plastik-ambalaj.com

Cam elyaf takviyeli polyester malzeme üretiminde kalsit dolgusunun mekanik davranışlara etkisinin incelenmesi

1. Giriş

Doymamış poliester reçineleri (UPR) en önemli termoset reçineleridir. Maliyetinin nispeten düşük, mukavemetinin yüksek olması ve üretim sürecinin kolay oluşu bu polimer kompozitlerin yaygın olarak kullanılmasını sağlamıştır [1]. Polyester reçineleri için tipik dolgu malzemesi olarak kalsiyum karbonat, tebeşir, talk, mermer tozu, kalker, öğütülmüş cam elyaf vb. kullanılmaktadır [2].

Polyester malzemelerde cam elyaf takviyesi mekanik davranışları iyileştirmek için yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu polyester kompozitlere farklı inert dolgu maddeleri daha çok maliyeti düşürmek maksatlı ilave edilmektedir. Kalsit; karbonatlı kayaçları oluşturan ve kimyasal formülü CaCO3 olan endüstriyel bir mineraldir. Çeşitli şekillerde kristalleşebilen mineral, camsı parlaklıkta ve renksiz saydam yapıdadır. Öğütüldüğünde beyaz renkli bir toz elde edilir (Şekil 1) [3,4,5].

2. Malzeme ve Yöntem

Bu çalışmada, el yatırması yöntemi ile üretilen cam elyaf takviyeli kompozit polyestere dolgu maddesi olarak % 5 , % 10, % 20, % 30 ve % 40 oranlarında ve iki farklı tane boyutunda kalsit ilavesi yapılmış ve numunelerin mekanik davranışlara etkisi incelenmiştir. Test plakalarında alınan numuneler ile çekme, eğilme ve darbe dayanımı testleri gerçekleştirilmiştir. Her bir oran için iki farklı tane boyutuna sahip (x50 = 4,44 μm ve x50= 2,73 μm ) kalsit dolgusu kullanılmıştır (Şekil 1).

Çekme mukavemeti testi için ISO 527-1’e göre, eğilme mukavemeti için ISO 178’e göre, darbe dayanımı için de ISO 180 standardına göre test çubukları hazırlanmış ve bu standartlara göre testler yapılmıştır.

Tüm numunelerde cam elyaf oranı % 30 olarak sabit tutulmuştur. Karşılaştırma numunesi olarak başlangıçta sekpolyester olarak isimlendirilen % 100 Polyester numunesi üretilmiştir. Daha sonra sırasıyla ağırlıkça beş farklı oranda kalsit dolgusu içeren numuneler elde edilmiştir. Sonraki adımda tane boyutu değiştirilerek aynı işlem tekrarlanmış ve yeni numuneler elde edilmiştir.

2.1.El Yatırması Üretimi (HandLayUp)

El yatırması çalışmalarında kullanılan kalıplar da cam elyaf esaslıdır. Başlangıçta kalıbın yüzeyi iyice parlatılır ve kalıp ayırıcıyla tamamen kaplanır. Bu işlem önemlidir çünkü parçanın kalıptan kolayca çıkabilmesini sağlamaktadır fakat çok miktarda kullanımı ise üründe yüzey bozulmalarına neden olmaktadır. Bundan sonra yüzeye görünüm kalitesini ve dış ortam performansını artırmak için bir reçine (jelkot) uygulanır ve kuruması beklenir. Bundan sonra kalıp yüzeyine camelyaf konulur ve üzerine bir fırça yardımıyla reçinenin emdirilmesi sağlanır. Burada reçinenin jelleşme süresi (gel time) süresini ayarlamak için reçine içine hızlandırıcı ve peroksit88 eklenilerek karıştırılır. Bu işlemdeki amaç jelleşme süresi içinde polyesterin kürleşme olmadan cam elyafa iyice yedirilerek hava kabarcığı kalmadan uygulanmasını sağlamaktır [6]. Bu işlemde polyesteri cam elyafa yedirmek için fırça ve hava kabarcıklarını engellemek için çeşitli boyutlara sahip rulolar kullanılır. İlk kat yapıldıktan ve hava kabarcığı olmadığına emin olunduktan sonra diğer katlarda da aynı işlem uygulanarak istenilen kalınlıkta laminant üretimi yapılır. Eğer istenilirse çeşitli dolgu boya; ahşap veya metal ekler eklenilebilir. Daha sonra kürleşme işleminin gerçekleşmesi için sistem kendi haline bırakılır.

Sertleşme 1-2 saat içinde gerçekleşir, kürleşme zamanının kısalması istenirse ortamın sıcaklığı yükseltilip stirenin uçuculuğu arttırılabilir. Sertleşme süresinden sonra ürün kalıptan çıkartılır, çapakları temizlenir ve kullanılacağı veya yapılacak testlere göre çeşitli işlemlerden geçirilerek istenilen boyutlara göre kesilebilir. Bu üretim sisteminde takviye olarak kullanılan malzeme cam elyaftan yapılan keçeler ve dokumalardır. El yatırması yöntemiyle tekneler, depolar, otomobil parçaları, makine parçaları ve teknik birçok parça üretilebilir [7].

El yatırmasının avantajları:

• Düşük maliyet
• Ucuz üretim
• Çok farklı boyutlarda ve şekillerde üretim yapılabilmesi
• Hızlı tip değişikliği imkânı
• Hızlı ve ucuz kalıp yapımı
• El yatırmasının dezavantajları:
• Çevre kirliliği
• Üretimde kalite tutarlığı sorunu
• Yüksek işçilik ve kalifiye personel sorunu
• Sadece bir tarafın parlak olması (Kalıba temas eden yüzeyin)
• Boyutlarda sapma olasılığı

Bu çalışmada el yatırması yöntemi ile hazırlanan kompozit numunelerin plaka üretim aşamaları şöyledir; kompozit malzemenin üretilmesi amacıyla kullanılacak olan kompozit kalıp (40 x 40 cm) temiz bir bezle silinir. Daha sonra kalıp üzerinde kalacak olan parçacık veya herhangi bir kirliliğin numuneleri etkilememesi açısından kalıp aseton yardımıyla tekrar silinir. Kalıp yüzeylerindeki çukur veya çiziklerin kapatılması ve numunenin düzgün bir yüzeye sahip olabilmeleri için kalıp ayırıcı yardımıyla kaplanır. Bu kaplama sağlandıktan sonra, yüzeydeki fazlalık kalıp ayırıcı sürülmüş bir bez yardımıyla silinir. Kullanılacak olan polyester miktarı belirlendikten sonra, üretim aşaması için polyesterin içine katılaştırıcı katalizör olarak 100 gramlık polyestere 2 gr Metil Etil Keton Peroksit (MEKP) eklenir. Katalizör eklendikten sonra polyester içine dağılımlarının sağlanması ve polyester içindeki hava kabarcıklarının giderilmesi için polyester yavaşça karıştırılır.

Yapılan çalışmada el yatırması yönteminde genel olarak kullanılan toplam ağırlıkta %30 sabit cam elyaf oranına karşılık gelen %70 polyester kullanılmıştır. Fakat bu oran sadece sek polyester içeren el yatırması için geçerlidir. Kompozitlere eklenen dolgu maddesi oranı ağırlıkça %5, %10, %20, %30 ve %40’dır. Tüm numuneler için, reçine içerisine dolgu ilave edildikten sonra ortalama 2 dakika karışım yapılmıştır (Şekil 2).

Önceden katı kalıp ayırıcı (wax) ile kaplanan kalıpların üzerine hazırladığımız polyester bir kat uygulanır ve bu uygulanan polyester sadece cam elyaf keçelerinin büyüklüğü kadar bir alana dağıtılır. Bir kat polyester uygulandıktan sonra, polyester katılaşmadan hemen cam elyaf keçesi bu bölgeye yerleştirilir. Bu işlemden sonra rulo yardımıyla cam elyafın polyesteri emmesi sağlanır. Bunun üzerine fırça yardımıyla tekrardan polyester uygulanır ve ardından tekrardan bir kat daha keçe eklenir, rulo yardımıyla alttaki polyester keçe tarafından emilir. Bu işlem 3 kat elyaf için tekrarlanır. Aynı işlemler 3 katlı bir kompozit (3 kat cam elyaf–3 kat polyester) elde edilinceye kadar tekrarlanır. Bu işlemler yapılırken polyester kaybının olmamasına dikkat edilmelidir; bunun nedeni başta hesaplanan cam elyaf polyester oranının korunmasıdır (Şekil 3).

Bu işlemlerden sonra kompozitin sertleşmesi beklenir. Sertleşen kompoziti kalıptan ayırmak için ilk olarak kalıpla parça arası kenardan ıspatula yardımıyla açılır. Daha sonra CTP alttaki kalıptan kuvvet uygulanarak ayrılır. Kalıptan çıkan plaka üzerine şablon yardımıyla Şekil 5’de görüldüğü gibi numune çizimleri yapılır. Sonrasında çekme, eğme ve darbe testleri için ISO standartlarına uygun biçimde kesilir. Bu numunelerin boyutları; ISO 527-1’de belirtildiği gibi standartlara uygun olarak kesilmektedir.

Cam elyaf takviyeli kalsit dolgulu numuneler çekme, eğme ve darbe testlerine tabi tutulmuştur. Çekme testi Devotrans GE4 test cihazı ile gerçekleştirilmiştir.

ISO 178 standardına uygun hazırlanan numuneler üç nokta eğilme testine tabi tutulmuşlardır. Ayrıca belirli darbe şartları altındaki davranışını belirlemek için Devotrans CDC1 marka test cihaz ile Charpy darbe testi uygulanmıştır.

3.Sonuçlar ve Tartışma

Şekil 6’da iki farklı tane boyutuna (AY320, x50= 4,44 μm ve AY215, x50 = 2,73 μm) ve beş farklı kalsit dolgu oranına sahip numunelerdeki çekme mukavemeti sonuçları gösterilmektedir. Dolgu oranı ve tane boyutu artıkça malzemelerde çekme dayanımı düşmektedir. Şekil 7’de iki farklı tane boyutuna ve beş farklı kalsit dolgu oranına sahip numunelerdeki kopma uzaması sonuçları gösterilmektedir. Dolgu oranı ve tane boyutu artıkça malzemelerde esnekliğin düştüğü görülmektedir.

Dolgu oranı arttıkça eğilme mukavemetinde düşme gözlenirken ayrıca tane boyutu büyüdükçe bu düşme daha da artmaktadır (Şekil 8).

Şekil 9’da ise darbe mukavemetlerindeki değişim verilmektedir. Aynı şekilde dolgu oranı ve tane boyutu artıkça malzemelerde darbe mukavemetinin düştüğü görülmektedir. Düşük tane boyutlu kalsit %5 oranında katılması durumunda darbe mukavemetinde %4, büyük tane boyutunda ise %7.7 oranında düşme görülmektedir.

Tablo 5’de kalsit oranı ve tane boyutunun toplam maliyet üzerindeki etkisi yer almaktadır. Sek polyester fiyatının, dolgu maddesine oranla çok yüksek olmasından dolayı her iki dolgu maddesinin de toplam maliyete etkisi yakın seviyelerdedir.

Yapılan çalışma sonunda dolgusuz (sek) polyesterin mekanik değerleri farklı dolgu oranlı diğer tüm numunelere göre daha yüksek çıkmıştır. Bu çalışmada kullanılan kalsit dolgu maddesinin maliyet düşürücü nitelikte olduğu ve mekanik değerleri negatif yönde etkilediği tespit edilmiştir.

Çalışmada tane boyutu farklı iki kalsit dolgusu kullanılarak sonuçlara etkisi ayrıca incelendiğinde düşük tane boyutlu kalsitin diğerine oranla mekanik değerleri iyileştirdiği tespit edilmiştir. Tane boyutu daha küçük olan (AY21) kalsit numunesinin, tane boyutu daha büyük olan (AY320) kalsit numunesine göre, çekme mukavemetinde %2 ile 6.5, eğilme mukavemetinde % 1.4 ile 6.4, darbe mukavemetinde ise %3.2 ile 6.5 daha iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu durum tane boyutu küçüldükçe mekanik kuvvetlere olan negatif etkisinin azaldığını göstermektedir.

Düşük tane boyutlu (2.73μm) %5 kalsit dolgusu kullanıldığında mekanik değerlerde yaklaşık %3’lük bir düşüş mahsur oluşturmuyorsa toplam maliyet açısından %4.72’lik maliyet avantajı, %10 dolgu kullanımında ise %9.58’lik avantaj sağlanabilmektedir.

Literatür çalışmaları incelendiğinde Shafiur Rahman ve ark. %98 kalsiyum karbonat içeren yumurta kabuklarını mikro partikül boyutunda öğüterek polyester reçineye farklı oranlarda katarak polyester film üretmişlerdir. Ticari CaCo3’le bunu kıyaslamışlar. Yumurta kabuklarıyla elde edilen karışımda %10’luk oranda mekanik özelliklerin olumlu yönde etkilendiğini tespit etmişlerdir [8].

Kiehl ark. SMC yöntemiyle doymamış polyester reçine ve düşük tane boyutunda (0,6-40 μm) kalsiyum karbonattan oluşan ve karışımların reolojik davranışını incelemişler ve dolgu oranı %50-60 arasında viskozitede büyük bir artış gözlemişlerdir. %50’nin altında reolojik etki ve kayma davranışı fiyat duyarlılığını uygun bulmuşlardır [9].

Hassan ve ark. termoplastik polimerlere CaCO3 nanopartikülleri ağırlıkça üç farklı oranda (%1,%2 ve %3) infüzyonu ile biyo-nano kompozitler hazırlamış ve mekanik özellikleri önemli ölçüde arttırdığını ifade etmişlerdir [10].

Polyester reçineye CaCO3 dolgu içeriğinin arttırılmasıyla kompozit filmlerde sertliğin arttığı ve birim uzamada azalmaya neden olduğunu ifade etmektedir [11,12]. Son zamanlardaki yapılan çalışmalar daha çok mikro partikül ve nano partiküllü dolguların mekanik değerlerde makro partiküllere göre daha iyi sonuç verdiğini göstermektedir. Bundan sonraki yapılacak çalışmalarda tane boyutları düşük dolgulu malzemeler kullanılması planlanmaktadır.

Not: Deneysel çalışmalar Sazcılar Otomotiv A.Ş. laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Numune hammaddeleri: Cam elyaf; Cam Elyaf A.Ş. Polyester; Ege Kimya A.Ş ve Kalsit ise Aydın Madencilik A.Ş firmalarından temin edilmiştir.

Kaynaklar

[1] Mehmet SAÇAK, (2012), Polimer Teknolojisi, Gazi kitapevi.

[2] G. C. Onuegbuand I. O. Igwe, (2011),Mater. Sci. Appl., 2, 811.

[3] T. SAVAÇCI, N. UYANIK, G. AKOVALI, (1998), Plastikler ve Plastik Teknolojisi, Çantay Kitapevi İstanbul.

[4] S. AKKURT, (2007), Plastik Malzeme Bilimi Teknolojisi ve Kalıp Tasarımı, Birsen Yayınınevi İstanbul.

[5] H. Duan, L. Zhang, L. Wang, and X. Yang, J. (2008), Wuhan Univ.Technol.-Mater. Sci. Ed., 23, 460.

[6] İ. CENGİZ, (2008), Cam Elyaf Takviyelerde Dolgu Malzemeleri, Bitirme çalışması, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü.

[7] Cam Elyaf Sanayii A.Ş.(2003), CTP Teknolojisi, Cam Elyaf Sanayii Yayınları, Gebze.

[8] G. M. Shafiur Rahman, H. Aftab, M. S. Islam, Muhammad Zobayer Bin Mukhlish and F. Ali,(2016), Enhanced Physico-mechanical Properties of Polyester Resin Film Using CaCO3 Filler, Fibers and Polymers, Vol.17, No.1, 59-65.

[9] Julien Kiehl, J. Huser, S. Bistac and C. Delaite, (2012), Influence of fillers content on the viscosity of unsaturated polyester resin/ calcium carbonate blends, Journal of Composite Materials, 46 (16)1937–1942,

[10] T. A. Hassan, V. K. Rangari, and S. Jeelani, (2014), ACS Sustain, Chem. Eng., 2, 706.

[11] S. I. Abdel-Salam, M. S. Metwally, A. A. Abdel-Hakim, S., El Begway, and E. S. Elshafie, (2011), Nat. Sci., 9, 116.

[12] H. Ismail, H. D. Rozman, R. M. Jaffri, and I. Z. A. Mohd, (1997), Eur. Polym. J., 33, 162.

Not: Bu bildiri 1.International Conference on Engeneering Technology and Applied Sciences Afyon Kocatepe University, Turkey 21-22 April 2016’da sunulmuştur.

Ahmet DEMİRER

SAÜ. Teknoloji Fak. Makina Müh. Sakarya

Ulaş AYDIN

SAÜ. Fen Bilimleri Ens. Yüksek lisans öğr. Sazcılar Otomotiv A.Ş.