plastik-ambalaj.com

Polimerik Köpükler – Köpük Morfolojisi

ÖZET

Günümüzde üretim alanında faaliyet gösteren sektörlerin verimliliği, çeşitliliği arttırmak ve maliyeti düşürmek adına farklı, kullanışlı, uygulanabilir ve sürdürülebilir ham madde ve ürün geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmaktadır. Teknolojinin sınırlarının minimum malzeme tüketimine odaklandığı dünyamızda polimerik malzemeler fonksiyonel malzeme üretimi açısından oldukça avantajlı bir ürün grubunu oluşturmaktadır. Hafiflik özelliği ile öne çıkan polimerik köpükler izolasyon sistemlerinden medikal implantlara kadar farklı birçok alanda kullanılmaktadır. Bunların yanında çeşitli sektörlerin ihtiyacı olarak bilinen artan tokluk, artan termal kararlılık ve ısıl yalıtım gibi özellikleri de içeren polimerik köpük malzemelerin araştırma- geliştirme çalışmaları yeni uygulama alanları yaratmaktadır. Bu özelliklere sahip olmasından dolayı endüstride genellikle polietilen, poliüretan, polivinilklorür, polistiren gibi polimerler kullanılmaktadır. Bu çalışmada polimerik köpük malzemelerin morfolojisi ve köpük morfolojisine etki eden faktörler açısından ele alınmakta ve bu malzemelerin morfoloji analizinde kullanılan yöntemlere değinilmektedir.

1. GİRİŞ

Gözenek terimi malzemenin yapısında içi hava dolu boşlukların olduğunu belirtmek için kullanılmaktadır. Gözenekli malzemeler temelde kompozit yapısındadır ve iki fazdan oluşmaktadır. Bunlardan temel faz; katı yani sürekli olan faz iken hava ise boşluğu oluşturan diğer fazdır. Gözenek kelimesinin kökeni Yunancaya dayanmaktadır. Geçmek anlamına gelen bu kelime dilbilimsel olarak üstesinden gelmek deyimini anımsatmaktadır.Gözenekli yapıya sahip farklı malzemeler (dokusuz yüzeyler, farklı tekstil yapıları, köpükler vs.) bulunabilmektedir. Bu malzemeler arasında köpükler doğal ve yapay malzemelerle elde edilebilmektedir. Mantar gibi bitkilerde kolay bir şekilde gözlenebilen doğal köpük morfolojisi, günümüzde metal, seramik, polimerik ve kompozit gibi farklı malzemelerle çeşitli yöntemlerle elde edilebilmektedir. Polimer esaslı köpükler, köpük yapıcı katkı maddelerinin üretim esnasında polimer matrisin içinde uçucu hale geçmeleriyle katı-sürekli polimer fazın içinde farklı büyüklükte ve yoğunlukta gözenekler oluşturmasıyla elde edilmektedir. Polimer esaslı köpükler elde edilen yapının morfolojisine, fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre gıda ambalajlarından, otomotiv koltuklarına kadar farklı birçok alanda kullanılabilmektedir.Polimerik köpükler düşük ağırlık, iyi kalıplanabilme performansı, darbe sönümleme, etkili paketleme, ısıl ve ses yalıtkanlığı, orta derece enerji emilimi ve düşük maliyet gibi benzersiz yapısal özellikleri nedeniyle çeşitli uygulamalarda önemli bir pay sahibidir. [1-8]

2. KÖPÜK MORFOLOJİSİ

Bu bölümde üç ana tipteki köpük geometrisinin tanımlanmasında kullanılan kavramlar ele alınacaktır.  

2.1 Açık ve Kapalı Hücreli Köpükler

Polimer esaslı köpüklerin sınıflandırılmasında kullanılan kriterlerden birisi hücre geometrisini, boyutunu ve şeklini tanımlamak için kullanılan hücre morfolojisidir. Morfolojik olarak polimerik köpükler, kapalı ve açık hücreli olmak üzere temelde iki grupta incelenmektedir. Şekil 1’de taramalı elektron mikroskobu ile elde edilen görüntülerde açık ve kapalı hücreli polimer köpüklerinin tipik mikroyapılarının karşılaştırılması verilmektedir.[3]

Açık hücreli köpüklerde hava boşlukları bir ağ şeklinde birleştiğinden tüm hücreler temas halinde olup, hava bu köpük hücrelerinin arasından serbestçe geçebilir. Şekil 1a’da görüldüğü gibi tüm hücre yüzeyleri açık olmasına rağmen sürekli hava geçişi için küçük bir bölümün sürekli açık bulunması gerekmektedir. Tipik bir kapalı hücreli termoplastik köpükte her bir hücre bağlantılı yüzeylerle çevrilidir, hücreler arasında bağlantı olmadığından hücreler birbirinden bağımsızdır ve bu hücreler arası herhangi bir geçiş söz konusu değildir. Kısmi (tam olmayan) hücrelerde kesik yüzeyler, kesik kenarlarla görünmektedir (Şekil 1b). Tam hücreler ise örnek alınan kesitin iç taraflarında bulunmaktadır.PU köpükler açık-kapalı hücre formunda olurken, termoplastik köpüklerin büyük çoğunluğunun kapalı hücrelerden meydana gelmektedir. Köpük yapıları üç ana unsuru içermektedir Hücre yüzeyleri kapalı hücreli PU köpüklerde daha kalın ve güçlü olmasına rağmen hücreler hasar görmüş veya bölünmüş halde olabilmektedir.[1-3].

2.2 Yoğunluk, Bağıl Yoğunluk

Köpük yoğunluğu köpüğün birim hacminin ağırlığını belirtmek için kullanılan bir terimdir(d=m/v). Yoğunluk malzemenin hafifliğinin bir göstergesidir. Yoğunluğu düşük olan polimerik köpükler daha hafiftir. Yoğunluk polimerin cinsine ve köpük morfolojisine bağlı olsa da genellikle 20–250 kgm^(-3)aralığındadır. Köpük bağıl yoğunluğu R olarak tanımlanmaktadır. R=ρƒ/ρp.Burada ρf, köpük yoğunluğunu, ρp polimer yoğunluğunu ifade etmektedir. Herhangi bir faz bulunmadığında (cam elyaf veya alev geciktirici katkıları gibi), R köpük içerisindeki polimerin hacimsel fraksiyonunu ifade etmektedir. Düşük yoğunluklu köpüklerde R<0.1 iken, enjeksiyon kalıplama işlemi ileelde edilen R değeri genellikle 0.4-0.8 aralığındadır.[1-3]

2.3 Kenarlar

Hücreleri birbirinden ayıran kısımlara kenar denilmektedir. Köpüklerin kenarları genellikle düzlem şeklindedir. Kapalı hücreli köpüklerde ise kenarlar hücre sınırlarına doğru daralmış şekildedir. Köpüklerin oluşmasını sağlayan filmler hücre yapısını oluşturmak için birleşmektedir. Bu sırada oluşan yapı basınç ve malzemenin yüzey enerjisinden önemli derecede etkilenmektedir. Yüzey enerjisi minimum seviyede olduğunda, hücre çeperleri, arayüz açıları 120 ° olacak şekilde birleşmektedir. Plato sınırı (Plateauborder) olarak tanımlanan bu kısım, Şekli 2’de görüldüğü gibi, üç tane filmin eğrilik yarıçapları r olacak şekilde biçimlenmesiyle oluşmaktadır. Açık hücreli PU köpüklerde plato sınırında kenar boyunca uzanan üç tane küçük sivri uç vardır. Bu sivri uçların arasındaki açılar 120 °’ye yakındır. Kenarlar genellikle geniş ve kısadır. Köşeler arasındaki minimum değer Şekil 3’ de gösterilmiştir.[3]

Kenarlar bazen hatalı bir şekilde destek kirişleri olarak tanımlanabilmektedir. Bu tür bir tanımlama yapıldığında kenarların mekanik fonksiyonunun aksiyal sıkıştırmaya karşı direnç göstermek olduğu çıkarımı yapılabilmektedir ki bu durum nadir olarak karşımıza çıkmaktadır.[3]

2.4 Duvar 

Poliüretan köpüklerinde yüzey merkezleri diğer bölgelere göre daha incedir ve kalınlıkları tipik olarak 1μm den küçüktür ve ince membranlar gibi davranırlar ve basınç etkisi altında buruşurlar. [3]

Duvarlar, deforme olmayan polimer köpüklerde hücreler arasında basınç farkı olmadığında genellikle düzlemseldir. Bazı kesit alınmış kapalı hücreli termoplastik köpüklerin taramalı elektron mikroskobundaki görüntüleri incelendiğinde yüzey merkezlerinin diğer bölgelerden daha ince olduğu gözlemlenmiştir. Termoplastik polimer esaslı köpükler poliüretan köpüklere kıyasla daha kalın yüzeye sahiplerdir. Bunun sebebi işleme sırasındaki viskozitenin yüksek olması ve köpük oluşumu sırasında genişlemek isteyen hücrenin oluşumuna karşı direnç oluşmasıdır.[3]

3.KÖPÜK MORFOLOJİSİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER

3.1Şişirme Ajanları

Şişirici maddenin cinsi ve konsantrasyonununköpüğün hücre morfolojisini ve köpüğün mekanik özelliklerini etkilediği bilinmektedir. Şişirme ajanı konsantrasyonudeğiştikçe, ortalama hücre büyüklüğü değişmekte ve köpük oluşumu sırasında birim hacim başına düşen hücre sayısını farklılaşmaktadır. Sonuç olarak köpüğün darbe enerjisini emme özelliğini değişmektedir.[9]

3.2Sıcaklık

Sıcaklık köpük morfolojisi üzerinde önemli bir faktördür. Olması gerekenden yüksek sıcaklıkta gazların genleşme özelliği değiştiği için, köpük morfolojisi ve mekanik özellikleri de değişmektedir. Daha yükseksıcaklıklarda, şişirme ajanları tarafından daha fazla hacme sahip gaz üretilmekte ve bu nedenle hücre köpüğünün daha da genişlemesini sağlanmaktadır. Daha sonra hücreler daha büyük bir hücre üretmek için birbiriyle temas etmekte vebirleşmektedirler. Böylelikle ortalama hücre büyüklüğü artmaktadır.Hücre boyutunu arttırmak, köpükhücresininstabilitesini olumsuz yönde etkilemekte ve hücre duvarlarının kırılmasına sebep olabilmektedir. [10]

4. KÖPÜK MORFOLOJİSİ ANALİZİNDE KULLANILAN YÖNTEMLER

Genellikle köpük morfolojisini analizinde taramalı elektron mikroskobu kullanılmaktadır.[1-5,17]Morfoloji analizinde hücre boyutu ve hücre yoğunluğu analiz edilmektedir. Çünkü hücre boyutu ve hücre yoğunluğu belirlenen bir köpük morfolojisi köpük hakkında yorum yapılmasına olanak sağlamaktadır. Böylelikle üretilen köpüğün kullanılabilirliği, istenilen özelliklere uygunluğu ve karşılaştırma sonuçları belirlenebilmektedir.

SONUÇ

Polimerik köpükler kolay üretim, hafiflik ve düşük maliyet gibi özellikleri yüzünden birçok uygulamada kullanılmaktadır.  Polimerik köpük morfoloji malzemenin yapısal, ısıl, mekanik ve izolasyon özelliklerini önemli boyutta değiştirdiği için, ürün tasarımında ve geliştirilmesinde dikkate alınması gereken en önemli faktörlerdendir. 

KAYNAKÇA

[1] Ruggero Gabbrielli, Foam geometry and structural design of porous material, Doktora Tezi, University of Bath

[2] S. Hakan YETGİN, Hüseyin ÜNAL, Polimer Esaslı Köpük Malzemeler, D.P.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 17. Sayı sayfa: 117-128, Aralık 2008

[3] Polymer Foams Handbook Engineering and Biomechanics Applications and Design Guide Author(s): NJ Mills ISBN: 978-0-7506-8069-1

[4] Kim, J.H., Koh, J.S., Choi, K.C., Yoon, J.M. & Kim, S.Y. (2007). Effects of foaming temperature and carbon black content on the cure characteristics and mechanical properties of natural rubber foams. J. Ind. Eng. Chem., 13(2), 198–205. Polymer Foams Handbook Engineering and Biomechanics

[5] Ruiz-Herrero, J.L., Rodriguez-Perez, M.A. & De Saja, J.A. (2005). Design and construction of an instrumented falling weight impact tester to characterise polymer-based foams. Polym. Test., 24, 641–647.

[6] Zhang, J. & Ashby, M.F. (1994). Mechanical selection of foams and honey combs used for packaging and energy absorption. J. Mater. Sci., 29, 157–163. 

[7] Wang, B.,Peng, Z., Zhang, Y.C. & Zhang, Y. (2007). Compressive response and energy absorption of foam EPDM. J. Appl. Polym. Sci., 105, 3462–3469 .

[8] Sims, G.L.A. & Bennett, J.A. (1998). Cushioning performance of flexible polyurethane. Polym. Eng. Sci.,38(1), 134–142.

[9] N.N. Najib, Z.M. Ariff, N.A. Manan, A.A. Bakar and C.S. Sipaut (2009). Effect of Blowing Agent Concentration on Cell Morphology and Impact Properties of Natural Rubber Foam. Journal of Physical Science, Vol. 20(1), 13–25, 2009

[10] Zunaida Zakaria, Zulkifl iMohamad Ariff, Tay Lee Hwa, Coswald Stephen Sipaut. Effect of Foaming Temperature on Morphology and Compressive Properties of Ethylene propylene die namonomer rubber (EPDM) Foam. Malaysian Polymer Journal (MPJ), Vol 2, No 2, p 22-30,2007

[11] Youssef S.,Maire E. & Gaertner R. (2005) Finite element modelling of the actual structure of cellular materials determinedby X-ray  tomography, Acta Mater. 53, 719–730.

[12] Kraynik A.M., Neilsen M.K. et al. (1999) Foam micromechanics, in Foams and Emulsions, Eds. Sadoc J.F. & Rivier N., Nato ASI Series E, Vol. 354, Kluwer, Dordrecht.

[13] Kusner R. & Sullivan J.M. (1966) Comparing the Weaire–Phelanequal-volume foam to Kelvin’s foam, Forma 11, 233–242. 

[14] Weaire D. & Hutzler S. (1999) The Physics of Foams, Clarendon Press, Oxford.

[15] Foams and Emulsions J.F. Sadoc, N. Rivier

[16] Rhodes M.B. (1994) Characterizations of polymeric cellular structures, in Low Density Cellular Plastics, Eds. Hilyard N.C. & Cunningham A.C.,Chapman&Hall, pp. 56–77.

[17] Chimezie Okalieocha, Thomas Köpll, Sabrina Telling, Folke J Tölle, Amir Fathi, Rolf Mülhaupt, Volker Altstatd. Journal of Cellular Plastics 51(4) • July 2015. Influence of graphene on the cell morphology and mechanical properties of extruded polystyrene foam

Emre ŞEHİTLİ, Utku KOCA, Hatice Aylin Karahan TOPRAKÇI

Yalova Üniversitesi Polimer Mühendisliği Bölümü