plastik-ambalaj.com

Masterbatch ve Compound üretiminde kullanılan katkılar

Polimerler, fiziksel ve kimyasal özellik açısından proses koşullarına, iklim şartlarına, fiziksel ve kimyasal etkilere karşı dayanıklılığı zayıf olan malzemelerdir. Polimer üretiminde katkı kullanımı ile polimerlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin geliştirilmesinde, iyileştirilmesinde ve yeni özellikler kazandırılması sağlanmaktadır. Katkıların en çok kullanıldığı alan ise PVC üretimidir. PVC katkıları başlı başına başka bir konu olduğundan burada sadece compound üretiminde kullanılan katkılardan bahsedilecektir.

Compound üretiminde kullanılan katkılar çok değişiklik gösterirler ve farklı gruplar altında değerlendirilebilir. Ancak bunları belli gruplar atlında toplayarak tanımlamaya çalışmak çok daha uygun olacaktır.

Sırasıyla;

1. Kaydırıcılar

2. Dispersiyon (dağılım) sağlayıcı ajanlar

3. Antioxidantlar (oksidasyon önleyiciler)

4. UV (ışık) stabilizatörleri

5. Bağlayıcı ajanlar

6. Antistatik katkılar

7. Yanma geciktiriciler

8. Renklendiriciler

9. Dolgular ve dayanım artırıcı katkılar

1.Kaydırıcılar

Kaydırıcılar, içinde kullanıldıkları plastik hammadde ve prosese bağlı olarak, malzemenin akışkanlığını artıran ya da malzemenin işlenirken makine parçalarından ve kalıptan kolay ayrılmasını sağlayarak kolay işlenmesini sağlayan katkılardır. Kaydırıcılar temelde fiziksel ve kimyasal etkinliklerine göre tanımlanırlar ve bu etkinliğe bağlı olarak iç veya dış kaydırıcı olmak üzere 2 ana gruba ayrılırlar. İç kaydırıcılar; işleme sırasında polimer molekülleri arasındaki sürtünmeleri düşürerek malzemenin eriyik akış oranını artıran ve böylece işleme için gerekli enerji miktarını düşürmüş olurlar. Bu katkılar kimyasal olarak polimer ile uyumlu katkılardır. Dış kaydırıcılar ise genelde polimer ile uyumlu değillerdir ve işleme sırasında malzeme ile vida, kovan ya da kalıp arasında ince bir film tabakası oluşturarak malzemenin metal aksamlardan daha kolay akmasını ve ayrılmasını sağlar. Bazı kaydırıcılar, kaydırıcılık özelliği yanında dispersiyon özelliğini de sağlamaktadır. Yandaki Tablo 1’de polimerlere göre en sık kullanılan kaydırıcıların ve dispersiyon ajanlarının tablosunu bulabilirsiniz. En sık kullanılan temel kaydırıcıları kısaca tanımlamaya çalışalım.

1.1 Polietilen Waxlar: Compound üretiminde en çok kullanılan kaydırıcı ve dispersiyon ajanlarıdır.Özellikle piyasada en çok üretilen yüksek dolgulu poliolefin compoundlarda ve poliolefin masterbatchlerde en temel katkı malzemesi olarak kullanılmaktadır. Poliolefin compound dışında PVC dâhil olmak üzere birçok mühendislik plastiğinde de rahatlıkla kullanılan katkı malzemesi olduğundan oldukça yüksek oranda tüketilmektedir.

1.2 Montan Waxlar: Montan waxlar genelde ayırma özellikleri sebebiyle tercih edilirler. PA, PC, PET, PBT, POM gibi mühendislik plastiklerinin prosesinde kullanılabilen düşük oranlarda kullanımına rağmen, yüksek termal stabilite sağlayan üstün özellikli bir wax türüdür. Bunun yanında özellikle polyester ve poliamid türü ürünlerde hücre yapıcı görevi de görür.

1.3 Amid Waxlar: Çok güçlü bir dış kaydırıcı ve kalıp ayırıcıdır. Amid kökenli polimerlerde (Poliamid gibi) iyi sinerjik etki gösterir. Özellikle yüksek sıcaklıklarda işlenmesi gereken mühendislik polimerlerinde çok iyi bir kaydırıcı ve kalıp ayırıcıdır. Çok düşük oranda kullanılmasına rağmen çok güçlü etki gösterebilmektedir. Uyumlu oldukları yapılar daha çok içi etki gösterirken, uyumlu olmadıkları plastiklerde dış etkileri daha fazladır.

1.4 Metalik Stearatlar: Metalik stearatlar çinko, kalsiyum, lityum oksidlerin stearik asid ile reaksiyonu sonucu elde edilen metalik stearatlardır ve muhtemelen kullanım alanı en geniş olanlarsa bunlardır. Metal oksidin polimer ile olan etkisine bağlı olarak iç veya dış kaydırıcı etkisi gösterirler. Compound prosesinde PE Wax ile birlikte en çok kullanılan kaydırıcılar metalik stearatlardır. Çoğunlukla formülerde uygun stearat ve PE wax kombinasyonları kullanılmaktadır. Kullanılan plastik türüne göre stearatın tipide değişiklik gösterir. Ayrıca kulanım amacına göre kullanım miktarı da değişir. Bazı plastiklerde, az miktarda kullanılan stearatlar iç kaydırıcı görevi görürken, bu miktar artırıldığında dış kaydırıcı etkisi de göstermektedir. Stearatların bazıları aynı zamanda yardımcı stabilizatör görevi de görmektedir. Bazı uygulamalarda ısı stabilizasyonunda da olumlu katkı sağlamaktadır.

2. Dispersiyon Ajanları

Dispersiyon ajanları polimer ile polimer olmayan malzemelerin birbiri içinde iyi dağılımını sağlayan katkılardır. Bu tür malzemelere compound uygulamasında ıslatıcı ajan da denilmektedir. Özellikle masterbatch ve dolgulu compoundlarda çok önemli olan katkılardır. Bu alanda en çok kullanılanlar waxlardır. Dolgu miktarının artması ve dolgu tipinin değişmesine göre oranı ve tipi değişir. Uygulamada ekleme sırası, süresi ve sıcaklık gibi faktörler etkinliklerini değiştirir. Bunlar, dış kaydırıcı özellikleri de olan PE Waxlar, amid waxlar ve montan waxlardır. PE waxlar özellikle poliolefin compound ve renk masterbatch üreticileri tarafından en çok tercih edilen ve yüksek oranlarda kullanılan katkıdır. Bunun yanında mühendislik plastiklerinde montan wax, amid wax, özel ester bazlı waxlar da dispersiyon ajanı olarak kullanılmaktadır. Dispersiyon amaçlı kullanılan bu katkılar kullanıldıkları ve miktara bağlı olarak içi kaydırıcı dış kaydırıcı veya proses iyileştirme ajanı gibi de davranırlar.

3. Antioksidantlar

Antioksidantlar (oksitlenme önleyiciler), atmosferik oksijenin polimerik malzeme üzerindeki olumsuz etkilerini ortadan kaldırmak veya azaltmak amacıyla kullanılan katkılardır. Proses sırasında uygulanan ısı ve mekanik kuvvetler sonucunda polimerik zincirlerde kırılmalar meydana gelmekte ve radikal denen, oksijen ile reaksiyona girecek olan yapılar oluşur. Bu yapıların oksijen ile temas etmesi sonucunda fiziksel, kimyasal özellikler azalır. Kullanılan antioksidanlar ya doğrudan doğruya oksijeni bağlar ya da plastik ile kararlı bir ürün meydana getirerek oksitlenmeyi önler. Yapısal bu özellikleri ve etkinlik mekanizmaları sebebiyle genelde birincil ve ikincil antioksidant diye gruplandırılır. Birçok uygulamada bu iki grubun bir kombinasyonunun kullanılması daha uygundur. Kullanılan antioksidantın tipi ve miktarı kullanılan plastiğin tipine ve uygulamaya bağlı olarak değişir. Antioksidanlar fenoller, aromatik aminler ve tuzları, amin, keton vb yapılardan oluşurlar.

4. UV (Işık) Stabilizatörleri

UV stabilizatörleri ultraviyole ışın dengeleyicileridir. Güneş ışıklarının 400-200 nm dalga boyundaki aralığı UV aralığı olarak tanımlanır. Bu dalga boyundaki ışıklar daha enerjik olduklarından, polimerin zincir yapısına zarar vermektedir. Işınların dalga boyuna göre enerjileri de değişir. Polimer yapısındaki bağların kırılması için gerekli olan enerji miktarı da farklıdır. UV’nin etkisi, zamanla yüzeyde meydana gelen matlık, solma ve nihayetinde mekanik kayıp olarak kendini gösterir. Bu olumsuzlukları ortadan kaldırmak veya başka bir deyişle azaltarak ürünün kullanım ömrünü uzatmak için UV katkıları ilave edilirler. UV stabilizatörleri, ürünün yapısında kimyasal değişimine neden olabilecek enerjiyi, ısıya dönüştürecek şekilde soğurur ve bu enerjinin dağılmasını sağlar ve sonuçta ürün UV ışınlarına dayanıklı hale gelir. Malzeme tipine göre uygun UV’nin seçilmesi gerekir. Bazı katkılar, gelen ışınları ısıya çevirmek yerine geri yansıtarak plastiği UV’nin zararlı etkilerinden korur. Nihai ürünün kullanıldığı bölge ve öngörülen kullanım ömrüne göre de UV kullanım miktar belirlenir.

5. Bağlayıcı Ajanlar (Coupling Agents) ve Uyumlaştırıcılar (Compatibizer’ler)

Bağlayıcı ajanlar polimer compozitlerde polimer ve polimer dışı (dolgular, cam elyaf, talaş, yanma geciktiriciler, pigmentler……) malzemelerin ya da iki farklı polimerin bağlayıcılığını ve uyumlaştırmasını sağlayan katkılardır. Bu katkılar genelde en az bir fonksiyonel grup barındırırlar. Fonksiyonel grup ile katılan katkıya tutunurken diğer bölümüyle polimer matriksi içinde dağılarak tutunmayı sağlar. Bu sayede plastik ve dolgu ara yüzeyinde fiziksel bağ gibi etki ederler. Bu tutunma karışımın mekanik ve fiziksel özellikleri üzerinde doğrudan etkilidir. Bu tutunma sürecinde kullanılan katkıların yüzey özellikleri elbette ki çok önemlidir. Tutunma performansını artırmak ve özelikleri geliştirmek için bazen yüzeyi modifiye edilmiş katkılarda kullanılabilir. Bazen de, birden fazla plastik malzemenin daha homojen bir şekilde karışmasını sağlayarak, muhtemel ayrışma, görsel olumsuzluk ve zayıf mekanik özelliklerin geliştirilmesinde yardımcı olurlar.

6. Antistatik Ajanlar

Plastikler bilinen genel özellikleri itibariyle iletken değillerdir. İşlenmesi kullanımları sırasında, dielektrik özellikleri nedeniyle yapısında statik elektrik birikimi olur. Biriken bu yükün yapıdan uzaklaştırılması gerekir. Aksi taktide biriken bu elektrik, elektriksel şok, yanma, patlama, malzeme üzerinde toz, kir vb. yabancı maddelerin birikmesine neden olur. Kullanılan antistatik katkı maddeleri; toplanan bu yükün bırakılmasını sağlayan ve elektrostatik yüklenmeyi önleyen nem çekici ve tercihen iyonize olan bileşiklerdir.

Karışıma ilave edilen antistatik maddenin plastik ile uyumlu, kalıplama işlemine ve ısıya dayanıklı olması gerekmektedir.

Antistatik katkılar iki çeşittir, bunları iç ve dış katkılar diye ikiye ayırmak mümkündür. İç antistatikler doğrudan doğruya hammadde içine katılan katkılardır. Dış antistatikler ise üretim sonrası malzemenin yüzeyine farklı tekniklerle uygulanan tiplerdir. Uygulamanın tipi, kullanılan katkının miktarı ve uygulanan üründeki kalınlık ve toplam yüzey alanı, ürünün etkinliğini doğrudan etkiler. Genel bir inanış olarak, antistatik katkılı malzemelerin rafta beklerken hiçbir şekilde tozlanmayacağı varsayılır. Böyle bir şeyden bahsetmek imkânsızdır zira üründe hangi miktarda antistatik katkı olursa olsun, beklemeden ve ortamdan kaynaklanan yüzeysel kirlenme önlenemez.

7. Yanma Geciktiriciler

Plastikler ağırlıklı olarak karbon ve hidrojenden oluşan hidrokarbon yapılardandır. Alev karşısında karbondioksit ve su olarak ayrışırlar. Bu özeliklerini geliştirmek için yanmazlık katkılarından faydalanılır. Katkıların katılması malzemeyi tamamen yanmaz yapmaz, sadece yanma direncini geliştirir. Uluslararası standartlara göre hangi ölçüde yanma özelliği talep ediliyor ise bunu karşılayacak ölçüde katkı kullanılması gerekir. Katkının tipi elbette ki kullanıldığı plastik tipine göre değişir. Her yanmaz katkı tipi her plastik içinde etkili olarak çalışmaz. Bu açıdan kullanılacak yanmaz tipini iyi belirlemek ve bu etkiyi olumlu yönde destekleyecek ve sinerjist olarak ifade edilen katkıların da mutlaka kullanılması gerekir. Bu yüzen, termoplastiklerde, elastomerlerde ve termoset plastiklerde kullanılan yanmazlık katkıları değişkenlik gösterirler. Bu katkıların birçoğu yapılarında halojen atomu barındırır. Yanma sırasındaki etkinlikleri sebebiyle halojen yapılı katkılar yaygın olarak kullanılır. Ancak son yıllarda, halojen atomlarının yangın sırasındaki etkinlikleri sebebiyle insan sağlığı açısından risk oluşturması farklı katkıların kullanımını ön plana çıkarmıştır. Hatta bu özelliklerinden dolayı bazı halojenli yapıların kullanımı yasaklanmıştır. Uluslararası alanda gelişen yeni standartlar doğrultusunda halojen içermeyen ve halojen free diye ifade edilen yapıların kullanımı pazarda hızla gelişmektedir.

Bu açıdan bakıldığında yanmazlık katkılarını Halojenli, Halojensiz veya Organik, İnorganik olacak şekilde alt gruplara ayırabiliriz. Ürünün, granül, toz veya sıvı halde olması kullanım yeri ve prosese göre değişebilir.

8. Renklendiriciler

Plastik malzemenin dış görünümündeki estetik etki renklendirme ile sağlanır. Plastik malzemenin yapısına ve kullanma amacına göre değişik renklendiriciler kullanılır. Temelde amaçları renklendirmek olmakla birlikte, renklendiriciler kullanıldıkları malzemenin özeliklerine ve bazı durumlarda da yapısal performansına etki etmektedir. Bu yüzden kullanılan renklendiricilerin bazı özelliklere sahip olması gerekir;

• Ãœrün içinde çok iyi dağılmalı, homojen görünüm vermeli ve ürünü etkili bir ÅŸekilde boyayabilmelidir,
• Plastik malzeme ile uyumlu olmalıdır, plastiÄŸin özelliÄŸini bozmamalıdır,
• Proses süresince bozulmamalıdır
• Gün ışığına (UV ışığına) dayanıklı olmalı,
• Yıkanabilmeli, yani yıkama sonucunda boya çıkmamalı,
• Zehirsiz olmalıdır.

Renklendiriciler, temelde pigment dediğimiz, belli ışık yoğunluğunu yansıtan yapılardır. İçeriklerine göre Organik veya İnorganik olarak sınıflandırılırlar. Nihai ürünün yapısına ve kullanılan diğer dolgulara bağlı olarak opak (ışığı geçirmeyen) veya şeffaf olabilirler. Saydam olarak kullanılan renklendiriciler, organik yapılı maddelerdir. Saydam renklendiricinin kırılma indisi, plastiğin kırılma indisine yakın olmalıdır. Opak renklendiriciler ise organik ve inorganik kaynaklı olabilirler. Pigmentlerin tanecik büyüklüğü, ışık ve ısı haslıkları onların hangi tür plastik içinde kullanılacağını belirleyen temel unsurlardır. Boyama şiddetinin yüksek olması pigmentlerin çok iyi dağılmasını gerektirir. Aşağıdaki Tablo 2’de organik ve inorganik pigmentlerin karşılaştırması görülebilir.

Tablo:2 Organik ve İnorganik Pigmentlerin Karşılaştırılması

En sık kullanılan renklendiricileri aşağıdaki şekilde sınıflandırabiliriz:

• Beyaz renk için; titan dioksit, baryum sülfat, çinko oksit,
• Gümüş rengi için; ince alüminyum tozu,
• Sarı renk için; titan sarısı, krom sarısı, kadmiyum sarısı,
• Mavi renk için; krom yeÅŸili,
• Kırmızı renk için; kadmiyum kırmızısı, demir 2 oksit,
• Siyah renk için; karbon siyahı,
• Parıltılı görünüm elde etmek için; mika, kurÅŸun karbonat

9. Dolgular ve Dayanım Artırıcı Katkılar

Plastiklerin bilinen özelliklerini değiştirmek ve geliştirmek amaçlı olarak dolgulardan faydalanılır. Bunlar belli ölçekteki mineral tozları veya lifli yapılardır. Bu katkı maddeleri plastiklerin mekanik, elektriksel ve ısısal özelliklerini etkiler, boyut kararlılığını sağlar, bazı hallerde de maliyetin düşürülmesine yardımcı olurlar. Proses şekline bağlı olarak, ya direkt hammadde ile karıştırılıp işlenir yada daha verimli olması açısından, bir ön hazırlık prosesinden (compound, masterbatch) geçirilerek uygun konsantre halinde kullanılırlar. Plastik içindeki dağılımı ve bağlayıcı katkıların kullanımı nihai özellikleri direkt etkiler.

Bunları 3 temel grupta toplamak mümkündür:

Elyaflar: Cam elyaf, karbon elyaf, polimerik elyaflar. Kesik veya sürekli elyaf formunda uygulanırlar. Kullanılan özel bağlayıcılar ile etkinlikleri artırılır. Kompozit uygulamalarının temel katkılarıdır.

Mineral dolgular: Kalsiyum ve baryum karbonatlar, talk, mika, kaolin. Çoğu zaman, boyutsal kararlılıkta olumlu etki ederler. Çoğunun fiyatı plastik fiyatından düşük olduğu için maliyeti olumlu yönde etkilerler. Miktar ve tipine bağlı olarak termal iletkenlik özelliklerini değiştirirler. Genelde yoğunluğun yükselmesine sebep olurlar.

Metal ve grafit tozları: Çok daha özel amaçlar için kullanılan bu katkılar, plastiğe ilave edildiklerinde yapıları gereği belirli oranda iletkenlik verirler.

Kaynaklar

1.Hanser Plastic Additive Handbook

2.Plastiklere İlave Edilen Katkı Maddeleri - Prof.Dr. Ayşegül AKDOĞAN

3. dwww.hammaddeleransiklopedisi.com

4. www.baerlocher.com

5. www.rustempolat.com

6.Kompound Teknolojisi, Kullanılan Katkılar ve Özellikleri (Seminer Eğitim Notları)- Rüstem POLAT

Erkan Ä°ndibay/Zirve Polimer Ltd. Åžti.

Rüstem Polat/Rüstem Polat Danışmanlık