OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
KİMYASAL KÖPÜK AJANI KULLANILARAK ENJEKSİYONLA
ÜRETİLEN TALK/EPDM KATKILI POLİPROPİLEN KOMPOZİT KÖPÜK
MALZEMELERİN OTOMOTİV SEKTÖRÜNDE KULLANILABİLİRLİĞİ
S. Hakan Yetgin*, H. Ünal**, A. Mimaroğlu***
Dumlupınar Üniversitesi, Simav Teknik Eğitim Fakültesi, Kütahya
Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Esentepe Kampüsü, Sakarya
***Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Esentepe Kampüsü, Sakarya
*
**
ÖZET
Otomotiv endüstrisinde, otomobil ağırlığının azaltılması en önemli faktörlerden birisidir. Bu da yeni hafif
malzemelerin üretimini ve kullanımını gündeme getirmektedir. Bu deneysel çalışmada, bazı otomobillerin
tamponlarında kullanılan talk ve EPDM katkılı polipropilen kompozit malzemesi kullanılmıştır. Katkısız polipropilen
(PP) polimeri ile ağırlıkça %20 talk ve EPDM katkılı PP polimer kompoziti geleneksel enjeksiyon kalıplama yöntemi
kullanılarak köpüklendirilmiştir ve özellik karşılaştırılmaları yapılmıştır. Köpük ajanı olarak, 140oC bozunma
sıcaklığına ve 130ml/g gaz oranına sahip endotermik tip kimyasal köpük ajanı kullanılmıştır. Kimyasal köpük ajanı, PP
polimeri ve talk/EPDM katkılı PP kompozitlere ağırlıkça %1 ve 2 oranlarında ilave edilmiştir. Köpüklendirilen
numunelerde yoğunlukta azalma miktarının, çekme ve darbe dayanımı gibi mekaniksel özellikler ile kabuk tabakası
kalınlığı, hücre yoğunluğu, hücre çapı ve hücre sayısı gibi hücre morfolojisine olan etkileri incelenmiştir. Deneyler
sonucunda, otomotiv endüstrisinde kullanılan talk ve EPDM katkılı PP kompozit köpük malzemenin çekme
mukavemeti, darbe mukavemeti, hücre çapı ve kabuk tabaka kalınlığı azalırken, hücre sayısı ve hücre yoğunluğu artış
göstermiştir. Buna ilaveten PP ve talk ve EPDM katkılı PP kompozite ilave edilen kimyasal köpük oranı arttıkça %8 ile
%29 arasında değişen oranlarda hafiflik elde edilmiştir. PP polimer ile talk ve EPDM katkılı PP kompozit köpük
malzemelerin mikroyapıları taramalı elektron mikroskobu(SEM) kullanılarak incelenmiştir.
Anahtar kelimeler: Polipropilen, PP köpük, Enjeksiyonla kalıplama, Hücre morfolojisi, Mekanik özellikler, Talk,
EPDM
USEABILITY OF INJECTION MOLDED POLYPROPYLENE(PP) AND
TALC-EPDM FILLED PP COMPOSITE FOAM MATERIALS IN
AUTOMOTIVE INDUSTRY
ABSTRACT
Lightness is a very important parameter in the automotive industry. So, automotive makers main aim is to use lighter
materials in automobile production. This state brings to the agenda producing lighter materials such as polymer foam
materials. In this study, polypropylene and talc and EPDM filled PP polymer composite materials were used as a matrix
materials. The chemical foaming agent was added into the PP polymer and PP-T-EPDM composite material at 1wt. %
and 2wt. % ratios. The PP polymer and 20%wt. talc and EPDM filled PP composite foams were produced using
traditional injection molding method. Mechanical and microscopy tests were carried out. The results indicate that tensile
strength, impact strength, cell diameter and skin layer thickness decrease while cell number and cell density of PP
polymer foam and PP-T-EPDM composite foam materials increase. In addition, lightness varies between 8% and 29%
depend on the amount of chemical foaming agent in PP and PP-T-EPDM composite. Moreover, scanning electron
microscope was used to characterize the PP polymer foam and PP composite foam structure
Keywords: Polypropylene, PP foam, Injection molding, Cell morphology, Mechanical properties, Talc, EPDM
1. GİRİŞ
Köpüklenme prosesi, kimyasal ve fiziksel köpük
ajanları
kullanılarak
polimer
esaslı
kompozit
malzemelerin ağırlığını azaltmak için geliştirilmiştir.
Azalan ağırlık nedeniyle, düşük maliyet ve makul
performans özellikleri elde edilmektedir. Bu özellikleri
nedeniyle köpüklendirilen plastikler otomotiv, uçak,
uzay, ambalaj ve termal yalıtım gibi endüstriyel
uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır [1, 2].
Polimer köpüklerin uygulama alanları, elde edilen
köpüğün hücre tipi, hücre boyutu, hücre boyut dağılımı
ve hücre yoğunluğu ile belirlenmektedir. Köpük yapısı
ise köpüklenme şartlarına, polimerin moleküler yapısına,
reolojik özelliklerine ve malzeme bileşenlerine bağlıdır
[2].
Temel
köpüklenme
prosesi
üç
aşama
geçekleşmektedir: Bunlar; polimer matris ile köpük
ajanının homojen karışımı, hücre çekirdeklenmesi ve
hücre büyümesidir [1]. Hücre çekirdeklenmesi, kritik
boyuta sahip çekirdekten termodinamik kararsızlık
nedeniyle faz ayrılması olayıdır. Sıcaklığın artması veya
basıncın azalması ile elde edilen termodinamik
kararsızlık, köpük ajanının çözünürlüğün azalmasına
sebep olmaktadır. Hücre büyümesi ise sıvı dinamiği,
kütle ve ısı transferi, polimer reolojisi ile kontrol
edilmektedir [1, 3].
Polimer
köpükler,
hücre
çapına
göre
sınıflandırılabildiği gibi hücre yapısına göre kapalı
hücreli veya açık hücreli köpükler olarak da
sınıflandırılabilir. Köpüklendirilecek malzeme ve
köpüklenme prosesine bağlı olarak açık veya kapalı hücre
yapısı kontrol edilebilir. Kapalı hücreli köpüklerde, her
bir hücre yapısı hücre duvarı ile çevrilmiş durumdadır ve
tüm hücreler birbirinden bağımsızdır. Açık hücreli köpük
yapısında ise tüm hücreler birbirleri ile temas halindedir
[1].
Köpüklendirilen polimerlerin mekaniksel özellikleri
ise köpüğün hücresel yapısı ile yakından ilişkilidir.
Üniform ince-hücreli veya mikrohücresel yapılı
köpüklerin, mekaniksel özellikleri artırdığı, bunun
sebebinin ise polimer matris içerisinde köpük ajanının
homojen dağılımı olduğu belirtilmiştir [1]. Ancak, Jie ve
arkadaşları [4], polimer matris içerisinde kabarcıkların
bulunması sebebiyle polimer köpüklerin köpüksüz
polimer malzemeye göre daha düşük mekanik dayanım
gösterdiğini belirtmiştir. Hwang ve arkadaşı [5], mikro ve
nano boyutlu silika katkılı PP polimer kompozit köpük
numunelerini enjeksiyon kalıplama yöntemi ile
üretmişlerdir. Köpüklendirilen silika/PP kompozitlerin
hücresel yapıya sahip olması nedeniyle çekme
mukavemetlerinin köpüklendirilmemiş polipropilen’e
göre daha düşük olduğunu belirtmişlerdir.
Polimer köpük malzeme üretiminde, ekstrüzyonla
köpük üretimi, enjeksiyonla köpük kalıplama, basınçlı
köpük kalıplama ve mikro-köpüklenme gibi farklı üretim
yöntemleri kullanılmaktadır [6]. Mikrohücresel yapılı
polimer köpük malzeme üretimi için enjeksiyonla
kalıplama prosesi kullanılmaktadır. Bu proseste çözünen
gazın viskoziteyi azaltması nedeniyle enjeksiyon basıncı
da azaltmaktadır. Ayrıca, kalıpta tutma zamanı, ütüleme
ve soğuma zamanının azalması nedeniyle çevrim zamanı
da azalmaktadır. Bu avantajlar nedeniyle, yapısal
enjeksiyon kalıplama teknolojisi, arzu edilen farklı ve
karmaşık yapılı geometrik parçaların üretiminde yaygın
bir şekilde kullanılmaktadır [1,4,7]. Schut [8], polimer
malzemenin köpüklenmesinin daha düşük sıcaklıkta ve
daha hızlı gerçekleşmesinin sebebinin köpük yapıcı gazın
plastikleştirici etkisinden dolayı olduğunu belirtmiş ve bu
durumun ürün maliyetini azalttığını ifade etmiştir. Guo ve
arkadaşları [9], enjeksiyon kalıplama prosesi ile
polipropilen köpük malzemelerin dinamik özelliklerini ve
hücre yapısını araştırmışlardır. Çalışmalarında polimer
malzemeye nanokil ilave edilmesi ile küçük hücre boyutu
ve yüksek hücre yoğunluğuna sahip hücre yapıları elde
etmişlerdir. Bledzki ve arkadaşları [10], enjeksiyonla
kalıplama tekniği kullanarak ürettikleri ahşap ve kendir
lifi takviyeli polimer kompozit köpük malzemelerini
incelemişlerdir. Polimere köpük ajanı ilave edilmesi ile
odun tozu/PP ve kendir lifi/PP kompozitlerin
yoğunluklarının sırasıyla %20 ve %25 oranlarında
azaldığını belirlemişlerdir. Xin ve arkadaşları [6], atık
araç lastiklerinin geri kazanılarak (WGRT)elde edilen
kauçuk tozu ile polipropilen polimerini enjeksiyonla
kalıplama yöntemi kullanarak köpük malzeme
üremişlerdir. PP köpük numunelerinde, ürettikleri atık
lastik tozlarının ve enjeksiyonla kalıplama proses
şartlarının hücre yapısını etkilediğini belirtmişlerdir. Atık
araç lastiklerinin geri kazanılarak mikro boyutta
ürettikleri kauçuk tozu katkının PP köpük malzemenin
hücre boyutunu azalttığı ancak hücre yoğunluğunu
artırdığını
belirlemişlerdir.
Yaptıkları
çalışmada,
enjeksiyonla kalıplama proses parametreleri arasında
kimyasal köpük ajanı miktarının hücre boyutu, hücre
yoğunluğu ve çekme dayanımını etkileyen en önemli
parametreler olduğunu belirtmişlerdir. Yaptıkları
deneylerde, ürettikleri polimer köpük malzemelerde
kabuk tabakası kalınlığının artması ve ağırlığının
azalması ile çekme dayanımının arttığını belirtmişlerdir.
Bu deneysel çalışmada, katkısız polipropilen (PP)
polimeri ve ağırlıkça %20 talk ve EPDM katkılı PP
kompoziti geleneksel enjeksiyon kalıplama yöntemi
kullanılarak köpüklendirilmiştir. Köpük ajanı olarak
endotermik tip kimyasal köpük ajanı kullanılmıştır.
Köpük ajanı, polimer ve kompozite ağırlıkça %1 ve %2
oranlarında ilave edilmiştir. Üretilen polimer köpük
numunelerde, yoğunlukta azalma miktarının malzemenin
çekme ve darbe dayanımı gibi mekaniksel özellikler ile
kabuk tabakası kalınlığı, hücre yoğunluğu, hücre çapı ve
hücre sayısı gibi hücre morfolojisine olan etkileri
incelenmiştir.
2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Bu deneysel çalışmada Exxon Mobil firmasından
temin edilen 25g/10dak. (230oC/2.16kg) ergime akış
indeksine sahip ve 0.90g/cm3 yoğunluklu PP3374E3
kodlu polipropilen (PP) malzemesi ve Lyondell Basell
firmasından temin edilen 17g/10dak. (230oC/2.16kg)
ergime akış indeksine sahip ve 1.0g/cm3 yoğunluklu TRC
103P kodlu %20talk/EPDM katkılı PP (PP-T-EPDM)
malzemeleri kullanılmıştır. Kimyasal köpük ajanı olarak
Tosaf firmasından temin edilen endotermik köpük ajanı
(Foaming MB-FA 2984 PE) kullanılmıştır. Köpük
ajanının bozunma sıcaklığı yaklaşık olarak 140oC olup
toplam bozunma miktarı 130ml/gr’dır. Polimer ve
polimer kompozit köpük üretim prosesi geleneksel tip
enjeksiyon
kalıplama
makinesi
kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. Enjeksiyonla kalıplama proses
şartları ise Tablo 1'de verilmiştir. Köpük ajanı, polimer ve
kompozitlere ağırlıkça %1 ve 2 oranlarında ilave
edilmiştir. Köpük yoğunluğu ISO 1183 standardına göre
belirlenmiştir.
Köpük
malzemelerin
mikroyapı
incelemeleri Nikon Eclipse L150A optik mikroskobu ve
buna bağlı olarak çalışan Clemex Vision Lite görüntü
analiz programı kullanılarak yapılmıştır. Birim hacimdeki
hücre yoğunluğu (Nf), Eşitlik 1’de verilen formül ile
hesaplanmıştır [11]. Eşitlik 1’deki “n” optik mikroskopta
elde edilen görüntüdeki hücre sayısıdır. A, optik
mikroskopta elde edilen görüntünün alanı ve M ise
büyütme faktörüdür.
 n× M 2 

N f = 
 A 
3
2
(1)
Köpüksüz numunenin 1 cm3’ündeki hücre sayısı
( N 0 ) ise Eşitlik 2 kullanılarak hesaplanmıştır.
No =
Nf
1−Vf
(2)
Burada, N f : birim hacimdeki hücre yoğunluğu, V f :
polimer köpükteki yoğunlukta azalma miktarıdır. Kabuk
tabakası kalınlığı ölçümleri, imaj analiz programı
yardımıyla mikroyapı resimlerinden yararlanılarak
bulunmuştur. Çekme testleri ISO 1926 standardına uygun
olarak
MIRC
350
Tensometre
cihazında
gerçekleştirilmiştir. 5 ton kapasiteli cihazda çekme hızı
50mm/dak. olarak sabitlenmiş ve deneyler oda
sıcaklığında (23oC) gerçekleştirilmiştir. Darbe testleri ise
ISO 179 standardına uygun olarak Zwick B 5113
cihazında, 15J'lük çekiç kullanılarak oda sıcaklığında
(23oC) gerçekleştirilmiştir.
Tablo 1. Enjeksiyon köpük kalıplama parametreleri.
Enjeksiyon Parametreleri
Değerler
Enjeksiyon basıncı, bar
60, 80, 100
Ütüleme basıncı, bar
20, 60, 100
Enjeksiyon hızı, mm/s
60, 80, 100
Ergiyik sıcaklığı, oC
160, 170, 180
Soğuma zamanı, s (sbt)
10
3. DENEYSEL SONUÇLAR
Şekil 1 (a,b) PP polimer ve PP-T-EPDM köpük
numunelerin 160oC, eriyik sıcaklığında, 80 bar
enjeksiyon basıncında, 60 mm/s enjeksiyon hızında ve
%1 oranında kimyasal köpük ajanı kullanılarak hücre
çapı ile % hücre sayısı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Bu veriler ise imaj analiz programı kullanılarak elde
edilmiştir. PP polimer köpük malzeme ve PP-T-EPDM
kompozit köpük malzemelerin ortalama hücre çapları
sırasıyla 493 µm ve 136.5 µm olarak tespit edilmiştir.
Şekil 1. Hücre çapı ve dağılımı arasındaki değişim; a) PP
polimer ve b) PP-T-EPDM kompozit.
Şekil 2'de, farklı enjeksiyon parametreleri
kullanılarak ve ağırlıkça %1 oranında kimyasal köpük
ajanı kullanılarak üretilen katkısız PP polimer köpük ve
PP-T-EPDM kompozit köpük numunelerine ait taramalı
elektron mikroskop kullanılarak elde edilen mikroyapı
resimleri verilmiştir. PP polimerinde talk ve EPDM
katkının dağılımı hücre çekirdeklenmesi üzerinde önemli
bir etkiye sahiptir. Saf PP köpük malzeme ile
karşılaştırıldığında, talk/EPDM katkılı PP kompozit
köpük numunelerinde daha küçük hücre boyutu ve
homojen hücre dağılımı elde edilmiştir. Hücresel
yapılardaki bu farklılık, katkının heterojen çekirdekleyici
ajan gibi davranması nedeniyledir. Bu durum ise hücre
çekirdeklenmesi için daha fazla alan oluşmasıyla
açıklanabilir Aynı zamanda, hücre büyümesi süresince
hücre birleşmelerinin engellenmesi, katkılı köpük
numunelerde hücre yoğunluğunu artırmıştır. Heterojen
çekirdeklenme mekanizmasında çekirdeklenme için
aktivasyon bariyer enerjisi, katkının bulunması ile keskin
bir şekilde azalmaktadır. Azalan aktivasyon bariyer
enerjisi, çekirdeklenme verimini önemli oranda
artırmaktadır [12, 13].
a)
b)
Şekil 2. Farklı enjeksiyon parametrelerinde üretilen a) PP
polimer ve b) PP-T-EPDM kompozit köpük numunelere
ait SEM mikroyapı görüntüleri
Şekil 3'de, PP ve PP-T-EPDM polimer köpük
numunelerine ait yoğunlukta azalma miktarına bağlı
olarak hücre sayılarındaki değişim verilmiştir. %1 köpük
ajanı ilaveli PP köpük numunelerde %9 ile %13.5
arasında yoğunlukta azalma oranı elde edilirken artan
köpük ajanı miktarı ile bu oran %14-20 civarında elde
edilmiştir. PP-T-EPDM köpük numunesinde ise köpük
ajanı miktarına bağlı olarak bu oran %12-30 arasında elde
edilmiştir. Hem PP polimer köpük hem de PP-T-EPDM
kompozit köpük numunelerinde yoğunlukta azalma
miktarının artması ile hücre sayılarının arttığı
belirlenmiştir. PP köpük numunelerinde hücre sayıları
100-300 adet aralığında değişim gösterirken PP-T-EPDM
kompozit köpük numunelerinde ise hücre sayıları 300 ile
650 adet arasında değişim göstermiştir. PP polimerine
ilave edilen talk/EPDM katkının, hücre sayısını ortalama
%200 oranında artırdığı tespit edilmiştir. Talk/EPDM
katkı, çekirdekleyici ajan gibi davranarak ilave
köpüklenme alanları sağlamış ve hücre sayısının önemli
oranda artmasına katkı sağlamıştır. Bu durum Şekil 2'de
verilen SEM mikroyapı fotoğraflarında da görülmektedir.
Şekil 4'de ise farklı enjeksiyon parametreleri ve
köpük ajanı miktarı kullanılarak üretilen polimer köpük
numunelerindeki yoğunlukta azalma miktarına bağlı
olarak hücre çaplarındaki değişim verilmiştir. Hem
ağırlıkça %1 hem de %2 oranında köpük ajanı katkılı
numunelerde yoğunlukta azalma miktarının artması ile
hücre çaplarının azaldığı tespit edilmiştir. Kimyasal
köpük ajanı miktarının ağırlıkça %1'den %2'ye
çıkarılması, hücre çaplarının değişiminde önemli oranda
rol oynamıştır. Ağırlıkça %1 köpük ajanı katkılı PP
polimer köpük numunelerde 300 µm ile 600µm
aralığında hücre çapı elde edilirken %2 köpük ajanı
kullanıldığında ise 250-450µm aralığında elde edilmiştir.
Ağırlıkça %1 köpük ajanı katkılı PP-T-EPDM
kompozit köpük numunelerde 150 µm ile 250µm
aralığında hücre çapı elde edilirken %2 köpük ajanı
kullanıldığında ise 100-200µm aralığında elde edilmiştir.
PP-T-EPDM köpük numunelerinde hücre çapları yaklaşık
olarak %50 oranında azalmıştır. Bu durum, PP
polimerine ilave edilen talk ve EPDM katkının
çekirdekleyici ajan gibi davranmasının yanı sıra artan
hücre sayılarına (Şekil 3) bağlı olarak sistemde mevcut
olan köpükleyici gazı tüketmesinden kaynaklanmaktadır.
Şekil 3. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait yoğunlukta azalma-hücre sayısı
ilişkisi
ergiyik ve kalıp sıcaklığının ise daha az etkili olduğunu
belirtmiştir.
Şekil 5'de PP polimer ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelerinin yoğunlukta azalma miktarı ile
hücre yoğunluğu değişimi verilmiştir. Hem PP polimer
hem de PP-T-EPDM köpük numunelerinde artan hücre
yoğunluğuna bağlı olarak yoğunlukta azalma miktarı
artmıştır. PP polimer köpük numunesinde yoğunlukta
azalma miktarı %8 ile %19 oranında elde edilirken, PP-TEPDM kompozit köpük numunesinde %10 ile %29
oranında elde edilmiştir. Hücre yoğunluğu birim hacimde
elde edilen hücrelerin sayısıdır ve bu durum Şekil 2 ve
Şekil 3'de de görüldüğü gibi enjeksiyon parametreleri,
köpük ajanı miktarı ve kullanılan polimer türüne bağlı
olarak değişiklik göstermektedir. PP polimer köpük
numunelerinde 1.0-3.0x103 hücre/cm3 hücre yoğunluğu
elde edilirken talk/EPDM ilave edilmesi ile hücre
yoğunluğu 5-13x103 hücre/cm3 elde edilmiştir. Hem talk
hem de EPDM katkılar polimer matris içerisinde çok
sayıda çekirdeklenme alanı oluşturmuştur. Polimer ve
katkı arayüzeyinde mevcut gaz tükenerek hücre boyutu
daha küçük elde edilmiş ve hücre yoğunluğu da artmıştır
[16]. Buna ilaveten artan köpük ajanı miktarına bağlı
olarak hücre yoğunluğu da artmıştır. Bunun sebebi,
polimer matris içerisinde çok sayıda kabarcığın üretilmesi
ve daha fazla hücrenin köpüklenmesidir. PP polimer
köpük numunelerinde köpük ajanı miktarının artması
hücre yoğunluğunu %106 oranında, PP-T-EPDM köpük
numunesinde ise %58 oranında artırmıştır. Artan köpük
ajanı miktarı nedeniyle karbondioksit ve karbon monoksit
emisyonunun artması çok sayıda hücresel yapı
oluşturmuş ve çekirdeklenme verimi artarak hücre
büyümesi gelişmiştir. Benzer sonuçlar Ishagh ve
arkadaşları [1], tarafından azo-di-karbon-amid köpük
ajanı kullanılarak üretilen YYPE/buğday sapı unu/nanokil
kompozit köpük numunelerinde de elde edilmiştir.
Şekil 4. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait yoğunlukta azalma-hücre çapı
ilişkisi
Benzer sonuçlar, Ishagh ve arkadaşları [1] tarafından
yapılan YYPE/buğday sapı unu/nanokil üçlü karışım
hibrit kompozit çalışmasında da elde edilmiştir. YYPE/
buğday sapı unu kompozitine ilave edilen nanokil katkısı,
polimer karışımının viskozitesini artırarak daha fazla
çekirdeklenme alanı oluşumuna katkı sağlamış ve hücre
büyüme direncini geliştirerek daha küçük hücre boyutu
elde edildiğini belirtmişlerdir. Zhang ve arkadaşları [14],
tarafından üretilen PP/ağaç lifi/nano-silika kompozit
köpük numunelerinde artan silika miktarına bağlı olarak
hücre çapı azalırken hücre yoğunluğunun ise arttığını
belirlemişlerdir. Upadhyay [15] ise yaptığı çalışmada
kullanılan köpük ajanı konsantrasyonunun hücre
boyutunu etkileyen en önemli parametre olduğunu,
Şekil 5. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait yoğunlukta azalma-hücre
yoğunluğu ilişkisi
Köpük ajanı miktarı, polimer çeşidi ve enjeksiyon
parametrelerine bağlı olarak en yüksek hücre yoğunluğu
1.3x104 hücre/cm3 değeri ile %2 köpük ajanı katkılı PPT-EPDM kompozit köpük numunesinde elde edilirken
en düşük hücre yoğunluğu 1.0x103 hücre/cm3 değeri ile
%1 köpük ajanı katkılı PP polimer köpük numunesinde
elde edilmiştir.
Şekil 6'da farklı enjeksiyon parametreleri ve köpük
ajanı miktarı kullanılarak üretilen PP polimer ve PP-TEPDM kompozit köpük numunelerindeki yoğunlukta
azalma miktarı ile kabuk tabakası kalınlığındaki değişim
verilmiştir. Kabuk tabakasının oluşumu enjeksiyon köpük
kalıplama yönteminde beklenilen bir durumdur.
Kalıplanan parçalarda, numune merkezi gözenekli veya
hüzresel yapıya sahip iken kabuk ise katı (köpüksüz)
polimer malzemeden oluşmaktadır. Oluşan bu katı kabuk
tabakası, gaz difüzyonu, ergiyik polimerin kalıp duvarı ile
teması sonucu hızlı soğuması ve yüzeye yakın yerlerde
gaz hücrelerin kırılması sonucu şekillenmektedir [6].
Hem PP polimeri hem de PP-T-EPDM kompozit köpük
numunelerinde azalan kabuk tabakası kalınlığına bağlı
olarak yoğunlukta azalma miktarı artmıştır. PP polimer
ve kompozit numunelerinde köpük ajanı miktarının
%1’den %2’ye çıkarılması ile numune kabuk tabakası
kalınlığını önemli oranda azaltmıştır. Polimer matris
malzemedeki köpük ajanı miktarının artması, sistemdeki
mevcut gaz çekirdeklenme alanlarının sayısını artırmış ve
birim alanda daha fazla hücre şekillenmiştir (Şekil 5). Bu
durum, iki kabuk tabakası arasında yer alan hücresel
bölgenin oranının arttığını göstermektedir.
Şekil 6. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait yoğunlukta azalma-kabuk tabakası
kalınlığı ilişkisi
Mechraoui ve arkadaşları [17], tarafından yapılan
fiber katkılı PP köpük çalışmasında artan köpük ajanı
miktarına bağlı olarak kabuk tabakasının azaldığı
gözlenmiştir. Çalışmalarında ergiyik polimer matris
içerisinden gazın kolaylıkla difüze olduğunu, fiber katkılı
numunelerde ise gaz difüzyonunun engellendiğini tespit
etmişlerdir. Buna ilave olarak, ana matristeki fiberlerin
kabuk bölgesi ve çekirdeklenen bölge arasında
çekirdekleyici ajan gibi davrandığını ve bunun sonucunda
yüksek çekirdeklenme oranı (hücre yoğunluğu) ve daha
düşük hücre boyutu (çapı) elde edildiğini ifade
etmektedirler. En yüksek kabuk tabakası kalınlığı %1
köpük ajanı katkılı PP polimer köpük numunesinde elde
edilirken en düşük kabuk tabakası kalınlığı ise %2 köpük
ajanı katkılı PP-T-EPDM köpük numunesinde elde
edilmiştir.
Şekil 7 kullanılan köpük ajanı miktarı ve yoğunlukta
azalma miktarına bağlı olarak PP polimer köpük ve PP-TEPDM kompozit köpük numunelerinde elde edilen
çekme dayanımı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Köpüklendirilen
PP
polimer
ve
PP-T-EPDM
kompozitlerin çekme dayanımları, köpüksüz PP polimeri
(27.2MPa) ve köpüksüz PP-T-EPDM kompozitinin
mukavemeti (16.1MPa) ile kıyaslandığında azalmıştır.
Bu
çekme
mukavemetindeki
düşüşün
sebebi,
köpüklendirilen polimerlerin hücresel yapıya sahip
olmasıdır. PP polimerine ilave edilen talk/EPDM katkı,
hem köpüksüz hem de köpüklü numunelerin çekme
dayanımını azaltmıştır. Çekme mukavemetindeki bu
azalma ortalama %46 civarındadır. Hwang ve arkadaşı da
[5], yaptıkları çalışmada hem mikro hem de nano SiO 2
katkılı PP kompozit köpük numunelerinde, köpükleme
işlemi sonrasında çekme dayanımlarının azaldığını
belirlemişlerdir. Mechraoui ve arkadaşları [17], çekme
dayanımının, azalan yoğunluk ve kabuk tabaka kalınlığı
oranı ile azaldığını belirtmiştir. Köpük ajanı miktarının
%1'den %2'ye çıkarılması ile çekme dayanımları ortalama
%14.4 ve %13.4 oranlarında azalmıştır. PP polimerine
ilave edilen talk/EPDM katkı, çekme dayanımının önemli
oranda azaltmasına sebep olmuştur. %1 köpük ajanı
katkılı PP polimer köpük numunelerinde 23-27MPa
çekme dayanımı elde edilirken talk/EPDM katkılı
kompozit köpük numunelerde 10-15MPa arasında elde
edilmiştir. %2 köpük ajanı katkılı numunelerde ise çekme
dayanımı PP köpük numunelerde 17-24MPa arasında
iken PP-T-EPDM kompozit köpük numunelerde 913MPa arasında elde edilmiştir. Ji ve arkadaşları [18],
CO 2 fiziksel köpük ajanı kullanarak ürettikleri PLA
numunelerinde köpük yoğunluğunun azalmasına bağlı
olarak çekme dayanımının azaldığını belirtmişlerdir.
Aynı çalışmada, polimer köpüklerin mekanik özelliklerini
belirleyen en önemli faktörün köpük yoğunluğu olduğu
belirtilmiştir. Azalan hücre duvar kalınlığı ve artan hücre
sayısı köpüğün yoğunluğunu etkilemiştir.
Mikro-hücresel enjeksiyon kalıplama prosesi ile
üretilen parçaların fiziksel ve mekaniksel özellikleri,
hücre boyutuna bağlı olduğu gibi yoğunluğa ve kabuk
tabakası kalınlığına da bağlıdır.
Şekil 7. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait yoğunlukta azalma-çekme
dayanımı ilişkisi
Şekil 9. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait kabuk tabakası kalınlığı-elastiklik
modülü ilişkisi
Şekil 8'de PP ve PP-T-EPDM köpük numunelere ait
kabuk tabakası kalınlığı ile çekme dayanımı, Şekil 9'da
ise kabuk tabakası kalınlığı-elastiklik modülü ilişkisi
verilmiştir. Şekil 8'de görüldüğü gibi artan kabuk tabakası
kalınlığına bağlı olarak çekme dayanımları artmıştır. Xin
et. al. [6], tarafından yapılan enjeksiyon kalıplı
PP/WGRT köpük numunelerinde de kabuk tabakası ile
çekme dayanımının arttığı belirlenmiştir. Bunun sebebini
ise birim alanda köpüklenmeyen bölgenin artmasına
bağlamışlardır. Benzer sonuçlar Wong et. al. [19]
tarafından yapılan enjeksiyon kalıplı termoplastik
poliolefin hücresel köpük çalışmasında da elde edilmiştir.
Artan kabuk tabakası kalınlığına ve polimere ilave
edilen talk ve EPDM katkılara bağlı olarak elastiklik
modülleri artmıştır. Benzer sonuçlar Mechraoui ve
arkadaşları [17] tarafından yapılan çalışmada da elde
edilmiştir. PP polimerine göre daha katı ve rijit olan talk
minerali elastiklik modülünün artmasında etkili olmuştur.
Köpük ajanı miktarının %1'den %2'ye artırılması ile
köpük numunelerin elastiklik modülleri azalmıştır. Bu
azalma PP numunelerinde ortalama %20.8 oranında elde
edilirken PP-T-EPDM köpük numunelerinde ortalama
%12.8 oranında elde edilmiştir. Polimer numene
içerisinde şekillenen küçük ve çok sayıdaki hücre polimer
köpüğü esnek hale getirmiş ve elastiklik modülü
azalmıştır.
Şekil 8. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait kabuk tabakası kalınlığı-çekme
dayanımı ilişkisi
Şekil 10 ve 11'de PP polimer ve PP-T-EPDM
kompozit köpük numuneler için hücre çapına bağlı olarak
çekme dayanımı ve elastiklik modülü değişimleri
verilmiştir. Şekillerde görüldüğü gibi artan hücre çapına
bağlı olarak çekme dayanımının ve elastiklik modülünün
arttığı belirlenmiştir. Ancak, Blair ve arkadaşları [20],
tarafından yapılan çalışmada hücre boyutunun artması ile
polimer köpük malzemenin çekme ve basma
dayanımlarının azaldığını belirtmişlerdir. Şekil 12'de PP
polimer ve PP-T-EPDM kompozit köpük numunelere ait
yoğunlukta azalma miktarı ile darbe dayanımı ilişkisi
verilmiştir. Buna ilaveten şekil 13'de ise kabuk tabakası
kalınlığı ile darbe mukavemet değerlerinin değişimleri
verilmiştir. Köpük ajanı miktarının artması ile PP polimer
ve PP-T-EPDM kompozit köpük numunelerin darbe
dayanımları sırasıyla ortalama %18.8 ile %15.4
oranlarında azalmıştır. Darbe dayanımı, polimer ile katkı
malzemesi arasındaki en zayıf ara-yüzeydeki çatlak
başlangıcına ve kırılmaya karşı gösterdiği direnç olarak
tanımlanmaktadır [21].
Şekil 10. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait hücre çapı-çekme dayanımı ilişkisi
Şekil 11. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait hücre çapı-elastiklik modülü
ilişkisi
Karbondioksit gazı üreten kimyasal köpük ajanı,
hücre oluşumuna katkı sağlarken, polimer ile katkı
arasındaki bağın zayıflamasına sebep olmaktadır. Bu ise
çatlak başlangıcına ve gelişmesine katkı sağlar. Ameli ve
arkadaşları[7], talk ve nanokil katkılı PLA köpük
numunelerinde de oluşan hücrelerin çatlak başlatıcı gibi
davrandığını ve bunun sonucu olarak PLA polimer köpük
malzemenin darbe direncinin azaldığını belirtmişlerdir.
Benzer sonuçlar, Matuana ve arkadaşı[22], tarafından
yapılan çalışmada da elde edilmiştir. PP polimerine ilave
edilen talk/EPDM katkı ise polimer köpük ve PP
kompozit köpük numunelerin darbe dayanımını önemli
oranda artırmıştır. PP polimer köpük numunelerinde
darbe dayanımı 8-18kJ/m2 arasında elde edilirken PP-TEPDM kompozit köpük numunelerinde 90-135kJ/m2
olarak elde edilmiştir. Bu artışta etkili olan ise
elastomerik özelliğe sahip olan EPDM katkıdır.
Şekil 12. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait yoğunlukta azalma-darbe dayanımı
ilişkisi
Artan kabuk tabakası kalınlığına bağlı olarak köpük
numunelerin darbe dayanımı artmıştır (bkz. Şekil 13).
Daha önce yapılan çalışmalarda da, kabuk tabakası
kalınlığının azalması ile polimer köpük malzemelerin
darbe direnci azalmıştır [23, 24]. Numune darbeye maruz
kaldığında, her bir tabaka (kabuk ve çekirdek bölgesi),
özelliğine bağlı olarak (köpüklü veya köpüksüz) farklı
darbe direnci özelliği göstermektedir. Numunelere darbe
uygulandığında, ilk tabaka (üst kabuk) gevrek malzeme
gibi davranmakta ve kırılmaktadır. Meydana gelen
kırılma yüzeye diktir. Daha sonra ise, enerji köpüklenen
ikinci bölgeye ulaşmakta ve kırılma dikey olan yüzeye
45o'lik açı ile meydana gelmektedir. Son tabaka olan alt
kabuk tabakası ise neredeyse numune yüzeyine dik olarak
kırılmaktadır. Daha kalın kabuk tabakası, gelen darbeyi
daha fazla absorbe etmekte ve kırılmayı zorlaştırmaktadır
[25]. Ameli ve arkadaşları [7], tarafından yapılan
PLA/talk ve PLA/nanokil katkılı kompozit köpük
numunelerinde ise spesifik darbe direncinde değişim
gözlenmiştir. Bu değişimin sebebinin, Ameli ve
arkadaşları tarafından polimer ana matrisine ilave edilen
talk ve nanokil katkılarının olduğu ifade edilmiştir. Bu
katkılar ise çekirdekleyici ajan gibi davranarak polimerin
kristalliğini artırmasına sebep olmaktadır. Yüksek
kristalik yapı ise polimer malzemenin darbe
mukavemetinin artmasına sebep olmaktadır. Ayrıca,
üniform hücre morfolojisi ve kabuk tabaka kalınlığı
polimer kompozitin darbe dayanımını da artırdığını
belirtmişlerdir.
Şekil 13. PP polimer köpük ve PP-T-EPDM kompozit
köpük numunelere ait kabuk tabakası-darbe dayanımı
ilişkisi
5. SONUÇLAR
Yapılan deneyler sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde
edilmiştir.
-Kimyasal köpük ajanı miktarı arttıkça PP polimeri ve
PP-T-EPDM kompozit köpük malzemelerin yoğunluğu
proses şartlarına bağlı olarak yaklaşık olarak %8 ile %29
arasında değişen oranlarda azalmıştır.
-Kabuk tabaka kalınlığı arttıkça PP polimer ve PP-TEPDM kompozit malzemelerin çekme mukavemeti,
darbe mukavemeti ve çekmedeki elastiklik modülü
değerleri artmıştır.
-Yoğunluktaki azalma oranı arttıkça talk ve EPDM katkılı
PP kompozit köpük malzemenin çekme mukavemeti,
darbe mukavemeti, hücre çapı ve kabuk tabaka kalınlığı
azalırken, hücre sayısı ve hücre yoğunluğu artış
göstermiştir.
-PP polimer ve PP polimer kompozit köpük malzemelerin
enjeksiyonla kalıplama tekniği kullanılarak üretiminde
proses şartlarının etkili olduğu tespit edilmiştir.
-PP-T-EPDM polimer kompozit malzemesinde talk
mineral katkısı çekirdeklenme ajanı gibi davranarak
kristalliğin artmasına sebep olmaktadır.
-Kompozitteki talk katkısı, PP ile kıyaslandığında daha
hücre sayısı, hücre yoğunluğu, kabuk tabaka kalınlığı,
darbe mukavemeti ve çekmedeki elastiklik modülü
değerlerinin artmasına sebep olmaktadır.
KAYNAKLAR
1. Ishagh B., Mostafa M., Mohammad F., Arash F.,
2014, "Physical and mechanical properties of
foamed HDPE/wheat straw flour/nanoclay hybrid
composite", Composites: Part B, Vol: 56, pp: 163–
170.
2. Ruogu L., Wei Y., Chixing Z., 2010, "Rheological
control in foaming polymeric materials: II. Semicrystalline polymers", Polymer, vol: 51, pp: 63346345.
3. Da-Chao L., Tao L., Ling Z., Wei-Kang Y., 2011,
"Foaming of linear isotactic polypropylene based
on its non-isothermal crystallization behaviors
under compressed CO2",J. of Supercritical Fluids,
vol: 60, pp: 89– 97.
4. Jie C., Tao L., Wei-kang Y., Ling Z., 2013,
"Solubility and diffusivity of CO2 in
polypropylene/micro-calcium
carbonate
composites", J. of Supercritical Fluids, vol: 77, pp:
33– 43.
5. Hwang S. S., Hsu P. P., 2013, "Effects of silica
particle size on the structure and properties of
polypropylene/silica composites foams", Journal of
Industrial and Engineering Chemistry, vol: 19, pp:
1377–1383.
6. Xin Z. X., Zhen X. Z., Kaushik P., Jong U. B., Sung
H. L.,, Jin K. K., 2010, "Study of microcellular
injection-molded polypropylene/waste ground
rubber tire powder blend", Materials and Design,
vol: 31, pp: 589–593.
7. Ameli, A., Jahani, D., Nofar, M., Jung, P.U., Park,
C.B., 2014, "Development of high void fraction
polylactide composite foams using injection
molding: Mechanical and thermal insulation
properties" Composites Science and Technology,
vol: 90, pp: 88–95.
8. Schut, J. H., 2001, "Foaming expands possibilities
for wood–fiber composites", Plastics Technol.
9. Guo, M. C., Heuzey, M. C., Carreau, P. J., 2007,
"Cell structure and dynamic properties of
injection molded polypropylene foams", Polym.
Eng. Sci., vol: 47, no: 7, pp:1070–1081.
10. Bledzki, A. K., Faruk, O., 2004, "Effects of the
chemical foaming agents, injection parameters,
and melt-flow index on the microstructure and
mechanical properties of microcellular injection
molded wood–fiber/polypropylene composites", J.
Appl. Polym. Sci., vol: 97, no: 3, pp: 1090–1096.
11. Kumar, V., Suh, N. P., "A process for making
microcellular thermoplastic parts", Polym. Eng.
Sci., vol: 30, pp: 1323–1329.
12. Limeng, C., Rahmi, O., Linda S. S., 2010, "The
influence of carbon nanotube aspect ratio on the
foam
morphology
of
MWNT/PMMA
nanocomposite foams", Polymer, vol: 51, pp: 23682375.
13. Jintao, Y., Yan, S., Feng, C., Zhengdong, F.,
Mingqiang, Z., 2012, "Synthesis of silica particles
grafted with poly(ionic liquid) and their
nucleation effect on microcellular foaming of
polystyrene using supercritical carbon dioxide", J.
of Supercritical Fluids, vol: 62, pp: 197–203.
14. Zhang, Z. X., Changyun G., Zhen, X. X., Jin, K. K.,
2012, "Effects of extruder parameters and silica
on physico-mechanical and foaming properties of
PP/wood-fiber composites", Composites: Part B 43,
pp: 2047–2057.
15. Upadhyay, R. K., 1985, "Study of bubble growth in
foam injection molding", Advances in Polymer
Technology, vol: 5/1, pp: 55-64.
16. Tavasoli, F. A., Talaeipour, M., Hemmasi, A. H.,
Khademieslam,
H.,
Ghasemi,
I.,
2011,
"Investigation
on
the
mechanical
and
morphological
properties
of
foamed
nanocomposites based on wood flour/PVC/Multiwalled carbon nanotubes", Bioresource, vol: 6, no:
1, pp: 841–852.
17. Mechraoui, A., Riedl, B., Denis, R., 2011,
"Mechanical
properties
of
polypropylene
structural foams with fiber-reinforced skins",
Journal of Cellular Plastics, vol: 47, no: 2, pp: 115132.
18. Ji, G., Jing, W., Wentao Z., Dongpo, L., Wenge Z.,
2013, "Tensile properties of microcellular
poly(lactic acid) foams blown by compressed
CO2", Journal of Cellular Plastics, vol: 49, pp: 101117.
19. Wong. S., Lee, J. W. S., Naguib, H. E., Park, C. B.,
2008, "Effect of processing parameters on the
mechanical properties of injection molded
thermoplastic polyolefin (TPO) cellular foams",
Macromol Mater. Eng., vol: 293, no: 7, pp: 605–613.
20. Blair,
E. A., 1967, "Structure of foamed
composites. Resinography cell plast" pp: 414-484.
21. Younesi, K. H., Farsi, M., Rezazadeh, Z., 2013,
"Physical,
mechanical
and
morphological
properties of polymer composites manufactured
from carbon nanotubes and wood flour",
Composites Part B, vol: 44, no: 1, pp: 750–755.
22. Mengeloglu, F., Matuana, L. M., 2003, "Mechanical
properties of extrusion-foamed rigid PVC/wood–
flour composites", J. Vinyl Addit. Technol., vol: 9,
no: 1, pp: 26–31.
23. Lee, J. J., Cha, S.W., 2006, "Characteristics of the
skin layers of microcellular injection molded
parts",
Polymer-Plastics
Technology
and
Engineering, vol: 45, pp. 871–877.
24. Lee, J. J., Cha, S. W., 2005, "Influence of mould
temperature on the thickness of a skin layer and
impact strength in the microcellular injection
moulding process", Cellular Polymers, vol: 24/5,
pp: 279-297.
25. Carlos, T. C., Gonzalez-Nunez, R., Rodrigue, D.,
2008, "Effect of mold temperature on morphology
and mechanical properties of injection molded
HDPE structural foams", Journal of Cellular
Plastics, vol: 44, pp. 223-237.
Download

kimyasal köpük ajanı kullanılarak enjeksiyonla üretilen talk