ELASTOMERLERİN SINIFLANDIRILMASI, ÖZELLİKLERİ VE KULLANIM ALANLARI
1. GİRİŞ Kauçuk endüstrisi kauçuk ürünlerinin çok çeşitli olması nedeniyle hızlı bir gelişme göstermektedir. Sanayinin hızla gelişmesi ile kauçuk metal malzemeleri tamamlayıcı olarak kullanılan ve günlük hayatta çok fazla kullandığımız eşyalarda yer alan en önemli malzeme olarak karşımıza çıkmaktadır[1] Kauçuk, bazı bitkilerin süte benzeyen öz sütünden elde edilir. Doğada yaklaşık 200 tane bitkinin öz suyunda kauçuk vardır. Bunlar ağaç, çalı ve ot cinsi bitkilerdir. Kauçuk üretimi için önemli olanlar ağaç olan bitki grubudur. Tabii kauçuk, Brezilya kökenli bir ağaç olmakla birlikte, kauçuk ağacı adıyla anılan Hevea Brasiliensis ten elde edilir.
Plantasyon yöntemi ile bu ağaçtan plantasyon ile elde edilen doğal kauçuk yeterli gelirken, günümüzde sanayide artan kullanım alanı nedeniyle ihtiyacı karşılayamaz hale gelmiştir. Bu yüzden sentetik kauçuklar bulunmuştur [2, 3]. Doğal ve sentetik kauçuklar yani diğer adıyla elastomerler ham hallerinde belli bazı fiziksel özelliklere sahiptirler. Doğal ve sentetik kauçuğun ham halleri zayıf dayanıksız ve yapışkan olmakla beraber sıcaklık, hava ve güneş ışığının etkisiyle fiziksel özelliklerini kaybederler. İstenilen kauçuk ürününe göre, ufaltma, mastikasyon, karışımın hazırlanması (ilaveler), şekil verme ve vulkanizasyon işlemleri sırayla uygulanmaktadır.
Elastomerlerin en önemli özelliği, sıkıştırma ya da gerilme işlemlerinden sonra eski formunu geri kazanabilmesidir yani elastik davranışta bulunmasıdır[3, 4]. Otomotiv lastiklerinde kullanılan kauçuğun bükülebilir, esnek, dayanıklı ve aşınmaya karşı dirençli olması gerekir. Su ve yağ hortumlarında, tıpta kullanılan ince borularda, şişme bot ve balonlarda, iş ve ameliyat eldivenlerinde bükülebilir özellik önde gelir. Kauçuk bantlarda, boru hatları ve makinelerde, sızıntıyı önleyen contalarda kauçuğun esneklik özelliğinden yaralanılır. Yer kaplamalarında, yürüyen merdivenlerde ve taşıyıcı bantlarda aşınmaya karşı direnç göz önüne alınır [2, 3].
2.2.Elastomer ve Elastomer Türleri Oda sıcaklığında orijinal boyunun en az iki misline uzayabilen ve bu uzamayı sağlayan kuvvet ortadan kaldırıldığında hemen orijinal boyuna geri dönebilen plastik deformasyona uğramayan çapraz bağlanmış (vulkanize olmuş) polimer malzemeler elastomer olarak adlandırılır[4]. Elastomerler, doğal kauçuk ve sentetik kauçuk elastomerleri olmak üzere iki grupta sınıflandırılırlar.
2.2.1. Tabii kauçuk (NR) Tabii kauçuk brezilya kökenli bir ağaç olup çoğu kez kauçuk adıyla anılan Hevea Brasiliensis ten elde edilir. Hevea Brasiliensis in iç kabuğunda bulunan lateks, gövdede açılan yarıklardan akıtılarak toplanır ve pıhtılaştırılır [2]. Ağaçtan alınan % 30 luk sıvı konsantrasyonu arttırılarak % 60 lık hale getirilir. Santrifüjlüme, buharlaştırma ve kaymaklaştırma gibi yöntemlerle % 60 kauçuk içeren lâteks elde edilirken çoğu yabancı maddede uzaklaştırılmış olur.
Çağdaş plantasyonlarda ise lâteks, seyreltik asetik asit ya da formik asit gibi kimyasal maddelerle su yüzeyinde bir katman halinde toplanır. Daha sonra merdaneler arasından sıkıştırılarak geçirilir ve fazla suyu atılır [4]. Plantasyonla elde edilen ham tabii kauçuk, hidrokarbonlara ilave olarak lateksin koagülasyonu sırasında oluşan bazı safsızlıkları da içermektedir. Bu safsızlıkların miktarı proses şartlarına bağlı olarak değişmektedir [2].
Kaliteli bir plantasyon sonucunda oluşan kauçuğun yapısı Doğal kauçuğun yapısı[2] [2] SAVRAN, H.Ö., Elastomer Teknolojisi 2, Kauçuk Derneği Yayınları, İstanbul, 2001.
Molekül yapısındaki içerdiği çift bağ doymamışlık derecesini ifade eder. Doymamışlık derecesi çift bağın sayısı ve aktivitesi ile ilgilidir. Tabii kauçuğun ortalama molekül ağırlığı 200 000 400 000 arasındadır ve geniş bir molekül ağırlığı dağılımına sahiptir. Bu her polimer zincirinde yaklaşık 3000-5000 arasında izopren birimine tekabül etmektedir. Geniş bir molekül ağırlığı dağılımına sahip olduğundan, mükemmel işlenebilme özellikleri gösterir [2]. Her izopren birimi arasında yer alan çift bağlar ve - metilen grupları reaktif gruplardır. Çift bağlar vulkanizasyon sırasında kükürt reaksiyonu için gerekli olmaktadır. Bu bağlar aynı zamanda tabii kauçuğun yaşlanmasına sebep olan oksijen ve ozan ile reaksiyona girme özelliğine de sahiptir [4].
Tabii kauçuk düzenli ve %99 cis 1-4 yapısında olması nedeniyle yüksek derecede kristalleşme özelliğine sahiptir. Kauçuk gerilince ve düşük sıcaklıklarda kristalleşir [2]. Tabii kauçuğun gerilme sırasında kristalleşme özelliği, güçlendirici dolgu maddeleri ve çeşitli kimyasallar kullanılmaya gerek kalmadan, yüksek modül (beli bir uzama değeri için uygulanan kuvvetin birim alana düşen miktarıdır) değerleri ve çok iyi gerilme özellikleri sağlamakta, deformasyona karşı direnci arttırmakta, aynı zamanda oksidasyon sonucu oluşan çatlakların büyümesine karşı direnç oluşturmaktadır [8]. Elastomerleri birbiriyle karıştırmak kauçuk endüstrisinde; en iyi fiziksel özelliklerini sağlamak, yaşlanmaya karşı dayanıklılığı artırmak, prosesleri kolaylaştırmak ve fiyatı düşürmek için kullanılır [9].
Tabii kauçuklar üretildikleri yere göre teknik olarak da çeşitli isimler alırlar. Örneğin Malezya üretimi doğal kauçuk SMR ismini alırken; Tayland üretimi TTR, Endonezya üretimi SIR ve Singapur üretimi SSR adını alır [4]. Tabii kauçuğun 2/3 ü araç lastiği üretiminde kullanılmaktadır. Başlıca kullanım alanları konveyör bant, hortum, ayakkabı tabanı, kablo, otomotiv parçaları, yer döşemesi, demiryolu desteği, diyafram, membran, yapışkan imalatı, silindir kaplama, sünger imalatı, gıda sanayinde contalar, sağlık ürünleri, ebonit malzemeler, eldiven, bebek emzikleri ve balonlardır [2].
2.2.2 Sentetik kauçuk Tabii kauçuk birçok uygulama için arzu edilmesine ve çok önemli materyal olmasına rağmen sadece bazı tropikal bölgelerde yetişen doğal bir üründür. Bu nedenle birçok uygulama alanında tabii kauçuk yerine sentetik kauçuklar geliştirilmiştir [10].
Stiren-bütadien kauçuk (SBR) 1929 yılında E. Tchunkur ve A. Bock isimli kimyacılar, 75/25 oranında Bütadien/stiren karışımlarını emülsiyon polimerizasyonu ile kopolimerleştirerek tabii kauçuğa benzer bir yapı elde etmişlerdir [2]. SBR stiren ve bütadien monomerlerinin polimerizasyonu ile elde edilmektedir. Stiren bütadien kauçuğun yapısı[2] [2] SAVRAN, H.Ö., Elastomer Teknolojisi 2, Kauçuk Derneği Yayınları, İstanbul, 2001.
Polimerizasyon, reaksiyonun tipine kullanılan başlatıcıların, emülgatörlerin, ayarlayıcıların ve durdurucuların cinsine ve dönüşüm derecesine bağlı olarak değişmektedir. Bunun sonucunda elde edilen polimerin özellikleri de farklılıklar göstermektedir. Polimer zinciri stiren ve bütadien monomerlerinin gelişi güzel karışımıdır. Bu yapı kauçuk özellikleri vermekle birlikte düzensiz olduğundan kristalleşme de önlenmektedir. Bu durum SBR kauçuklarının değişik birçok alanda kullanılması sağlanılmaktadır [2].
SBR kauçuklar emülsiyon ve çözelti polimerizasyonu ile üretilebilmektedir. Çözelti polimerizasyon yönteminde, saf bir çözücüde monomer çözülerek polimerizasyon yürütülmektedir. Polimerizasyonun başlaması ile ortamın viskozitesi artar. Polimerizasyon, istenilen dönüşüme ulaşıldığında katalizör pasifleştirilir, kauçuk çökeltiden çöktürülerek elde edilir [4]. Emülsiyon polimerizasyonu yönteminde ise yaklaşık 75 kısım bütadien ve 25 kısım stiren, uygun emülsiyon yapıcılar yardımı ile emülsiyon haline getirilerek 10 o C de peroksit başlatıcı sistemi ile polimerleştirilir
Molekül ağırlığı ayarlayıcı maddeler de ilave edilerek %60-70 dönüşüme kadar polimerizasyonun devam etmesi sağlanır. Bu dönüşüme ulaşıldığında, peroksit katalizörü pasifleştiren katkılar ilave edilerek, reaksiyon durdurulur ve reaksiyona girmemiş stiren ve bütadien uzaklaştırılır. Üretilen kauçuk, sulu emülsiyon halindedir ve lateks olarak adlandırılır. Lateks, tuz ve sülfürik asit ile pıhtılaştırılır, kauçuk su ile yıkanıp kurutulur ve balyalanarak pazarlanır [4].
E-SBR kauçuklar 100de 30 ile 120 arasında değişebilen Mooney viskozitesi ve 250 000 800 000 arasında ortalama molekül ağırlığı değerlerine sahiptir. Mastikasyona gerek duyulmadan kolaylıkla işlenebilirler. Mastikasyon imkânı sınırlı olduğundan Mooney viskozite değerleri, işlenebilme özelliklerine önemli ölçüde tesir etmektedir. Düşük Mooney viskozitesine sahip olanların tabaka oluşturması, dolgu maddesi ve yumuşatıcıları kabul etmesi çabuk ve kolay olmaktadır. Karıştırma sırasında düşük ısı oluştururlar. Yüksek viskoziteye sahip olanların çiğ hamur mukavemetleri yüksektir. Daha yüksek dolgu maddesi ve yumuşatıcı yüklenebilir [2].
E-SBR kauçuklar düşük sıcaklıkta polimerize edildiğinden daha az dallanma özelliği gösterirler. Bu yüzden soğuk polimerize edilenler sıcaklara göre daha iyi işlenebilmektedir. Aynı Mooney viskozitesine sahip olsalar bile valslerde tabaka oluşturması, kalenderleme sonrası düşük çekme özelliği ve düzgün yüzey görünüşü bakımından soğuk tipler tercih edilmektedir. Soğuk polimerler ile daha yüksek sıcaklıklarda çalışılabilir ve bunların kapalı karıştırıcılarda karıştırma işlemi kolay olmaktadır. Sıcak polimerler fazla dallanma özelliği gösterdiğinden çiğ hamur mukavemetleri yüksektir. Aynı zamanda yapıştırıcı imalatında çok iyi sonuçlar vermektedir.
SBR, az polar yapıda bir dien kauçuğudur, bu yüzden polar olmayan diğer tüm dien kauçuklarla her oranda karıştırılabilirler. E-SBR kauçuktan üretilmiş mamullerin (elastomerlerin) kopma mukavemetleri, büyük ölçüde karışımda kullanılan dolgu maddesinin cins ve miktarına bağlıdır. Yırtılma mukavemeti değerleri ise tabii kauçuktan daha zayıftır. Dinamik yorulma, yaşlanma ve ısı dayanıklılığı bakımından tabii kauçuktan daha iyi sonuçlar elde edilmektedir.
SBR kauçuklar genel maksat kauçuğu olarak birçok alanda uygulama bulunabilmektedir. En önemli kullanım alanı araç lastiği üretimidir. Bu alanda kullanım oranı %75 civarındadır. Bunun dışında teknik parçaların üretiminde, hortum, konveyör kayışı, spor malzemeleri, ayakkabı tabanı ve yapıştırıcı imalatlarında kullanılmaktadır [2, 4].
SBR elastomerinin özellikleri[4]. [4] ÖZTÜRK, E,. Farklı Kauçuk KarıĢımlarının Vulkanizasyonuna Hızlandırıcıların Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, SAÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ocak 2008.
Kloropren kauçuklar (CR) 2-kloro-1,3-bütadien (kloropren) polimerizasyonu, ilk defa 1930 yılında W.H Carothers ve arkadaşları tarafından gerçekleştirilmiştir. Klorlu kauçuk Kloropren olarak adlandırılır ve CR sembolü ile gösterilir [4]. Kloropren kauçuğun yapısı[2]. [2] SAVRAN, H.Ö., Elastomer Teknolojisi 2, Kauçuk Derneği Yayınları, İstanbul, 2001.
Emülsiyon polimerizasyonu yoluyla üretilir. Emülsiyon içinde katalizörler, emülgatörler, modifiye ediciler, koruyucu ajanlar bulunur ve polimerizasyon, serbest radikallerin başlatma etkisi ile gerçekleştirilir. Yüksek molekül ağırlığına sahip olanlar dallanmış bir yapı gösteririler bu durum işlenebilme zorlukları oluşturur [2]. Polimer içinde bulunan monomerlerin % 98 i 1-4 konfigürasyonunda, %1-5 i 1-2 konfigürasyonunda veya diğer konfigürasyonlardadır [2, 4]. Kloropren kauçukların viskozite değerleri üzerinde, molekül ağırlığı dağılımı, uzun zincir yapısı ve dallanma derecesi etkin olmaktadır. Düşük molekül ağırlığına sahip olanlar çizgisel bir yapı oluştururlar ve kauçuğun işlenmesini kolaylaştırırlar.
Kloropen kauçuklardan 30-90 Shore A sertliği arasında mamuller üretebilmektedir. Sadece kauçuktan yapılmış dolgu maddesi içermeyen kloropren kauçukların kopma mukavemeti değerleri kristallenme eğilimlerinden dolayı birçok sentetik kauçuktan daha iyi değerler vermektedir. Kükürtlü modifiye edilmiş kloropren kauçuklar çok iyi yırtılma dayanımı ve daha iyi aşınma mukavemeti gösterirler. Düşük vulkanizasyon özellikleri yırtılma mukavemetini arttırmaktadır. Uygun karışımlar hazırlandığı zaman tabii kauçuk kadar olmasa da kloropren kauçuklarda çok iyi elastikiyet özellikler elde edilebilmektedir.
Kloropren kauçuklardan üretilen mamullerin ısı ve oksidasyon dayanımları tabii kauçuk ve diğer dien kauçuklardan yapılmış mamullerden daha iyi sonuçlar verirler. Hortum (yüksek basınçlı hidrolik hortumları, fren hortumları, tekstil örgülü hortumlar, yakıt hortumları) membran, silecek lastikleri, contalar konveyör kayışları, V kayışları inşaat ve otomotiv sanayi için çeşitli profiller, vals kaplamaları, kablo sanayi, ayakkabı sanayi, tank kaplama, tekstil parçaları başlıca kullanım alanlarıdır
Etilen propilen kauçuklar (EPM/EPDM) Etilen propilen terimi iki farklı yapıda kauçuğu ifade etmektedir. Kopolimer EPM (etilen propilen) ticari olarak ilk kez 1961 yılında üretilmiştir. Kükürtle pişirilebilen termopolimer EPDM (etilen propilen dien) üretimi ise 1963 yılında gerçekleştirilmiştir [4]. Kopolimer EPM, amorf ve tamamen doymuş bir yapıdadır. Bu yapı koordinasyon katalizörlerinin varlığında, etilen ve propilenin kopolimerizasyonu sonucu elde edilir. Kopolimer EPM organik peroksitlerle çapraz bağlar oluşturur. Diğer polimerlerle karıştırma özelliği yoktur [2, 4].
Etilen propilen kauçuğun yapısı[2]. Etilen propilen dien kauçuğun yapısı[2] [2] SAVRAN, H.Ö., Elastomer Teknolojisi 2, Kauçuk Derneği Yayınları, İstanbul, 2001.
Ticari olarak üretilen EPDM kauçukların molekül ağırlıkları 200 000-300 000, Mooney viskozitesi değerleri 100 o C sıcaklıkta 25-100 arasında değişmektedir. Yüksek Mooney viskozitesine sahip olan EPDM kauçuklar yüksek miktarda yağ ve dolgu alabilme özelliğindendir [2]. Kopolimer %45-50 arasında etilen içermektedir ve tamamen amorf yapıdadırlar.
Etilen miktarı %70-80 arası değerlere ulaşıldığı zaman polimerde uzun etilen zincirleri oluşur ve kristalleşme artar. Bu durum kimyasal bağlanma olmaksızın yüksek mekanik özelliklerin oluşmasını sağlar. EPDM de doymamışlık yan grupta bulunduğundan, polimer zinciri tamamen doymuştur. Bu polimere, oksijen ozon ve kimyasal maddeler ile bozulmaya karşı çok iyi mukavemet kazandırır ve bu sebeple EPDM den yapılan ürünler çok dayanıklıdır [4]. EPDM amorf bir yapı gösterdiğinden düşük sıcaklıklarda elastikiyetleri çok iyidir. EPDM ürünlerinin düşük sıcaklıktaki performanslarını arttırmak için polimerin düşük miktarda etilen içermesi gerekmektedir.
Otomotivde; radyatör, ısıtma ve emici hortumlar, pencere ve kapı profilleri, fren sistemi elemanları, silecek lastikleri ve paspas yapımında, İnşaat sektöründe kapı ve pencere profilleri, yer ve çatı kaplama malzemelerinin yapımında, Beyaz eşyada çamaşır ve bulaşık makinesi körükleri, conta, hortum yapımında, Elektrik endüstrisinde, koruyucu kaplar ve kablo imalatında, teknik parça olarak, hortum, konveyör kayışı, vals kaplama ve keçe yapımında kullanılırlar [2, 11].
Akrilonitril-bütadien kauçuklar (NBR) Akrilonitril ve bütadien kopolimerizasyonu ilk kez 1930 yılında E.Konrad ve Tschunkur tarafından tarif edilmiştir. Buna başlangıçta N ismi verilmiştir. Bugün nitril kauçuk olarak tanımlanırlar ve NBR ile gösterilirler. Nitril kauçuklar, bütadien ve akrilonitril monomerlerinin emülsiyon polimerizasyonu sonucu üretilirler [2]
NBR kauçuğun yapısı[2]. Bütadien, petrol ürünlerinin krakingi sonucu ortaya çıkan gaz karışımının içinden ayrıştırılır. Bütadienin kopolimer içindeki görevi temel kauçuksu özellikleri sağlamak ve vulkanizasyon için çift bağları oluşturmaktır. Diğer monomer akrilonitril ise, propilen ve amonyak gazlarından elde edilir. Akrilonitrilin kopolimer içindeki görevi polar nitril grubu sağlayarak hidrokarbonlarda çözünürlüğü azaltmaktır [2]. [2] SAVRAN, H.Ö., Elastomer Teknolojisi 2, Kauçuk Derneği Yayınları, İstanbul, 2001.
Tipik bir NBR kompozisyonu[13] [13] SIREL, A.T., Kauçuk Teknolojisi, Kauçuk Derneği Kurs Notları, İstanbul, 1989.
Nitril kauçukta ham polimer üzerine etki eden birçok parametre mevcuttur. Bu durum mamul özelliklerine önemli etkiler yapmaktadır. Bu parametreler; akrilonitril içeriği, polimerizasyon sıcaklığı, stabilizatörler, ortalama molekül ağırlığı, mooney viskozitesi, ön bağlanma, yumuşatıcı ilavesidir.
Nitril kauçuğu diğer kauçuklardan farklı kılan en önemli özelliği bağlı akrilonitril içeriğidir. Akrilonitril konsantrasyonu, vulkanizatın polar olmayan sıvılardaki şişme özelliklerine önemli derecede etki eder. Akrilonitril oranı arttıkça. Yağ ve yakıtlara dayanım, Shore sertliği, işlenebilirlik, yoğunluk, pişme hızı, polar plastikler ve plastikleştiricilere uyum, kopma mukavemeti ve modülüs değerleri artar. Bunun yanı sıra elastikiyet, düşük sıcaklıklara dayanım, gaz geçirgenliği azalır ve kalıcı deformasyon değerleri kötüleşir [2].
NBR elastomerinin özellikleri[13] [13] SIREL, A.T., Kauçuk Teknolojisi, Kauçuk Derneği Kurs Notları, İstanbul, 1989.
NBR kauçuklardan üretilmiş mamuller birçok alanda uygulama bulabilmektedir. Bunlar; contalar, membranlar, hortumlar, silindir kaplama (matbaa, tekstil sanayinde sert ve yumuşak silindir kaplamalar), ayakkabı tabanı (askeri ve güvenlik botları), konveyör kayışları (gıda endüstrisi), koruyucu giyim eşyaları, lastik klişe ve mühür, kazan, boru ve pompa kaplamaları, tel kablo izolasyonu, kapı, pencere profil ve contaları, gıda ile temas eden parça uygulamalarıdır.
3. KAUÇUK KARIŞIMLARININ HAZIRLANMASI Kauçuk ürünlerinin hayatın hemen her anında çok önemli yerleri vardır. Bu ürünlerin başarıları ise doğru polimerlerin, kauçuk kimyasalları ile uygun oranda karıştırılmasıyla gerçekleşir. Kauçuk karışımı hazırlamak için istenilen özelliklere göre, kauçuk ile diğer hammaddeler ve katkı maddelerinden oluşan bir reçete hazırlanır. Reçete adı verilen bu kauçuk formülasyonunda başlıca kauçuk, kükürt (pişirici), dolgu maddeleri, yumuşatıcılar, proses kolaylaştırıcılar, yaşlanmayı önleyiciler, aktivatörler, hızlandırıcılar ve diğer katkı maddeleri (boya, koku vericiler vb.) yer alır. Karışım hazırlanırken yapılacak ilk adım elastomer seçimidir. Elastomer veya elastomerlerin toplamı 100 olacak Şekilde reçeteye konur ve elastomerler dışındaki katkı maddeleri miktarı Phr ile belirtilir. Phr parts per hundred of rubber yani yüz kısım kauçuk olarak tanımlanır.
3. KAUÇUK İSLEME PROSESLERİ Kauçuklar içlerine önemli miktarlarda (kütlece %50 ye ulaşabilir) çapraz bağlayıcı, dolgu maddesi, boya, hızlandırıcı, antioksidan vb. katkı maddeleri ile karıştırılarak kalıplanmaya hazırlanır. Karışımdaki bileşenlerin oranlarının ayarlanması kauçuk islemede önemli bir asamadır. Ayrıca katkıların kauçuk içerisinde homojen dağılımının sağlanması için yoğun bir karıştırma işlemi uygulanır. Bu nedenle elastomerlerin şekillendirilmesi; karışım hazırlama, şekillendirme ve vulkanizasyon adları verilen üç aşamada islenir
Kauçukların şekillendirilmesinde izlenen genel adımlar[23]. [23] SAÇAK, M., (2005), Polimer Teknolojisi, Gazi Kitapevi, Ankara.
3.1. Karışım Hazırlama Kauçuklar genellikle tek baslarına islenmeye yatkın polimerler değillerdir, içlerine farklı görevleri olan katkı maddeleri karıştırılarak islenebilecek hale getirilirler (kauçuk hamuru). Kauçuk hamuru içerisindeki ham kauçuk miktarı çoğu kez %50 dolayındadır. Kauçuk mamullerin üretimi iki aşamada yapılır. İlk önce belli bir formülasyona göre hamur karışımı hazırlanır. İkinci asama, karışımın ekstrüzyon, kalenderleme ve kalıplama yöntemi ile şekillendirilmesidir. Bu işlemleri vulkanizasyon takip eder ve tamamlar. Bazı mamullerde vulkanizasyon sonrası bitirme ( finisyon ) işlemleri yapılır.
Şekil 3.2 Katkı maddeleri katılmamış hamstiren-bütadien kauçuğu[25] [25] DPT, (2001a) Kauçuk Ürünleri Sanayi Özel İhtisas Komisyonu Raporu, Devlet Planlama Teşkilatı.
Karıştırma Karıştırmanın gayesi, kauçuk karışımına ilâve edilen bütün katkı maddelerinin homojen bir kitle haline sokulmasıdır. İlâve edilen bütün bileşenlerin en az değişiklikle kauçuk karışımını oluşturması gerekir. Tozların düzenli dağılımı sağlanmalıdır. İşlem çabuk ve ucuz olmalıdır. Karıştırma işlemi için, çeşitli karıştırıcılar kullanılmaktadır.
Silindir (açık) karıştırıcılar Silindir karıştırıcılar, kauçuk sanayinde kullanılan en eski tip karıştırma makineleridir. Silindir karıştırıcılar birbirine doğru dönen, paralel iki silindirden oluşur. Silindirler karıştırma sırasında ayrıca ısıtılırlar ve dönme hızları genelde aynıdır. Silindirler arasındaki aralık, elde edilecek ürün kalınlığına göre ayarlandıktın sonra belli miktarda ham kauçuk iki silindir arasına beslenir. Silindirlerin birkaç turdan sonra kauçuk, düz bir band seklinde silindirlerden birisi etrafında toplanır. Kauçuğun hangi silindirde toplanacağı polimer türü ve işlem koşullarına bağlı olmakla birlikte, genelde hızlı dönen veya daha sıcak olan silindir etrafında hamur sarılır.
İki valsli hamur karıştırma makinesi[25]. [25] DPT, (2001a) Kauçuk Ürünleri Sanayi Özel İhtisas Komisyonu Raporu, Devlet Planlama Teşkilatı.
Açık karıştırıcı[27]. Silindir karıştırıcı[27] [27] SAVRAN, H., (1990), Kauçuklar Derneği Seminer Notları, Haziran 1990, İstanbul.
Açık karıştırıcılarda arka silindir sabitken, ön silindirler arası mesafeyi ayarlayabilmek için hareketlidir. Silindirler soğutmayı ve ısıtmayı sağlayabilmek için oyuk imal edilirler. Yanlardan malzeme kaçışını engellemek için, hamur sınırlayıcılar vardır. Açık karıştırıcılarda, gerek makine, gerekse operatör emniyeti açısından ek tedbirler alınmalıdır.
Banbury karıştırıcılar (Kapalı) İçi ( Kapalı ) karıştırıcılar, içinde iki rotor bulunan bir hazneden oluşmaktadır. Piston ile hareket eden ağırlık ile bileşenler hazneye bastırılır. Üstte doldurma, altta da boşaltma kapakları bulunur. Banbury ve Werner tipi iç karıştırıcılarda, rotorlar farklı hızlarda döner. Karıştırma rotorlar ile haznenin kenarları arasında yapılır. İntermix ve Shaw tipi iç karıştırıcılarda ise, rotorlar aynı hızlarda döner ve karıştırma işlemi rotorlar arasında sıkıştırma ve gevşeme ile gerçekleşir.
Banbury tipi iç karıştırıcı[27]. Çeşitli rotor tipleri[27]. [27] SAVRAN, H., (1990), Kauçuklar Derneği Seminer Notları, Haziran 1990, İstanbul.
Merdaneleme Merdaneleme (kalenderleme, silindirleme) kauçukların şekillendirilmesinde kullanılan ilk yöntemlerden birisidir. Kalender kağıt sanayinden alınmış, ısıtılmış valslerin arasından ince levha çekmeye yarayan bir makinedir Kauçuklar yanında plastikleştirilmiş polivinilklorür gibi bazı termoplastik polimerler de merdaneleme yöntemi ile şekillendirilirler[23]. Merdaneleme işlemi kısaca Sekil 4.7 de gösterilmiştir.
Kauçuk hamuru, tabaka veya kütük halinde birbirlerine zıt yönde dönen ve ısıtılan iki silindirin arasına beslenir. Silindirler arasında ezilen hamur kalınlığı iki silindir yüzeyi arasındaki uzaklığın kalınlığına eşit bir tabaka seklinde ilk silindir çiftinden ayrılır ve başka bir silindir aralığına alınır. İkinci silindir çiftinin sıcaklığı ve aralarındaki uzaklı daha küçüktür[23]. Merdaneleme sistemi[23]. [23] SAÇAK, M., (2005), Polimer Teknolojisi, Gazi Kitapevi, Ankara.
Vulkanizasyon Vulkanizasyon biçim alması ve geniş bir sıcaklık aralığında dayanıklılık göstermesi için ham kauçuğun kükürtle birleştirilmesi işlemidir. Araba lastiği ve mekanik materyaller gibi en yaygın kauçuklar maddeleri vulkanize olmadan kullanılamaz. Vulkanize olmamış kauçuklar genelde güçlü değillerdir, deformasyondan sonra eski biçimlerini alamazlar ve çok yapışkanlardır. Kısacası vulkanize olmamış kauçukların kıvamı sakız gibi olacaktır[29].
Genelde ve en basit şekilde bir ham kauçuk vulkanizasyondan sonra su değişiklikleri gösterir: Yapışkanlığın önlenmesi, Çekme kuvvetinde artma, Çözücülerde çözünmede azalma, Soğukta akma ve plastiklikte azalma, Elastiklik artısı, Sıcaklık hassasiyetinde azalma Vulkanizasyon, keşfedilmeden önce, pek çok ülkede oyun topu, su geçirmez elbise ve ayakkabı yapımında kauçuk kullanılıyordu. Bu şekilde elde edilen ürünler yazın sıcakta yumuşuyor, kısın kuvvetli soğukta donup sertleşiyordu. Belirli organik çözücülere maruz kaldığında ise yapışkan hale gelmekteydi. Bu sebeple kauçuk ürünleri, 300 yılı askın bir zaman sonra vulkanizasyonun keşfedilmesiyle faydalı bir şekilde kullanılabilir hale gelmiştir[24].
Vulkanizasyon çeşitleri Vulkanizasyon, kullanılan kimyasal ajanlara ya da proseslere göre isimlendirilir. Kükürt vulkanizasyonu Peroksit vulkanizasyonu Metal oksit vulkanizasyonu Reçine (resin) vulkanizasyonu Radyasyon vulkanizasyonu Kükürt vulkanizasyonu en yaygın, vulkanizasyon yöntemidir. Bu bakımdan yukarıdaki sınıflamayı, kükürtlü ve kükürtsüz vulkanizasyon olarak yapan kaynaklarda vardır.
Sıkıştırarak Kalıplama Sıkıştırarak kalıplama daha çok termoset polimerlerin ve elastomerlerin şekillendirilmesinde kullanılan yöntemdir. Sıkıştırarak kalıpla (basınçla kalıplama, presleme), deforme olabilen bir malzemeyi kalıp içerisinde basınç ve ısı etkisi ile şekillendirme işlemidir. Yöntem ilk kez termoset polimerlerin ve elastomerlerin kalıplanmasında kullanılmıştır. Ve uygulaması bir polimer işleme tekniğidir. Elastomerlerin sıkıştırarak kalıplanmasının ilk aşamasında, önceden ısıtılmış dişi kalıp içerisinde yeterli miktarda reçine konur. Daha sonra erkek kalıp kapatılarak basınç uygulanır. Basınç ve ısı etkisinde yumuşayan karışım, kalıp boşluğunu dolduracak şekilde dağılır ve çapraz bağlanma tepkimeleri sonucu polimer sertleşir. Basınç kaldırıldıktan sonra soğutma yapılır ve kalıp konan polimer miktarı, son ürün için gerekli olandan biraz daha fazla tutulur ve istenilen boyutlarda ürün elde edilir.
Kalıplar, polimerin fazla kısmını taşırma kanalı adı verilen yerlerden çıkmasını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Taşırma kanalı artığı tıraşlanarak üründen ayrılır. Reçine, bazı uygulamalarda üretim hızını arttırmak amacıyla ön ısıtma işleminden geçirdikten sonra kalıba alınır. Pres[33] [33] YELKENCİ, B., (2008), Kauçuk İşleme Prosesleri, Bitirme Tezi, İstanbul
Sıkıştırarak kalıplamanın avantajları, Kalıp maliyetinin düşüklüğü (yolluk veya giriş kanalı gibi yerler bulunmaz) Düşük büzülme oranı Düzgün malzeme yüzeyi Atık polimer miktarının en az düzeyde olması Kalıpların basitliği Ön ısıtma olarak enjeksiyon kalıplamadan daha kısa kalıplama süresi
Sıkıştırarak kalıplamanın dezavantajları, Kalın parçaların hazırlanmasına uygun olmaması Yüksek isçilik maliyeti Ön ısıtma yapılması Polimer malzeme içerisine metal parçaları yerleştirilmesindeki zorluklar gibi dezavantajları da vardır.
Transfer Kalıplama Transfer kalıplama, sıkıştırarak kalıplamaya benzerdir. Her iki yöntemde de kapalı bir kalıp içerisinde bulunan polimer, ısı ve basınç etkisiyle sertlestirilir. Transfer kalıplamayı sıkıştırarak kalıplamadan ayıran tek fark, polimerin kalıp içerisine yerleştirilme biçimidir. Sıkıştırarak kalıplamada yeterli miktarda polimer doğrudan dişi kalıp içerisine konur, transfer kalıplamada ise basınç uygulanarak bir kanal yardımıyla kalıp boşluğuna gönderilir. Bu küçük ayrıntı, transfer kalıplamada kalıpların yüksek basınç altında kalmasını engeller ve kalıplar daha az zarar görürler. Ayrıca, çok küçük ve karmaşık geometrili parçalar üretilebilir ve içerisine metal yerleştirilmiş ürünler kolay hazırlanır. Transfer kalıplamanın sıkıştırarak kalıplamaya göre, kalıp giriş kanalı ve yolluklar için fazla polimer kullanılması ve kalıpların pahalılığı gibi olumsuzlukları da vardır.
Transfer kalıplama[34] Polimer, transfer kalıplama sisteminin transfer kalıba konur ve ısıtılır. Daha sonra yumuşamış polimer piston yardımı ile transfer kalıbındaki giriş kanalından, kalıp boşluğuna basınç ile gönderilir. Çapraz bağlama tepkimeleri tamamlanıp polimer sertleşene kadar piston kaldırılmaz ve kalıp içeriği basınç altında tutulur. Son aşamada piston kaldırılır, kalıp açılır ve şekillendirilmiş parça alınır. Bazı uygulamalarda önceden ısıtılmış polimer, transfer kabına yerleştirilerek kalıplama zamanı ısıtılır. [34] http://w3.balikesir.edu.tr/~ay/lectures/pm/basincli.ve.trans.kalip.pdf,2012
Enjeksiyon Enjeksiyon yönteminde, şerit halindeki kauçuk kovan içerisinde ısınarak yumuşar ve vida yardımıyla basınç altında kapalı bir kalıp içerisine doldurulur. Çapraz bağlama kalıp içerisinde olur. Malzeme kalıba sıcak halde basıldığı için vulkanizasyon süresi kısadır. Sözü edilen adımlar sürekli yenilenerek karmaşık geometrideki parçalar kısa sayılabilecek bir sürede üretilirler. Enjeksiyon kalıplama, enjeksiyon makinesi adı verilen bir sistem kullanılarak yapılır ve tipik bir enjeksiyon makinesi; enjeksiyon sistemi, hidrolik sistem, kalıp sistemi, itici sistem ve kontrol sistemi olmak üzere beş ana kısma ayrılır
Enjeksiyon makinesi çalışırken; kauçuğu eritme, erimiş kauçuğun kalıba enjeksiyonu, ürünün soğutulması ve alınması seklinde dört ana işlem gerçekleşir. Enjeksiyon sistemi[23]. [23] SAÇAK, M., (2005), Polimer Teknolojisi, Gazi Kitapevi, Ankara.
Dikey preslerde günümüzde en çok kullanılan preslerdir. Parça çıkarıcı grubunun pres dışında olması, çift maçalı kalıplar kullanılarak imalat hızlarının artmasını sağlaması açısından yatay presler üstündür. Enjeksiyon grubu vidalı, vida ve pistonlu olabilir. Dikey enjeksiyon presin de vida ve pistonlu preslerde, vida tarafından yumuşatılan ve ısıtılan karışım, pistonun bulunduğu 60-70ºC sıcaklıktaki gövdeye doldurulur Dikey enjeksiyon presi[23]. [23] SAÇAK, M., (2005), Polimer Teknolojisi, Gazi Kitapevi, Ankara.
Ekstrüzyon Ekstrüder kelimesi İngilizceden türetilmiş olup kelime anlamı "vida baskısı" (screw press)dır. Ekstrüder, sürekli bir şekilde çalışarak plastik ham maddesini basınç ve sıcaklık altında vida baskısı ile bir sonraki işlem için die'dan yan mamul olarak çıkaran bir makinedir. Ekstrüzyon, yarı mamul üretiminde kullanılan en yaygın yöntemdir. Ekstrüzyon ile hortum, sızdırmazlık contası, elektrik kablosu gibi mamullerin, daha sonra kalıplama da veya şekilli hortumların imalatında kullanılan ebos adı verilen yarı mamullerin imalatı yapılmaktadır. Ekstrüzyon işleminden sonra, vulkanizasyon işlemi yapılır. Ekstrüzyon işleminde Ekstrüder adı verilen vidalı makineler kullanılır.
Kauçuk hamurunun Ekstrüder beslenmesi[33]. [33] YELKENCİ, B., (2008), Kauçuk İşleme Prosesleri, Bitirme Tezi, İstanbul.
Ekstrüder başlıklar[35]. [35] http://www.rubber-extruder.com/eng/extrusion_head.htm, 2012.
Ekstrüderden sonra, profil halen çiğ halde olduğundan kolayca deforme olabilir. Bunu önlemek için aynanın çıkısından hemen sonra, profilin çıkış hızına göre ayarlanan hızlarda profiller kaplara konmadan önce profillerin birbirlerine yapışmasını engellemek için içinde yapışmayı önleyici solüsyon olan soğuma havuzundan geçirilir. Soğuma havuzuna giren kauçuk[33]. [33] YELKENCİ, B., (2008), Kauçuk İşleme Prosesleri, Bitirme Tezi, İstanbul.
Kesme başlığı[23]. [23] SAÇAK, M., (2005), Polimer Teknolojisi, Gazi Kitapevi, Ankara.
Ekstrüderlerin kauçuk sanayinde kullanım yerleri Sentetik kauçuk imalatında, ambalajdan evvel su alma işleminde kullanılır. İşleme makinelerine mastike edilmiş tabii kauçuk sağlarlar. Bazı özel ekstrüderler formül karıştırma işleminde kullanılırlar. Bu genelde lastik alanında tatbik edilmekte beraber kauçuk endüstrisinde de gelişmektedir. Aynı zamanda Banburyden direkt mal almada da kullanılır. Ekstrüderde çekilen karışım bir sonraki işlemde kullanılacağı boylara kesilir. Ayakkabı taban imalatından oto lastiği sırtına kadar tüm işlemlerde bu teknik kullanılmaktadır.
Haddeleme kalenderleme de tipik rulo konfigürasyonu[38] [38] http://web.itu.edu.tr/~vuralmu/ch13.pdf,2012
5. KAUÇUK ÜRÜNLERİNİN ANALİZİNDE UYGULANILAN TESTLER Kauçuk teknolojisi kullanarak elastomer üreten bir tesis laboratuarında yapılan bazı testler vardır. Elastomer üretiminde ürünün özelliğine ve görev fonksiyonlarına göre kullanılan belli bağlı testler şöyledir. Sertlik ölçümü, yoğunluk ölçümü, kopma mukavemeti, aşınma mukavemeti, yırtılma mukavemeti, çekme mukavemeti ve çekme uzaması, rheometer (vulkanizasyon) eğrisi, kül tayini, elastomerlerin çeşitli ortamlarda yaslandırılması.