Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemiyle Üretilen PP Köpük Malzeme Özelliklerine Kimyasal Köpük Ajanının Etkisinin İncelenmesi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemiyle Üretilen PP Köpük Malzeme Özelliklerine Kimyasal Köpük Ajanının Etkisinin İncelenmesi H. Unal and S. H. Yetgin University o Sakarya, Faculty o Technical Education, Esentepe kampüsü, Sakarya/Turkey, unal@sakarya.edu.tr The investigation o the eect o oaming agent on PP oam properties produced by injection molding Abstract In this experimental study, as a matrix material high crystalline polypropylene copolymer (PP-c) was selected. Also as a oaming agent, chemical oaming agent was used. PP-c oam material production was perormed by injection molding method. The decomposition temperature o chemical endothermic oaming agent was 140 C and the total gas capacity was about 130 ml/g. Foaming agent added to polypropylene material between 1% and 2% by weight. The eect o oaming agent amount on the average cell size, cell number, skin layer s thickness and oam density o polypropylene oam material were investigated. Cell size and skin layer s thickness were measured with computer sotware equipped microscope. While density o cell increase, cell size and layer thickness in the polymer oam material decrease with the increase in oaming agent amount. Keywords Injection oam molding, polypropylene oam, oaming agent, cell structure P I. GİRİŞ olimer köpükler, iki arklı azdan meydana gelmektedir. Bunlardan ilki, katı polimer matris, diğeri ise köpük ajanı taraından türetilen gaz azıdır. Polimer esaslı köpük malzemeler hücresel veya genleşmiş plastikler olarak tanımlanabilir. Polimer köpükler, köpüklendirilmemiş plastikler ve diğer geleneksel malzemelerle kıyaslandığında bazı avantajlar sağlarlar. Bunlar; düşük yoğunluk, mükemmel yalıtım kabiliyeti, ucuzluk, iyi dayanım/ağırlık oranı, iyi darbe mukavemeti gibi özellikleri nedeniyle, mobilya sektörü, taşımacılık sektörü, oyuncak, spor ekipmanları, ayakkabı, ses izolasyonu, binalarda yalıtım uygulamaları, yiyecek ve içecek kaplarının yapımı gibi arklı alanlarda geniş bir şekilde kullanılmaktadır [1-4]. Polimer esaslı köpük malzemeler, hem enjeksiyonla kalıplama gibi süreksiz proseslerle, hem de ekstrüzyon gibi sürekli proseslerle üretilebilmektedirler. Tüm bu köpük malzeme üretim proseslerinde üç temel adım vardır. Bunlar; karıştırma/doyma, hücre çekirdeklenmesi ve hücre büyümesidir [5-8]. Farklı polimer köpük üretim teknolojileri arasında, enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi diğer yöntemlere göre daha gelişmiş ve kolaylıkla uygulanabilir bir teknoloji haline gelmiştir. Enjeksiyonla köpük kalıplama yöntemi, çözeltideki gazın bozulması, hücre çekirdeklenmesi, hücre büyümesi ve ürünün şekillenmesi aşamalarını kapsayan bir polimer köpük üretim tekniğidir. Geleneksel enjeksiyon kalıplama tekniğinin tersine, bu yöntemde kalıp hacimsel olarak tam doldurulmaz ve enjekte edilen gaz-yüklü polimerin miktarı azaltılır. Yani, polimer malzeme camsı geçiş sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Kalıpta basıncın aniden azalması ile köpük ajanı taraından üretilen gaz serbest kalır. Hücrelerin çekirdeklenmesi ve daha sonra meydana gelen hücre büyümesi kalıptaki boşlukları doldurur. Genleşme tamamlandıktan sonra, kalıplanan polimer köpük malzeme katılaşma sıcaklığına kadar soğutulur ve köpüklendirilmiş ürün elde edilmiş olur. Enjeksiyonla kalıplama tekniği ile üretilen köpük malzemeler normal malzemelere göre daha haitir ve daha iyi boyutsal kararlılığa sahiptir. Kalıpta tutma ve paketleme zamanının azaltılması sebebiyle çevrim ve soğuma zamanı yaklaşık olarak %25 oranında azalır. Karmaşık şekilli parçaların üretiminde enjeksiyonla köpük malzeme üretimi, ekstrüzyonla köpük malzeme üretimine göre daha azla avantaj sağlar [5, 9-11]. Bu çalışmada, enjeksiyonla köpük malzeme üretimi için yüksek kristalliğe sahip polipropilen kopolimer malzemesi kullanılmıştır. Köpük ajanı olarak ise 140 o C bozunma sıcaklığına ve 130ml/g gaz oranına sahip endotermik kimyasal köpük ajanı kullanılmıştır. Deneyde kullanılan kimyasal köpük ajanı, polipropilen malzemeye ağırlıkça %1 ve %2 oranında ilave edilmiştir. Deneyler sonucunda polipropilen köpük malzemenin ortalama hücre boyutuna, hücre sayısına, köpük tabakası kalınlığına, hücreler arası mesaeye ve köpük yoğunluğuna, kullanılan köpük ajanı miktarının etkisi incelenmiştir. A. Malzeme II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada, Pro-ax SD242 kodlu kolay kalıplanabilen, yüksek ergiyik akışlı, orta darbe dirençli polipropilen kopolimeri matris malzemesi olarak seçilmiş olup İsviçrenin 26

2 Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemiyle Üretilen PP Köpük Malzeme Özelliklerine Kimyasal Köpük Ajanının Etkisinin Basel irmasından temin edilmiştir. Deneyde kullanılan PP kopolimer malzemenin ergime akış indeksi 35g/10dak. (230 o C/2.16kg) ve yoğunluğu ise 0.9g/cm 3 tür. Kimyasal köpük ajanı olarak ise Foaming MB-FA 2984 PE kodlu Tosa (İstanbul) irmasından temin edilen enjeksiyonla kalıplamaya uygun endotermik köpük ajanı seçilmiştir. Köpük ajanının bozunma sıcaklığı yaklaşık 140 o C dir ve toplam bozunma miktarı ise 130ml/gr dır. Bozunma sonucu ortaya çıkan gazın büyük bir çoğunluğu karbondioksittir. B. Enjeksiyonla Köpük Kalıplama İşlemi Masterbatch ormundaki polimer ve köpük ajanı, homojen bir karışım sağlanması için ısı uygulanmadan mekanik olarak karıştırılmıştır. Polipropilene katılan köpük ajanı miktarı ağırlıkça %1 ve %2 olarak seçilmiştir. PP köpük üretimi için 175 ton kapasiteli ve 200 g plastik parça üretim kapasitesine sahip enjeksiyon makinesi kullanılmıştır. Köpük ajanının termal olarak bozunmasını tamamlaması için sıcaklık kademeli olarak artırılmış olup enjeksiyon köpük kalıplama parametreleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1: Enjeksiyon köpük kalıplama parametreleri. Enjeksiyon parametreleri Birimi Değerler Sıcaklık (kovan) o C Sıcaklık (kalıp) o C Enjeksiyon basıncı bar 90 Enjeksiyon hızı mm/s 25 Soğuma zamanı s 15.5 Vida adımı: (%1 Köpük ajanı) mm 51 ( %2 Köpük ajanı) mm 55 n M A N (2) Köpüksüz numunenin 1 cm 3 ündeki hücre sayısı ( N 0 ) ise Eşitlik 3 ile hesaplanır. N No (3) 1 V Burada, N birim hacimdeki hücre yoğunluğunu, V ise polimer köpük malzemedeki yoğunlukta azalma miktarını iade etmektedir. Kabuk tabakası kalınlığı ölçümleri, mikroyapı otoğralarından imaj analiz programı yardımıyla bulunmuştur. Şekil 1 de PP köpük malzemesinin kabuk tabaka kalınlığı görülmektedir. Şekilde de açıkça görüldüğü gibi üst tabaka (e üst ), çekirdek bölge (e çek ) ve alt tabaka (e alt ) kalınlıklarının ölçümleri yapılarak ortalama değerler alınmıştır. Sonuçlar, e üst + e çek + e alt = %100 olacak şekilde verilmiştir. Üretilen polimer köpüklerde hücreler arası mesae ise iki bitişik hücre arasındaki mesae ölçülerek elde edilmiştir. C. Mikroyapı ve kabuk tabaka kalınlığının karakterizasyonu Polipropilen matris malzeme bünyesindeki köpükleri karakterize etmek için hücre yoğunluğu ve hacimsel genleşme oranı kullanılmıştır. Köpük yoğunluğu, ASTM D 792 standardına göre belirlenmiştir. Hacimsel genleşme oranı (Φ) ise, Eşitlik 1 de gösterildiği gibi köpüksüz polimer yoğunluğunun (ρ p ), ölçülen köpük yoğunluğuna (ρ ) oranı ile belirlenmiştir. Köpüklerin ortalama hücre çapı, Nikon Eclipse L150A optik mikroskobu ve buna bağlı olarak çalışan Clemex Vision Lite görüntü analiz programı kullanılarak hesaplanmıştır. Hacimsel Genleşme Oranı = (1) Birim hacimdeki hücre yoğunluğu (N ), Eşitlik 2 de verilen ormül ile hesaplanır [12]. Eşitlik 2 deki n optik mikroskopta elde edilen görüntüdeki hücre sayısıdır. A, optik mikroskopta elde edilen görüntünün alanı ve M ise büyütme aktörüdür. p Şekil 1: Kabuk tabakası kalınlığının ölçülmesi III. DENEYSEL SONUÇLAR Şekil 2 a-b de, ağırlıkça %1 ve % 2 oranında katılan köpük ajanı katkılı numunelerin imaj analiz programı kullanılarak elde edilen ve hücre sayısının (n), minimum-maksimum hücre çapının, ortalama hücre çapının ve optik mikroskopta elde edilen köpük alanın (A) belirlendiği program çıktısı verilmiştir. Burada sadece ölçüm sonuçlarından ikişer tanesi verilmiştir. Tablo 2 de köpük ajanı miktarına bağlı olarak yapısal köpüklerin morolojik özellikleri verilmiştir. Enjeksiyonla kalıplama tekniği ile üretilen numuneler çekirdek ve kabuk bölgesi olmak üzere iki bölgeden meydana gelir. Çekirdek bölgesi, hücrelerin yoğun olarak bulunduğu bölge iken kabuk bölgesi ise hücrelerin bulunmadığı bölgedir [13]. Kabuk kalınlığı ise köpüklenen numunede, köpüklenmemiş kabuk bölgesinin kalınlığı olarak tanımlanır [14]. Tablo 2 de görüldüğü gibi köpüklerin simetrik kabuk tabakası kalınlığına 27

3 H. Ünal, S. H. Yetgin (e alt =e üst ) sahip oldukları görülmektedir. Köpük ajanı miktarının artması ile toplam kabuk tabakası kalınlığı (e alt + e üst ) azalmıştır. Benzer şekilde kimyasal köpük ajanı miktarının artırılması, ergiyik polimerde daha kolay hücre çekirdeklenmesine sebep olan çekirdekleyici ajan partiküllerinin (kimyasal köpük ajanının bozunması sonucu oluşan artıklar) sayısını artırmıştır. Tablo 2: Köpük ajanı miktarının köpük morolojisi üzerine etkisi %1 kimyasal köpük ajanı %2 kimyasal köpük ajanı Ortalama hücre sayısı, n Hücreler arası mesae, µm e üst ( % ) e alt ( % ) e çek ( % ) e üst / e alt Polimer katılaşmadan hücrelerin daha hızlı çekirdeklenmesi sebebiyle, daha kalın çekirdeklenen bölge elde edilirken, daha ince kabuk tabakası kalınlığı elde edilir. Benzer sonuçlar Barzegari [15] taraından da elde edilmiştir. Tablo 2 de görüldüğü % 1 köpük ajanı ilaveli numunede çekirdeklenen hücre sayısı 130 adet iken köpük ajanını oranının artması ile 405 adet hücre sayısı elde edilmiştir. Elde edilen hücre sayısına bağlı olarak köpük numunelerde hücreler arası mesae, %1 köpük ajanı kullanıldığında 45.30µm elde edilirken, köpük ajanını oranının %2 olması durumunda ise 16.06µm elde edilmiştir. Şekil 2: Farklı köpük ajanı miktarları için program çıktısı, a) %1 CFA ve b) %2 CFA Şekil 3: Farklı köpük ajanı miktarları için çekirdek bölgesi mikroyapıları, a) %1 CFA ve b) %2 CFA 28

4 Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemiyle Üretilen PP Köpük Malzeme Özelliklerine Kimyasal Köpük Ajanının Etkisinin Şekil 3 de, %1 ve %2 köpük ajanı miktarları için çekirdek bölgesinden ( e çek ) elde edilen mikroyapı resimleri verilmiştir. Hem %1 hem de %2 köpük ajanı ilaveli numunelerde kapalı tip hücre yapısı elde edilmiştir. Şekil 2 ve 3 dikkatli bir şekilde incelendiğinde, %1 köpük ajanı kullanıldığında büyük hücre boyutları ile homojen olmayan hücre boyutu ve dağılımı gözlenmiştir. Artan köpük ajanı miktarı (%2) ile hücre boyutu azalmış, hücre boyutu ve dağılımı üniorm hale gelmiştir. Polimer ergiyik içinde başlangıçta çözünen gaz miktarının artmasıyla hücre çapları azalmış ve hücre çekirdeklenmesi aşamasında oluşan hücrelerin sayısı artmıştır. Yapısal köpüklerin hücre morolojisinde köpük ajanı miktarı önemli bir rol oynamaktadır. Şekil 4 te köpük ajanı miktarına bağlı olarak yoğunluk ve hacimsel genleşme oranı arasındaki ilişki verilmiştir. PP kopolimer bünyesindeki kimyasal köpük ajanı oranının artmasıyla yoğunlukta azalma gözlenirken buna bağlı olarak hacimsel genleşme miktarı artmıştır. Köpük ajanı miktarının %1 den %2 ye çıkmasıyla yoğunlukta %54 oranında azalmıştır. %2 köpük ajanı ilaveli numunenin yoğunluğu köpüklendirilmemiş polipropilenin yoğunluğuna göre yaklaşık %79 oranında azalmıştır. Köpük yoğunluğundaki azalma ile ilgili olarak literatürde bu konuda çalışan bazı araştırmacılardan olan Bledzki [9] benzer sonuçlar elde etmiştir. Köpük ajanının artırılması ile hacimsel genleşme oranı ise lineer olarak artmıştır. Köpük ajanını miktarının iki katına çıkarılması ile polimer köpük yaklaşık olarak %54 oranında hacimsel olarak genleşmiştir. numunelerde ortalama hücre çapı 78,5µm ve hücre yoğunluğu ise 10 6 hücre/cm 3 elde edilmiştir. Köpük ajanı kullanım oranının iki katına çıkarılması ile ortalama hücre çapı yaklaşık %30 oranında azalırken birim hacimde elde edilen hücre yoğunluğu ise %88 oranında artmıştır. Ergimiş polimer içerisindeki kimyasal köpük ajanı oranının artması ile daha azla oranda gaz serbest kalmış ve bu da çekirdeklenme alanlarının sayısını artırmıştır. Çekirdeklenme alanlarının sayısının artması, oluşan hücrelerin sayısını artırmış, buna bağlı olarak hücreler arası mesae ve ortalama hücre boyutu da azalmıştır. Küçük ve artan hücre sayısı polimer köpük malzeme yoğunluğunu önemli oranda azaltmıştır. Benzer sonuçlar daha önce literatürde bu konuda çalışan araştırmacılardan bazıları olan Xin [14] ve Yuang [16] taraından da elde edilmiştir. Yani bulunan sonuçlar literatürde bulunan sonuçlar ile benzerlikler göstermektedir. Şekil 5: Köpük ajanı miktarına bağlı olarak ortalama hücre çapı ve hücre yoğunluğundaki değişim Şekil 4: Köpük ajanı miktarına bağlı olarak yoğunluk ve hacimsel genleşme miktarlarındaki değişim Şekil 5 de ise köpük ajanı miktarına bağlı olarak ortalama hücre çapı ve hücre yoğunluğu arasındaki ilişki verilmiştir. PP kopolimer malzemenin bünyesindeki kimyasal köpük ajanı miktarının artırılmasıyla ortalama hücre çapında önemli oranda azalma, hücre yoğunluğunda ise artış gözlenmiştir. Ağırlık olarak %1 oranında köpük ajanı katkılı numunelerde ortalama hücre çapı 112,8 µm iken hücre yoğunluğu ise 10 5 hücre/cm 3 elde edilmiştir. Benzer şekilde %2 oranında köpük ajanı katkılı IV. SONUÇLAR Yapılan araştırma sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. Yapısal köpüklerin simetrik kabuk tabakası kalınlığına ( e alt = e üst ) sahip oldukları belirlenmiştir. Köpük ajanı miktarının artması ile toplam kabuk tabakası kalınlığı ( e alt + e üst ) azalmıştır. Kimyasal köpük ajanı miktarının 2 katına çıkarılmasıyla ortalama hücre çapı yaklaşık olarak %30 oranında azalmıştır. PP kopolimer bünyesinde %1 köpük ajanı kullanıldığında hücreler arası mesae 45.30µm elde edilirken, köpük ajanı oranının %2 ye çıkarılması durumunda hücreler arası mesae 16.06µm elde edilmiştir. Artan köpük ajanı miktarı ile hücre boyutu azalmış, hücre boyutu ve dağılımı üniorm hale gelmiştir. 29

5 H. Ünal, S. H. Yetgin Düşük köpük ajanı miktarında büyük hücre boyutları ile homojen olmayan hücre boyutu ve dağılımı gözlenmiştir. Polimer köpüklerin yoğunlukları, köpüksüz numune ile karşılaştırıldığında yaklaşık olarak %79 oranında azalma meydana gelmiştir. PP kopolimer malzeme bünyesindeki köpük ajanı miktarının artırılmasıyla ortalama hücre çapı önemli oranda azalırken hücre yoğunluğunun ise arttığı gözlenmiştir. Ground Rubber Tire Powder Blend, Materials and Design, vol. 31, pp , [15] M. R. Barzegari and D. Rodrigue, The Eect o Injection Molding Conditions on the Morphology o Polymer Structural Foams, Polymer Engineering and Science, pp , [16] M. Yuang, L. S. Turng, S. Gong, D. Caulield, C. Hunt and R. Spindler, Studyo Injection Molded Microcellular Polyamide-6 Nanocomposites, Polymer Engineering and Science, vol. 44, no.4, pp , April TEŞEKKÜR Bu deneysel çalışma, Sakarya Üniversitesi nolu Bilimsel Araştırma Projesi ile desteklenmektedir. Bu destekten dolayı yazarlar Sakarya Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyon Başkanlığına teşekkür etmeyi bir borç bilir. KAYNAKLAR [1] R. Pop-Ilıev and C. B. Park, Melt Compounding Based Rotational Foam Molding Technology or Manuacture o Polypropylene Foams, Journal o Reınorced Plastıcs and Composıtes, vol. 21, no. 2, pp , [2] C.M. Wong, S. J. Tsaı, C.H. Yıng and M.L. Hung, Eect o Low Density Polyethylene on Polystyrene Foam, Journal o cellular plastıcs, vol. 42, pp , March [3] Z. Xu, P. Xue, F. Zhu and J. He, Eects o Formulations and Processing Parameters on Foam Morphologies in the Direct Extrusion Foaming o Polypropylene using a Single-screw Extruder, Journal o Cellular Plastıcs, vol. 41. pp , March [4] J. Stange and H. Münstedt, Eect o Long-chain Branching on the Foaming o Polypropylene with Azodicarbonamide, Journal o Cellular Plastıcs, vol. 42, pp , November [5] H. L. Chen, R. D. Chien and S. C. Chen, Using thermally insulated polymer ilm or mold temperature control to improve surace quality o microcellular injection molded parts, International Communications in Heat and Mass Transer, vol. 35, pp , [6] A. Greco, A. Maezzoli and O. Mani, Development o polymeric oams rom recycled polyethylene and recycled gypsum, Polymer Degradation and Stability, vol. 90, pp , [7] H. E. Naguıb, C. B. Park and P. C. Lee, Eect o Talc Content on the Volume Expansion Ratio o Extruded PP Foams, Journal o Cellular Plastıcs, vol. 39, pp , November [8] J. J. Lee and S. W. Cha, Characteristics o the Skin Layers o Microcellular Injection Molded Parts, Polymer-Plastics Technology and Engineering, vol. 45, pp , [9] A. K. Bledzkı and O. Faruk, Microcellular Injection Molded Wood Fiber PP Composites: Part I Eect o Chemical Foaming Agent Content on Cell Morphology and Physico-mechanical Properties, Journal o Cellular Plastıcs, vol. 42, pp , January [10] A. N. J. Spörrer and V. Altstadt, Controlling Morphology o Injection Molded Structural Foams by Mold Design and Processing Parameters, Journal o Cellular Plastıcs, vol. 43, pp , July/September [11] M. C. Guo, M. C. Heuzey and P. J. Carreau, Cell Structure and Dynamic Properties o Injection Molded Polypropylene Foams, Polymer Engıneerıng and Scıence, pp , [12] V. Kumar and N.P. Suh, A process or making microcellular thermoplastic parts, Polym. Eng. Sci., vol. 30, pp , [13] J. J. Lee and S. W. Cha, Inluence o Mould Temperature on the Thickness o a Skin Layer and Impact Strength in the Microcellular Injection Moulding Process,, Cellular Polymers, vol. 24, no. 5, pp , [14] Z. X. Xin, Z. X. Zhang, K. Pal, J. U. Byeon, S. H. Lee, J. K. Kim, Study o Microcellular İnjection-Molded Polypropylene/Waste 30