Cam elyaf katkılı PBT ve PBT/PET harmanlarının mekanik, termal ve alevlenmeyi geciktiricilik özelliklerinin incelenmesi

Son yıllarda, özellikle yüksek performans kriterlerine ihtiyaç duyulan alanlarda mühendislik plastiklerinin kullanımı gitgide artmıştır. Bu performans özelliklerine örnek olarak; gelişmiş mekanik özellikler, yüksek aşınma dayanımı, termal ve elektriksel dayanıklılık ile gelişmiş yanmazlık özellikleri gösterilmektedir. Plastikler uzay ve havacılık, inşaat, savunma sanayi, otomotiv, elektrik ve elektronik gibi stratejik öneme sahip birçok farklı sektörde kullanılmaktadır. Bu sebeple de mühendislik plastiklerinin mekanik, termal ve yanmazlık özelliklerinin geliştirilmesi önem arz etmektedir. İstenen bu yüksek performans kriterlerine ulaşmak için birçok araştırmacı ve üretici, takviye ajanları ile katkılar kullanmaktadır. Cam elyaf genel olarak esneklik, dayanıklılık ve sertliğin sağlanması amacıyla polimerik yapıya takviye için kullanılır. Cam elyaf takviyeli plastikler, kullanılan reçineye göre farklı yanma davranışları sergilemektedir. Daha önce yapılan çalışmalarda, bilim insanları, yanma durumunda gösterdikleri üstün performanstan dolayı halojenli alev geciktiricileri kullanmayı tercih etmişlerdi. Ancak halojenli alev geciktiricilerinin yanma esnasında çıkarmış oldukları zehirli gazlar, çevre ve sağlık üzerinde yarattığı olumsuz etkiler göz önünde bulundurularak yasal kısıtlamaların oluşturulmasını (REACH) mecbur kılmıştır. Ayrıca plastiklerin termal özelliklerinin geliştirilmesi için yüksek sıcaklıklarda kararlılığını koruyan mineral katkılar kullanılmaya başlanmıştır. Halojensiz alev geciktiriciler ve mineral katkıların bir arada kullanılması ise mühendislik plastiklerinin alev dayanımı üzerine yeni bir bakış açısı kazandırmıştır. Bu katkı maddelerinin bir arada kullanılması performansı olumlu yönde etkilediği gibi maliyeti de düşürücü bir etki göstermiştir. Poli(bütilen tereftalat) (PBT) yüksek boyutsal kararlılığı, yüksek nem direnci, prodüktivitesi ve hızlı çevrim süresi sayesinde mühendislik plastikleri arasında sıkça tercih edilmektedir. Ancak geliştirilmiş mekanik özellikleri göz önünde bulundurulduğunda cam elyaf takviyeli PBT çeşitlerinin endüstride çok daha yoğun olarak kullanıldığını söyleyebiliriz. Cam elyaf takviyeli Poli(bütilen tereftalat) /Poli (etilen tereftalat) (PBT/PET) harmanlarının da parlak yüzey görünümü, yüksek sertlik, mukavemet ve yüksek sıcaklık dayanımı gibi özellikleri endüstride tercih sebebi olarak gösterilmektedir. Ancak cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanlarının kullanılmasındaki en önemli sebeplerden biri PET'nin PBT'ye oranla daha düşük fiyata sahip olması ve buna bağlı olarak da yüksek fiyat/performans yüzdesinin elde edilmesidir. Halojen bazlı alev geciktiricilerin kullanımının kısıtlanması ardından, halojensiz fosfor bazlı alev geciktirici katkılar mühendislik plastiklerinde yüksek alev dayanımı sağladığı için kullanılmaya başlanmıştır. Bu çalışmada tüm numuneler aynı yönlü çift vidalı ekstrüder kullanılarak hazırlanmış ve enjeksiyonlu kalıplama ile de şekillendirilmiştir. Ana alev geciktirici katkı olarak halojensiz fosfor bazlı alüminyum dietil fosfinat kullanılmıştır. Bu katkının ticari ismi DEPAL olarak geçmekle birlikte, bilimsel çalışmalarda daha çok AlPi – Et olarak tanımlandığı görülmüştür. Çalışmada yardımcı alev geciktirici olarak aynı kimyasal yapıdaki fakat parçacık boyutu ve spesifik yüzey alanı farklı iki çeşit alüminyum bazlı mineral katkı kullanılmıştır. Deneyin ilk aşamasında parçacık büyüklüğü 1,2 µm, ticari adı Actilox B60 olan mineral katkı; deneyin ikinci aşamasında ise parçacık büyüklüğü 2,3 µm, ticari adı Actilox B30 olan mineral katkı kullanılmıştır. Bu katkı bilimsel çalışmalarda boehmite olarak adlandırılır ve kimyasal formülü AlO(OH)'tir. Saf PBT olarak hazırlanan kontrol numunesi dışındaki tüm numuneler %20 alev geciktirici katkı içermektedir. Diğer tüm numuneler 3 ayrı matriste ekstrüde edilmiştir. Bu matrisler saf PBT, cam elyaf takviyeli PBT ve cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanı olarak sıralanmaktadır. Esas alev geciktirici ve yardımcı alev geciktiricinin optimum oranının belirlenmesi için her matriste 5 ayrı oranda deneme yapılmıştır. Deneylerin ilk aşamasında mineral katkı olarak Actilox B60 kullanılmış ve ana alev geciktirici/yardımcı alev geciktirici oranları şu şekilde belirlenmiştir: %20 DEPAL/%0 Actilox B60; %15 DEPAL/%5 Actilox B60; %10 DEPAL/%10 Actilox B60; %5 DEPAL/%15 Actilox B60 ve %0 DEPAL/%20 Actilox B60. Deneylerin ikinci aşamasında mineral katkı olarak Actilox B30 kullanılmış ve ana alev geciktirici/yardımcı alev geciktirici oranları ise şu şekilde belirlenmiştir: %20 DEPAL/%0 Actilox B30; %15 DEPAL/%5 Actilox B30; %10 DEPAL/%10 Actilox B30; %5 DEPAL/%15 Actilox B30 ve %0 DEPAL/%20 Actilox B30. Hazırlanan örneklerin yapısal özellikleri yoğunluk ve erime akış indisi (MFI) ölçülerek değerlendirilmiştir. Örneklerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla ise çekme modülü, çekme mukavemeti, kopmadaki uzama ve iki farklı sıcaklıkta (+23 ᵒC ve -30 ᵒC) Izod darbe mukavemeti ölçümleri yapılmıştır. Termal özellik incelemesi ise yük altında bozunma sıcaklığı (HDT), termal gravimetrik (TGA) ve diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) analizleri ile yapılmıştır. Örneklerin yanma performansı da UL 94 yanmazlık testi, kızgın tel alevlenebilirlik indeks testi (GWFI) ve kızgın tel ile tutuşma sıcaklığı (GWIT) ölçümü ile belirlenmiştir. Örneklerin yoğunluk ölçümleri sonucunda en yüksek yoğunluk değerini deneyin ilk aşamasında cam elyaf katkılı PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 Actilox B60 eklenen 16 numaralı örnekte, ikinci aşamasında ise cam elyaf katkılı PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 Actilox B30 eklenen 28 numaralı örnekte ölçülmüştür. Deneyin ilk aşamasında cam elyaf takviyesiz PBT matrisinde Actilox B60 miktarı artmasıyla yoğunluk değerinin de oransal olarak arttığı gözlenmiştir. Cam elyaf takviyeli PBT matrisi ve cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına aynı oranlarda Actilox B60 eklenmesi yoğunluğun aynı trendle artmasını sağlamıştır. Deneyin her iki aşamasında da beklenildiği üzere en yüksek yoğunluk değerleri, cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına yalnızca %20 oranında mineral bazlı yanmaz katkının eklenmesi ile elde edilmiştir. Deneyin her iki aşamasında da erime akış indisi incelendiğinde 3 farklı matrise de yalnızca %20 oranında halojensiz fosfor bazlı alev geciktirici katkının eklenmesi akışı kolaylaştırıcı bir etki yaratırken yalnızca mineral bazlı alev geciktirici katkıların eklenmesi düşük oranda da olsa akışı zorlaştırmıştır. Saf PBT'ye %20 oranında cam elyaf takviyesi yapılması beklenildiği üzere akış hızını yarı yarıya düşürmüştür. Aynı oranlarda yanmaz katkı içeren cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanı ile cam elyaf takviyeli PBT karşılaştırıldığında ise PET'nin akış hızını arttıran bir etki yarattığı görülmüştür. Actilox B60 ve Actilox B30 katkıların 3 farklı matrise aynı oranlarda ve ayrı ayrı eklenmesiyle elde edilen sonuçların hemen hemen aynı olduğu gözlemlenmiştir. PBT matrisine ağırlıkça %5 DEPAL ve %15 Actilox B60 katkılarının eklenmesiyle elde edilen 4 numaralı örnek ile PBT matrisine ağırlıkça %5 DEPAL ve %15 Actilox B30 eklenen 19 numaralı örnek akış hızları en yüksek olan örnekler olarak belirlenmiştir. Örneklerin mekanik özellikleri incelendiğinde; çekme mukavemeti ölçümlerinde yalnızca ağırlıkça %20 DEPAL içeren 1 numaralı örneğin mukavemetinin %60 oranında düşürdüğü; deneyin ilk aşamasında 5 numaralı örnekte kullanılan ağırlıkça %20 Actilox B60'ın ve deneyin ikinci aşamasında 20 numaralı örnekte kullanılan ağırlıkça %20 oranındaki Actilox B30'un çekme mukavemetini değiştirmediği gözlemlenmiştir. Cam elyaf takviyesi örneklerin çekme mukavemetini hemen hemen %100 arttırmıştır. Saf PBT'ye eklenen %20 oranındaki DEPAL'in çekme modülünü %31 oranında arttırdığı hesaplanmıştır. Deneyin ilk aşamasında 5 numaralı örnekte kullanılan ağırlıkça %20 Actilox B60'ın çekme modülünü %50 oranında arttırdığı; deneyin ikinci aşamasında 20 numaralı örnekte kullanılan ağırlıkça %20 oranındaki Actilox B30'un ise çekme modülünü hemen hemen hiç değiştirmediği gözlemlenmiştir. Beklendiği üzere deneyin her iki aşamasında da cam elyaf takviye edilen tüm örneklerin çekme modülü artmıştır. Ayrıca cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisine sahip örnekler diğer tüm örneklerden daha yüksek çekme modülü değerine sahiptir. Çekme mukavemetinin cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B60 içeren 16 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 28 numaralı örneklerde en yüksek, çekme modülünün cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %5 DEPAL ve ağırlıkça %15 Actilox B60 içeren 15 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 28 numaralı örnekte en yüksek ve kopmadaki uzama oranları ise ağırlıkça %20 Actilox B60 içeren 5 numaralı örnekte ve ağırlıkça %20 oranında Actilox B30 içeren 20 numaralı örneklerde en yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Kopmadaki uzama ölçümleri ayrıca incelendiğinde alev geciktirici katkıların matrise eklenmesi ile değerlerde yüksek oranda bir düşüşün gözlendiği belirlenmiştir. Özellikle cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisine yanmaz katkıların eklenmesi ile en düşük kopmadaki uzama oranları elde edilmiştir. Actilox B30 mineral katkı içeren örneklerin kopmadaki uzama oranlarının Actilox B60 mineral katkı içeren örneklere kıyasla daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. 23 °C ve -30 °C'larda gerçekleştirilen Izod darbe mukavemeti testlerinde, en yüksek darbe mukavemeti 23 °C'de cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 DEPAL katkısı eklenen 12 numaralı örnekte, cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 Actilox B60 eklenen 16 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT matrisine ağırlıkça %5 DEPAL ile %15 Actilox B30 eklenen 23 numaralı örnekte; -30 °C'de ise cam elyaf takviyeli ağırlıkça %20 DEPAL içeren 7 numaralı örnekte, cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 DEPAL eklenen 12 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 24 numaralı örnekte ölçülmüştür. Termal özellikler incelenirken, yük altında bozunma sıcaklığı en yüksek olan örneklerin; cam elyaf takviyeli ağırlıkça %20 DEPAL içeren 7 numaralı örnek, cam elyaf takviyeli PBT matrisinde ağırlıkça %5 DEPAL ile %15 Actilox B60 içeren 10 numaralı örnek ve cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %15 DEPAL ile %5 Actilox B30 içeren 5 numaralı örnek olduğu görülmüştür. DEPAL ve Actilox B60 katkıları yük altında bozunma sıcaklığını arttırıcı yönde etki ederken Actilox B30 ise düşürücü yönde etki etmiştir. Termal gravimetrik analiz sonucunda, eklenen tüm katkıların; saf PBT dışında da kullanılan tüm matrislerin bozunmaya başladığı sıcaklık düşmüştür. En yüksek bozunmaya başlama sıcaklıkları deneyin ilk aşamasında cam elyaf takviyeli PBT matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B60 içeren 11 numaralı örnekte, ikinci aşamasında ise cam elyaf takviyeli PBT matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 24 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 28 numaralı örnekte incelenmiştir. Örneklerin yanma performansı incelendiğinde ise halojensiz fosfor bazlı yanmaz katkının, yanma özellikleri üzerinde olumlu yönde büyük bir etkisi olduğu görülmüştür. Yalnızca mineral bazlı katkıların kullanıldığı örneklerin UL 94 standartlarına uymadığı ve %5 oranında bile fosfor bazlı yanmaz katkı içeren örneklerin UL 94 standardına uygun sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu durum mineral bazlı katkıların metal oksit içeriğinden kaynaklanmaktadır. Kızgın tel tutuşma sıcaklıkları incelendiğinde ise deneyin her iki aşamasında da Actilox B60 veya Actilox B30 mineral bazlı katkıların eklenmesi tutuşma sıcaklığını değiştirmemiştir. En yüksek tutuşma sıcaklıkları; yanmaz katkı içermeyen cam elyaf takviyeli 6 numaralı örnekte, cam elyaf takviyeli ağırlıkça %20 DEPAL içeren 7 numaralı örnekte, cam elyaf takviyeli ağırlıkça %15 DEPAL ile %5 Actilox B60 içeren 8 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli ağırlıkça %10 DEPAL ile %10 Actilox B60 içeren 9 numaralı örnekte olduğu görüşmüştür. Kızgın tel alevlenebilirlik indeksi ölçümlerinde ise yine içinde halojensiz fosfor bazlı yanmaz katkı bulunmayan örneklerin testi geçemediği görülmüştür. Tüm deneyler sonucunda, %20 cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %5 DEPAL ile %15 Actilox B30 içeren 27 numaralı örnek en iyi mekanik, termal ve yanma performansı sonuçlarını vermiştir.