Production of microporous polypropylene breathable films

Su buharı ve havayı geçiren ancak sıvılara karşı bariyer özellik gösteren polimerik yapılar nefes alabilen filmler olarak adlandırılır. Nefes alabilen filmler günümüzde oldukça geniş kullanım alanına sahiptir. Gelişen ve değişen yaşam standartları doğrultusunda yeni kullanım alanları bulan nefes alan filmler, monolitik ve mikro gözenekli olmak üzere temel olarak iki tür altında toplanabilir. Doğası gereği kendiliğinden nefes alan monolitik yapıların yanında poliolefin matrisine inorganik dolguların eklenmesi ve filmin gerdirilmesi ile elde edilen mikro gözenekli yapılar, ucuz ve kullanışlı olması nedeniyle kendisine yeni pazarlar oluşturabilecek potansiyeldedir. Nefes alabilen filmler başta hijyenik ürünler (bebek bezleri, kadın bağları, hasta bezleri), inşaat malzemeleri (çatı izolasyonu, duvar izolasyonu) ve kişisel koruyucu kıyafetler olmak üzere birçok endüstri dalında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Mikro gözenekli nefes alan filmler genellikle poliolefin matrisine inorganik dolguların eklenmesi ve elde edilen filmin gerdirilmesi ile yapıya mikro gözeneklerin kazandırılması sonucu elde edilir. Poliolefin matrisine dolgu yüklemesi oranı genellikle %10-70 aralığında değişir. Mikro gözenekli nefes alan film üretiminde yaygın olarak polietilen matrisi kullanılmaktadır. Dolgu olarak ise düşük elastikliğe ve poliolefinler ile düşük afiniteye sahip inorganikler kullanılabilir. Söz konusu dolguların hidrofobik olması, üretim prosesleri sırasında su tutmasını azaltacağı için istenilen bir özelliktir. İnorganik dolgu olarak kalsiyum karbonat, talk, kil, kaolin, silika, magnezyum karbonat, magnezyum sülfat, kalsiyum sülfat, alüminyum hidroksit, çinko oksit, zeolit, mika vb. yapılar kullanılabilir. Kişisel bakım ürünleri içerisinde kendisine kullanım yeri bulan mikro gözenekli nefes alan filmler kumaş ve/veya başka katmanlarla lamine edilerek alt tabaka olarak kullanılmaktadır. Bebek bezi bu duruma örnek verilebilir. Dolgu yüklenmiş ve gerdirilmiş film su buharı geçirgenliği sayesinde bez kullanıcılarına konfor sağlar ve lamine edilmiş hali ile birlikte bebek bezi içerisinde bağıl nem ve sıcaklık dengesi kurmaya yardımcı olur. Nefes alabilen film tek başına kullanıldığında sıvılara karşı bariyer özellik gösterirken su buharı geçirgenliği sağlayabilecek özelliğe sahiptir fakat tek başına kullanılacak kadar sağlam değildir. Bu nedenle kumaş ve/veya başka katmanlarla lamine edilerek hem kumaş benzeri özellikler hem de sağlamlık elde edilir. Lamine katman olarak polipropilen bazlı kumaşların kullanımı yaygındır. Polietilen matrisli mikro gözenekli nefes alabilen filmlerin ısı ile laminasyon prosesine tabi tutularak polipropilen bazlı kumaşlarla birleştirilmesi esnasında klasik yapıştırıcı, tutkal teknikleri kullanılır. Mikro gözenekli nefes alan filmlerin üretimi bir dizi prosesten oluşmaktadır. Öncelikle poliolefin matrisine dolgu yüklemesi, çift vidalı ekstrüderde karışım haline getirilerek (compounding) yapılır. Elde edilen karışım, dökme (cast) ekstrüzyon veya şişirme (blown) ekstrüzyon yöntemi kullanılarak film haline getirilir. Son olarak filme mikro gözeneklerin kazandırılması için gerdirme tekniği uygulanır. Tez çalışması kapsamında mikro gözenekli nefes alan filmlerin üretiminde kullanılan klasikleşmiş polietilen matrisi yerine polipropilen kullanımı amaçlanmıştır. İnorganik dolgu olarak ise yüzeyi modifiye edilmiş kalsiyum karbonat tercih edilmiştir. Polipropilen kumaş ile yapılan laminasyon prosesinde, polietilen yerine polipropilen matrisli mikro gözenekli film kullanımı daha uyumlu bir yapı elde edilmesini sağlayacaktır. Bu uyumlu yapının, laminasyon prosesindeki tutkal kullanımını azaltması ve proses zorluğunu iyileştirmesi beklenir. Ayrıca lamine olmayacak ve tek kat olarak kullanılacak yapılar için de mukavemeti yüksek filmlerin elde edilmesi günümüz ihtiyaçlarından biridir. Tez çalışmasının birinci aşamasında %50 (C1) ve %60 (C2) oranlarında yüzeyi modifiye edilmiş kalsiyum karbonat içeren polipropilen matrisli iki farklı bileşik çift vidalı ekstrüderde hazırlanmıştır. Ters sıcaklık profili ile 600 rpm hızında çalışılmış ve 3 mm boyutunda granüller elde edilmiştir. İkinci aşamada ise şişirme film ekstrüzyonu yöntemi ile elde edilecek örnekler için deneysel tasarım kurgulanmış ve değişken parametreler belirlenmiştir. Deneysel tasarım doğrultusunda gramaj, çekim eni ve gerdirme oranı sabit parametreler olarak kabul edilmiştir. Hazırlanan iki farklı bileşik (C1 ve C2) ve şişirme film ekstrüzyon prosesi sırasında kullanılacak olan lineer alçak yoğunluklu polietilen oranı değişken parametreler olarak belirlenmiştir. Bu doğrultuda, C1 ve C2 bileşiklerine %0 ve %15 oranında lineer alçak yoğunluklu polietilen katılması ile BF1, BF2, BF3 ve BF4 kodlu dört adet film örneği elde edilmesi planlanmıştır. Son aşamada ise nefes alabilirlik özelliği kazandırabilmek için gerdirme ünitesi kullanılarak mikro gözenekler elde edilmiştir. Gerdirme ünitesi olarak MDO (Machine Direction Orientation) ünitesi kullanılmış ve 1:4 oranında gerdirme yapılmıştır. MDO ünitesinde yer alan ön ısıtma, gerdirme, tavlama ve soğutma merdanelerinin sıcaklıkları malzeme yapısı doğrultusunda belirlenmiş ve üretim boyunca sabit tutulmuştur. Üretilmesi hedeflenen dört adet film örneğinin üçü malzeme yapısı doğrultusunda belirlenen kafa-vida sıcaklık profili ile 16 GSM olarak elde edilmiştir. Çalışma kapsamında polipropilen ve polietilen matrisli bileşikler temin edilmiş ve C1 ve C2 bileşikleri ile karşılaştırmalı olarak karakterize edilmiştir. DSC, FTIR ve kül testi uygulanan bileşiklerin malzeme yapısı analizlerle desteklenerek açıklanmıştır. Bileşik içerisindeki kalsiyum karbonat miktarının artması ile erime akış hızının ve yoğunluğun arttığı tespit edilmiştir. Polipropilen matrisli bileşiklerin içerisine işlenebilirliği arttırmak ve son ürün olarak elde edilecek mikro gözenekli filmin nefes alabilirliğini dengelemek için lineer alçak yoğunluklu polietilen eklenebileceği görülmüştür. Elde edilen film örnekleri DSC, FTIR, kül testi, erime akış hızı ve yoğunluk gibi yapı analizlerine tabi tutulmuştur. Film örneklerinin termal karakteristikleri ve içerdikleri yapıların absorpsiyon pikleri tespit edilmiştir. Kül testi sonucunda ise film matrisinde yer alan inorganik dolgu, yani kalsiyum karbonat oranı tespit edilmiştir. Film örneklerinin içerdikleri kalsiyum karbonat oranının erime akış hızı ve yoğunluk değerleri üzerine olan etkisi analizlerle gözlenmiştir. Polietilen matrisli bir mikro gözenekli film ise BF1, BF2 ve BF4 film örnekleri ile kopma uzaması, kopma kuvveti, elastik modülüs ve yırtılma direnci gibi mekanik özellikler açısından karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Polipropilenin daha rijit olmasından dolayı, tez çalışması kapsamında elde edilen film örneklerinin kopma kuvvetlerinin ve elastik modülüslerinin polietilen matrisli film örneğine göre daha yüksek olduğu kopma uzamalarının ise daha düşük olduğu görülmüştür. Yırtılma direnci değerlerinin ise polietilen matrisli film örneğine göre oldukça düşük seyrettiği tespit edilmiştir. Elde edilen film örnekleri kendi içerisinde kıyaslandığında ise mukavemet değerlerinin film matrisi içerisindeki kalsiyum karbonat oranı ile değiştiği görülmektedir. Kalsiyum karbonat miktarının artması ile mukavemet değerlerinde düşüş görülmektedir. En önemli parametrelerden biri olan nefes alabilirlik (su buharı geçirgenliği) ise MOCON analiz yöntemi kullanılarak karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Su buharı geçirgenliği temel olarak malzeme yapısı, kalsiyum karbonat miktarı ve gerdirme ünitesindeki gerdirme oranı ile ilişkilendirilebilir. Elde edilen film örnekleri kendi içerisinde kıyaslandığında su buharı geçirgenliğinin film matrisindeki kalsiyum karbonat oranı ile orantılı olduğu görülmüştür. Polietilen matrisli film örneği ile su buharı geçirgenliği açısından kıyaslandığında özellikle BF1 ve BF4 film örneklerinin kabul edilebilir olduğu görülmektedir. Tez çalışması kapsamında mikro gözeneklerin elde edilmesi amaçlanmıştır. Bu nedenle taramalı elektron mikroskobu kullanılarak, elde edilen film örneklerinin yüzey morfolojisi incelenmiş ve farklı çaplarda rastgele mikro gözeneklerin oluştuğu görülmüştür. Dikey düzlemde meydana gelen mikro gözeneklerin çaplarının yatay düzleme göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bu durum, gerdirme yönünün ve daha fazla strese maruz kalan düzlemin dikey yön olduğunu göstermektedir. Hijyen sektöründe kullanımı hedeflenen polipropilen matrisli mikro gözenekli nefes alan filmlerin su buharı geçirgenliği değerleri açısından pazara hitap edebileceği görülmüştür. Polietilen matrisli mikro gözenekli nefes alan filmlere göre daha mukavim malzemeler elde edilmiştir.