Plastik Enjeksiyon Prosesi

Hammadde Kurutma Aşaması:

Bu aşamada hammadde kurutma ünitesinde proseste kullanılacak hammaddenin özelliklerine göre uygun sıcaklıkta yeterli süre bekletilir.

Plastikleştirme Aşaması:

Bu aşamada kurutulmuş hammadde besleyicinin kapağı açılarak sonsuz vida yardımıyla ısıtıcı birimlere doğru itilir. Burada farklı sıcaklıklardaki ısıtıcılardan geçerek eriyen malzeme enjekte memesine doğru hareket eder. Isıtıcıların sıcaklıkları kullanılacak hammaddenin erime sıcaklığı, akışkanlık değeri, parça cidar alınlığı gibi faktörler göz önüne alınarak belirlenir.

Plastikleştirme Aşamasının Bitmesi:

Sonsuz vidanın hareketi sona erer ve enjekte memesinde yeterince malzeme vardır. Burada dikkat edilmesi gereken önemli şeylerden biri her seferinde aynı kalitede ve ağırlıkta malzeme almak için kalıba enjekte edilen malzeme miktarı her seferinde aynı olmalıdır.

Kalıbın Kapanması:

Enjeksiyon işlemine geçilmeden evvel, kalıbın iki yarısı mengene ünitesi tarafından güvenli bir şekilde kapatılır. Kalıbın her iki yarısı enjeksiyon ünitesiyle birleşir ve bu kalıplardan birisi eksenel yönde hareket edebilmektedir. Hidrolik ünite sayesinde mengene kalıpları bir araya getirir ve bu aşamadan sonra enjeksiyon işlemine başlanır.

Enjeksiyon İşleminin Başlaması:

Küçük tanecikler halindeki plastik ham malzemesi besleyiciden sonra sonsuz vida yardımıyla meme ucundan geçerek kalıplara ulaşır. Erimiş halde bulunan plastik malzemenin akış özelliklerinin değişimi ve karmaşıklığından dolayı enjeksiyon zamanının tam olarak belirlenmesi zor bir işlemdir. (Noordin, 2009)

Soğuma Aşaması:

Kalıp içerisine enjekte edilen plastik malzeme burada soğumaya başlar. Bu soğumanın sonucu olarak plastik malzeme enjekte edildiği kalıbın şeklini alarak katılaşmaya başlar. Gerekli soğuma süresince kalıp açılamaz. Bu süre çeşitli plastik malzemenin et kalınlığı, termodinamik ve mekanik özelliklerine göre hesaplanabilir.

Ürünün Kalıptan Dışarı Atılması:

Belirli bir süre geçtikten sonra kalıp içerisinde soğuyan ve katılaşan malzeme kalıptan itici vasıtasıyla dışarı atılır. İtici kalıbın bir yarısına yerleştirilir ve kalıp açıldığında itici mil ileri hareket ederek pimleri harekete geçirir. Parça kalıptan dışarı atıldıktan sonra kalıplar tekrar mengene ünitesi tarafından birleştirilir ve bir sonraki enjeksiyon işlemine hazırlanır.

Bu yöntemle kompleks şekilli parçaların imalatını mümkün kılınabilir.

Yüksek üretim hızlarına ulaşılabiliri ve seri üretime uygundur.

Yöntemle üretilen parçaların işçilik maliyetlerinin düşüktür.

Geri dönüşüm olanağı vardır.

Hassas toleransların elde edilebilir.

Parçaların ölçüsel tutarlılığı ve ölçüsel tekrarlanabilirliği iyidir.

Diğer üretim teknikleriyle üretilmesi güç küçük parçalar kolaylıkla üretilebilir.

Parçaların kalıptan çıkarıldıktan sonra son işlem gereksinimi yoktur ya da nadir olur.

Bazı durumlarda kalıp değiştirmeksizin aynı parçanın farklı malzemelerle kalıplanabilir.




Plastik Malzemelerin Sertlik Değeri ve Sertlik Dönüşüm Tablosu

SERTLİK:

Genel anlamda malzemenin deformasyona karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanan sertlik, direkt bir büyüklük olmayıp daha yüksek dayanımda bir malzemenin kendisinden daha düşük dayanımda diğer bir malzeme üzerinde yapmış olduğu deformasyon üzerinden hesaplanmaktadır. Deformasyon ne kadar küçük ise malzemenin sertliği o derece yüksektir şeklinde değerlendirme yapılabilir.

A. Metal malzemelerde yaygın olarak kullanılan sertlik metotları Rockwell, Brinell ve Vickers olup bu yöntemler izin büyüklüğü veya derinliği üzerinden hesaplanmasına, kullanılan uç yapısına ve uygulanan ağırlıklara göre çeşitlenmektedir.

1. Rockwell Yöntemi : Malzeme üzerine elmas konik veya çeşitli çaplarda çelik bilye uçların 15 ile 150kg arası çeşitli yükler kullanılarak uygulanması sonucu malzeme üzerinde oluşan iz derinliği üzerinden hesaplanmaktadır.  Oluşan izin derinliğindeki 1 µm ‘luk değişim, yaklaşık olarak 2 Rockwell değerine karşılık gelmektedir. Bu nedenle derinlik ölçme sisteminin çok hassas olması gerekmektedir.

2. Brinell Yöntemi : Malzeme üzerine çeşitli çaplarda bilya uçların 1 ile 3000kg arasında çeşitli yükler kullanılarak uygulanması sonucu malzeme üzerinde oluşan izin çapı üzerinden hesaplanmaktadır. Görüntünün netliği ve köşegen ölçme sisteminin hassasiyeti, ölçüm hassasiyeti ile direkt ilgilidir.

3. Vickers Yöntemi : Malzeme üzerine 136° piramit elmas ucun 0.01 ile 100kg arası çeşitli yükler kullanılarak uygulanması sonucu malzeme üzerinde oluşan izin köşegenleri arası mesafe üzerinden hesaplanmaktadır. Görüntünün netliği ve köşegen ölçme sisteminin hassasiyeti, ölçüm hassasiyeti ile direk ilgilidir.

B. Plastik yada esnek malzemelerin sertlik değerini belirlemek için kullanılan yönteme Shore sertlik değeri denir. Polimerlerin, elostemerlerin, kauçukların, kumaşların, süngerlerin sertliğini ölçmek için kullanılmaktadır.  Ölçümlerde en sık Shore-A ve Shore-D kullanılmaktadır. Batıcı uç ve kullanılan ağırlığa göre sınıflandırılmaktadır.

  • Shore-A yöntemi kullanılarak; genel itibari ile elastomer, vinil, kauçuk, lastik, deri, pvc, silikon kauçuk, teflon, neopren gibi yumuşak malzemelerin sertliğini,

  • Shore-D yöntemi kullanılarak ise polyester, ABS, naylon, poliüretan, poliamid, kevlar, akril, ahşap ve polistren gibi daha rijit malzemelerin sertliğini ölçmede kullanılmaktadır. Mühendislik plastiklerinin sertliğinin ölçümünde Shore-D yöntemi kullanılmaktadır.

  • Bu uygulamada, sertlik ucunun malzemeye ne kadar nüfuz ettiği ölçülmektedir. Dalma ucu, uluslararası normlarca belirlenmiş özelliklere sahip yaylı bir sistem tarafından hareket ettirilmektedir. Malzemenin sertlik değeri ne kadar büyükse, dalma derinliği o kadar az; fakat uygulanan kuvvet de bir o kadar yüksek olacaktır.

  • Farklı formlardaki sertlik (dalma) uçları ve yay karakterizasyonları; farklı skalalardaki Shore sertliklerine uygun tasarlanmaktadır. En bilindik Shore Sertlik Skalaları Shore A ve D’dir. Ek olarak özel uygulamalar için Shore B, C, 0, 00, 000 ve D0 gibi farklı sertlik skalaları da kullanılabilmektedir.

  • Shore Skalası sertlik testlerinin uygulama alanı yumuşak elastomer (Shore A) malzemelerden başlamakta ve rijit termoplastik malzemelere (Shore D) kadar geniş bir alanı kapsamaktadır.

Plastik malzemelerde ise çoğunlukla malzeme üzerinde kalıcı bir deformasyon olmadığı sebebiyle yük uygulanmaya devam ederken, ucun malzemeye batma miktarı üzerinden hesaplanan Shore ve IRHD yöntemleri ile sertlik ölçümleri yapılmakta olup; çok sert plastiklerde bazen Rockwell yöntemi kullanılabilmektedir.

Shore-A ve Shore-D yöntemlerinin yanında Shore-B, Shore-C, Shore,E, Shore-M, Shore-O Shore-OO gibi yöntemler de kullanılmaktadır. Bu yöntemler ölçülecek malzemenin cinsine bağlı olarak seçilmektedir. Ölçü aletinin uç kısmındaki iğnenin sivrilik açısına, iğne kalınlığına, yay kuvvetine göre yöntemler değişmektedir.

-Ölçüm genel olarak  ASTM D2240 standardına göre yapılmaktadır.

-Referans ile numunenin Shore birimleri aynı olmalıdır. Biri Shore-A ile ölçülürken diğeri Shore-D ile ölçülüp karşılaştırılmamalıdır.

-Shoremetre cihazının diğer adıda Durometredir.

-Sertlik malzemeye has özellik olması yanında sıcaklığın da bir fonksiyonu olduğundan, referans ve numune aynı ortam sıcaklığında bakılması karşılaştırmada daha doğru sonucu verecektir.

-Genel olarak ürünün sertlik değerine  15sn boyunca, düz zemine, ~3mm kalınlığında, numunenin zemini sert bir yüzeye yapışıkken  uygulandıktan sonra ucu derinliğine bağlıdır. Shore’un birimi yoktur, boyutsuzdur.

C. IRHD Yöntemi : 0.5mm kalınlıktan itibaren ince plastik, kauçuk türü malzemeler üzerinde çeşitli çaplarda uçlar kullanılarak gerçekleştirilmektedir.



Termoplastik Malzemeler

PE (Polietilen)

HDPE (Yüksek Yoğunluklu Polietilen)

LDPE (Alçak Yoğunluklu Polietilen)

Polietilen ticari polimerlerin başında gelir. Bütün dünyada üretimi 2007 yılında yaklaşık olarak 45 milyon tona ulaşmıştır. Polietilenin bu kadar çok üretilmesindeki en büyük neden hemen hemen her türlü sektörde kullanılan bir plastik olmasından kaynaklanır. Paketleme endüstrisinde, plastik mutfak ürünlerinden, otomotiv sanayinde, altyapı malzemeleri, beyaz eşya ve makina parçaları, oyuncak ve tekstil gibi daha birçok alanda kullanılır. İyi bir yalıtkan ve mukavim bir malzeme olduğundan elektronik ve elektrik eşya parçalarında da sıkça kullanılır.

Polietilen petrolden üretilen bir termoplastik polimerdir. Polietileni genel olarak iki ana sınıfa ayırmak mümkündür:

  • Düşük Yoğunluklu Polietilen (Low Density Polyethylene – LDPE)

LDPE, radikal zincir polimerizasyonu yöntemi ile sentezlenir ve HDPE’ye göre daha çok dallanma (branching) görülen bir polimerdir. Bu moleküler dallanmalar kısa ya da uzun olabilir ve LDPE’ye özelliklerinin bir kısmını veren bu dallanmalardır. Yoğun dallanma görülen polimerlerin kristal yapı oluşturmaları oldukça zordur bu sebeple LDPE, HDPE’ye göre daha düşük kristalliğe sahiptir. LDPE %40 ile %60 arası kristal yapıya sahip iken, HDPE %70 – 90 kristalleşme gösterir.

Dallanmaların yarattığı bir diğer değişiklik ise yoğunluğu azaltmaktır. LDPE’nin yoğunluğu 0.91 – 0.93 g.cm-3 değerlerinde oynarken, HDPE’nin yoğunluğu 0.94 – 0.96 g.cm-3 değerleri arasındadır.

LDPE farklı ve istenilen özelliklere sahip bir plastiktir. Camsılaşma sıcaklığı (Glass Transition Temperature – Tg) yaklaşık -120°C dolayındadır. Bir polimer için fena sayılmayacak kristalliğe sahiptir ve kristallerin erime sıcaklığı 110°C civarındadır. Oldukça düşük bir Tg ve göreceli olarak yüksek kristalliği sayesinde geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabilecek esnekliğe sahiptir.

Ticari LDPE’nin sayıya dayalı ortalama molekül ağırlığı 20 – 100 kg.mol-1 arasındadır. Molekül ağırlık dağılımı ( ) 3 ile 20 arasında değişebilir. Piyasadaki LDPE’ler, reaktor tipi, polimerizasyon sıcaklığı ve polimerizasyon basıncı ile oynanarak; faklı molekül ağırlığı, molekül ağırlık dağılımı, ve farklı dallanma oranlarında üretilerek kristalleşme oranı, yoğunluğu, ve mukavemeti değiştirilebilir. Bu da LDPE’nin değişik pazarlarda kullanılmasını sağlar.

  • Yüksek Yoğunluklu Polietilen (High Density Polyethylene – HDPE)

HDPE üretimine baktığımız zaman Ziegler-Natta ve Philips tipi reaktif başlatıcı maddeler kullanılır. Böylece çok daha az oranda dallanmalar ve yüksek polimer dönüşümü elde edilir. Her 500 monomer ünitesi için ortalama 0.5-3 arası metil grubu görülür. Bu oran LDPE’de 15 ile 30 arasındadır. Dallanmanın azalması polimer zincirinin bir düzen içinde kristal yapıyı daha kolay oluşturmasını sağlar. Daha önce belirttiğimiz gibi HDPE’de %70 – 90 arası kristallik görülür ve kristal erime sıcaklığı da yaklaşık 135°C civarındadır. Yüksek molekül ağırlığı, yoğunluk ve kristalleşme değerleri ile HDPE, LDPE’den daha mukavim, tok, sert ve kimyasal olarak daha dayanıklıdır. Ayrıca düşük sıcaklıklarda mekanik olarak daha iyi sonuçlar verir.

HDPE’nin sayıya dayalı ortalama molekül ağırlığı genellikle 50 – 250 kg.mol-1 değerlerindedir. Eğer yüksek molekül ağırlıklı HDPE (HMW-HDPE) ya da ultra-yüksek molekül ağırlıklı HDPE (UHMW-HDPE) termoplastiklerine bakarsak, sırasıyla molekül ağırlıkları 0.5 – 1.5 milyon ile >1.5milyon arasındadır. Molekül ağırlığını arttırmak daha yüksek mukavemete, uzama değerlerine ve tokluğa ulaşmayı sağlar. Ancak aynı zamanda vizkozite de çok arttığı için üretim yapmak daha zor ve pahalıdır. Akışkanlığı arttırarak üretim maliyetlerini düşürmek için yumuşatıcılar (processing aid) kullanılır. Fakat bunları kullanırken mekanik özellikleri korumak ya da geliştirmek hedeflenmelidir.

HDPE’nin geniş bir kullanım alanı vardır. Üretilen HDPE’lerin %40′ı hava üflemeli döküm (blow-molding) yöntemi kullanılarak plastik parça üretiminde kullanılır. Bu parçalara, içecek, yiyecek, temizlik ürünleri şişeleri, mutfak-ev eşyaları ve oyuncaklar örnek verilebilir.

HDPE pazarının %30′unu ise enjeksiyon kalıplama tekniği ile üretilen parçalar oluşturur. Geri kalan HDPE ürünleri ise çoğunlukla extrusion yöntemiyle üretilir. Özellikle paketleme, ince film kaplama, boru, tüp ve kablo üreitm endüstrilerinde bu yöntem kullanılır.

Asit ve amin guruplarından oluşan yinelenen birimlerin, yani monomerlerin, birbirlerine amid bağları ile bağlanmasıyla oluşan polimerler poliamid sınıfına girerler.

Protein, yün ve ipek gibi doğada bulunan poliamitler olduğu gibi, laboratuvarda üretilen naylon ve aramid gibi sentetik poliamidler de vardır. Naylon ismiyle bilinen sentetik poliamidler, mühendislik polimerleri içinde birçok farklı uygulamada kullanılan polimerlerdir: Halı ve giyim gibi tekstil endüstrisinde, müzik aletlerinin tellerinde, ve iplik endüstrisinde kullanımı yaygındır. Çoğunlukla elyaf olarak üretilen poliamidlerin en karakteristik özellikleri; yıpranmaya ve aşınmaya karşı dirençli olmaları, yüksek sıcaklıklarda bile iyi mekanik özelliklere sahip olmaları, düşük gaz geçirgenliğine sahip olmaları ve kimyasallara karşı dirençli olmalarıdır.

Yukarıda belirtilen poliamidler farklı kullanım alanlarına giren termoplastik polimerler olmalarına rağmen, en sık kullanıldığı alan elyaf endüstrisidir.

Üretilen naylonların %60′dan fazlası elyaf olarak piyasaya girer. 1935 yılında DuPont tarafından bulunan naylon, ilk olarak diş fırçalarındaki fırça kılı olarak kullanılmıştır. Ticari çıkışını ise 1940′larda bayan çorabı olarak kullanılmasıyla yapmıştır ve ipeksi bir his verdiği için ipeğin yerine kullanılmaya başlanmıştır. II. Dünya Savaşı ile birlikte bulunması zorlaşan ipek ve benzeri malzemeler, polimer bilimini ve endüstrisini tetiklemiş ve bu endüstrinin hızlı bir yükseliş görmesini sağlamıştır. İpek kıtlığı yaşanmasıyla beraber paraşütlerde, askeri amaçlı iplerde ve lastiklerde naylon kullanılmıştır. Naylonun polimer endüstrisinde tarihi açısından önemli bir yere sahip olmasının nedeni ticari olarak başarıya ulaşan ilk sentetik polimer olmasıdır.

Elyaf olarak kullanımının yanı sıra, katı haldeki naylon mekanik parça üretiminde de kullanılan bir polimerdir. Mekanik aksamlar içinde çark ve vida gibi düşük ve orta derecede kuvvetlere maruz kalan parçalarda metallerin yerini almıştır. Mühendislik saflığında (Engineering Grade) üretilen naylon ekstrüzyon, dökme kalıplama ve enjeksiyon kalıplama yöntemleriyle proses edilir.

Bazı uygulamalarda cam parçacıklar ya da elyaflarla güçlendirilen naylon kompozitler, daha yüksek yapısal mukavemet, darbe dayanımı ve sertlik sunarlar. %25 oranında cam elyafla güçlendirilen naylon kompozitler yüksek ısı direnci sayesinde otomotiv endüstrisinde, emme manifoldu gibi motor yarı elemanları olarak kullanılır.

Poliamid sınıfına giren diğer bir naylon türü ise aramid ticari polimeridir. Aramidlerin naylon6 gibi naylonlardan farkı, zincir omurgasında bulunan aromatik gruplardır. Balistik uygulamalarında kullanılan aramid elyaflar istisnai mukavemet gösteren polimerlerdir. Piyasada Kevlar ve Nomex adıyla bilinen aramid elyafları, yinelenen birimlerinde bulunan aromatik grupları sayesinde, mükemmel ısı ve yangın dayanımı gösterirler ve bozunma sıcaklıklarının bile üzerinde olan çok yüksek erime noktaları (>500°C) vardır. Ayrıca amidler yüksek mukavemet ve Young modülüne sahiptir.

Poliamidler yoğunlaşma polimerizasyonu mekanizması ile sentezlenmelerine rağmen, polikarbonat gibi poliesterlerin sentezinden farklı bir rota izlerler. En basit fark, poliamid sentezinde, poliesterlerde olduğu gibi güçlü bir asit kullanılmaz. Çünkü reaksiyon hızı kendiliğinden yüksek bir hıza sahiptir. Birçok reaksiyon mekanizması ile poliamid elde etmek mümkün olsa bile, en sık kullanılan sentez metodu diasitlerin diamin ile direk amidasyonudur. Mesela Naylon6,6 poliamidi, hekzametilen diamin ile adipik asidin reaksiyonu sonucu elde edilir. Laktamların halka açılma polimerizasyon mekanizması da poliamid sentezi için kullanılan bir kimyasal yöntemdir.

Poliamidlerin zincir omurgasının düzenli ve simetrik yapısı kolayca kristalleşmelerini sağlar. Naylon6,6 polimeri orta derecede kristalliğe sahiptir. Amorf halde bulunan zincirler de olduğu için poliamidler yarı-kristal polimerlerdir. Normal üretimi sonucu %50′ye yakın kristal yapı elde edilirken, mekanik çekme ile yönlendirme uygulaması altında elde edilen elyaflarda ise (polimer zincirleri belirli bir düzene zorlandığı ve yönlendirildiği için) kristal yapı oranı artar. Naylon6,6 mukavemet, esneklik, tokluk, aşınma direnci, renklendirilebilme, düşük sürtünme katsayısı (kendi-kendini-kayganlaştırma), düşük sünme ve çözücülere karşı iyi direnç gibi istenilen özellikler gösteren bir polimerdir. En büyük dezavantajı ise neme karşı direncinin düşük olması ve nemli ortamlarda boyutsal ve mekanik özelliklerinin bozulmasıdır.

Poliamidlerin sahip olduğu mekanik dayanımının en önemli kaynağı zincirler arası oluşan etkileşimlerdir. Bir zincirdeki oksijen atomu ile diğer bir zincirdeki hidrojen atomunun arasında gerçekleşen etkileşim hidrojen bağı olarak bilinir ve tek başına kovalent bağlarla karşılaştırınca zayıf gibi gözüken hidrojen bağları zincirler arası binlerce hidrojen bağı etkileşimleriyle toplamda güçlü bir ikincil kuvvet teşkil eder. Hidrojen bağı etkileşimleri, polimer zincirlerinin kristalleşmesine yardımcı olur ve özellikle poliamidlerin yüksek kristal yapıya ve dolayısıyla yüksek mekanik dayanıma sahip olmasını sağlar. Hidrojen ve oksijen atomları arasında paylaşılan elektronlar poliamid zincirlerinin birbiri üzerine katlanmasına ve düzenli kristal yapının oluşmasına sebep olur. Ancak poliamidlerde bulunan hidrojen bağları nemli ortamlarda bozulur ve zincirler arası etkileşim kaybolmaya başlar. Su molekülleri de poliamit zincirleri gibi polar (kutuplu) yapıya sahiptir. Poliamid zincirlerinin arasına giren su molekülleri zincirler arasındaki etkileşimi bozmaya başlar ve zincirlerin hareketliliğini (mobilite) arttırır. Su molekülleri etkileşimi bozsa bile poliamid su içinde çözünemez; ancak su, poliamitleri plastikleştirerek şişirir ve yumuşatır. Bu yüzden de poliamitler nemli ortamlarda mekanik ve boyutsal bozunmaya uğrarlar.

Poliamidlerin sürekli kullanımı için önerilen sürekli servis (kullanım) sıcaklığı, saf poliamidler için 65-75°C aralığında; cam ve diğer minerallerle güçlendirilmiş poliamid kompozitler için ise 100-115°C aralığındadır. Ancak 150°C sıcaklığa kadar mekanik özelliklerini korur. Her ne kadar en çok kullanılan poliamid olan naylon6 ve naylon6,6 benzer özelliklere sahip olsalar da; naylon6 daha düşük erime noktasına sahiptir (223°C). Naylon6,6′nın erime sıcaklığı ise 255°C civarındadır.

Naylon6 ve Naylon6,6′ya ek olarak, Naylon6,9; Naylon6,10; Naylon6,12; Naylon11; Naylon12; Naylon12,12 ve Naylon4,6 gibi poliamidler de üretilir. Naylon6 ya da Naylon6,6′dan daha fazla metilen grubuna sahip naylonların daha yüksek nem dayanımı, boyutsal kararlılığı, daha iyi elektrik özellikleri vardır. Ancak yüksek metilen grubu içeren naylonların kristalliği ve mekanik özellikleri daha düşüktür.

Poliamidler genellikle tamamen yalıtkan malzemelerdir. Ancak yüksek voltaj ve frekansta çoğunlukla statik elektrik üretirler ve üretilen statik elektrik tehlikeli kıvılcımların oluşmasına sebep olabilir. Bu sebeple kullanımları düşük frekans uygulamaları ile kısıtlıdır.Fakat, poliamidlerin elektrik altındaki hassasiyetini gidermek için karbon siyahı ya da gümüş gibi iletken parçacıklar eklenebilir.

PA (Poliamid)

PC (Polikarbonat)

Polikarbonat düşük özgül ağırlığa sahip bir yüksek performans termoplastiğidir. Yüksek darbe dayanımı, düşük nem kapma oranı, iyi ısı yalıtımı, ısıya karşı kararlılığı ve eriyik halde oksidatif kararlılığı ile önemli bir mühendilik plastiği olmasının yanı sıra kolay proses edilmesi ve işlenebirliliği sayesinde ticari polimerler arasında da yerini almıştır.

Çoğunlukla bisfenol A (bisphenol A BPA) kimyasalından üretilse de fosjen kullanılarak da sentezlenebilir. Şekilde polikarbonatın yapı taşında olan karnobat ve BPA birimlerini görüyoruz.

BPA’dan sentezlenen polikarbonat çok dayanıklı bir plastiktir. Darbeye karşı daynımı iyi olmasına rağmen çok kolay çizilebilir. Şeffaftır ve birçok plastikten daha iyi ışık geçirgenliğine sahiptir. Bu sebeple, gözlük camı gibi optik eşyalarda kullanılır ve fakat kolay çizilebildiği için dış yüzeyi ince bir filmle kaplanır. Ancak, son yıllarda gözlük camı üreticileri film kaplama metodu yerine reaktif bileşiklerle ya da epoksilerle hazırlanmış karışımlarla farklı polikarbonat formulasyonlarını araştırmaktadırlar. Polikarbonat, polimetilmetakrilat (PMMA) plastiğine çok benzemesine rağmen, polikarbonat daha güçlüdür ve daha geniş sıcaklık aralığında kullanılabilir fakat aynı zamanda pahalıdır.

Polikarbonatın camsılaşma sıcaklığı 150°C civarındadır ve 300°C’den sonra akışkanlaşmaya başlar. Enjeksiyon kalıplama ve ekstrüzyon yöntemleri kullanılarak ticari ürünler hazırlanır. Ancak çok kolay akan bir madde olmadığı için kalıp ve kullanılan aletlerin sıcaklıklarıyla oynayarak üretim optimize edilir. Üretim kolaylığı kullanılan polikarbonatın molekül ağırlığına bağlıdır. Düşük molekül ağırlıklı polikarbonat daha kolay akışır ancak elde edilen ürünün mekanik özellikleri de molekül ağırlığıyla orantılı olarak daha düşük olur.

Şu ana kadar sadece BPA’dan sentezlenen polikarbonatın üzerinde durduk ancak, özellikle ultra hafif optik gereçlerin üretiminde kullanılan bir başka polikarbonat da iki ucunda alil grubu bulunan bir karbonat monomerinden sentezlenir. Alil grupları sayesinde reaksiyonun gerçekleştiği düşünülünce, ortaya BPA bazlı termoplastik polikarbonat yerine, çapraz bağlantı (crosslink) yapmış thermoset polikarbonat çıkar. Bu yeni thermoset polikarbonatların camdan daha yüksek kırılım indisi vardır (böylece daha ince parçalar üretilebilir). Isıya dayanımı daha yüksek ve daha güçlü bu yeni thermoset polikarbonatların BPA bazlı polikarbonatlardan temel farkı ısıtıldığında eritilip yeniden şekillenememesi ancak bozunmaya uğramasıdır.

Polikarbonattan yapılam ürünlerin başında CD ve DVD gibi dijital araçlar ve elektronik eşyalar gelir. Sporda kullanılan koruyucu parçalar, tıbbi gereçler, şişeler ve yemek saklama kapları gibi parçalanmaya karşı dayanıklı olması gereken ürünlerin yapımında kullanılır.

En yaygın ticari termoplastik polimer olan polipropilen 2001 senesinde tüm dünyada 45 milyon ton üretilerek 65 milyar dolarlık bir pazar yaratmıştır. Özellikle izotaktik polipropilen (iPP) düşük yoğunluğu ve yüksek mukavemeti sayesinde çok yüksek güç-ağırlık oranına sahiptir. Bu sebeple de otomotiv parçalarından tekstil ve paketleme endüstrisine kadar her alanda en yaygın kullanılan polimerdir.

Olefin tesislerinden ve petrol rafinelerinden çıkan gazlardan elde edilen propilen monomerinin koordinasyon katalizörleri ile polimerizasyonu sonucu elde edilen bir polimerdir.

Polipropilen izotaktik, sindiotaktik ya da ataktik konformasyonlarında sentezlenebilir ve konformasyonun ne şekilde olduğu kristallik yapısı, oranı, ve yoğunluğu etkiler. Ataktik polipropilenin kristal yapı oluşturması çok zordur ancak izotaktik polipropilen LDPE’den daha fazla kristalleşebilirken HDPE kadar çok kristalleşemez. Bir başka deyişle PP’nin kristal oranı %40 ile %70 arasında değişebilir. Polipropilen genellikle tok ve esnek bir plastiktir. Özellikle etilen ile kopolimerize edildiğinde ABS yerine kullanılan bir mühendilik plastiği haline gelmiştir.

Polipropilen kristallerinin erime noktası 160 derece dolayındadır ve genellikle 200 derece üzerinde proses edilir. Enjeksiyon kalıplama ve hava üflemeli döküm teknikleri ile polipropilen parçalar üretilir.

Üretim aşamasında önemli bir etken de erime akış indeksidir (melt flow index – MFI). Erime akış indeksi polipropilenin  molekül ağırlığıyla direk bağlantılıdır ve MFI değerlerine göre bir plastiğin ne kadar proses edileceğini tahmin etmek mümkündür. Yüksek MFI değerlerine sahip polipropilenin proses esnasında kalıbı doldurması daha kolaydır. Ancak MFI değerinin artması aynı zamanda bazı fiziksel özelliklerde değer kaybına yol açar; mesela yüksek MFI değerine dahip polipropilenin darbe dayanımı daha düşüktür.

Polipropilen güneşten gelen UV ışınlarına ve ısıl işlem sırasındaki yüksek sıcaklıklara karşı hassas bir polimerdir. UV ışınına maruz kalınca, ya da yüksek sıcaklıklarda oksitlenince, polipropilen polimer zinciri bozunmaya uğrar. UV ışınlarından korumak için UV ışını emen katkı maddeleri (additive) kullanılarak polimerin ömrü uzatılabilir. Karbon siyahı bu maddelere bir örnektir. Yüksek sıcaklıklarda yapılan kalıplama işlemleri sırasında polipropilenin bozunmaması için ise anti-oksidan katkı maddeleri kullanılır.

Polipropilen genelde 3 farklı şekilde üretilir. Piyasada çoğunlukla homopolimer, kopolimer ya da blok-kopolimer olarak görülür. Kopolimerler üretilirken kullanılan ko-monomer genellikle etilendir ve etilen-propilen kauçuğu elde edilir. EPDM diye adlandırılan bu kopolimer polipropilenin modifikasyonunda sıkça kullanılır ve düşük sıcaklıklardaki darbeye karşı direncinin artmasında büyük rol oynar. Buna ek olarak, etilen monomerinin kopolimer zincirine rasgele yerlestirilmesi polipropilenin kristalliğinin düşmesine sebep olur ve böylece daha şeffaf bir plastik elde edilir.

PP (Polipropilen)

Dünyadaki plastik üretiminin %18′ini oluşturan polietilen tereftalat, polietilen ve polipropilenden sonra üçüncü sırada yer alır. Gündelik hayatımızda en çok karşılaştığımız, belki de adını en çok kullandığımız plastiklerden biri olan polietilen tereftalat yaygın olarak PET kısaltmasıyla anılır. Ancak PETE, PETP ya da PET-P kısaltmaları da polietilen tereftalat için kullanılmaktadır. Poliester grubundan olan PET, doğrusal bir termoplastik polimerdir ve çoğunlukla sentetik elyaf, yiyecek paketleme endüstrisi ve özellikle şişeleme gibi alanlarda karşımıza çıkar. Daha çok ısıl-şekillendirme yöntemiyle şekil verilen PET malzemeler, saf PET polimerinden oluşabileceği gibi bazı uygulamalarda cam elyafla güçlendirilerek mühendislik uygulamalarında yapısal malzeme olarak da kullanılabilir.

En önemli ticari poliester olan PET, ilk kez 1944 yılında piyasaya sürülmüştür. Yinelenen biriminde hem etilen grubu hem de tereftalat grubu içerdiği için polietilen tereftalat adını almıştır.

Yüksek molekül ağırlığına sahip poliesterleri üretmek, naylon gibi poliamidleri üretmek kadar kolay değildir. Poliesterler genellikle düşük ağırlıklı glikol kullanılarak sentezlenir. Daha da genel bir sentez bilgisi vermek gerekirse, poliesterler bir diasit ve bir diolünesterfikasyon reaksiyonu sonucu elde edilir. Basit bir yoğunlaşma polimerizasyonu mekanizmasını kullanarak, esterifikasyon reaksiyonu ile tereftalik asit ve etilen glikol, bir asit katalizörüyle birlikte ısıtılınca polimerizasyon başlar ve PET elde edilir. Benzer bir reaksiyon tereftoil klorür ve etilen glikol ile de gerçekleşir ancak tereftoil klorür daha pahalı ve tehlikeli bir kimyasal olduğu için tercih sebebi değildir.

Laboratuvarda düşük miktarlarda elde edilen PET’i aynı şekilde ticari boyutta elde etmek masraflı bir zor bir problemdir. Polietilen tereftalat üreten büyük kimyasal tesisler,transesterifikasyon reaksiyonunu takip eder, tereftalik asit yerine dimetil tereftalatkimyasalı ile etilen glikolü reaksiyona sokarak bis-(2-hidroksietil)tereftalat ve metanol elde ederler. Sıcaklığın 210°C’ye çıkarılmasıyla metanol buharlaştırılır, bunu takiben 270°C ısıtılan bis-(2-hidroksietil)tereftalat reaksiyona girerek PET ve gene etilen glikol ürünleri elde edilir. Elde edilen etilen glikol, yeni bir PET sentezi için yeniden kullanılabilir.

PET farklı kimyasal yöntemlerle sentezlenebildiği gibi, sentez sonrası değişik ısıl işlemlere tabi tutularak üretim yapılabilir. Üretim ve işlenme geçmişine göre PET tamamen amorf bir yapıya sahip olabileceği gibi yarı-kristal halde de bulunabilir. Termoplastik bir polimer olduğu için, üretimi takiben hangi fiziksel yapıya sahip olursa olsun, ek bir ısıl işlemle bu yapıyı değiştirmek ve geliştirmek mümkündür. Amorf yapıya sahip PET saydam (şeffaf) bir ürün oluştururken, içeriğindeki kristallerin boyutuna ve yapısına bağlı olarak yarı-kristal PET saydam ya da opak olabilir. Amorf yapı elde etmek için üretim sırasında eriyik halde bulunan PET, hızla soğutularak zincirler düzensiz yapıda dondurulur. Bütün yarı-kristal polimerlerde olduğu gibi PET’in de sahip olabileceği belirli bir en yüksek kristal yapı oranı vardır.

Ticari olarak sentezlenen PET en fazla %60 oranında kristal yapıya sahip olabilir ve kristallerin ortalama erime sıcaklığı 270°C civarındadır. Elyaf olarak üretildiği durumlarda, elyaf üretimi sırasındaki çekme adımı sayesinde bu oran biraz daha artabilir. PET doğal halinde kristal yapıda durmayı tercih eder ancak çok kolay ve hızlı kristalleşen bir polimer değildir. Kristal yapının zor elde edilmesi sebebiyle mühendislik plastikleri arasında yerini alamamıştır. Uzun kristalleşme süresi sebebiyle kalıplama süresi maliyeti arttırır. Ancak PET’in kristalleşmesini hızlandırmak için kullanılan katkı maddeleri mevcuttur.

270°C  gibi gayet yüksek bir erime noktasına sahip olan PET, bükülmesi zor ve sert bir zincir omurgasına sahiptir. Bu sebeple yüksek mukavemete, yüksek tokluğa ve 150°C’ye kadar yorulmaya karşı yüksek dirence sahiptir. Düşük özgül ağırlığa sahip olan PET, üretildiği kalınlığa göre yerı-sert ya da tam-sert olabilir. Sağlam bir plastik olan PET darbeye karşı da dayanıklıdır. İyi mekanik özelliklere sahip olmasının yanı sıra gazlara, çözücü kimyasallara ve alkollere karşı iyi bir bariyerdir. Neme karşı bariyer özelliği o kadar iyi olmasa da diğer plastiklerin yanında yine de yeterli kalır. Kuvvetli bariyer özellikler sayesinde özellikle plastik şişelerde sıklıkla kullanılan PET, oksijen geçirgenliğinin kritik olduğu durumlarda ise poli(vinil alkol) ile kompozit oluşturarak daha iyi bir bariyer elde edilebilir.

Yönlendirilmiş (oriented) PET filmler mekanik mukavemetin önemli olduğu uygulamalarda ön plana çıkar. İki yöne yönlendirilmiş PET filmleri alüminize edilerek opak ve aynı zamanda yansıyan bir yüzeye sahip olur ve özellikle paketleme endüstrisinde esnek paketler üretmek için kullanılır. Ayrıca PET’den gelen mekanik mukavemetinin yüksek olması sayesinde bant uygulamalarında kullanılır. PET’i saf haliyle kullanmak yerine cam parçacıkları ya da elyafıyla güçlendirerek daha sert bir kompozit malzeme de elde edilebilir.

PET’in doğrusal bir termoplastik polimer olduğunu ve genellikle homopolimer olarak kullanıldığını daha önce belirtmiştik. Ancak, PET’i kopolimerizasyon ile güçlendirmek de mümkündür. En çok yapılan değişikliklerden biri etilen glikol yerine siklohekzan dimetanol grubunu polimer omurgasına eklemektir. Bu kimyasal PET zincirlerinin birbiriyle rahat bir uyum sağlamasını engeller ve PET’in kristal yapısını bozar. PET’in erime sıcaklığını düşmesini sağlayan yeni kopolimer yapısı, PETG adıyla piyasaya sürülmektedir.

2001 senesindeki kayıtlara göre dünyada yaklaşık 30 milyon ton PET üretilmiştir. Sentezlenen PET plastiklerinin %45′i elyaf uygulamalarında kullanılır. PET elyafları kırışıklığa ve aşınmaya karşı çok dayanıklıdır. Ayrıca çapraz-bağlanma ile işlenerek kalıcı kırışıklık-önleyici özelliğe sahip olur. Pamuk ya da selüloz bazlı elyafla karıştırılarak kullanılan tekstil ürününde neme karş daha iyi direnç ve doğallık hissi yaratılır.

Elyaf olarak üretilen PET perdelerde, giyim eşyalarında, döşeme kumaşlarında, lastik şeritlerinde, ve endüstriyel filtreleme işlemlerinde kullanılır. PET’in başarılı gaz bariyeri özelliği sayesinde, üretilen PET polimerinin %10′u şişeleme başta olmak üzere yiyecek-içecek paketleme endüstrisinde kullanılır. Film uygulamalarında kullanılan PET polimeri daha çok fotoğraf filmlerinde, manyetik ve X-ışını bantlarında ve elektrik yalıtımı uygulamalarında kullanılır. Bu kullanım alanlarına ek olarak, bazı mühendislik uygulamlarında çelik ve alüminyum gibi metallerin yerini alarak, elektronik cihazlarda, ofis teçhizatlarında ve otomotiv parçalarında da PET kullanımı yaygındır. Bu tür mühendislik uygulamarında kullanılan PET genellikle cam elyafı, silikon, grafit, ya da Teflon ile kompound edilerek mukavemeti ve sertliği daha da arttırılır. Örnek vermek gerekirse, cam elyafıyla güçlendirilmiş PET kompoziti 150°C sıcaklığında sürekli olarak kullanıma uygundur.

PET (Polietilenteraftelat)

PMMA (Polimetilmetakrilat)

Piyasada daha çok akrilik cam ya da pleksiglas olarak bilinen polimetilmetakrilat (PMMA) renksiz ve şeffaf bir termoplastik polimerdir. Genelde cama alternatif malzeme olarak tercih edilir ve polikarbonatla benzer özelliklere sahip olduğu için polikarbonatın kullanıldığı ürünlere de alternatif olabilir. Ucuz olması ve kolay proses edilmesi sayesinde tercih edilse de kırılgan bir yapıya sahip olduğu için kullanım alanı biraz kısıtlıdır.

Metil metakrilat monomerinden radikal zincir büyüme polimerizasyonu metodu kullanılarak sentezlenir ancak anyonik polimerizasyon reaksiyonuyla sentezlemek de mümkündür.

Ticari PMMA, %70-75′i sindiyotaktik zincirden oluşan doğrusal bir polimerdir. Zincirin büyük bir kısmı sindiyotaktik olmasına rağmen, bütünüyle stereo-regular bir polimer olmadığı için ve metakrilat gruplarının büyüklüğü yüzünden kristalleşemez, yani amorftur. Camsılaşma sıcaklığı 105°C civarındadır. Amorf olmasının yanı sıra mükemmel bir optik saydamlığa sahiptir ve bu özelliğini dış hava koşullarına karşı dayanımı ile birleştirince, ışık geçirgenliğinin önemli olduğu uygulamalarda PMMA’yı kullanmak mümkündür. PMMA kolay çizilebilen bir plastik olduğu için optik özelliklerinin uygulama alanlarını kısıtladır. Bu kusurunu ortadan kaldırmak için çeşitli katkı maddeleri denemiştir ancak bu sefer de mekanik özelliklerde bozulmalar görülmüştür. Ancak yeniden belirtmek gerekir ki, PMMA camdan daha saydamdır. Özellikle, camlar daha kalın yapıldığında saydamlığını kaybederken, PMMA 35cm kalınlığa kadar saydamlığını kaybetmeden üretilebilir.

PMMA’nın çekme direnci 70MPa değerlerine kadar çıkar. Darbeye dayanımı neredeyse HIPS kadar yüksektir. Makinada işlenebilen bir plastik olması ayrıca bir avantajdır. Isıya dayanıklı PMMA’nın yük altında eğilme sıcaklığı (HDT) 90°C’nin üzerine kadar çıkabilir ve kalıplaması genel olarak kolay olan bir plastiktir. Birçok kimyasala karşı dayanıklı olmasına rağmen organik çözücülere karşı dirençsizdir.

Enjeksiyon kalıplama yöntemiyle üretilen PMMA parçalarıyla otomotiv farı, cihaz kapakları,optik ekipmanlar, ve ev dekorasyon ürünleri hazırlanır. Akrilik bazlı levha üretmek de mümkündür. Saf PMMA’ya ek olarak, etil akrilat ve metal metakrilat monomerleriyle üretilen kopolimerler thermoset reçine üretiminde kullanılır. Hatta, endüstride kullanılan akrilik plastiklerinin çoğu farklı kombinasyonlardan üretilmiş akrilat/metakrilat kopolimerleridir.

PS (Polistiren)

Çok geniş kullanım alanına sahip olan polistiren ucuz ve sert bir termoplastik polimerdir. Aromatik bir polimer zincirine sahip olan polistiren, aromatik stiren monomerinden sentezlenir. Stiren monomeri ise petrokimya endüstrisince üretilen sıvı bir hidrokarbon molekülüdür.

Polistiren (PS) gündelik hayatımızda en çok karşımıza çıkan plastiklerdendir. Hatta polietilenden sonra en çok kullanılan plastiktir diyebiliriz. Termoplastik bir polimer olduğu için ısıtılıp soğutulurak işlenebilir ve kalıplanabilir. Oda sıcaklığında katı halde bulunan PS yüksek sıcaklıklarda kalıplanarak ve soğutulurak istenilen şekilde ürünler elde edilir. CD ve DVD kapaklarını bu ürünlere örnek olarak verebiliriz.

Saf halde bulunan katı PS şeffatır, ancak pigmentler kullanılarak istenilen renkte malzeme üretilebilir. Polistiren köpük üretmek de mümkündür ve bu şekilde üretilen ve gündelik hayatımızda devamkı kullandığımız ürünlere başlıca örnek plastik beyaz su bardaklarıdır.

(C8H9)n formülüyle de tanımlayabileceğimiz polistiren uzun bir hidrokarbon zincirinin üzerinde her iki karbondan birine fenil grubunu bağlanmasıyla oluşur. Vinil bazlı bir monomerden sentezlendiği için polimerizasyonu da serbest radikal vinil polimerizasyonu ile gerçekleşir.

Oluşturulan polimer izotaktik polistirendir (iPS) ancak endüstride iPS üretimine pek rastlanmaz çünkü iPS’in kristalleşebilen diğer polimerlerden daha üstün özelliklere sahip değildir ve iPS sentezi izotaktik polipropilen ya da polietilen sentezinden daha maliyetlidir. Buna ek olarak iPS’in kırılganlığı artmış ve kristal yapısından dolayı prosesi zorlaşmıştır. Normal polistiren diye de adlandırılan ataktik PS’nin üretimi daha yaygındır. Kolaylıkla proses edilebilen bu polimer adeta enjeksiyon kalıplama için yaratılmıştır diyebiliriz. Ancak bu polimer de ataktiksitenin getirdiği düzensizlikten dolayı kristalleşemez; amorftur ve bu sebeple de bir erime noktası yoktur. Yüksek sıcaklıklarda, düşük molekül ağırlıklı bileşiklerden oluşan bir karışıma (çoğunlukla stiren) dönüşerek bozunmaya uğrar. Bu noktada hatırlamamız gereken nokta, kristalleşmenin görülmesi için moleküler bazda bir düzenin olması gerektiğidir. Yani kristalleşme ancak izotaktik ya da sindiotaktik konformasyonları ile mümkündür. Metalosen-katalizörlü polimerizasyon yöntemiyle sindiotaktik PS üretilebilir. Kristal yapı oluşturabilen bu polistirenin erime noktası 270°C civarındadır.

Kristal yapı oluşturamasa bile ataktik PS günümüzde hala önemli bir mühendislik plastiğidir. Özellikle polimerizasyon sırasında reaksiyona eklenen polibütadiyen (PB) kauçuğu sayesinde polistiren ve polibütadiyen arasında kopolimerizasyon elde edilir. Kopolimerler başlığı altında daha detaylı anlatıldığı üzere “birbirini sevmeyen” polimer zincirlerinin kopolimerleri macro-faz ayrımına uğrarlar ve farklı morfolojiler oluştururlar. Aynen bu şekilde PB-PS kopolimeri de birbirini sevmez ve PB kısmı kendi içinde topçuklar (globül) oluşturarak PS zincirine bağlı bir şekilde dururlar. Bu globüller sayesinde polistiren aslında sahip olmadığı yeni bir özelliğe kavuşur ve darbeye karşı dayanımı aşırı derecede artar. Normalda darbe aldığında oldukça kırılgan olan PS bu PB globülleri sayesinde darbeden gelen enerjiyi emerek daha mukavim ve tok bir malzemeye dönüşür. Üretilen bu yeni polimer piyasada yüksek darbe polistireni (High Impact Polystyrene HIPS) adıyla bilinir.

Diğer plastikler gibi polistiren de kimyasal reaksiyonlara karşı atıldır. Özelikle alkali metallere, halid asitlere, indirgeyen ve yükseltgeyen bileşiklere karşı dayanıklıdır. Nitrik asit kullanılarak PS zincirini nitratlaştırmak ve kansantre sülfürik asit kullanılarak da PS zincirini sulfonlaştırmak mümkündür. Böylece 100°C’de suda çözünebilen bir reçine elde edilir. Kimyasallara karşı genellikle atıl olmasına rağmen birçok çözücüye karşı direnci düşüktür. Açık hava ortamında dış etkenlerinden etkilenir ve kararlığı bozulurak sararmaya ve çatlaklar oluşturmaya başlar.

Camsılaşma sıcaklığı (Tg) 100°C dolaylarında olan PS oda sıcaklığında katı halde oldugu için gündelik hayatımızda çok sık kullanılır. Özellikle pakelteme endüstrisinde yaygındır. Daha önce de belirttiğimiz gibi proses etmesi çok kolay bir plastiktir. Kararlılığı ve uygun akışkanlığı sayesinde enjeksiyon kalıplama için ideal bir plastiktir. Kolay renklendirilmesi, seffaflığı ve berraklığı gibi mükkemmel optik özelliklere sahip olan PS, yüksek kırılım indisiyle (1.60) optik plastik parça yapımında sıklıkla kullanılır. Optik ve üretim özelliklerine ek olarak, ortalama bir mukavemete sahiptir: gerilme direnci 50-60Mpa civarındadır. Mekanik özellikleri açısından çok tercih edilen bir plastik değildir çünkü kırılgandır ve yük altında eğilme sıcaklığı (Heat Deflection Temperature-HDT) diğer malzemelerle karşılaştırıldığında göreceli olarak düşüktür (82-88°C); bu da polistiren ürünlerin sterilize edilemeyeceğini bu sebeple de sağlık endüstrisinde kullanılamayacağını gösterir.

Stiren bazlı kopolimerleri de polistiren başlığının altında ele alabiliriz. Bu kopolimerlerin başında stiren-bütadien sentetik kauçukları gelir. Üretim hacmi açısından oldukça önemli bir yere dahip bu polimerler lateks bazlı boyalarda yaygın olarak kullanılır ve genellikle ağırlıkça %60 stiren – %40 bütadien içerirler. Stiren-bütadien’den sentezlenen blok-kopolimerleri termoplastik elastomer pazarında önemli bir yere sahiptir.

Daha önce de belirttiğimiz gibi stirenin içerisine konacak az miktarda komonomer ile stirenin tercih edilen özellikleri korunurken, ısıya ve darbeye dayanımı gibi özelliklerinin artması sağlanır. Bu tür fiziksel özelliklerin artmasını sağlayan komonomerler, sistemdeki moleküller arası kuvvetlerin artmasını sağlayan ya da polimer zincirindeki rotaston serbetliğini azaltarak sistemi sertleştiren komonomerlerdir. Bunlara örnek olarak akrilonitril ve fumaronitril komonomerlerini sayabiliriz.

Polistirenleri güçlendirmek için ortaya çıkan bir başka plastik de otomotiv yan sanayinde oldukça yaygın kullanılan ABS polimeridir. ABS reçinesi kauçukla güçlendirilmis bir polimer matrisidir. Ancak bu sefer sistemdeki camsı matris sadece polistiren değil stiren-akrilonitril kopolimeridir ve elastomerik kauçuk da stiren-bütadien kopolimeridir. ABS ismi de bu komonomerlerin isimlerinin başharflerinden gelmektedir. ABS’nin yüksek sıcaklıklara ve kimyasal çözücülere dayanımı HIPS’ten daha iyidir. ABS çok iyi bir mühendislik plastiğidir ve diğer plastik malzemelerden farklı olarak, metaller gibi, soğuk olarak da şekillendirilebilir.

Polistireni köpüksü yapıda üretmek de mümkündür. Süspansiyon polimerizasyonu ile sistemin içine köpürtücü madde yerleştirilir ve reaksiyon sonunda yüksek ısı polistiren reçineyi yumuşatırken bu maddleri de buharlaştırırak süngerimsi/köpüğümsü yapıyı oluşturur.

Aromatik polieter sınıfında bulunan poliketonlar yüksek performans plastikleri olarak kullanılırlar. Piyasada yaygın olarak üretilen iki poliketon poli(eter eter keton) (PEEK) ve poli(eter keton) (PEK)’dur. Her iki polimer de olağanüstü mukavemetı, ısıya ve kimyasallara karşı dayanımı sayesinde, uçak ve otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılir. 240°C – 280°C aralığında sürekli kullanılabilecek polimerlerdir. PEEK bazen poli(aril eter keton) ismiyle ya da kısaca poliketon ismiyle de anılabilir. Ancak endüstride PEEK adıyla kullanmak daha yaygındır.

Poliketonlar diğer termoplastik polimerler gibi yarı kristal yapıya sahiptir (yaklaşık %35). PEEK kristallerinin erime noktası 340°C, PEK’in erime noktası ise 360°C civarındadır. PEEK 140°C civarında camsılaşma noktasına (Tg) ulaşırken, PEK’in camsılaşma noktasını aşmak için 165°C’ye kadar ısıtmak gerekir. Poliketonların yüksek camsılaşma sıcaklıklarının sebebi rijit (rigid) bir omurgaya sahip olmalarıdır. Zincirlerindeki fenil grupları polimerlerin moleküler hareket yetisini azaltır. Karbonil grubu eter grubundan daha rijit olduğu için PEK zincirinin esnekliği PEEK’e gore daha azdır ve bu yüzden PEK daha yüksek bir camsılaşma sıcaklığına sahiptir.

Her iki poliketon da yüksek sıcaklıkta bozunmaya karşı ve kimyasallara karşı oldukça dayanıklıdır. Özellikle organik çözücülere dayanıklılığı poliamidlerle hemen hemen aynı seviyededir. Suya ve sulu ortamlara (aqueous) karşı direnci ise polisülfonların dayanıklılığına eşdeğerdir.

PEEK’in çözünebildiği organik çözücüler oldukça az sayıdadır. Kısıtlı oranda da olsa, bazı yüksek buharlaşma noktasına sahip polar organic çözücülerin içinde çözünebilir (pyrene ya da benzofenon bu çözücülere örnek olarak verilebilir). PEEK’in organik çözücülerde çözünmemesi polimer zincirinin kimyasal modifikasyonunu kısıtlar.

Fakat, bunun yanı sıra PEEK halojenlere, Bronsted ve Lewis asitlerine, halojenli bileşiklere ve aromatik hidrokarbonlara karşı duyarlıdır. PEEK zincirinin modifikasyonu istenirse kuvvetli asitler kullanılarak yapılabilir ve literatürde genellikle sulfurik asit sıklıkla kullanılmıştır. Sülfürik asit PEEK zincirinin sulfonasyonunu sağlar ancak aynı zamanda çok kuvvetli bir asit olduğu için polimerin bozunmasına, molekül ağırlığının azalmasına ve dolayısıyla PEEK’in fiziksel özelliklerinin bozulmasına sebep olur. Bu yüzden sulfanosyan reaksiyonun ilerlemesi sadece belli bir noktaya kadar tercih edilir.

Poliketonların yüksek erime noktasına sahip olması parça üretimini zorlaştırır ancak bu soruna karşı kullanılabilecek bazı katkı maddeleri mevcuttur. Katkı maddeleri eklendiğinde poliketonların vizkoziteleri azalarak daha rahat bir üretim sağlanabilir. Göreceli olarak yeni bir termoplastik olan poliketon agresif ortamlara karşı direnci ve olağanüstü mukavemeti sayesinde yüksek ısı gereken ve aşınmaya yatkın yerlerde kullanılır. Otomotivlerin piston parçalarında ve rulmanlarda; hava-uzay endüstrisinde yapı elemanlarında; pompalar ve kompresör subapları gibi kimyasal uygulamalarda ve kablo gibi elektrik uygulamalarında yaygın olarak kullanılır.

PEK – PEEK (Poliketon)

PVC (Polivinilklorür)

Daha yaygın olarak PVC olarak kısaltılan ve bu isimle bilinen polivinil klorür piyasada kullanılan üçüncü en büyük termoplastik polimerdir. Kimya endüstrisinin en değerli ürünlerinden biri olan PVC oyuncak yapımından inşaat sektöründeki yapı malzemelerine kadar birçok alanda kullanılır.

PVC üretimi sanayide daha çok süspansiyon polimerizasyonu metoduyla yapılır. Yapı taşı vinil klorür olan bu polimer çok düşük bir kristal yapıya sahiptir. Her ne kadar düşük kristalliği olsa da zincirdeki büyük klorin grupları sayesinde hacimli bir zincir oluşturur ve bu sayede mukavim bir malzeme ortaya çıkar. Klor gruplarının, zincirin esnekliğine (daha dogrusu bükülmezliğine) yaptığı etkiyi yüksek camsılaşma sıcaklığına (Tg=80°C ) sahip olmasından da görebiliriz.

PVC’nin en büyük sorunlarından biri ışığa ve sıcağa karşı hassas olmasıdır. Bu kararsız yapısı yüzünden yüksek ısı altında ya da ışığa uzun süre maruz kaldığında ortama hidrojen klorür (HCl) molekülü vererek çevresindeki malzemelerin de bozunmasına sebep olur. Daha da önemlisi, HCl molekülü insan sağlığını tehdit eden bir kimyasaldır. PVC ve PVC benzeri halojenli polimerlerin kararsız yapısı katkı maddeleri kullanılarak dengelenir ve zararlı atıklar oluşturulması azaltılır, ya da tamamen yok edilir.

PVC çok sert ve tok bir malzemedir ve bu mekanik özellikleri sayesinde geniş bir kullanım alanı vardır. Hatta, plastikleştirici katkı maddeleri kullanılarak PVC’yi esnek bir hale getirmek de mümkün olduğundan beri bu plastik piyasada daha da önemli bir yer almıştır. PVC’nin darbe daynımını arttırmak için ise kauçuk plastikler PVC’yle karıştırılır.

PVC genel olarak vinil adıyla anılmasına rağmen, vinil ailesine üye diğer polimerler de mevcuttur. Bunların bir kısmı polivinil asetat, polivinildin klorür, polivinil alkol olarak sayılabilir.

Plastikleştirici katkı maddelerine örnek olarak diizooktil ftalat, tritolil fosfat, epokside yağlar verilebilir. Plastikleştirici kimyasallar PVC zincirlerinin arasına girerek zincirlerin birbiri üzerinde kaymasını sağlar, yani bir nevi “dahili kayganlaştırıcı” görevi görürler. Polistren ile oluşturlan kopolimerlerin ve polimer karışımlarının gördüğü işlevin aynısını bu katkı maddeleri PVC için gösterirler.

Ayrı bir polimer sınıfı olarak karşımıza çıkan termoplastik elastomerler (TPE’ler) molekülleri arasında kimyasal çapraz-bağa sahip olmamasına rağmen elastomer davranışı gösteren polimerlerdir. İlk sentezlendiği yıllar 1950′lere kadar gitmesine rağmen, TPE’lerin ticari hayata girmesi stiren kopolimerlerin gelişmesiyle beraber 1970′li yılları bulmuştur.

Elastomerlerde bulunan kimyasal çapraz-bağlar, şekil bozukluğu (deformasyon) sırasında polimer zincirlerinin birbirleri üzerinden kaymasını engelleyen bağlantılardır. Termoplastik elastomerlerin yapısında bulunan “çapraz-bağlar” ise kimyasal çapraz-bağ değil yapılarındaki mikro-heterojen, 2-fazlı morfolojiden kaynaklanan fiziksel çapraz-bağlardır. Mikro-heterojen ve morfoloji gibi terimlerin içinde kaybolmadan önce, bu molekül sistemini örneklerle açıklamak daha yararlı olacaktır.

TPE’lerdeki fiziksel çapraz-bağlar esnek molekülleri birbirine kenetleyerek ağsı yapıyı oluştururlar. Yüksek sıcaklıklarda termoplastik gibi proses edilebilirler ve soğutulduklarında elastomerik davranış gösterirler. Termoplastik davranıştan elastomerik davranışa geçiş tamamen tersinirdir, yani geleneksel elastomerlerin aksine, termoplastik elastomerler tekrar tekrar proses edilebilirler; yani geri-dönüştürülebilirler.

Termoplastik elastomerler yapılarında iki ayrı faz içerirler:

Kauçuk özellikleri gösteren elastomerik faz

Termoplastik özellikleri gösteren rijid (sert) faz.

TPE’leri malzeme davranışına göre tanımlayabilmek için 3 ana özelliği görmek gerekir.

Elastomerler gibi çekildiklerinde yüksek uzama oranlarında uzamaları ve çekme kuvveti bırakıldığında, ilk uzunluklarına geri dönmeleri,

Yüksek sıcaklıklarda termoplastik gibi proses edilebilmeleri,

Mekanik sünme (creep) özelliğinin (hemen hemen) görülmemesi.

Bu özelliklere sahip polimerlerin termoplastik elastomer olarak sınıfına girdiği düşünülür. (Her zaman istisnalar mevcuddur, bu genel bir tanımlamadır)

Termoplastik elastomerlerin içerdiği bu iki fazı, ve “fiziksel çapraz-bağ” olarak adlandırılan rijit kısımları anlatmak için termoplastik poliüretan elastomerleri ele alabiliriz. Termoplastik poliüretan elastomerler, örnek olarak vermek gerekirse, pre-polimer poliol içeren diizosiyanat ile kısa-zincirli diolün reaksiyonu sonucu elde edilen, segmentli kopolimerlerdir. Kopolimerin pre-polimer poliolden oluşan bloğu yumuşak segmentleri, diol ile reaksiyona giren diizosiyanat ise poliüretan sert segmentleri oluşturur. Segmentlerin nasıl bir yapı oluşturduğu Şema 1′de örneklendirilmiştir. Sert segmentler bir arada bulunma eğilimindedirler. Biraraya gelen sert segmentler, düzenlikristal yapıda bulunurlar ve yakında bulunan diğer sert segmentlerle aralarında hidrojen bağı oluşturabilirler. Yumuşak segmentler ise çok daha farklı bir yapıda bulunurlar: camsı geçiş sıcaklığının üzerinde bulunan yumuşak segmentler, amorf yapıdadırlar.

Sert ve yumuşak segmentlerden oluşan termoplastik poliüretan elastomer yapısındaki sert segmentler zincirlerin kesişme noktası olarak fiziksel çapraz-bağ görevi görürler. Bu yapının içerdiği sert segmentler doğal ortam sıcaklığında kararlı olsalar bile, proses edilecek sıcaklığa ısıtıldıkları zaman ya da bir çözücü ile etkileşime girdikleri zaman dağılmaya başlar. Bu özellik, malzemenin kolayca kalıplanabileceğini, ya da çözücüler sayeside, ince kaplama olarak kullanılabileceklerini gösterir.

Termoplastik elastomerlere diğer bir örnek ise A-B-A tri-blok kopolimerleridir. Bazı tri-blok kopolimerler 3 ayrı monomer tipinden oluşabilir, A-B-A türü tri-blok kopolimerleri A ve B olarak gösterdiğimiz 2 tip monomerden, yaşayan anyonik polimerizasyonu reaksiyonu ile elde edilir. Bu tip kopolimerlerde genellikle A bloğu camsı bir homopolimere, B bloğu ise polibütadiyen gibi kauçuğumsu bir polimere aittir. Bu tür kopolimerlerin en karakteristik özelliği farklı monomerlere sahip olan blokların birbirini sevmemesi ve birbirleriyle uyumlu olmamalarıdır.  Bu sebeple, ayrı blok kısımları faz ayrışmasına uğrayarak, benzer monomerler beraber durdukları kümeler oluştururlar.Elde edilen morfolojik yapı, kopolimerin kimyasına bağlı olacaktır.

TPE’ler ticari olarak 6 ana sınıfta toplanır.

Stiren tabanlı blok kopolimerler,

Polyolefin karışımları,

Elastomer tabanlı alaşımlar,

Termoplastik poliüretanlar,

Termoplastik kopoliesterler,

Termoplastik poliamidler.

Son yıllarda ise, birbirine geçen polimer ağ-yapıları (interpenetrating networks) ve rekabetçi polimer ağ-yapılı (competitive networks) malzemelerin geliştirilmesinde kullanılan TPE’ler, farklı yapılar oluşmasını sağlayan kimyasal yapıları ve fiziksel etkileşimleriyle hem akademide hem de endüstride detaylı olarak incelenmektedir.

TPE’lerin avantajlarını sıralamak gerekirse, geri dönüştürülebilir olmalarını, termoplastikler gibi proses edilebilirlikleri , hemen hemen hiç kompoundinge gerek duymamaları, güçlendirici ve kararlılığı arttırıcı katkı maddelerine ihtiyaç duymamaları, kolayca renklendirilebilmeleri, üretimleri için daha az enerji kullanıldığı ve parça üretim kalitesini kontrol etmenin daha kolay olması olarak sayabiliriz. TPE’lerin sakıncalarını ise yüksek maliyetli malzeme olmaları, karbon siyahı gibi ucuz katkı maddeleriyle karıştırılamamaları, sıcaklığa ve kimyasallara karşı düşük dirençleri olarak sayabiliriz.

Termoplastik elastomerlerin üretiminde ekstrüzyon ve enjeksiyon kalıplama en yaygın kullanılan yöntemlerdir. Isıl-kalıplama, ısıl-kaynak ve blow-molding yöntemleri de kullanılır. Özellikle enjeksiyon kalıplama ile üretilen TPE parçalarının seri üretimi çok hızlı ve ekonomiktir.

TPE (Termoplastik Elastomer)

Genel olarak plastik adıyla da anılan termoplastikler, ısıtıldığı zaman eriyebilen ve yeniden şekillendirilebilen polimerlerdir. Bir kere eritildikten sonra enjeksiyon kalıplama ve ekstrüzyon gibi yaygın kullanılan tekniklerle hemen hemen her türlü şekilde kalıplanabilirler. Üretimde ya da kalıplama esnasında eriyik halden soğutulan termoplastik polimerler kolaylıkla kristal yapıyı kuramazlar. Çünkü polimer zincirinin çokça kıvrılan ve büzülen yapısını, düzenli bir yapıya sokup, polimerin kristal oluşturması için yüksek enerjiye ihtiyaç vardır. Termoplastikleri oluşturan kristalleşebilen zincirler ise tam anlamıyla mükemmel bir kristal yapı kuramaz. Bunun yerine hem amorf hem de kristal yapıyı barındıran yarı-kristaller oluştururlar. Yarı-kristalin içindeki amorf yapı elastikiyet sağlarken, kristal yapı da mukavemeti ve bükülmezliği sağlar.

Yarı-kristal yapının içindeki kristalleşen zincirler erime noktası (Te) ile tanımlanırken; amorf termoplastikler, ya da termoplastiklerin amorf kısımları ise camsı geçiş sıcaklığı (Tg) ismi verilen, camsı (sert) davranıştan kauçuğumsu (yumuşak) davranışa geçiş sıcaklığı ile tanımlanırlar. Erime noktasının üzerine çıkıldğında, polimerde bulunan kristal yapının hepsi erimiş olur ve sadece amorf yapı kalır. Termoplastikler her iki tip yapıyı gösterebilmelerine rağmen, birçok termoplastik polimer kristalleşemez ve sadece amorf yapıya sahiptir.

Her termoplastik polimerin kendine özgü bir camsı geçiş sıcaklığı vardır. Eğer bünyesinde kristal yapıyı da bulunduran bir termoplastik ise, Tg‘ye ek olarak geniş bir erime sıcaklığı aralığı vardır. Küçük moleküllerin aksine, tek bir molekül ağırlığında bulunmayan (yani polidispers olan) polimerler, tek bir sıcaklıkta erimezler.  Büyük çoğunlukla, geniş bir erime eğrisine sahip olurlar.

Erime noktasının tek bir noktada olmaması, aksine geniş bir alana yayılması, polimer kristallerinin farklı kristal kusurlarına ya da değişik kristal birim hücrelerine sahip olduklarını gösterebileceği gibi; farklı büyüklüklerde kristaller oluşturduğunu da gösteriyor olabilir. Sebebin ne olduğunu kesin anlayabilmek için X-Ray analizi gibi yöntemlere (SAXS, WAXS, XRD) başvurulur. Sebep ne olursa olsun, polidispers polimerlerin değişik kristaller oluşturduğu ve bu sebeple geniş bir erime eğrisi gösterdiği bir gerçektir.

Termoplastik polimerlerin zincirleri doğrusal ya da dallanmış yapıda bulunurlar; zincirler arasında çapraz bağ kesinlikle görülmez. Mor-ötesi (UV) gibi dış etkenlerin verdiği enerji sonucu zincirler arası çapraz bağlanma mümkün olsa bile (ör. polietilen), böyle bir fiziksel değişime uğrayan polimer artık termoplastik olarak anılamaz. Çünkü termoplastik polimer, tanımı gereği, eriyebilen ve yeniden şekillendirilebilen bir polimerdir; polimerin içinde oluşan çapraz kovalent bağlar ise, termosetlerde olduğu gibi, polimerlerin erimesini engeller.

Termoplastik polimerlerde, termoset polimerlerin zincirlerini birbirine bağlayan kuvvetli kovalent bağlar bulunmasa da, termoplastik polimer zincirlerini bir arada tutan, polar etkileşimler, Hidrojen-bağları, London kuvvetleri ve hatta aromatik grupların üst-üste istiflenmesi (ör. polistiren) gibi zincir-içi ve zincirler-arası etkileşimler vardır. Bunlara ek olarak, termoplastik polimer zincirlerini bir arada tutan zincirler-arası ve zincir-içi bükülmeler ve dolaşmalar (entanglement) vardır. Bu zincir dolaşımları ve bükülmelerinin, özellikle mekanik tepki olmak üzere, termoplastik polimerlerin fiziksel özelliklerinde büyük etkisi vardır.

Termoplastiklerin elastomerlerden farkı mekanik özelliklerinde saklıdır. Eğer bir elastomerik malzeme gerilme kuvvetine maruz kalırsa (iki yana çekilirse), malzeme uzar ve üzerindeki yük kalktığında da hızla ilk andaki konumuna geri döner (buna elastikiyet ya dasıçrama (bouncing) denir). Termoplastikleri çektiğimizde ise malzeme belli bir noktaya kadar elastikiyetini korur ve daha sonra kalıcı şekil bozukluğuna (deformasyona) ya da kırılmaya uğrar. Fakat şunu da unutmamak gerekir ki, elastomerler çekildiğinde hemen uzamaya başlamalarına rağmen, termoplastiklerin uzamasını sağlamak için çok yüksek kuvvetler uygulamak gerekir. Yani, termoplastik polimerlerin deformasyona karşı dirençleri elastomerlerden fazladır diyebiliriz.

Çekme Mukavemeti (Mpa)           Elastik Modülü (Mpa)

Elastomer (doğal kauçuk)                             15                                        10

Termoplastik (YYPE)                                   37                                        800

Termoplastikleri, termoplastik yapan bir diğer özellikleri de demin bahsettiğimiz yük altında kalıcı deformasyona uğramalarıdır. Böylece, termoplastikleri uygulanan kuvvet sayesinde kalıcı deformasyona uğratarak şekillendirmek mümkün olur (ör. termoform yöntemi).

Termoplastiklerin daha önce belirttiğimiz yarı kristal yapıları, içlerindeki amorf bölgeler sayesinde belirli bir sıcaklıkta sert bir plastikten, yumuşak bir plastiğe dönüşmelerini sağlar (camsı geçiş sıcaklığı). Bu ısıl geçiş, plastiğin kullanım alanını da belirleyen bir etkendir. Mesela, cep telefonlarının kasaları camsı geçiş sıcaklığı (Tg) oda sıcaklığının çok üzerinde bir polimerden üretilirken; elektrik kabloları Tg‘si oda sıcaklığının altında bir plastikten üretilir ve böylece yumuşaktır. Camsı geçiş sıcaklığının bu etkisi sadece kullanım alanında değil, üretim sırasında da önemli bir faktördür. Bazen bir termoplastiğe daha kolay şekil verebilmek ya da şekil verme işlemini daha düşük bir sıcaklıkta yapıp enerjiden tasarruf etmek için, polimere plastikleştirici katkı maddeleri eklenir (plasticizer).

Termoplastik polimerler sentezlendikten sonra küçük granüller (pellet ya da toz olarak) halinde torbalanarak piyasaya sürülür. Alıcı bu granülleri değişik üretim teknikleriyle eritip kalıplayarak, ya da lif haline getirmek için çekerek, şekillendirir. Plastik bardaklar, poşetler, ambalajlar ve oyuncaklar termoplastiklerin sıkça kullanıldıkları alanlardır. Bir kere kullanılan ve atılan termoplastikler yeniden eritilip işlenerek, tekrar tekrar kullanılabilirler. PMMA ya da polikarbonat gibi sadece amorf yapıda olan termoplastikler özellikle saydamlığın önemli olduğu uygulamalarda tercih edilirler. Amorf termoplastikler genellikle kimyasallara karşı düşük direnç gösterirler ve kimyasal ortamlardaki çevresel faktörlerden dolayı çatlamaya başlarlar (environmental stress cracking). Yarı-kristal termoplastikler ise çözücülere ve diğer kimyasallara karşı daha dirençlidirler. Ancak, kristallerin ışığın dalga boyundan büyük olması sebebiyle opaktırlar. Bu sebeple optik uygulamarda tercih edilmezler.

Termoplastik grubuna giren polimerlere örnek olarak polietilen, polipropilen, polistiren,poli(vinil klorür), ve polikarbonat verilebilir. Bu sınıftaki polimerlerin kullanım alanları geniştir ve özellikle farklı mühendislik uygulamalarında sıklıkla tercih edilirler.

Yoğunluğu 0.930–0.935 g/cm3 arasında değişen bir polietilen çeşididir. Yüksek molekül ağırlığının anlamı polimer zincirlerinin kristal yapı içinde çok sıkı bir biçimde yerleştiği veya paketlendiğidir. UHMWPE çok serttir ve termoplastik malzemeler arasında en yüksek darbe direncine sahiptir.

Uzun zincirler moleküller arası etkileşimi kuvvetlendirerek yükün polimer iskeletine daha etkin bir şekilde transferine olanak verir. Bu hal, herhangi bir yüksek darbe dirençli termoplastiğe kıyasla daha dayanıklı ve sert bir yapı oluşmasını sağlar.

Savunma sanayisinde kompozit zırh plakası yapımından genel amaçlı makinelere endüstrinin bir çok dalında kullanılmakta ve kullanımı gün geçtikçe artmaktadır.

UHMWPE termoplastik malzeme, hijyen, kendi kendine yağlama, korozyon direnci, ses yalıtımı, sürtünme dayanımı, darbe dayanımı gibi ön plana çıkan özellikleri sayesinde tercih edilmektedir.



Takım Çelikleri

Takımın, işlediği malzemeden çoğu zaman daha sert, daha yüksek dayanımlı ve aşınmaya dirençli olması gerekir. Bundan dolayı, takım imali için kullanılan malzemelerin birkaç ayrıcalık dışında, kullanım yerlerinin koşullarına uygun olarak, mümkün olduğunca yüksek sertlikte ve dayanımda, fakat yeterli süneklikte olması gerekir. Özellikle ayırma işi yapan, form veren ve form değiştiren, darbe ya da çarpma tarzında zorlanan takımlarda, oldukça yüksek sertlik, iyi aşınma dayanımı ve bunlarla birlikte yüksek süneklik ile erişilebilen en yüksek sertlikte kırılmaya karşı güvenlik istenir.

Bir takımın kullanım özeliklerinin karakterize edilmesinde en önemli büyüklük, daha çok Rockwell ya da Vickers yöntemleriyle saptanan sertliktir. Yüzeyde baskı elemanı izi istenmediğinde, geri sıçrama yöntemiyle de sertlik ölçülebilir. Çok sert ve kırılgan malzemelerde, Knoop sertlik ölçme yöntemi de kullanılabilir.

Her ne kadar, çekme deneyi ile tespit edilen elastiklik sınırı, akma sınırı ya da 0,2 sınırı, çekme dayanımı, kopma uzaması ve büzülme değerleri, takımlar için olan malzemelerde de dayanım ve şekil değişebilirliği değerlendirmede kriter olarak alınabilirse de, takım malzemelerinde kırılmaya kadar pek az plastik form değişmesi meydana geldiğinden, bunlar malzemenin tanımlanması için yeterli değildir. Mekanik özeliklerin daha iyi değerlendirilmesi, statik eğme deneyi ile saptanan 0,1 eğme sının, eğme dayanımı ile elastik ve plastik form değiştirme işinin tespitiyle yapılabilir. Torsiyon (burulma) ve darbeli torsiyon deneyi de, takım malzemelerinin pratikteki koşullara uygun olarak denenmesinde kullanılabilir. Her ne kadar takımın ömrünün, kırılma tehlikesinden ayrılarak tespit edilmesi yapılırsa da, süneklik ve kırılma direnci için kantitatif değer saptanması problem yaratır.

Bugüne kadar çoğu zaman, akma sının ve eğmede kırılma dayanımıyla bağlantılı olarak, kırmaya kadar sarf edilen iş esası üzerine sünekliğin saptanması yapılır. Buna göre, kalitatif olarak süneklik kademeleri şöyle sınıflandırılabilir:

Kırılgan: Düşük dayanımda, az plastik şekil değiştirme işi
Sünek Yumuşak: Düşük dayanımda, yüksek plastik şekil değiştirme işi
Sünek Sert: Yüksek dayanımda, yüksek plastik şekil değiştirme işi

Yüksek sertlikteki malzemenin süneklik durumunun tespiti, bugüne kadar daha çok, çentiksiz ve çentikli numunelerde, darbeli eğme ve statik eğme deneyi ile yapılmıştır. Ancak kırılma mekaniğinin geliştirilmesiyle, kırılma tokluğu bazı üzerine sünekliğin karakterize edilmesi için yeni olanaklar, nispeten kırılgan takım malzemeleri için de verilmektedir. Böylece, -stabil olmayan çatlak genişlemesi karşısında direnç olarak bu malzeme karakteristiğinin tanımlanması-, aşınma koşullarıyla da bağlantı sağlayabilmektedir.

Ayırma takımlarının gücü ve ömrü, birinci planda takım ve malzeme arasındaki kontakt yerinde aşınma olayıyla belirlenir. Talaşlı işleme esnasında 1000 °C ‘nin üzerine kadar sıcaklıklar doğabileceğinden, mekanik zorlamaların yanında termik zorlamalar da aşınma mekanizmasında etkili olur. Böylece, termik dayanım m azalması ve kesilme maddeciklerinin kopmasıyla birlikte gelişen yapışma sonucu mikroskobik adhezyon aşınması ve çatlak teşekkülü olayları ortaya çıkar.

Kesme kenarlarının yuvarlanması tarzında görülen kesici kenar aşınması, dana çok alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde görülür. Genişliği, aşınma işareti “B” olarak tanımlanan aşınma yüzeyinin oluşumu, serbest yüzey aşınması olarak karakterize edilir. Nadiren, talaş yüzeyi üzerinde talaş yüzeyi aşınması adı verilen, aşınma görülür. Bu aşınma formu, özellikle hız çeliklerinden ve sert metallerden yapılmış takımlarda, oyuk aşınması (kraterleşme – oyukçuklaşma) tarzında görülür. Kesmenin yanında, kesme süresinin devamıyla derinleşen ve kesme kenarı doğrultusunda kayan, küçük düz kraterler oluşur ve bu durum hızla tahribata ve körlenmeye neden olur.

Aşınma tanımlama büyüklüğü olarak, serbest yüzey üzerindeki oyuk derinliği ve oyuk ekseninin kesme kenarına olan mesafesi (Şekil 155) önemlidir. Bunun tespiti için, talaşlı şekillenebilirlik testi gereklidir. Bu amaçla, kesme süresi veya kesme yoluna bağlı olarak aşınma işaret genişliği B ‘nin tespit edildiği, aşınma karakteristiği deneyi yapılır. Kabul edilebilir aşınma işaret genişliği, malzemeye, takımın çeşidine ve ekonomik bakış açısına bağımlıdır. Henüz başlangıçta, işletme prosesi esnasında direkt aşırıma ölçülmesiyle, talaşlı’ şekillendirme yönteminin optimizasyonu yapılabilir.

Malzemede form verme veya form değiştirme yapan takımlardan, abrasif aşınmaya karşı İyi bir direnç istenmesinin yanında, yeterli süneklikte yüksek bir dayanım da beklenilir. Yüksek sıcaklıkta şekillendirme için sıcak iş takım çelikleri kullanıldığında, bunlar hem mekanik zorlamaya karşı ve hem de termik zorlamaya karşı koymak zorundadırlar. İyi bir sıcakta sertlik ve sıcakta dayanım dışmda, oksidasyon sonucu meydana gelen tumllaşmaya dayanım ile yanma ve sıcakta çatlamaya karşı hassasiyetle ifade edilen, yeterli düzeyde termik dayanıma sahip olmalıdırlar. Eğer takım, pres döküm kalıbı ve dövme kalıbı gibi, periyodik iş akışında çok fazla sıcaklık değişmelerine maruz kalıyorsa, yanma çatlakları teşekkül edebilir. Isıtılmış malzeme ile direkt temas eden takım yüzeyi, saniyenin çok altında bir süre içerisinde aniden ısınır ve genleşir. Takım malzemesinin içlerindeki daha soğuk tabakaların daha az genleşmesinden dolayı, basma gerilmeleri teşekkül eder, müteakip soğumada da çekme gerilmesi teşekkül ederek ters durum olur. Bununla bağlantılı olan elastik-plastik şekil değiştirmeler sonucunda, ağ formunda yüzey çatlakları meydana gelir (atrisyon ile aşınma). Yanma çatlakları yanında, özellikle derin oyuklu takımlarda kesit değişmelerinde ve iç kenarlarda, takımın içine de nüfuz eden, sıcakta çatlamalar meydana gelir. Şok ısınmaya karşı dayanım olarak da ifade edilen çatlamaya hassasiyet için ölçü, çentik darbe dayanımı ve sıcakta akma sınırı yanında, malzemenin ısı iletme kabiliyeti ve genleşme katsayısıdır. Ayrıca, işletme koşulları altmda takım tutumunun tahmini için, çoğu zaman mekanik titreşim ya da sıcaklık etkisiyle uzun süre devam eden zorlamaların olduğu göz önünde tutulmalıdır. Böyle durumlarda, malzemenin sürekli titreşim dayanımı veya zaman sürekli dayanımının saptanması yoluna gidilir.

Kalıpta kesme ve ölçme takımları için, ölçü kararlılığı da önem taşır. Bu olay, hem ölçü değişmesi olarak tanımlanan, ısıl işlem esnasında ısıl gerilmelerle form değişmesi ve dönüşüm olaylarıyla hacim değişmesi sonucu önlenemeyen ölçü değişmelerini v* hem de kurala uygun yapılmayan ısıl işlemde oluşan ve düzeltilemeyen form değişmelerini kapsar. Ölçü değişmeleri, çok karışık olarak incelenebilir ve alaşım miktarına, ısıl işlem teknolojisine ve takım form ve ölçülerine bağımlıdır.

Takım ya da iş çeliklerinin ergitme, alaşımlama ve ısıl işlem teknolojisinin geniş sınırlar içerisinde değişmesi ve bununla çok farklı isteklerin karşılanması, oldukça fazla önem taşır. Alışılmış olarak, çelikler aşağıdaki tarzda sınıflandırılabilir:

  • Alaşımsız takım çelikleri

  • Alaşımlı soğuk iş çelikleri

  • Sıcak iş çelikleri

  • Hız çelikleri

Konstrüksiyon ve takım çelikleri arasında, kimyasal bileşim açısından kesin bir sınır yoktur. Örneğin, aynı miktarda krom içeren bir çelik, hem rulmanlı yatak (Bölüm 9.6.İ.) ve hem de soğuk hadde takımı için kullanılabilir. Diğer taraftan, Bölüm 5.6’da açıklanan sementasyon çelikleri, yüksek polimerlerin işlenmesinde kullanılan takımlar için en önemli malzemedir.

Çeliklerin yanında ilave olarak, dökülmüş sert alaşımlar, sinterlenmiş sert metaller ve oksit seramikler, sert döküm, elmas (diamant) ve sentetik sert maddeler de kullanılır. Demir olmayan metaller ve alaşımları, ancak özel yerlerde kullanılabilir : Örneğin, nikel esaslı sıcak kesme bıçağı ve enjeksiyon döküm kalıbı, Cu-Be alaşımı kıvılcım yapmayan takmalar gibi.

Yaklaşık olarak tüm işleme yöntemleri için takım çelikleri önemli olduğundan dolayı, malzemelerin tanıtımı yanında, bunların üretimleri ve işlenebilirlikleri de aşağıda açıklanmıştır.

ERGİTME ve ŞEKİL VERME

Takım çelikleri, prensip olarak asal çelik olarak ve daha çok da bazik ark firınlannda üretilirler. İyi bir kalite için en önemli yaklaşım, az miktarda Cr, Ni ve Cu içeren temiz hurda kullanılmasıdır. Ergitmenin, vakum altmda, elektron bombardımanlı çok kamaralı fırında (EMO) ve cüruf altmda ergitme (ESU) tarzında yapıldığı, yüksek kaliteli takım çeliği üretimi de yaygınlaşmaktadır. EMO yönteminde kaHtenin iyileştirilmesi, düşük basınçta ve su ile soğutulan kristalizörde katılaşma ile sağlanırken, ESU yönteminde içinden çeliğin damladığı reaksiyon kabiliyetli cürufun rafinasyonu ile ulaşılır. Bu tarzda üretilen uîtra arı (UA) çeliklerin yapısı, boşluksuz, kabarcıksız, gözeneksiz ve çekirdek çekmesîz durumdadır ve pek az çökelme eğilimi nedeniyle, daha iyi kimyasal homojenlik gösterirler. Bu şekilde elde edilen iyi çekirdek özelikleri, özellikle büyük boyutlu takımlar için yarar sağlar. Ultra an çeliklerin bir diğer üstünlüğü, önemli ölçüde azaltılmış gaz miktar. ±r Böylece, EMO yönteminde oksijen miktarı yaklaşık % 70 ve azot miktarı % 30 ilâ 50 değerlerine düşürölsrca. kükürt miktarının da düşürülmesiyle birlikte, metalik olmayan bağlantı miktarı çok azaltılır ve bur.u^.i mikroskobik arıklık derecesinde önemli ölçüde iyileşme sağlanır. Ayrıca, vakum altmda tekrar ersr^ii yapıldığında, sıcakta şekillenebilirliği ve sıcakta sünekliliği azaltan Pb, Bi, Sb ve As gibi, kolay uçabilecek elementler de çelikten tam olarak uzaklaştırılabilir. Uîtra arıtılmış çeliklerden takım İmalatı işleminde parlatılabilirlik (yüksek polimer malzemelerin üretimi ve soğuk haddeleme takımları), iyileştirilmiş aşınma dayanımı (yükseltilmiş sıcakta aşınma dayanımı) ve yükseltilmiş sıcakta süneklilik (azaltılmış yanniî es: U~ tehlikesi), büyük önem taşır. Ultra an çeliklerden imal edilen takımların ömrü, takım cinsi ve j.srr koşullarına bağlı olarak, alışılmış tarzda üretilen çeliklere nazaran % 20 ilâ 100 kadar daha fazladır.

Yüksek sertlikteki malzemenin sünekiüik durumunun tesbiti, bugüne kadar daha çok, çentiksiz ve çentikli numunelerde, darbeli eğme ve statik eğme deneyi ile yapılmıştır. Ancak kırılma mekaniğinin geh^tirilmesiyle, kırılma tokluğu Kje (Bkz. Bölüm 7.2.3.) bazı üzerine sünekliiiğin karakterize edilmesi için yeni olanaklar,’ nisbeten kırılgan takım malzemeleri için de verilmektedir. Böylece, -sîabil olmayan çatlak genişlemesi karşısında direnç olarak bu malzeme karakteristiğinin tanımlanması-, aşınma koşullarıyla da bağlantı sağlayabilmektedir.

I SiS yönteminin ilave bir gelişimi ile kristal ayrışmalarının görülmesi de engellenmiş ve çeliklere izotropik îzeiik kazandırılmıştır. Tek faz strüktürü sağlanması sonucu, haddeleme doğrultusuna dik yönde yükselen .-haklilik, kopma dayanımını İyileştirir ve çok eksenli gerilim durumlarında çentik hassasiyetini azaltır. Bu yönteme göre üretilen soğuk iş ve sıcak iş takım çelikleri, iki ilâ üç kat kadar daha yüksek ömre sahiptir.

Kütükler döküldükten sonra, haddeleme ya da dövme ile tekrar işlenirler. Yüksek karbonlu çeliklerde sementit ağı oluşabileceği ve düşük sıcaklıklara siyah kırılma meydana gelebileceğinden dolayı, sıcak şekillendirme sıcaklığının tam doğru olarak korunmasına dikkat edilmelidir.
Çelik döküm veya hassas dökümle üretilen malzemeler, çok sayıda üretilen takımlar için ekonomik olabileceğinden, ancak sınırlı olarak tercih edilirler. Çelik dökümün kullanılması halinde, takımın sıcakta dayanımı ve aşınma direnci yükselir ve mekanik özeliklerde daha iyi izotropi sağlanır.

Ayırma takımlarının gücü ve ömrü, birinci planda takım ve malzeme arasındaki kontakt yerinde aşınma olayıyla belirlenir. Talaşlı işleme esnasında 1000 °C ‘nin üzerine kadar sıcaklıklar doğabileceğinden, mekanik zorlamaların yanında termik zorlamalar da aşınma mekanizmasında etkili olur. Böylece, termik dayanım m azalması ve kesilme maddeciklerinİn kopmasıyİa birlikte gelişen yapışma sonucu mikroskobik adhezyon aşınması ve çatlak teşekkülü olayları ortaya çıkar. Torna kalemi için karakteristik aşınma görünümleri, Şekil 154’de görülmektedir.

Kesme kenarlarının yuvarlanması tarzında görülen kesici kenar aşınması, dana çok alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde görülür. Genişliği, aşınma işareti “B” olarak tanımlanan aşınma yüzeyinin oluşumu, serbest yüzey aşınması olarak karakterize edilir. Nadiren, talaş yüzeyi üzerinde talaş yüzeyi aşınması adı verilen, aşınma görülür. Bu aşınma formu, özellikle hız çeliklerinden ve sert metallerden yapılmış takımlarda, oyuk aşınması (kraterleşme – oyukçuklaşma) tarzında görülür. Kesmenin yanında, kesme süresinin devamıyla derinleşen ve kesme kenarı doğrultusunda kayan, küçük düz kraterler oluşur ve bu durum hızla tahribata ve körlenmeye neden olur.

Aşınma tanımlama büyüklüğü olarak, serbest yüzey üzerindeki oyuk derinliği ve oyuk ekseninin kesme kenarına olan mesafesi (Şekil 155) önemlidir. Bunun tesbiti için, talaşlı şekiîlenebilirük testi gereklidir. Bu amaçla, kesme süresi veya kesme yoluna bağlı olarak aşınma işaret genişliği B ‘nin tesbit edildiği, aşınma karakteristiği deneyi yapılır. Kabul edilebilir aşınma işaret genişliği, malzemeye, takımın çeşidine ve ekonomik bakış açısma bağımlıdır. Henüz başlangıçta, işletme prosesi esnasında direkt aşırıma ölçülmesiyle, talaşlı’ şekillendirme yönteminin optimizasyonu yapılabilir.

ALAŞIM ELEMENTLERİNİN ETKİSİ

Alaşım elementi ilavesiyle, takım çeliklerinin özelikleri çok katlı olacak şekilde değiştirilebilir. Ya demir kafesinde çözülen ya da özel karbür teşekkülü için katılan alaşım elemanları, sertleşebilirliği, meneviş dayanımını, sertliği, dayanımı, sünekliliği ve aşınma direncini farklı ölçüde iyileştirirler. Önemli alaşım elemanlarının herbirinin takım çeliklerindeki özel etkisi, özet olarak şöyledir :

Karbon: Ani soğutma sertleşmesiyle, alaşımsrz çeliklerde 1 ilâ 4 mm sertleşme derinliğine ulaşılması mümkündür. % I karbonun üzerinde, ulaşılabilecek en yüksek sertlik sabittir, fakat artan karbür miktarıyla aşınma direnci giderek yükselir.

Mangan: Dönüşüm hızım düşürmesinden dolayı, sertleşebilirliği arttırır ve böylece daha büyük kesitlerde sertleşebilMik sağlar. Ancak, tane kabalaşması da yapar ve meneviş kırılganlığına sebep olur. Darbe ve basma zorlamalarında aşınma direncini arttıracak şekilde, soğuk sertleşme eğilimi vardır.

Silisyum: Oksİdasyona karşı dayanımı arttırır, fakat aynı zamanda karbon azalması (dekarbürize) eğilimi de artar.
Elastiklik sınırım yükseltmesinden dolayı, silisyum alaşımlı çelikler iyi yaylanma özelikü takımlar için kullanılır. Sıcak İş takım çeliklerinde, % 1 Si miktarıyla, yapışma eğilimi azaltılır.

Krom: Kritik soğuma hızım düşürür ve böylece sertleşebilirliği arttırır. Özel karbürler teşekkül ettirdiğinden, aşınma direncini, soğuğa dayanıklılığı arttırır. Takım çeliklerinde, en önemli alaşım elementlerinden biridir.

Volfram: Tane İnceltici olarak etki eder, aşırı ısınmaya karşı hassasiyeti azaltır ve aşınma direncini, sıcakta dayanımı ve meneviş dayanımını iyileştiren özel sert karbürler meydana getirir. Kötü yönü, ısı iletme kabiliyetini azaltması ve bununla bağlantılı olarak ısıl işlemde çatlak teşekkülü eğilimini arttırmasıdır.

Molibden: Meneviş kırılganlığına mani olur ve kuvvetli karbür yapıcı olarak sertliği, aşınma direncini ve meneviş dayanımını arttırır.

Vanadyum: Zor çözülebilen karbürler teşekkül ettirmesi sonucu, yüksek ostenitleştirme sıcaklıklarmda tane büyümesini engeller ve aşınma direncim arttırır. Bundan dolayı, yüksek vanadyum miktarlarında takımın parlatılabilirliği kötüleşir.

Kobalt: Karbür teşkil edici elementlerin ostenitte çözülme kabiliyetlerini arttırır ve ayrıca sıcakta dayanımı, sıcakta sertliği, meneviş dayanıklılığını ve ısı iletme kabiliyetini yükseltir.

Nikel: Sertleşme derinliğini iyileştirir ve taneyi inceltir. Nikel ilavesi, darbe ve çarpma zorlamalarıyla çalışan takımlarda sünekliliği arttırması bakımmdan, özel önem taşır.

Malzemede form verme veya form değiştirme yapan takımlardan, abrasif aşınmaya karşı İyi bir direnç istenmesinin yanında, yeterli süneklilikte yüksek bir dayanım da beklenilir. Yüksek sıcaklıkta şekillendirme için sıcak iş takım çelikleri kullanıldığında, bunlar hem mekanik zorlamaya karşı ve hem de termik zorlamaya karşı koymak zorundadırlar. İyi bir sıcakta sertlik ve sıcakta dayanım dışmda, oksidasyon sonucu meydana gelen tumllaşmaya dayanım ile yanma ve sıcakta çatlamaya karşı hassasiyetle ifade edilen, yeterli düzeyde termik dayanıma sahip olmalıdırlar. Eğer takım, pres döküm kalıbı ve dövme kalıbı gibi, periyodik iş akışında çok fazla sıcaklık değişmelerine maruz kalıyorsa, yanma çatlakları teşekkül edebilir. Isıtılmış malzeme ile direkt temas eden takım yüzeyi, saniyenin çok altında bir süre içerisinde aniden ısınır ve genleşir. Takım malzemesinin içlerindeki daha soğuk tabakaların daha az genleşmesinden dolayı, basma gerilmeleri teşekkül eder, müteakip soğumada da çekme gerilmesi teşekkül ederek ters durum olur.



 Moldex3D ve Moldflow analiz programları plastik enjeksiyon endüstrisi için inanılmaz yenilikler sunuyor.  Bu iki program sayesinde, ürün tasarımından itibaren bilgisayar ortamında enjeksiyon işlemlerinin similasyonu yapılarak. Süreç içerisindeki problemler ve bu problemlerin çözümü için yapılacak iyileştirmeler, üretim aşamasına geçmeden planlanarak çözüle biliyor.
Bu iki programda sonlu elemanlar yöntemini kullanarak analiz yapıyor, parça geometrisindeki ve kalınlıktaki değişimlerin, yolluk sisteminde ve yolluk giriş noktasındaki değişikliklerin, malzemedeki değişikliklerin, nihai ürün kalitesine olan etkilerini ve plastik enjeksiyon prosesi ile ilgili ortaya çıkabilecek sorunları imalata geçmeden similasyonlar sayesinde önceden ön göre bilirsiniz.
 Analizi yapılacak parçanın modelinin olması ve üretilmek istenen parça malzemesinin piyasa ismini bilmeniz yeterli. Sadece bu iki veri yardımı ile aşağıdaki similasyonları yapıp ve gerekli iyileştirmeler için fikir suna biliyoruz.
1. Plastik Dolum Analizi (Plastic Filling)
2. Soğuma Kalitesi Analizi (Cooling Quality)
3. Çökme Analizi (Sink Marks)
4. Birleşme İzleri (Weld Line Locations)
5. Hava kabarcıkları (Air Bubble Locations):
6. Plastik Akışı (Plastic Flow)
7. Dolma Süresi (Fill Time)
8.Çökmeler (Sink Marks Estimate)
9. Enjeksiyon Basıncı (Injection Pressure):
10. Akışkan Akarkenki Sıcaklığı (Flow Front Temperature): Kalıplama anında numune üzerinde oluşan sıcaklık dağılımı gösterilmiştir.
11. Basınç Düşüşü (Pressure Drop): Parçada aşırı yüklemenin nerede oluşacağını basınç düşüşü ve enjeksiyon basıncı sonuçlarını karşılaştırmalı olarak incelersek bulabiliriz.
12. Malzeme Yönelmesi (Skin Orientation): Plastiğin izlediği yolu daha detaylı bir şekilde vektörel yönlerle gösteriyor.
13. Ortalama sıcaklığa göre “+” ve “–“ bölgeler (Surface Temperature Variance):
14. Zamana bağlı olarak donmanın ortalama “+” ve “–“ bölgeleri (Freeze Time Variance)