Yumuşak segment uzunluğunun genleştirilmiş termoplastik poliüretan (ETPU) tanecik köpük yapısına etkisi

İkinci dünya savaşından bu yana, birçok çeşit polimer ve polimer ürünleri geliştirilmiştir. Bunun nedeni, metaller ve kompozitler gibi diğer malzemelere kıyasla, polimerlerin viskoelastisite, camsı yapı ve yarı kristal oluşturma eğilimi gibi geniş yelpazedeki özellikleridir. Ancak polimerlerin en göze çarpan özellikleri, düşük yoğunlukları, imalat kolaylığı ve dolayısıyla düşük maliyetli olmalarıdır. Termoplastik poliüretan, termoplastik esaslı bir elastomerdir. Isıtıldığında yumuşayan, soğutulduğunda sertleşebilen ve bu özellikleri ile ekstrüzyon, enjeksiyon gibi ısıl-işlem proseslerinde rahatça işlenebilen bir özelliğe sahiptir. TPU yüksek aşınma direnci, geniş bir sıcaklık aralığında esneklik, yüksek bir uzama kuvveti, hava koşullarına karşı iyi direnç, yağ ve kimyasallara karşı direnç gibi birçok ayırt edici özellik gösterir. Bu özellikler, TPU'yu otomotiv gösterge panelleri, döküm tekerleri, elektrikli el aletleri, spor malzemeleri, tıbbi cihazlar, tahrik kayışları, ayakkabılar, şişme sallar ve çeşitli ekstrüde film, levha ve profil uygulamaları gibi yüzlerce uygulama için son derece yararlı kılmaktadır. TPU, NCO fonksyonel grubuna sahip diizosiyanatlar, OH fonksyonel grubuna sahip dioller ve zincir uzatıcıları olarak işlev gören kısa zincirli diollerin oluşturduğu kopolimerlerdir. Diizosiyanatlar ve kısa zincirli dioller sert, dioller ise yumuşak segmentleri oluşturur. Reaksiyon bileşiklerinin oranını, yapısını veya molekül ağırlığını değiştirerek, farklı özellikte TPU'lar üretilebilir. Bu varyasyonlar malzemenin istenen nihai özelliklerinin yaratılmasına izin verir. Örneğin, yumuşak segmentlerin sert segmentlere oranla daha çok olması, daha yumuşak bir TPU ile sonuçlanacak, tersi ise daha sert bir TPU ile sonuçlanacaktır. TPU'nun poliol zinciri polieter bazlı ya da poliester bazlı olabilir. Poliester TPU'lar polar plastiklerle uyumludur, iyi bir fiziksel özellik dengesi sunar ve harman polimerle kullanım için mükemmeldir. Polieter TPU'lar ise poliesterden özgül ağırlıkta biraz daha düşüktür. Düşük sıcaklık esnekliği ve iyi sürtünme ve yırtılmaya karşı dayanıklılık sunarlar. Mükemmel hidroliz direncini sağlarlar; bu da suyun dikkate alındığı uygulamalar için çok önemlidir. TPU'lar ayrıca aromatik ve alifatik izosiyanatlar olarakta sınıflandırılabilir. Metilen difenil diizosiyanat (MDI) gibi aromatik izosiyanatlı TPU'lar esneklik, dayanıklılık ve tokluk gerektiren uygulamalarda kullanılabilir. Metilen disikloheksil diizosiyanat (H12MDI), heksametilen diizosiyanat (HDI) ve izoforon diizosiyanat (IPDI) gibi alifatik izosiyonatlara sahip TPU'lar optik netlik, yapışma ve yüzey korumasının gerekli olduğu projelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Polimer köpükler, kabarcıklar (hücreler) içeren bir polimer matrisinden oluşur. Bu hücreler hava tünelleriyle bağlantılı ise açık hücreli, değilse kapalı hücreli köpük olarak adlandırılır. Açık hücreli köpükler genellikle esnektir, kapalı hücreli köpükler ise genellikle daha serttir. Köpükte kullanılan gaz, kimyasal veya fiziksel olabilen köpürtme ajanı olarak bilinir. Fiziksel köpürtme ajanları, köpürme işleminde kimyasal olarak reaksiyona girmeyen gazlardır, kimyasal köpürtme ajanları ise reaksiyona girer ve işlem sırasında kimyasallar açığa çıkarır. Polimer köpükler, ayrıca sert veya esnek köpüklere ayrılan termoplastik veya termosetlere ayrılabilir. Termoplastikler genellikle kırılabilir bağlara sahiptir ve geri dönüşümü mümkündür, termosetler ise çokca çapraz bağa sahiptirler ve geri dönüşümü daha zordur. İlk polimer köpük 1930'larda üretilmiş olan köpürtülmüş polistirendir. İkinci Dünya Savaşı sırasında ilk poliüretan üretilmiştir. Savaştan sonra, esnek poliüretan köpük mobilya ve otomotiv endüstrisi için üretilmiş ve kullanılmıştır. Sonraki yıllarda polimer köpükler, enjeksiyon köpürtme ve çeşitli ekstrüzyon teknikleri gibi yeni teknolojiler ile üretilerek daha yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır. Son yıllarda, tanecik köpürtme teknolojileri, örneğin sualtı peletleme ile köpük ekstrüzyonu, köpürtme ajanı ile süspansiyon polimerizasyonu ve otoklav köpürme işlemi gibi çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Otoklav prosesi genellikle polimerlerin köpürme davranışını incelemek için kullanılır fakat bazı endüstriyel uygulamalar için de mevcut olan bir işlemdir. Bu işlemde polimer yüksek basınçlı bir kapalı bir sistemde ilk olarak fiziksel köpürtme ajanı ile (genellikle CO2 ya da N2) doyurulur. Daha sonra köpürme, bir termodinamik dengesizlikle tetiklenmelidir. Bunun için iki yöntem bulunmaktadır; ani basınç düşüşü yöntemi (basınç metodu) ya da anı sıcaklık artışı yöntemi (sıcaklık metodu). Ani basınç düşüşü yönteminde, basınç düşüş oranının kabarcık nükleasyonu üzerindeki etkisi incelenebilir, ani sıcaklık artışı yöntemi ise polimerin işlem aralığını araştırmak için kullanılabilir. Polimer köpüklerin çok yaygın kullanılmasının nedeni, oldukça hafif ve düşük maliyetli ürünler olmalarının yanısıra, düşük yoğunluk ve yalıtım özellikleri gibi birçok avantajlı özelliğe sahip olmalarıdır. Tanecik köpükler ise diğer köpük teknolojilerine kıyasla üç boyutlu kompleks ürünler oluşturabilir. Bu tez, genleştirilmiş termoplastik poliüretanın (ETPU) tanecik köpürme işlemiyle köpürme davranışına odaklanmaktadır. Farklı molekül ağırlığına ve farklı poliol tiplerine sahip TPU'lar incelenmiştir. Proses koşullarının (doyma basıncı, sıcaklığı ve zamanı) köpük morfolojisine etkisi ve basınç düşüş oranının kabarcık nükleasyonuna etkisi araştırılmıştır. İlk olarak, bozulma başlangıcı ve termal ayrışma davranışını araştırmak için TPU örnekleri termal gravimetrik analiz (TGA) ile analiz edilmiştir. Malzemenin eriyik davranışını daha iyi anlamak için, malzemenin reolojik özellikleri salınımlı reometre ve eriyik akış indeksi ölçüm cihazlarıyla ölçülmüştür. Daha sonra, moleküler ağırlığın ve TPU'nun poliol tiplerinin kristalizasyon davranışı üzerindeki etkisi, diferansiyel taramalı kalorimetrisinde (DSC) non-izotermal eriyik analizi ile araştırılmıştır. Ayrıca köpürtme prosesinin de bir adımı olan izotermal tavlamanın kristalleri nasıl modifiye edebileceği ve kabarcık nükleasyonunu nasıl etkileyebileceğini anlamak amacıyla, DSC'de izotermal erime analizi yapılmıştır. Termal analizlerden sonra numunelerin optimum işlem sıcaklıklarını bulmak için 30 dakika boyunca 2000 psi basınç altında farklı sıcaklıklarda köpürtme deneyleri yapılmıştır. Tüm numuneler için optimum sıcaklıklar belirlendiğinde, doyma basıncının köpük yapısı üzerindeki etkisinin görülmesi için, 30 dakika boyunca 1000psi ve 1500psi basınç altında da optimum sıcaklıklarıyla köpürtme işlemi yapılmıştır. Daha sonra doyma zamanının etkisinin görülmesi için 15 dakika ve 60 dakika boyunca 2000 psi basınç altında optimum sıcaklıklarında da tekrarlanmıştır. Dahası, kristallerin CO2 altında izotermal tavlama ile nasıl modifiye edildiğini anlamak amacıyla, tüm numuneler için köpürtmeye sebep vermeyecek yavaşlıkta bir basınç düşüşü ile tüm işlem koşulları tekrarlanmıştır. Köpürtülmüş termoplastik poliüretan örnekleri farklı açılardan karakterize edilmiştir. İlk olarak, köpürtülmüş numunelerin yoğunlukları suda ölçülmüş ve arşimet denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Daha sona genleşme katsayıları yoğunluklarından yola çıkarak hesaplanmıştır. Diğer yandan, köpürtülmüş numunelerin hücresel yapıların morfolojisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak gözlenmiştir. Taramalı elektron mikroskobunda hücresel yapı tayini yapıldıktan sonra ise tüm numunler için hücrelerin polimer matrixi içerisindeki dağılımları ve hücre boyutları incelenmiş ve her bir numunenin hücre yoğunlukları hesaplanmıştır. Son olarak köpükleşmenin sert segment kristallerine olan etkisini gözlemlemek için, köpürtülmüş numunelerin DSC ile termal analizleri de yapılmıştır.