Plastikler ve plastik esaslı ambalaj malzemeleri
- JACOM_CONTENT_CREATED_DATE_ON
- JACOM_CONTENT_WRITTEN_BY
Plastikler; normal sıcaklıkta genellikle katı halde bulunan, ısı ya da basınç etkisiyle mekaniki veya kimyasal yolla yumuşatılıp, kalıba dökme, haddeleme gibi çeşitli yöntemlerle şekillendirilebilen ve kalıplanabilen ve bu biçimlerini soğuyunca da koruyabilen, yapay ya da doğal, çoğunlukla organik polmerik ezdeklerdir. Dev molekül olarak tanımlanan yapı, basit yapılı bir organik bileşiğin veya farklı iki bileşiğin uygun koşullarda birbirine bağlanması ile oluşur.
Çok uzun zincir veya örgü yapıda, hatta örgüler arasında da bağlanmalar oluşan bu maddelere, reçineler (doğal ve yapay) veya polimerler de (doğal ve yapay) denir. “Polimer”, “ Çok-parça” anlamındandır ve “Monomer” denen daha küçük moleküllerin uç uca eklenmesi ile oluşan bu molekülü tanımlamak için kullanılır.
Plastikler, polimerizasyon tepkimeleri ile elde edilirler. Bilindiği gibi polimerleşme; uygun koşullardan tane molekülün çift bağlarınını açılarak art arda bağlanmasını sağlayan tepkimelere denir. Tepkime koşulları ve çift ağın polarlığı, polimerleşmede etkin rol alır. Polimerizasyon sonunda elde edilen ürüne polimerizat, polimerizasyona uğrayan başlangıçtaki tek moleküle de monomer adı verilir.
Nitekim alkenler, katılma polimerizasyonu denilen bir süreç sonucu birbiriyle tepkimeye girerler. Örneğin bir etilen molekülü, bir diğeri ile bağ yapabilir; ona başka bir etilen bağlanır. Aynı işlem sürer gider ve sonunda uzun bir hidrokarbon zinciri oluşur. Polimeri oluşturan orijinal alkene (örneğin etilen) monomer denir. Monomerlerin kovalent bağlarla (ortaklaşım bağı) oluşturduğu zincir de polimerlerdir.
En basit katılma polimeri polietilendir. Bu polimer, -CH2 – CH2- birimlerinden oluşmuş uzun bir zincirdir. Birçok polimer molekülünde, ana zincire bağlı yan dallar da (yan zincirler) bulunur. Yani zincirler, aralıklı olarak zincirin ara noktalarına bağlanırlar.
Aynı cins monomorlerin bağlanmasıyla meydana gelen polimerlere Homopolimer, en az iki değişik monomerin oluşturduğu polimerlere ise Kopolimer denir. Şekil 9.1’de homopolimer ve kopolimerdemonomerlerin nasıl dizildikleri görülmektedir.
Polimerizasyon tepkimeleri çok çeşitli olup (radikalik, iyonik, polikondenzasyon vd.) polimerik malzemenin yapısı ile ilgili bazı temel özellikler konusunda bilgi verirler.
Polimerlerden oluşan plastikler, polimerlerin farklı kimyasal yapılarından dolayı farklı özellikler gösterirler ve bu özelliklerinden dolayı da sınıflandırmaya tabi tutulurlar. Isı ve basınç altında şekillendirme ve şekillendirildikten sonra plastiğin gösterdiği özellik, plastik maddeyi tanımada kolaylık sağlar. Nitekim plastikler ısı karşısında gösterdikleri davranışa ve işlenme özelliklerine göre üç gruba ayrılırlar. Bunlar:
1- Termoplastikler (plastomerler – ısıl yumuşar - )
2- Termosetler (Duroplastlar – ısıl sertleşir-) ve
3- Elastomerlerdir.
Termoplastikler, ısı ve basınç altında plastik özelliklerini daima korurlar ve defalarca şekillendirilebilirler. Uzun zincirlerden oluşan bir yapıya sahip olmaları nedeniyle kolayca ısıtılarak sıvı hale getirilirler. Soğututlunca tekrar katılaşırlar, ısıtılınca gene sıvılaşırlar. Birden fazla ısıl işleme tabi tutulduklarında temel fiziksel ve kimyasal özelliklerini yitirmezler. Termoplastiklerden yapılmış malzemeler ısı ve basınç altında eğilip bükülebilir ve istenilen şekle sokulabilirler. Geri kazanılmaları mümkündür. Ancak çok fazla kaplanmaları ya da şekillendirilmeleri bağlamında, yapılarında bozunlamalar meydana gelebilir ve mekanik özellikleri zayıflayabilir. Söz konusu plastikler genelde granül ve payet şeklinde pazarlanır ve özel isteklere cevap verecek katkı maddeleri içerir. Termoplastiklere örnek olarak; polietilen,polipropilen, polistren, poliester, poliamidler, polikarbonat, polivinilasetat vd. verilebilir.
Termosetler ise termoplastiklerden farklı olarak, ısı ve basınç uygulandığında oluşan kimyasal tepkimeler sonucu yan yana olan polimer zincireri birbirine çapraz biçimde bağlanarak yeniden şekillendirirlmesi olanaksız bir katı ağ oluştururlar. Kalıplama ile şekil verildikten sonra ısı ile yumuşayıp bozulmazlar. Yumurtada olduğu gibi ısıtıldıklarında pişerek katı, sert ve geri dönüşü olmayan bir şekil alırlar. Geri kazanılarak tekrar şekillendirilmeleri mümkün değildir. Ancak bazı termosetler öğütülerek veya kırılarak katkı maddesi olarak kullanılabilir. Termosetler sıvı veya katı halde pazarlanır ve ısı veya katalist uyardımıyla reaksiyona sokulurlar.
Elestomerler de plastik maddelerdir ve kauçukları içerirler. Kauçukların vulkanizasyonundan önceki özellikleri termoplastiklere, vulkanizasyondan sonraki özellikleri termosetlere benzer. Vulkanizasyonla, termosetlerde olduğu gibi çapraz bağlanarak elastik bir durum alırlar.
Plastikler, üretim şekillerine göre de ;
1- Doğal polimerle ve bunlardan yapılan plastikler,
2- Kondensasyon polimerleri (Polikondensatlar) ve
3- Katılma polimerleri diye sınıflandırılırlar. Plastik maddeler aşağıda bu sınıflandırmaya göre kısaca incelenmiştir.
Doğal polimerler ve bunlardan yapılan plastikler
En önemli doğal polimerler; karbonhidratlar (nişasta ve selüloz), proteinler, nükleik asitler (DNA ve RNA)’dır. Selüloz, bütün bitkilerde bulunan bir glukoz polimeridir. Uzun bir zincir şeklindeki selüloz molekülleri, zincir halkaları gibi binlerde glukoz molekülünden meydana gelmişlerdir. Bu uzun zincirde hiç dallanma yoktur ve her zincir ortalama 3000 glukoz molekülü içeriri. Bu polimer suda çözünmez.
Selülozdaki hidroksil grupları anorganik ve organik asitlerle esterleştirilebilir. Böylece, selülozun özelliklerini değiştirmek mümkün olur. Selüloz molekülü, içindeki glukozların üç serbest hidroksil grubundan ikisinin derişik nitik asit ve sülfirik asit karışımıyla nitrolanması sonucu dinitro selüloz (selüloz nitrat) elde edilir. Bunun bir keton olan kamfor ile karıştırılmasıyla ilk ticari plastik olan “seluloit” yapılmıştır.
Pamuk veya odun hamurunun asetillenmesi sonucu, hidroksil gruplarının tamamı asitillenir ve selüloz asetat elde edilir. Bu, lif ve iplikler şeklinde çekilebilen film halinde kullanılan bir maddedir.
Doğal kaucuk da, bir diğer önemli plastik maddedir. Vulkanize olmuş hali pek çok kullanım alanı bulmuştur. Bu kaucuğun tüm gereksinmeleri karşılayamaması sonucu çeşiti yapılarda yapay kauçuk üretimi yapılmaktadır.
Doğal maddelerden yapılan diğer plastikler, günümüzde yerlerini üstün nitelikteki yapay polimerlere bırakmışlardır.
Kondensasyon polimerleri (basamaklı polimerler)
İki farklı madde molekülü arasından küçük e polar molekül ( H2O, NH3, HCI.......gibi) ayrılması ile daha büyük bir molekül oluşmasına kondensasyon denir. Basamaklı polimerler de denen kondensasyon polimerler, genellikle iki işlevsel grup arasındaki tepkime ile oluşurlar. Aralarından su gibi küçük bir molekül ayrılır. Bu şekilde basamaklı polimerleşme ile elde edilen polimerde, monomerdeki atomların hepsi polimer yapısında yer almaz; atomların bazıları yapıdan ayrılan küçük molekül içinde kalır. Monomer birimleri genellikle çift işlevsel gruplu ya da çok işlevsel grupludur. Bunlar genellikle düz zincir yapıda bileşiklerdir. Yalnız bakalit düz zincir yapıda değildir. Kondensasyon polimerlerine en iyi örnekler; poliamidler, poliesterler ve polikarbonattır.
Kondensasyon polimerleri arasında poliamidler en çok bilienlerdir. Polimerleşme tepkimesi sırasında asit ve amin bileşenleri arasından su ayrılarak amid bağı oluşur. Örneğin naylon 6.6’nın hazırlanması için eşit mol sayılarında adipik asit ve hekzametilen diamin kullanılır.
Poliesterler de, benzer şekilde bir asitle alkolün etkileşmesi veya esterin alkol değişmesi tepkimesiyle oluşurlar. Bu tip polimerlerde tereftalik asit önemli bir çıkış maddesidir. Daha çok metil esteri halinde kullanılır. Örneğin etilen glikolle verdiği polimer iki bileşik arasından metil alkol eklenerek oluşur. Kalsiyum asetat bu tepkimeye katalizler. Başlangıçta, iki etilen glikol molekülü içeren yeni bir monomer ortaya çıkar. Sonra basınç altında ısıtılarak ve monomerler arasından etilen glikol elenerek poliester meydana getirilir.
Çok değerli bir alkol (örneğin glikol) ile tereftalik asit arasındaki tepkime tipik bir kondesasyon polimerizasyonudur. Kondensasyon polimerizasyon gerçekte bir denge reaksiyonudur. Yani küçük moleküllü reaksiyon ürünleri, örneğin su, sistemden uzaklaştırılmazsa polimerizasyon durur. Kondensasyon polimerizasyonunun bu karekteristiği böyle plastklerin kimyasal özelliklerini de şekillendirir. Suyun varlığında, politereftalat, özellikle yüksek sıcaklıklarda, hidrolize olmaya başlar ve düşük moleküllü oligomerler oluşur. Bunlar plastiğin gıda ile temasında ürüne geçebilirler.
Katılma polimerleri (Zincir polimerleri)
Bu tip polşmerler, bir ya da daha çok çift bağ içeren bir monomer biriminin diğerine yinelenek eklenmesi ile (katılma) oluşurlar. Katılmalar farklı şekillerde olur ve tepkimelere çeşitli basamaklardan geçer.
Alkenler birçok önemli katılma polimerinin monomeridirler. Polimerleşmeyi başlatmak için bir katalizör kullanılır. Katalizör karbon-karbon ikili bağına katılarak etkin bir araürün oluşturur ve bu araürün ikinci monomerin ikili bağına katılarak yeni bir araürün meydana getirir. Bu işlem, polimer zinciri istenilen uzunluğa ulaşıncaya değin sürer ve bir şekilde sonlanır. Bu tür polimerleşmede monomer birimindeki atomların hepsi polimer içinde yer alır. Katılma polimerleşmesine örnek olarak etilenin polimerleşmesi verilebilir. En çok üretilen katılma polimerleri, vinil klorürden yapılanlar, bu arada polivinil klorür (PVC)’dür. Polimerleşme, sulu ortamda, başlatıvı olarak potasyum persülfat (K2S2O8) kullanılarak ve emülsiyon yapıcı olarak da sabun ilavesiyle gerçekleştirilir. Gıdaların ambalajlanmasında yararlanılan en önemli kütle plastikler, örneğin poliolefinler, katılma polimerizasyonu yöntemiyle üretilirler.
Plastiklerin üretiminde kullanılan katkı maddeleri
Plastikler, monomerlerin yanı sıra düşük molekül ağırlıklı bazı bileşikleri de içerirler. Katkı maddeleri olarak bilinen bu maddeler: Katalizörler, emülgatörler, plastifiyanlar (yumuşatıcılar), ısı ve ışık stabilzatörleri, anti-oksidanlar, UV - ışığı absorbe ediciler, antistatik maddeler, renklendiriciler, dolgu maddeleri ve yağlayıcılar olmak üzere gruplandırılırlar. Söz konusu bu katkı maddeleri, polimer molekülleri arasında çok yüksek hareker yeteneğine sahip olup, göçme (migrasyon) olaylarında neden olurlar. Bütün bu maddeler, polimerin işlemesi sırasındaki özelliklerini ve elde edilen son ürünün niteliklerini çeşitli yönlerden geliştirmeye yararlar.
Antistatik maddeler
Plastiklerin işlenmesi ve kullanılması sırasında plastik üzerinde statik elektrik birimi olur. Bu tür elektriklenme toz, kir ve benzer maddelerin plastik üzerinde toplanmasına yol açar. Ayrıca plastik madde statik elektrik yükünden dolayı bozunabilir. Hatta kıvılcım oluşumuna yol açarak, kolay tutuşabilen maddelerin bulunması durumunda, yangınlara neden olabilir. İşte bu nedenlerle, plastiklerde statik elektriğin toplanmamasını ve toplanan yükün bırakılmasını sağlayabilmek için antistatik maddeler kullanılır. Bu tür maddeler, ambalajlama uygulamalarında özellikle esnek filmler ve yakıt depoları için büyük öneme sahiptir.
Antistatik maddeler yardımıyla plastiğin yüzeyinde iletken bir tabaka oluşur ve bu yolla elektrik yüklenmenin giderilmesi sağlanır. İletken tabaka oluşumunda, bir antistatik molekülün hidrofob ucu plastiğe bağlanır. Ancak bu tür maddeler su çekmeksizin de organik elektrolit olarak etki yapabilirler.
Antistatik maddeler uygulama şekline göre;
a) iç etkili ve
b) dış etkili olmak üzere ikiye ayrılırlar. İç etkili antistatik maddeler doğrudan plastiğe katılırlar. Dış etkili olanlar ise, ya plastiğin üzerine püskürtülerek ya da plastik madde antistatik madde içeren çözeltiye batırılarak yalız yüzeye uygulanırlar. İç etkili antistatik maddenin etkisi kalıcıdır. Dış etkili olanların etkisi ise geçicidri. Yüzeye sürülen madde silindiği veya bir çözücü ile çözünüp arındırıldığında etkisini yitirir. Ancak iç etkili olanların etkisi kalıcı olduğu için, silinenin yerini hemen doldurarak antistatik özelliğin sürekliliği sağlanır. İç etkili antistatik maddelerin katılacak miktarın yüzdesi %0.1-2.0 kadardır. (Çizelge 9.1)
Antistatik maddeler katyonik aktif, anyonik aktif ve iyonik olmayan maddeler şeklinde sınıflandırılabilir. Polietilen, polipropilen, polistiren ve polivinilklorür için antistatik maddeler kullanılmasına karşın; polietilen, tereftalat, polikarbonat, polisulfon ve poliakrilatlara iç etkili antistatik maddeler katılmaz. Çünkü bu plastiklerin işleme sıcaklıkları çok yüksektir. Ayrıca şeffeflık özellikleri de olumsuz yönde etkilenir.
