıklarda kaldıklarında genellikle çatlıyorlardı
Termoplastikler doğrusal veya hafif dallı uzun zincirli moleküllerdir.
Zincir içinde kovalent, zincirlerarası van der Waals bağlara sahiptir.
Bütün polimerler düşük sıcaklıklarda çok katı (elastik modülü ve kayma modülü yüksektir) ve gevrektirler.
Termoplastikler tekrar tekrar eritebilirler ve çözülebilirler. Bu da çevre koruma açısından özel bir anlam taşır. Münferit türleri birbirleri ile karıştırılmazlarsa, termoplastlar yeniden kazanım için mükemmel uygunluktadırlar. Yani teorik olarak birkaç bin yoğurt kasesinden bir çamurluk imal edilebilir.
Bir başka avantajları da çatlak ve kırıkların ısı ile kaynatılabilmesidir.
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 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
Termoplastik matrisler
Termoplastik polimerlerinin çeşitlerinin çok fazla olmasına rağmen matris olarak kullanılan polimerler sınırlıdır. Termoplastikler düşük sıcaklıklarda sert halde bulunurlar ısıtıldıklarında yumuşarlar. Termosetlere göre matris olarak kullanımları daha az olmakla birlikte üstün kırılma tokluğu, hammaddenin raf ömrünün uzun olması, geridönüşüm kapasitesi ve sertleşme prosesi için organik çözücülere ihtiyaç duyulmamasından dolayı güvenli çalışma ortamı sağlaması gibi avantajları bulunmaktadır. Bunun yanı sıra şekil verilen termoplastik parça işlem sonrası ısıtılarak yeniden şekillendirilebilir. Oda sıcaklığında katı halde bulunan termoplastik soğutucu içinde bekletilmeden depolanabilir. Termoplastikler yüksek sertlik ve çarpma dayanımı özelliğine de sahiptirler. Yeni gelişmelerle termoplastiğin sağladığı bu artı değerleri son dönem termoset matrislerinden 977-3 Epoksi ve 52450-4 BMI reçineleri de sağlamaktadırlar.
Termoplastiklerin kompozit malzemelerde matris olarak tercih edilmemelerinin başlıca nedeni üretimindeki zorlukların yanı sıra yüksek maliyetidir. Oda sıcaklığında düşük işleme kalitesi sağlarlar bu onların üretimde zaman kaybına yol açmasına neden olur. Bazı termoplastikleri istenilen şekillere sokabilmek için çözücülere ihtiyaç duyulabilir. Termoplastiklerin termosetlere kıyasla hammaddesi daha pahalıdır. Devamlı kullanım sıcaklıkları 60 °C ile 245 °C arasında değişebilen termoplastik reçine çeşitleri bulunmaktadır.
Başlangıçta amorf yapılı reçinelerden polietersulfon (PES) ve polieterimid (PEI) matris olarak kullanılmaktaydı. Sonraki dönemde ise havacılık sektörü uygulamaları için çözücülere karşı dayanım önemli bir kriter olarak ortaya çıkmıştır. Bu ihtiyaç sonrasında polietereterketon (PEEK) ve polifenilen sulfid (PPS) gibi yarı-kristal yapılı plastik malzemeler geliştirilmiştir. Ayrıca sınırlı oranlarda poliamidimid (PAI) ve poliimid gibi plastiklerde kullanılmaktadır.
Bu polimerler diğer termoplastiklerden farklı olarak polimerizasyonlarını kür aşamasında tamamlarlar. En yoğun çalışmalar ise PA, PBT/ PET ve PP gibi düşük sıcaklıklarda kullanılan polimerlerin üzerine yapılmıştır. Tüm bu polimerlerin haricinde ABS, SAN, SMA (StirenMaleikAnhidrit), PSU (polisülfon), PPE (polifenilen eter) matris olarak kullanılır. Termoplastik reçineler malzemenin çekme ve eğilme dayanımlarının artırılması için kullanılırlar. Otomotiv sektöründe yaygın kullanılan termoplastikler uçak sanayisinde de yüksek performanslı malzeme olarak kullanılır. Çoğunlukla enjeksiyon ve ekstrüzyon kalıplama yöntemleri ile üretilen termoplastiklerin üretiminde GMT (Glass Mat Reinforced Thermoplastics / Preslenebilir Takviyeli Termoplastik) olarak da üretilir (Bkz. kompozit malzeme üretim yöntemleri). Bu yöntemle hazırlanan takviyeli termoplastikler soğuk plakaların preslenebilmesi ve geri dönüşüm sürecine uygunluğundan dolayı özellikle otomotiv sektöründe tercih edilir.
Termoplastikler ısı ve basınç uygulandığında kolaylıkla yumuşayan, şekil değiştirebilen, akan bu durumda herhangi bir şekli alabilen ve soğutulduğunda sertleşebilen malzemelerdir. Bu özelliklerinden dolayı geri dönüşüm yolu ile tekrar tekrar kullanılabilirler. Şekillendirmede herhangi bir kimyasal değişikliğe uğramazlar. Bu özellikleri esasen termoplastiklerin molekül yapısından ileri gelir.
Termoplastikler lineer moleküllere sahiptirler. Lineer moleküllerde zinciri oluşturan ünitelerin arasında çok kuvvetli kovalent bağlar bulunmaktadır. Moleküller arasında ise fiziksel bir bağ bulunmamaktadır. Sadece molekülleri bir arada tutan zayıf elektrostatik çekme kuvvetleri vardır. Bu moleküller arası kuvvet zincirlerinin birbirine göre hareketlerini engelleyen, ısıya karşı duyarlı bir kuvvettir. Dolayısıyla lineer molekül zincirlerinden oluşan bir termoplastik ısıtıldığında moleküller arsındaki kuvvet zayıflar, molekül zincirleri birbirlerine göre hareket bakımından sıvılara benzer şekilde serbest haline gelir ve malzemeye bir kalıpta kolayca şekil verilebilir. Malzeme soğutulduğunda moleküller arası kuvvet büyür ve molekül zincirlerini verilen yeni şekilde dondurur. Ancak çok ısı verilirse molekül zincirleri kopar ve malzeme özelliklerinde bir yıpranma meydana gelir.Termoplastikleri, buharlaşma ile bileşimlerinin değişmemeleri şartıyla ile tekrar tekrar şekillendirmek ve kaynak yapmak mümkündür.
| Polimer | Tg (donma sıcaklığı) | Tm |
|---|---|---|
| Akrilonitril bütadien stiren (ABS) | 105 °C[5] | |
| Akrilik (PMMA) | 160 °C[6] | |
| Selüloit | ||
| Selüloz Asetat | ||
| Siklik Olefin Kopolimeri (COC) | ||
| Etilen-Vinil Asetat (EVA) | ||
| Etilen vinil alkol (EVOH) | ||
| Fluoroplastikleri (PTFE,sempozyumlarda FEP, PFA, CTFE, ECTFE, ETFE) | 175-130°C | |
| lonomerler | ||
| Kydex, bir ticari marka akrilik/MAT alaşım alloy | ||
| Sıvı Kristal Polimer (LCP) | ||
| Polioksimetilen (POM ya da Asetal) | 175 °C | |
| Polimetil Metakrilat (Akrilik) | ||
| Poliakrilonitril (PAN or Acrylonitrile) | ||
| Poliamid (PA veya Nylon) | 56-75 °C[7] | |
| Polyamide-imide (PAI) | 275 °C[7] | |
| Polyaryletherketone (PAEK or Ketone) | ||
| Polybutadiene (PBD) | -90 °C (-110 to -15 °C)[8] | |
| Polybutylene (PB) | ||
| Polybutylene terephthalate (PBT) | 40 °C | 225 °C |
| Polycaprolactone (PCL) | 62 °C | |
| Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) | ||
| Polietilen tereftalat (PET) | 75 °C | 255 °C |
| Polycyclohexylene dimethylene terephthalate (PCT) | ||
| Polikarbonat (PC) | 150 °C[7] | 267 °C |
| Polyhydroxyalkanoates (PHAs) | 145 °C | |
| Polyketone (PK) | ||
| Polyester | 75 °C | 260 °C |
| Polietilen (PE) | -127 °C | 105–130 °C |
| Polyetheretherketone (PEEK) | 143 °C[7] | 343 °C |
| Polyetherketoneketone (PEKK) | ||
| Polyetherimide (PEI) | 213 °C[7] | |
| Polyethersulfone (PES)- bkz. Polysulfone | 224 °C[7] | |
| Chlorinated Polyethylene (CPE) | ||
| Polyimide (PI) | 250 °C[7] | |
| Polylactic acid (PLA) | 50–80 °C | |
| Polymethylpentene (PMP) | ||
| Polyphenylene oxide (PPO) | ||
| Polyphenylene sulfide (PPS) | 92 °C[7] | |
| Polyphthalamide (PPA) | 134 °C[7] | |
| Polipropilen (PP) | 160 °C | |
| Polistiren (PS) | 104 °C[7] | 240 °C |
| Polisülfon (PSU) | 190 °C[7] | |
| Polytrimethylene terephthalate (PTT) | ||
| Poliüretan (PU) | ||
| Polivinilasetat (PVA) | 32 °C | |
| Polivinil klorür (PVC) | 80 °C °C[7] | |
| Polyvinylidene chloride (PVDC) | 40 °C | 185 °C |
| Styrene-acrylonitrile (SAN) | 115 °C |
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 etkisi vardır fakat suyu da emerek 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 metotları 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, şalter kolları, mobilya parçaları, direksiyon kaplaması, oyuncak, gözlük çerçevesi, yazı cihazları vb. yapımında 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 elyaf halinde çok kullanılır. Elyaf ergimiş plastiğin ekstrüzyonu ile elde edilir. Elyaf hali halat, filtre ve özel 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 bara kadar basınçlarda kullanılır; sürünme eğilimi), paketlemede ve inşaat malzemesi üretiminde kullanılan folyolar, ev eşyası ve oyuncak yapımı için püskürtme dökme parçalar, kaplar, kablo ve boruların kılıfları, saç parçaların kaplanmasında kullanılır.
3. Naylon
Doğrusal poliamid tipi plastikler bu genel isimle bilinirler. Naylonlar bir dibazik asitle bir diaminin yoğunlaşma polimerleştirilmesiyle elde edilirler: Naylonlar amino asitlerin yoğunlaşma polimerleştirilmeleriyle de yapılabilirler: Naylonlarda en güçlü molekül arası kuvvetler hidrojen bağlarıdır. Naylon ergiyikten sarma ile fiber haline getirilebilir. Elde edilen elyaf gerilerek çekme dayanımı yükseltilir. Tekstil endüstrisinde, halat, fırça kılı, tenis raket örgüsü gibi ürünlerde kullanılır. Naylonların atmosferik nemi emmesi diğer ısılplastiklerden daha yüksektir. Emme miktarı çeşitli naylonlar arasında değişir ve plastiğin özelliklerini etkiler. Bunların en sakıncalısı plastiğin elektriksel uygulamalarını sınırlayan yalıtım direncidir. Naylon imalattan önce iyice kurutulmalıdırlar aksi halde imalatta oluşan buhar naylonun yüzeyini bozabilir. Naylon parçalar kalıplamayla imal edilebilirler. Naylonu kalıp içinde polimerleştirmekle de imalat mümkündür ve bir tona kadar büyük parçalar bu metotla yapılabilir.
Naylonların en önemli özellikleri yüksek mekanik dayanım, aşınma direnci, yüksek üst sıcaklık sınırı ve az sürtünme katsayısıdır. Naylon pahalıdır ve daha çok özel karakteristikleri yönünden kullanılır. Yüksek basınçlı hortum, konveyör bandı, yağa dirençli şişe, aşınmaya dirençli kablo kılıfı naylondan ekstrüzyon metodu ile yapılabilir. Naylona cam elyafı katmakla mekanik dayanımı ve ısıl bozulma sıcaklığı yükseltilir
Polikarbonat karbonik asidin bir polyesteri olduğuna göre bu plastikler sınıfı aslında polyester grubunun bir üyesidir. 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 özelliklerinden yararlanılır. Akım taşıyan iletken destekleri, şalter kutu kapağı ve kondansatör muhafazaları 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; Ò CH2 O Òn 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 ısıl plastikleri
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.
Kaynakça
- ^ host, just. "Welcome lgschemistry.org.uk - Justhost.com" (PDF). www.lgschemistry.org.uk. 13 Eylül 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 8 Mayıs 2018.
- ^ Baeurle SA, Hotta A, Gusev AA (2006). "On the glassy state of multiphase and pure polymer materials". Polymer. 47 (17): 6243-6253. doi:10.1016/j.polymer.2006.05.076.
- ^ A. V. Shenoy and D. R. Saini (1996), Thermoplastic Melt Rheology and Processing, Marcel Dekker Inc., New York. 14 Nisan 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
- ^ Charles P. MacDermott and Aroon V. Shenoy (1997), Selecting Thermoplastics for Engineering Applications, Marcel Dekker Inc., New York. 14 Nisan 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
- ^ ABS 13 Haziran 2010 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. Retrieved 7 May 2010
- ^ Smith & Hashemi 2006, s. 509.
- ^ a b c d e f g h i j k l [1] 12 Mayıs 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. Retrieved 27 December 2012
- ^ Rubber Processing et al., s. 25.
