www.teknolojikarastirmalar.com Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi 2008 (2) 67-73 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR (Derleme) GĐZEM KARAKAN Akdeniz Üniversitesi, Serik Meslek Yüksekokulu,Tekstil Programı, Antalya ÖZET Yüksek performanslı lif tanımı ile yüksek gerilme mukavemeti, yüksek ısı direncine sahip, yüksek modüllü, iyi boyanma özelliğine sahip, yüksek kimyasal dirençli üstün mekanik özelliklere sahip lifler anlaşılır. Sıradan liflerle karşılaştırdığımızda oldukça pahalı olan bu liflerin üretimi ve tüketimi Avrupa, Amerika ve Japonya gibi ülkelerde sınırlı kalmıştır. Bu liflerin son yıllarda balistik amaçlı kullanılan tekstil ürünlerinde de tercih edilmesi balistik tekstiller konulu araştırmaların yoğunlaşmasını sağlamıştır. Bu çalışmada sırasıyla balistik yapıların tarihçesi, balistik korumanın temeli ve balistik korumada kullanılan yüksek performanslı liflerin özellikleri incelenecektir. Anahtar Kelimeler: Yüksek Performanslı Lifler, Balistik Koruma 1.BALĐSTĐK YAPILARIN TARĐHÇESĐ Eski çağlardan beri insanoğlu kendini tehlikelerden koruyabilme amacıyla çeşitli koruyuculara ihtiyaç duymuş ve birçok malzeme kullanmıştır. Koruyucu giysilerin ilki hayvan derilerinden yapılmıştır. Tahta ve metal zırhların kullanım alanı uygarlıkların gelişmesiyle artmıştır. 19.yy ın sonlarına doğru Japon ordusu, yumuşak zırhın kullanabilirliğini keşfetmiştir. Bu tür zırhlarla ancak düşük hızlı mermilere karşı koruma sağlanabilirken yeni tip silahlara karşı koruma sağlanamamıştır. 1931 yılında polis çalışanları için geliştirilen vücut zırhından sonra 1960 lı yıllarda NIJ (National Institute of Justice) tarafından polislerin giyebileceği hafif ağırlıklı vücut zırhı üretebilmenin yolları araştırılmaya başlanmıştır. 1970 yılında Dupont firması tarafından üretilen kevlar esaslı kurşun geçirmez yelek üretimi ile balistik korumaya yönelik çalışmalarda büyük bir adım atılmıştır. 1980 lerde, yüksek yoğunluklu polietilen liflerinden geliştirilen lifler balistik koruyucu amaçlı giysilerde çok tercih edilmeye başlanmıştır. Günümüzde yenilenen teknoloji ve silah sanayinin gelişimiyle balistik koruyuculuğu arttırmaya yönelik yeni lifler (Zylon, örümcek ipeği, karbon nanotüpler v.b) ile ilgili araştırmalar sürmektedir.giysinin balistik performansını arttırmanın yanı sıra konforu arttırma ve maliyeti düşürmeye yönelik yeni hedefler de araştırma kapsamındadır (1). 2. BALĐSTĐK KORUMANIN TEMELĐ NEDĐR? Balistik koruma ile amaçlanan yüksek hızdaki çarpma etkisinden oluşan darbeyi en aza indirmek ve merminin vücuda temasını önlemektir. Darbenin en aza inmesiyle birlikte vücutta gerçekleşecek çöküntü değerini minimumda tutabilme ve vücut dokularının zarara uğramasının engellenmesi hedeflenmektedir. Çöküntü miktarının minimumda tutulabilmesi ise darbe esnasında oluşacak enerjiyi geniş bir alana yaymak ile sağlanmaktadır. Kumaşta meydana gelen darbe olayını analiz edebilmek amacıyla tek bir lifte gerçekleşen darbe olayı incelenmiş ve merminin life çarpması ile birlikte enine ve boyuna dalga olmak üzere iki tip dalganın darbe noktasından yayıldığı görülmüştür (2).
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (2) 67-73 Şekil 1. Tek bir lifte gerçekleşen darbe Tek katmanlı bir kumaşın enine darbesi ile tek bir lifin enine darbesi arasındaki benzerlikten yola çıkılarak yapılan çalışmada, mermi ile temas eden temel ipliklerde enine yönde bir eğilme meydana gelirken ;temel ipliklerle kesişen ortogonal ipliklerin temel iplikler tarafından orijinal kumaş düzleminden dışarıya doğru çekildikleri saptanmıştır. Nümerik olarak yapılan analizlerde merminin kinetik enerjisinin büyük bir bölümünün gerinim ve kinetik enerji olarak temel ipliklere transfer edildiği; ortogonal ipliklerin enerji yutumuna olan katkılarının oldukça az olduğu ortaya çıkarılmıştır. Şekil 2 de gösterildiği gibi temel iplikler oldukça gerilmiş bir halde; ortogonal iplikler ise daha gevşek bir durumda konumlanmaktadırlar (3). Şekil 2:Tek katmanlı bir kumaşta meydana gelen darbenin görünüşü 3. BALĐSTĐK KORUMADA KULLANILAN LĐFLER Balistik koruma amaçlı kullanılan ilk lif poliamid lifleridir. Aramid (kevlar) ve yüksek yoğunluklu polietilen (Spectra) balistik korunmada kullanılan temel malzemelerdir. 68
Karakan, G. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (2) 67-73 Tablo 1 Balistik korumada kullanılan lifler Mukavemet (GPA) Modül (Gpa) Kopma Uzaması (%) Aramid 2,8-3,2 60-115 1,5-4,5 UHMWPE 2,8-4,0 90-140 2,9-3,8 LCP 2,8 65 3,3 PBO AS 5,5 280 2,5 M5 4 330 1,2 Cam Lifi 4,65 87 5,4 Balistik korumada iki önemli parametre önem kazanmaktadır. Đlki liflerin çarpma enerjisini yayma hızlarıdır (3) ; V (m/s)=(e/ρ)½ V (m/s)=(f/µ)½ Bu formülde F değeri darbe kuvvetini (N); µ boyca yoğunluğu (g/m);e modülü; ρ ise özgül ağırlığı (specific gravity) ifade etmektedir. Balistik Koruma Kapasitesi (BKK) olarak adlandırılan ikinci özellik ise, aşağıdaki gibi ifade edilmektedir. BKK=(W*Vson)½ W=(σ*ε)/2 σ :Kopma Mukavemeti (N) ε :Kopma Uzaması (%) Poliamid Lifleri: Balistik amaçlı kullanılan ilk liflerden olan Poliamid lifleri Pürüzsüz bir yüzey ve yüksek aşınma direncine sahiptirler ancak; 60 C nin üzerindeki sıcaklıklarda hava ile temas durumunda yüzey renginin bozulması, darbe mukavemetinin düşmesi söz konusudur. Ultraviyole ışınlarına maruz kaldıklarında kopma mukavemetlerinin düşmesi ve yüksek performanslı liflerle kıyaslandığında yüksek mukavemet ve yüksek modüle sahip olamamaları; günümüzde bu liflerin balistik korunma amaçlı tekstil materyallerinde hammadde olarak tercih edilememesinin nedenleri olarak sayılabilir. Kevlar Lifleri: Đleri teknoloji liflerinin en ilginç biri olan Kevlar lifi, kimyasal olarak para fenilendiamin ile teraftalik asidin polikondenzasyonu ile elde edilen bir paraamid liftir. Lif poliparafenilen teraftalamid moleküllerinden oluşur. Moleküler oryantasyonu son derece iyidir. Aromatik halka yapısı sayesinde termal dayanımı oldukça yüksektir. Para konfigürasyonu yüksek mukavemetli ve yüksek Young modüllü olmasını sağlar. Bu özelliklerinden dolayı dış lastik kuvvetlendirmelerinde, balistik uygulamalarda, halatlarda, kablolarda ve yüksek mukavemet, ısısal ve kesilme dayanımı gerektiren koruyucu yapılarda kullanılırlar. Twaron Lifleri: Para-aramid liflerinden en son geliştirilen yüksek performanslı lif grubundan olan Twaron; Teijin firması tarafından üretilmektedir. Enerji yutabilme kapasitesinin oldukça yüksek olması balistik korumada yaygın kullanılmasını sağlamıştır. Hafif ve yüksek mukavemetli bir liftir. Twaron lifleri Twaron standart, Twaron CT ve Twaron CT Mikrofilament olmak üzere üç e ayrılmaktadırlar; Bu üç lifin balistik performanslarının kıyaslanışı için yapılan V50 ölçüm sonuçları (0,5 delinme olasılığının olduğu, yani merminin %50 içine girdiği %50 girmediği hız değerini (m/s) ifade etmektedir.) aşağıdaki şekilde sunulmuştur (2). 69
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (2) 67-73 Şekil 4 Twaron Lifleri V (M/s) 50 KĐNETĐK ENERJĐ (Nm) 500 450 400 350 1000 810 640 490 3,5 4,0 4,0 5,0 5,5 AĞIRLIK (Kg/M2) Twaron CT Mikrofilament 930 dtex Twaron CT 1100 dtex Twaron standart tip 1100 dtex Şekil 5 Twaron standart,twaron CT ve Twaron CT mikrofilament liflerinin balistik performanslarının kıyaslanışı Yapılan araştırmalarda Twaron CT mikro filamentlerinden yapılan iplikte, standart Twaron la üretilen aynı ağırlıkta bir ipliğe göre %50 daha fazla para-aramid lifi olduğu belirtilmektedir. Twaron CT Microfilament liflerinden üretilen balistik bir yapının Standart kumaşla kıyaslandığında aynı enerji absorblama seviyesine sahip ancak çok daha hafif olduğu, böylelikle giyilebilirlik ve giyim konforu değerlerinin çok daha iyi olduğu ifade edilmektedir (3). Dyneema Lifleri: HDPE (high density polyethilene) den üretilmektedir. Amin grupları içermeyen aromatik halkalar sayesinde suya, neme, birçok kimyasallara,uv ışınlarına,mikroorganizmalara dayanıklıdır.düşük yoğunluğuna karşın oldukça sağlamdır. Dayanıklılığı yüksek kaliteli bir çelikten 15 kez daha fazla olabilir. Dyneema SK60/SK65, Dyneema SK75, Dyneema SK76 gibi ticari isimlerle üretilirler (3). 70
Karakan, G. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (2) 67-73 Tablo 2 Dyneema liflerinin bazı özellikleri Dynee ma Dynee ma Dyne ema Dyne ema SK 60 SK 65 SK 75 SK 76 Yoğunluk (g/cm 3 ) 0,97 0,97 0,97 0,97 Mukave met (N/tex) 2,80 3,10 3,30 3,70 Mukave met (gr/den) 32,00 35,00 40,00 42,00 Mukave met (Gpa) 2,70 3,00 3,40 3,60 Kopma Uzaması % 3,50 3,60 3,80 3,80 Spectra Lifleri:1980 li yıllarının sonunda Honeywell firması tarafından koruyucu teknoloji (shield technology) amaçlı kullanılan Spectra lifleri yumuşak ve sert koruyucu dokusuz yüzeyleri şeklinde yaygın olarak balistik tekstillerde kullanılmaktadır. Dokusuz yüzey uygulamasından önce lifler yan yana dizilirler, sonra bu lifler tek bir kat, ince tabaka elde etmek için reçine ile bağlanırlar. Bu şekilde elde edilen iki tabaka 0/90 açı yapacak şekilde üst üste konurlar ve aşınma direncini artırmak için bu tabakanın her iki yüzü film ile kaplanır. Ancak bu liflerden elde edilen dokusuz yüzey kompozitlerin yanma sıcaklığı 357 ºC gibi düşük bir değer olduğundan oluşturulan balistik koruyucu yapı güç tutuşur kılıf ile kaplanmalıdır. Şekil 6 Spectra Koruyucu PBO (Zylon) Lifleri: 1994 yılında Japon Toyobo firması tarafından piyasaya sürülen PBO (poli-pfenilenbenzobisoksazol), 4,6-diamino-1,3-benzendioldihidroklorür (DABDO) ile tereftalik asidin (TA), polifosforik asit içerisinde (PPA) polikondenzasyonu sonucu elde edilmektedir. Makromolekül zincirlerinin lif eksenine paralel yerleşmesi sayesinde lif mukavemeti ve modülü oldukça yüksektir (4). Şekil 7 Zylon lifinin kimyasal yapısı 71
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (2) 67-73 Karbon Nano Tüpler Yassı karbon atomu yapraklarının yuvarlanıp, silindir şekline getirilerek yapılmasıyla oluşan karbon nano tüpler, çelikten yüz kat güçlü, altı kat daha hafiftir. Đdeal durumda bir karbon nanotüp, bir (tek katmanlı karbon nanotüp) veya birkaç tane (çok katmanlı karbon nanotüp) silindirik grafit tabakasından oluşur. Çok katmanlı karbon nanotüplerde katmanlar arası mesafe 0,34-0,36 nanometredir. Bu boyut grafitin tipik atomik boşluğuna yakındır. Karbon-karbon bağları 0,14 nanometre uzunluğundadır ve bunlar elmastaki bağlardan daha kısadır. Bu da nanotüpün elmastan daha güçlü bir materyal olduğunu göstermektedir (5). Şekil 8 Karbon nanotüplerin yapısı Şekil 9 Karbon nanotüplerin kopma dayanımlarının diğer liflerle kıyaslanması Örümcek Đpeği Lifleri: Son yıllarda balistik korumalarda kullanılabilirliği araştırılan bu liflerin diğerlerinden farklı olarak doğal bir lif olmaları dikkat çekmektedir. Balistik tekstilde kullanılabilirlik açısından yüksek mukavemetli olmaları önemli bir avantaj olsa da elastikiyetlerinin yüksek olması kullanımda önemli bir sınırlandırma getirmektedir. Kanadalı Nexia Biotechnologies şirketi, örümcek ipeği genini keçilerin salgı bezlerine yerleştirerek, bu liflerin keçiler yoluyla üretilmesi üzerinde çalışmalar yapmıştır. Keçiden elde edilen sütteki ipek proteini sütten ayrılarak bundan lif çekilmiştir. Bu yolla üretilen lifin gerçeğe oldukça benzer olduğu görülmüştür.. Yapay örümcek ipeği liflerinin yapay tendon ve bağların üretiminde, ameliyat ipliklerinde, kurşun geçirmez yelekler gibi bir çok alanda kullanım alanı bulacağı düşünülmektedir (6). 72
Karakan, G. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (2) 67-73 4. SONUÇLAR Şekil 10 Örümcek ipeği Balistik darbe dirençli vücut zırhı araştırmalarının temel amacı, düşük maliyetli, hafif, konforlu giysi sisteminin oluşturabilmektir. Bu amaç doğrultusunda yüksek mukavemet, yüksek modül ve düşük elastikiyete sahip olan yüksek performanslı lif özelliklerini geliştirebilmek balistik tekstil ürünlerinin gelişimi açısından büyük önem arz eder. Yüksek mukavemetli ve yüksek young modüllü Zylon,örümcek ipegi lifleri, karbon nano tüpler gibi yeni liflerin balistik tekstillerde kullanılabilirliği araştırılmakta ve balistik performanslarının karşılaştırılması üzerinde çalışılmaktadır. Son yıllarda doğal lif olma özelliği ile dikkati çeken örümcek ipeğinin balistik koruma ürünlerinde kullanımıyla ilgili araştırmaların sonucu merakla beklenmektedir. Oldukça yüksek bir dayanıma sahip olan bu liflerin balistik tekstillerde kullanımı açısından avantajlı olduğu düşünülse de yüksek elastikiyetinin kullanımda problemlere yol açacağı düşünülmektedir. KAYNAKLAR 1. Turhan,Y., Balistik Kumaşların Dizaynı ve Bilgisayar Uygulamaları, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,112,1999 2. Çerkez,Đ., Kolloidal Silika Dispersiyonunun Polietilen Kumaşların Balistik Performansına Etkisi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi,70, 2007 3. Temiz, S., Balistik kumaş ve test yöntemleri üzerine bir araştırma, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü, Yüksek lisans tezi,99s,2005 4. http://tubitaktam.ege.edu.tr/dosyalar/balistik_lifler.pdf, 2007 5. Bilişik,A.K.. Balistik kumaşlarda yapı özellik ilişkileri,tekstil ve Konfeksiyon,4,s.220-222,1997 6. http://en.wikipedia.org/wiki/hmpe#structure_and_properties,2007 73