Ekstrüzyon yöntemiyle yüksek darbe dayanımlı polistiren köpük malzemesinin geliştirilmesi

İkinci dünya savaşından günümüze kadar, polimer endüstrisi yıldan yıla gelişerek büyümüştür. Günümüzde, kullanılan polimer malzeme miktarları oldukça fazla olup, yılda yüzlerce milyon polimer ürün üretilmektedir. Polimer sektörünün bu denli büyümesinin ana nedeni, polimer malzemelerin özelliklerinin diğer metalik ve seramik malzemeler ile kıyaslandığında avantajlarının oldukça fazla olmasıdır. Öncelikle, polimerler pek çok malzemeye oranla daha hafif materyeller olup, üretimleri oldukça kolaydır. Ayrıca polimerler metaller gibi korozyona uğrayarak aşınmazlar. Polistiren (PS) amorf kimyasal yapıdaki polimerlerden olup, 105 oC camsı geçiş sıcaklığına sahiptir. Fiyat olarak pahalı değildir ve en çok kullanım alanına sahip olan polimer malzemelerden biridir. Kullanım alanlarına örnek olarak ise: plastik çatal, bıçak ve tabak parçaları, oyuncaklar, otomotiv endüstrisi, beyazeşya endüstrisi ve elektronik olarak gösterilebilir. Genel amaçlı polistiren (GPPS) ve yüksek darbe dayanımlı polistiren (HIPS) polistiren malzeme türlerindendir. GPPS, şeffaf ve kırılgan yapıda bir malzeme olup, polimer sektöründe daha çok kristal adıyla bilinmektedir. HIPS ise, içeriğinde % 5-15 aralığında polibütadien (PB) kauçuğu bulundurmaktadır. Darbeyi daha iyi sönümleme özelliği, yapısındaki kauçuktan gelmektedir. HIPS, PS ve PB malzemelerinin birbiri içerisinde karışmayan harman yapısından oluşmaktadır. Köpürtülmüş polimerler, polimer matriksin içerisinde gaz boşlukları (hücre) ve porlar içeren polimerler olarak tanımlanabilir. Köprtülmüş polimerler oldukça hafif ve düşük maliyetli ürünlerdir. Ayrıca, geleneksel köpürtülmemiş polimerlerle kıyaslandığında, karşılaştırılabilir mekanik özelliklere ve ağırlıklarına oranla oldukça yüsek mukavemet değerlerine sahiptirler. Bu gibi avantajlarından dolayı, polimer köpük malzemeler otomobil parçaları, paketleme sektörü, sandviç kapları, inşaat yalıtım sektörü, spor ekipmanları endüstrisi gibi bir çok uygulama alanında kullanılmaktadır. Köpürtülmüş ürünler elde edebilmek için, polimer malzemenin yanı sıra köpürtücü ajanların da kullanılması gerekmektedir. Köpürtücü ajanlar, fiziksel köpürtücü ajanlar (PBAs) ve kimyasal köpürtücü ajanlar (CBAs) olmak üzere iki sınıfa ayrılmaktadırlar. Fiziksel köpürtücü ajanlar; gaz, sıvı veya süper-kritik faz formunda olup, proses esnasında polimer matriksin içerisine direkt olarak enjekte edilmektedir. Kimyasal köpürtücü ajanlar ise katı granül veya toz formunda malzemeler olup, proses esnasında sıcaklıkla beraber dekompoze olarak gaz açığa çıkarmakta, bu sayede polimer malzemede köpürtme sağlanmaktadır. Polimer köpük malzemeler hücre morfolojisine göre açık veya kapalı hücreli; şişme oranına göre yüksek yoğunluklu, orta yoğunluklu ve düşük yoğunluklu, hücre yoğunluğu ve hücre boyutuna göre mikro hücreli, ince hücreli ve geleneksel köpükler olmak üzere sınıflandırılırlar. Polimer köpük malzemeler üretebilmek için pek çok geleneksel polimer proses etme yöntemi kullanılabilir. Sürekli prosesler ve batch prosesi, iki farklı polimer köpük üretim yöntemine örnektir. Sürekli prosesler de kendi içerisinde ekstrüzyon köpürtme ve emjeksiyon köpürtme (yarı-sürekli) prosesleri olarak iki farklı grupta incelenebilir. Ekstrüzyon köpürtme prosesinde, proses esnasında direkt olarak fiziksel köpürtücü ajan enjeksiyonu veya kimyasal köpürtücü ajanın dekompozisyonu ile polimer/gaz karışımı yüksek basınç altında oluşturulur. Proses içerisindeki basınç, polimerin gaz çözünürlük limitinin altındayken gaz, polimer içerisinde çözünür. Polimer/gaz karışımı ekstrüderin kalıp bölgesine geldiğinde ise, burada oluşan ani basınç düşüşü termodinamik bir kararsızlık yaratır. Bu sayede, bu bölgede hücre çekirdeklenmesi ve büyümesi başlar. Bu tez çalışmasında, çift vidalı ekstrüderde, iki farklı kimyasal köpürtücü ajan kullanılarak, HIPS polimerinin köpürtme davranışı incelenmiştir. Köpürtülmüş numuneleri elde etmek için, 4 mm uzunluğunda ve 2 mm çapında filament kalıbı kullanılmıştır. Kimyasal köpürtücü ajanların birbirinden farklı tarafı ajanların dekompozisyon sıcaklıklarıdır. CBA-1 ve CBA-2 olarak adlandırılan bu iki kimyasal köpürtücü ajanın, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve termal gravimetrik analiz (TGA) cihazları kullanılarak termal özellikleri ve dekompozisyon sıcaklıkları belirlenmiştir. Proses sıcaklıklarının köpürtme davranışı üzerindeki etkisinin görülmesi amacıyla, CBA-1 için üç, CBA-2 için ise beş farklı ekstrüder kovan sıcaklık profili belirlenmiştir. Her iki köpürtücü ajan için de optimum proses sıcaklık profili belirlendikten sonra, beş farklı kalıp sıcaklığı kullanılarak (en düşük sıcaklıktan en yüksek sıcaklığa kadar), her iki köpürtücü ajan için de denemeler yapılmıştır. Bu deneyler ile, kalıp sıcaklığının HIPS polimerinin köpürtme davranışı üzerindeki etkisi incelenmiş, her iki köpürütücü ajan için de en uygun kalıp sıcaklıkları belirlenmiştir. Bir sonraki adımda, köpürtücü ajan oranının köpürtme üzerindeki etkisi incelenmiştir. Her iki köpürtücü ajandan da üç farklı oranda (düşük, ortalama ve yüksek oran) kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. En uygun köpürtücü ajan oranları belirlendikten sonra, ekstrüder vida dönüş hızının (RPM) HIPS polimerinin köpürtme davranışına etkisi incelenmiştir. Dört farklı vida dönüş hızı (düşük, ortalama, yüksek ve çok yüksek RPM) uygulanmış, ve her iki köpürtücü ajan için de en uygun RPM belirlenmiştir. Bu tez çalışmasında, HIPS polimerinin köpürtme davranışının incelenmesine, GPPS ve HIPS polimerlerinin farklı oranlarda harmanlanmasıyla devam edilmiştir. Ağırlıkça farklı oranlarında (sadece HIPS, HIPS ve düşük oranda GPPS harmanı, HIPS ve yüksek oranda GPPS harmanı) harmanlar hazırlanarak, GPPS'in köpürtme üzerindeki etkisi, her iki köpürtücü ajan için de incelenmiştir. Sonrasında, çekirdeklendirici ajan olarak farklı oranlarda, üç farklı inorganik katkı kullanılmış ve farklı oranlardaki farklı çekirdeklendirici ajanların, HIPS polimerinin köpürtme davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çekirdeklendirici ajan olarak; düşük, ortalama ve yüksek oranlarda talk, kalsiyum karbonat ve mikro lamel yapılı talk kullanılmıştır. Köpürtülmüş HIPS filament numuneleri iki farklı açıdan karakterize edilmiştir. Öncelikle, köpürtülmüş numunelerin yoğunlukları saf su içerisinde ölçülüp, Arşimed eşitliği kullanılarak hesaplanmıştır. Sonrasında, her bir numunenin içerisindeki boşluk oranları hesaplanmışır. Ayrıca, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak, köpürtülmüş numunelerin hücresel yapıları incelenmiştir. İlk olarak, köpürtülmüş HIPS filamentleri sıvı azot altında kırılmış ve her bir numune altın ile kaplanmıştır. Elektron mikroskobunda hücresel yapı tayini yapıldıktan sonra ise, tüm numunelerin hücre boyutları, hücrelerin polimer matriks içerisindeki dağılımları incelenmiş, hücre yoğunlukları hesaplanmıştır.