PLASTİK MALZEMELER Teknolojik gelişmelere paralel olarak plastik malzemelerin metallere göre önem kazanmaları, hemen hemen bütün özelliklerinin metallerinkilere göre zıt yönde gelişim göstermeleri ile ilgili sayılabilir. er zaman bir üstünlük arz etmeyen bu büyük özellik farklılıklarının varlığı, plastiklerin bir çok teknik kullanım alanlarında yerlerinin metallerle doldurulamaması, plastiklerin yerine metallerin her zaman ve doğrudan kullanılamaması anlamına gelir.
Plastik malzemeleri, özgül ağırlıklarının fevkalade düşük olmaları ( = 0.9 2.2 [ g/cm 3 ] ), elektrik dirençlerinin (bakırınkinin 10 20 katı mertebesinde; teknik bir yalıtkanın özgül direnç sınırı 10 10.cm iken plastiklerde bu değer 10 11 10 15.cm mertebesindedir) yüksek oluşları, yüksek korozyon dayanımları, ısı iletim katsayılarının çok düşüklüğü (bakırınkinden 2000, alüminyumdan 1000 defa daha az), statik ve dinamik sürtünme katsayılarının eşit olması yanında (mukayese edilebilir tribosistemlerde) elmas ve grafitle rekabet edebilir mertebede küçük olmaları, E-Modüllerinin çok düşük olmaları (E plastik = 1.5 9 kn/mm 2 ; E çelik = 210 kn/mm 2 ; E Al = 70 kn/mm 2 ) gibi çok farklı özellikler, bir çok teknolojik kullanımlarda vazgeçilmez kılar.
Plastik Malzemelerin Yapısı ve Elde Edilmesi : Plastik Malzemeler esas itibariyle çok sayıdaki küçük moleküllerin (monomerlerin) birbirleriyle ve/veya diğer benzer hidrokarbon molekülleriyle (kovalent bağla) birleşerek makromolekül (polimer) yapısını oluşturmalarıyla ortaya çıkan malzemelerdir. Monomerlerin cinslerine, sayılarına ve birbirleriyle bağlanışlarına göre plastik malzemelerin cinsleri ve özellikleri ortaya çıkacaktır: Bu durum plastik malzeme çeşitlerinin çok fazla oluşunu ve özelliklerinin çok geniş bir aralıkta değişebilmesi gerçeğini açıklamış olur.
Plastik Malzemeler ya veya tabiatta zaten var olan yüksek moleküllü bileşiklerden (Selüloz, yumurta akı, doğal kauçuk ve reçineler gibi) dönüştürülerek. üretilirler. sentetik olarak, doymamış bağları ve/veya reaksiyon kabiliyetinde kökleri bulunan küçük moleküllü bileşiklerin -genellikle petrol türevleri- belli yöntemlerle birleştirilmesi (makromolekül oluşturmaları) suretiyle Sentetik üretimler üç ana yöntemle gerçekleştirilir: - Polimerizasyon - Polikondanzasyon - Poliadisyon.
Polimerizasyon Polimerizasyon katlı bağ ( = gibi ) yapısına sahip küçük temel moleküllerin (monomer), herhangi bir yan ürün oluşturmaksızın bu katlı bağın katalizör yardımıyla ve ısı vererek açılması her monomerin birbirleriyle tek katlı yeni bir bağla zincir şeklinde makromolekülleri (polimer) meydana getirmeleridir. Polimerizasyon için en basit ve yaygın örnek polietilen plastiğinin oluşumudur: 2 4 Etilen (monomer) Polietilen n (polimer)
Yüksek enerjili katlı bağ sisteminden (560 kj/mol) daha düşük enerjili basit bağ (350 kj/mol) yapısına geçildiği için bu olay ekzoterm cereyan eder; kotrolsüz bir reaksiyona meydan vermemek için de üretim sistemini soğutmak gerekir (başlangıçta ısı verilmesi ise sadece olayı başlatmak içindir). Çift katlı bağ yerine (asetilende olduğu gibi: ) üç katlı bağ içeren monomerler de plastikler için çıkış molekülleri oluşturabilirler. Moleküllerin büyümesi son açık bağların birbirleriyle karşılaşması veya yabancı bir atom tarafından doyurulması ile son bulur (Polimerizasyon derecesi). Reaksiyon ısı iletimi, katalizör ve hızlandırıcılarla yönetilir; belirli ortalama büyüklüğe sahip makromoleküller oluşturulur. Verilen polietilen örneğinde polimerizasyon derecesi n = 500 2000 civarındadır (n: Bir makromolekülü oluşturan ortalama monomer sayısı).
emen hemen bütün termoplastikler (ısı ile yeniden şekil verilebilen Plastikler) bu yöntemle üretilirler. Bazı önemli polimerizasyon ürünlerinin çıkış maddeleri, ticari isim örnekleri ve makromolekül yapıları şu şekildedir: Polivinilklorür ( PV ) : Vinilklörür 2 3 l Polimer : ostalît Vestolit Mipolam l n
Polipropilen (PP) : Propilen ( 3 6 ) Polimer : 3 Polipropilen ostalen, Novalen 3 3 3 n
Politetrafloretilen (PTFE) : Tetrafloretilen ( 2 F 4 ) Polimer : F F F F Politetrafloretilen F F F F F F F F F F F F n
Farklı cinsten monomerlerin aynı makromolekül zinciri oluşturarak bağlanmasına kopolimerizasyon denir; aynı birim molekülün birbirleriyle tekraren bağlanmasıyla polimer (homopolimer) oluşturma şeması genel olarak na -[A] n - (örnek: Polietilen) şeklinde verilirse, kopolimerizasyon na + mb -[A n B m ]- şeklinde özetlenebilir. Rastgele (düzensiz) A B A A B A B B B A B A A veya Sıralı (düzenli) A A B A A B A A B A A B veya Ayrılmış (gruplu) A A A B B B B A A A B B ve
Özellikle dallanmış (çapraz bağlı) A A A A A A A A A A A A A A B B B B B B B B B şeklinde olabilirler.
Polikondanzasyon Çıkış molekülleri (monomerler), polikondanzasyonla, küçük moleküllü bir yan ürün ortaya çıkararak (genellikle su, amonyak, alkol gibi) makromoleküller oluşturabilirler. Monomerler aynı veya farklı cinsten olabilirler. Çoğu reaksiyonlarda su ( 2 O) yan ürün olarak yoğuşur.
Poliadisyon Poliadisyon farklı cinsten çok sayıda monomerlerin herhangi bir yan ürün ortaya çıkarmaksızın doğrudan doğruya bir makromolekül oluşturmasıdır. Makromolekül oluşumunda büyümenin sadece -katlı bağları üzerinden değil, O, S, N köprüleri ile de gerçekleşebilmeleridir (bunların yanında bir atomu monomer değiştirebilir: İki -NO grubu içeren hidrokarbonlarla (disiyanatlar) iki O grubu bulunduran alkollerin (dioller) poliadisyonu gibi). İşlem başında monomerlerin karışım oranlarını değiştirmek suretiyle yumuşak-elastik ile sert-sünek arasında değişen özellikte poliadisyon ürünleri elde edilebilir. Teknikte yatak ve dişli çark malzemesinden (poliuretan gibi) döküm ve yapıştırma reçinelerine kadar çeşitli sahalarda kullanılan plastikler poliadisyon ürünlerindendir.
Plastik Malzemelerin Yapılarına Göre Sınıflandırılmaları Termoplastikler (Isıl Plastikler: Isı ile yeniden şekil verilebilen plastikler ) Elastomerler Düroplastikler (Lastikler, Kauçuklar) (Termosetler; sıcaklıkta yeniden şekil verilemeyen plastikler) Plastik Malzemelerin (makromolekül) yapısı Amorf Kısmen Kristalleşme Amorf Termoplastlar (Makromolekül zinciri -tek boyutlu-) Elastomerler; Duroplastlar (acimsel Ağ -üç boyutlu-)
Termoplastikler (Isıl Plastikler) Termoplastikler, moleküllerarası bağ kuvvetlerinin sıcaklık etkisiyle (ısıtılarak) zayıflatılması suretiyle, kalıcı şekil verilebilen plastik malzemelerdir. Polimerizasyonla üretilen makromolekül zincirleri arasında ayrıca bir kovalent bağın bulunmadığı bu plastiklerde ikincil çekim kuvvetleri diyebileceğimiz makromoleküller arasındaki mevcut bağlar (Van der Waals-bağları) zayıftır. Yapıya ısı verilmek suretiyle makromoleküller hareketlendirilir, molekül iplikçiklerinin titreşim genlikleri artar, zayıf bağ kuvvetleri yenilebilir, makromolekül iplikçiklerinin oluşturdukları keçe yumağına benzetilebilen girift ağ yapısı gevşekleşebilir (yumuşama) veya bozulabilir (ergime).
Kendi monomerleri arasında çok kuvvetli bağa sahip makromoleküller, bozulmadan birbirleri yanından kayarak kuvvet etkisi altında malzeme şekil değiştirilebilir ve soğutuldukları takdirde yeni şeklini korur (plastik şekil değiştirme) Yeniden şekil verme işlemi teorik olarak istenildiği kadar tekrar edilebilirse de, pratikteki tekrarlanabilme sınırı söz konusu malzemenin işleme stabilitesi ile verilmiştir; malzemenin ilk özellikleri belli bir ısıtma-soğutma tekrarından sonra değişmiş olur. İşlem sırasındaki kirlenmeler (kompozisyon değişimleri) ve termik yüklemeler sonucu ortaya çıkan malzeme zayıflıklarının önüne geçilmesi için, teknik kullanımda, her yeniden katılaştırma işleminde %20 oranında yeni malzeme katılması önerilir.
Elastomerler (Kauçuklar, Lastikler) Elastomerler, makromolekül zincirleri arasında seyrek de olsa ilave bir kovalent bağ oluşan ve böylece üç boyutlu gelişen ve fakat zayıf bir ağ yapısına sahip polimer malzemelerdir (Şekil) ; moleküler yapı düzensiz -amorf- görünümündedir. Makromolekül zincirleri arasındaki kimyasal bağlantı yerlerine düğüm ve bunların meydana getirdiği ağ birimine gözenek denirse, seyrek gözenekli bir hacimsel (üç boyutlu) ağ yapısına sahip plastik malzemeler Elastomerlerdir.
Elastomerlerin Genel Özellikleri : - Elastomer yapısı oluştuktan sonra artık sıvılaşmazlar; ergime özellikleri yoktur; yüksek sıcaklıklarda plastik malzeme tahrip olur. - Elastomerler kolay çözünmezler (erimezler). - Oda sıcaklığında elastiktirler. - Bazı gazları ve sıvıları emebilirler (şişme özellikleri vardır).
Teknolojik öneme sahip bazı elastomerler Poliuretan kauçuk, Poliolefin kauçuk, Silikon kauçuk ve Polibutadienler olup, bazı teknik kullanım yeri örnekleri olarak da - Sızdırmazlık halkaları, contalar, keçeler, - Oto lastikleri, iç lasikleri, - Ayakkabı ökçe ve köseleleri, suni deriler, - Çeşitli folye ve örtüler olarak verilebilir.
Düroplastikler (Termosetler ) Plastik malzemelerdeki hacimsel ağ oluşumu daha ileri götürülerek kimyasal düğüm noktaları gözenekler- sıklaştırılırsa, bu çok sık düğüm noktaları daha önceki makromoleküllerin birbirlerine göre hareketi engellenmiş olur; elastomerlerdeki (lastik örneğindeki) elastik davranışlardan geçiş malzemeleri oluşarak- sonuç itibariyle bütün sıcaklıklarda katı halde kalabilen bir malzeme elde edilmiş olur. Bir düroplastiği oluşturacak makromoleküllerin arasında oluşan çok kuvvetli ilave bağların sıklığı o plastiğin sertliğini tayin eder. Üç boyutlu gelişen kovalent bağların varlığı göz önüne alınırsa bütün malzeme (bütünüyle düroplastik parça) tek bir dev molekülden ibaretmiş gibi düşünülebilir. Bu bakımdan katılaşmadan sonra (hacimsel ağ teşekkülünden sonra) malzeme tahrip olana kadar- ne sıcaklık ve ne de basınç altında mevcut şeklini değiştirmesi söz konusudur.
Düroplastiklerin genel özellikleri ve bunlara bağlı kullanım yeri örnekleri : - Kullanım sıcaklığı bölgesinde, sıcaklıkla yumuşatılamazlar; yeniden şekil verilemezler. Çeşitli makine elemanları (motorlarda distribütör kapağı, dişli çarklar ) ve günlük mutfak veya büro eşyaları (tabaklar, tütün tablası, çeşitli alet ve cihaz gövdeleri ). - Düroplastiklerin emerek şişme özelliği yoktur; gazlar ve sıvılar malzeme içerisine nüfuz edemezler. Gıda sanayinde kullanılan makine ve sistem parçaları. - Korozyon dayanımları yüksektir; eriticilere karşı dayanıklıdırlar; özellikle kuvvetlendirilmiş plastik malzemelerin mekanik mukavemetleri yüksektir. Deniz botları, basıçlı kaplar, depolar, çeşitli makina kaportaları ve parçaları v.b. - Yeterli sertlik ve mukavemetleri yanında özgül dirençleri yüksektir. Yalıtkan olması gereken motor parçaları; şalter duy, priz gibi elektrik malzemeleri.
Teknik kullanımda önemli bazı düroplastikler, - Fenol Reçineleri - Melamin - Epoksit - Poliester olarak verilebilir.
Plastik ekstrüzyon Boru, hortum, kablo, profil vb. plastik malzemelerin yapımında kullanılan bir imalat yöntemidir. Ekstrüzyonda kullanılan makina, enjeksiyon makinesine çok benzerdir. Bir motor, ısıtıcı ile kaplanmış bir kovan içindeki vidayı döndürerek sıcaklık ve basınç altında plastik granüllerin eriyik hale gelmesini sağlar. Eriyik haldeki plastik kalıp boyunca şekil alarak, soğuması için uzun bir kanal formundaki sıvının içine girer. Kalıbın şekli, kanalın şeklini de belirler. Soğutulduktan sonra katılaşmış olarak şekil alır. Kanalda markalama yapılabilir ve daha sonra eşit aralıklarla kesilir. Parçalar merdanelerin üzerinden ilerleyerek paketlenir veya stoklanır. Ekstrüzyondan çıkacak şekiller T-kesit, U-kesit, kare-kesit, I-kesit, L- kesit ve dairesel kesitler olabilir.
Plastik enjeksiyon Sıcaklık yardımı ile eritilmiş plastik hammaddenin bir kalıp içine enjekte edilerek şekillendirilmesi ve soğutularak kalıptan çıkarılmasını içeren bir imalat yöntemidir. Bu metot ile en küçük komponentlerden, bahçe mobilyalarına kadar çok çeşitli ebat ve kategorilerde plastik parçalar imal edilebilir. En yaygın imalat yöntemlerinden biridir. İşlemin gerçekleştirildiği makineye plastik enjeksiyon makinesi denir.
Aşamalar Basit olarak incelendiğinde bir plastik enjeksiyon parçasının imalat süreci şu aşamalardan oluşur: Kapama Bir enjeksiyon makinesi üç ana parçadan oluşur: kapama ünitesi (mengene), enjeksiyon ünitesi ve kalıp. Kapama ünitesi, enjeksiyon ve soğutma esnasında kalıbı basınç altında tutan ünitedir. Daha basit olarak enjeksiyon kalıbının iki tarafını (dişi ve erkek) birleştiren ünitedir. Enjeksiyon Enjeksiyon aşaması esnasında, granül halindeki plastik malzeme enjeksiyon ünitesi üzerindeki hazneye dökülür. Oradanrezistanslı ısıtıcılar ile ısıtılan silindir içine, elektrik motoru ile kumanda edilen bir vida vasıtası ile alınır. Vida sıkıştırma işlemi yaparak sıcaklık ve basınç altında eriyik hale gelen plastik malzemeyi silindirin sonuna kadar ilerletir. Vidanın önüne kalıbı doldurmak için yeterince malzeme alındığında enjeksiyon işlemi başlar. Erimiş plastik, makinenin ucundaki bir meme vasıtası ile kalıbın içine gönderilir. Bu işlem esnasındaki basınç ve hız vida ile kontrol edilir.
Ütüleme Parçanın istenen ölçülerde olması ve görünümünde çeşitli hatalar (çöküntü, yamulma, eğilme, vs.) olmaması için bu işlem uygulanır. Bu aşamada kalıp içine enjekte edilmiş olan plastik eriyiğin, basınç uygulanarak kalıp boşluğunu iyice doldurması sağlanır. Plastik, kalıp içinde katı hale gelinceye kadar işlem devam eder. Kullanılan hammaddenin özelliğine, parça ebatlarına ve ağırlığına bağlı olarak işlemin süresi değişkenlik gösterir. Soğutma Enjekte edilen eriyik hammaddenin, kalıbın içinde sertleşmesine neden olur. Kalıp içinde sertleşen kompozit madde kalıptan çıkarılarak plastik maddesi endüstrinin hemen her alanında kullanılabilir. Kalıp açma Kapama ünitesi kalıbın iki tarafı ayrılacak şekilde açılır. Çıkarma İticiler vasıtası ile bitmiş parça kalıptan çıkarılır.
Kalıp Bağlama Çubuğu Isıtma kuşakları Su soğutma kanalları idrolik motor Polietilen e.n.:110-137 o Geri akışı önleme vanası Burgu hareket sınırı (ayarlanabilir) idrolik sıvı boruları
Yararlanılan Kaynaklar: 1- Materials Science and Engineering-An Introduction 7th Edition William D. allister, Jr. Department of Metallurgical Engineering The University of Utah 2- Mühendislik Malzemeleri Prof.Dr.-Ing. A.alim DEMİRİ Alfa-2004 3- Malzeme Bilgisi ilt-ii Prof. Dipl. Ing. -J. BARGEL & Prof. Dr. Ing. G. SULZE Çevirenler : Prof. Dr. Şefik GÜLEÇ & Doç. Dr. Ahmet ARAN Gebze-1987