Fiber Takviyeli Termoset Polimerik Kompozitler (Dr. Cenk Sevim)

  • Makale
  • Ziyaret: 316
  • termoset, polimerik, kompozit
  • Son Güncelleme: 5-04-2017
  •  
    Share on Tumblr       


Dr. Cenk Sevim / Kimya Mühendisi - Kimya Mühendisleri Odası Üyesi

Kelime olarak "kompozit”, iki veya daha fazla ayrık parçadan oluşan anlamına gelmektedir. Kompozit malzemeler; makro ölçekte kimyasal olarak birbirinden ayrık, iki veya daha fazla bileşenden oluşan ve bu bileşenler arasında bir ara yüzeyin bulunduğu malzemelerdir. Kavram olarak lif takviyeli kompozitler, milattan önce 800 yıllarında İsrailliler tarafından samanın tuğlaya takviye olarak kullanılmasından bu yana mevcuttur. 1930’larda çimentoya, kesikli cam elyaf takviyesi ile lif takviyeli kompozitlerin kullanımı A.B.D’de mevcuttur. Lif Takviyeli polimerik kompozit yapıların sağladığı pek çok avantaj bulunmaktadır. Bunlar;

• Kullanıldığı yapıların çekme, eğilme, basınç ve darbe dayanımı gibi parametrelerinin mukavemet değerini yükseltmesi,

• Birim alan ağırlığında hem takviyesiz plastiklere, hem de metallere göre daha yüksek mukavemet değerleri sunmaları,

• Çeşitli mekanik, çevresel baskılar altında, boyutsal stabilite sağlayarak şekillerini ve işlevselliklerini korumaları,

• Korozyon dayanımlarının yüksek oluşu,

• Maliyetlerinin düşük olması,

• Kırılma tokluğuna sahip olmaları,

• Tasarım ve uygulamada kolaylık sağlamalarıdır.

Kompozit malzemelerden uzun süre, teknolojik problemleri çözmek için faydanılmıştır. Fakat 1960’larda, polimerik esaslı kompozitlerin tanınmasıyla, bu malzemeler endüstrinin dikkatini çekmeye başlamıştır. Polimerik esaslı lif takviyeli kompozitlerin çeliğin yerini almasıyla, %60-80, alüminyumun yerini almasında ise %20-50 oranında ağırlıktan kazanım mümkün olmuştur. Günümüzde bu yapılar enerji sektöründen havacılık sanayine kadar geniş bir uygulama alanına sahiptir.

Fiber takviye malzemeleri kompozit yapı içindeki temel yük taşıma elemanlarıdır. Lif takviyeli polimerik kompozit yapı içinde kullanılan fiberlerin etkinliği kullanılan fiber türüne, fiber yapının uzunluğuna, fiber hacmine ve fiber oryantasyonuna bağlıdır.

Polimerik kompozit uygulamalarında takviye malzemesi olarak cam elyafı, karbon elyafı ve aramid elyafı kullanılmaktadır. Takviye malzemesinin seçimini son ürünün kullanım amacı, üretim yönetimi ve maliyeti belirlemektedir.

Kompozit teknolojisinde kullanılan polimer matriks lif takviyeli polimerik kompozit uygulamalarının başarılı olabilmesi için en önemli bileşenlerden birisidir. Polimer matriksi oluşturan ana madde organik hidrokarbondur.

Polimer matriksin kompozit yapı içinde gerçekleştirdiği temel görevler şunlardır;

 

• Fiber yapının bir arada kalmasını sağlamak,

• Fiber yapıyı dış etkenlere karşı korumak,

• Yapı üzerinde oluşan gerilimin fiberler arasında homojen bir şekilde transfer olmasını sağlamak. Polimer matriks, kompozit yapılarda mekanik özelliklere sağladığı katkının yanı sıra, temel proses karakteristiğini de doğrudan etkilemektedir. Örneğin, bir termoset polimer matriks içeren kompozit uygulamasında kalıplama süresi söz konusu polimer matrikse ait kimyasal reaksiyon süresine doğrudan bağlıdır. Ayrıca termoset polimer matriksin vizkozitesi matriksin uygulandığı kalıp üzerinde/içindeki akışının ve işlem süresinin belirlenmesinde oldukça önemli bir faktördür.

Fiber yapı ile polimer matriksin termal genleşme katsayıları birbirinden farklıdır. Polimer matriksin termal genleşme katsayısı fiber yapıdan daha yüksektir. Bu sebeple kompozit yapı proses sıcaklığından ortam sıcaklığına doğru soğumaya başladığında polimer matrikste meydana gelen yüksek çekme (büzüşme) fiber yapının üzerinde ve çevresinde ekstra bir gerilime neden olur .Bu durum sonucunda kompozit yapılarda sistem üzerine etkileyen dış gerilmelerin dışında yapı içinde iç gerilme oluşur. Kompozit malzemenin dışından içine doğru olarak ortaya çıkan iç gerilme zaman zaman kompozit yapının üzerinde mikro çatlaklara neden olabilir.

Termoset polimer matriksler genellikle düşük vizkozite değerine sahiptir. Son ürüne yönelik olarak kullanım işleminde, termoset polimer matriks bir sertleştirici sistemi ile ekzotermik ve geri dönüşümsüz bir reaksiyona girip katı hale geçer. Kompozit teknolojisinde termoset reçinelerin yaygın olarak kullanılmaktadır. En çok kullanılan termoset reçineler epoksi, vinilester ve poliesterdir. Genel olarak lif takviyeli polimerik kompozit teknolojisinde kullanılan temel yapı elemanları üç ana grupta incelenebilir. Bunlar;

• Polimer Matriks (Reçine),

• Takviye Malzemeler,

• Sandviç Yapı ve Çekirdek (Core) Malzemeler.

Bu çalışmada takviye malzemesi olarak çok sık kullanılan cam elyafı, polimer matriks olarak da epoksi, vinilester ve poliester hakkında temel bilgiler verilecektir. Ayrıca sandviç yapılar hakkında da özet bilgi verilecektir.

Kompozit Yapı Elemanları

Cam Elyafı

Cam lifleri veya diğer bir deyişle cam elyafı, liflerle donatılı kompozitlerin üretiminde en çok kullanılan takviye malzemelerindendir. Üstün özelliklerinin yanı sıra, ekonomik bir takviye türü olması bu sonucu ortaya çıkarmaktadır. Cam liflerinin ticari anlamda üretimine 1930’lu yıllarda İngiltere’de başlanmış olmasına karşılık, bu malzeme yaygın olarak 1950’lerin başından itibaren kullanılmaya başlanmıştır. Başlangıçta, cam liflerinin üretiminde A-camı veya açık adıyla "alkali cam” kullanılmıştır. Bunu, çok az alkali içeren ve çok üstün elektriksel ve mekanik özelliklere sahip bir borsilikat camı olan "elektriksel dayanımlı cam” kısa adı ile E-camının kullanılmaya başlanması izlenmiştir. E-camı uygulamada en çok yararlanılan takviye malzemelerinin başında gelmektedir. Fiber yerleşiminde dokunmuş kumaşların kullanılması, fiber yerleşim açılarının istenilen şekilde yerleştirilmesini ve homojen bir kuvvet dağılımının oluşmasını sağlar. Çok yönlü dokunmuş cam kumaşları güçlendirici lifler tekstil camlarından oluşur (Şekil 1.). Dokunmuş kumaşlar sıkı örülmüş cam elyafından bir plaka oluşturur. Cam fitillerinin bükümsüz olarak dokunmasıyla veya bobin üzerine sarılmadan önce tekstil bağlayıcılı devamlı cam elyafının bükümlü hale getirilmesi ile elde edilen tekstil ipliklerinin dokunması ile elde edilen ürünlerdir. Bir kumaşın mekanik özellikleri dokunma tarzından büyük ölçüde etkilenmektedir.

 

Epoksi Polimer Matriks

Epoksi polimer matriks (epoksi reçine), yüksek korozyon dayanımı, yüksek dayanım/ağırlık oranı, düşük hacimsel çekme (boyutsal stabilite) ve yüksek ısı derecelerine dayanım özellikleri sebebiyle yüksek performans gerektiren endüstriyel uygulama alanlarında kullanılmaktadırlar.

Epoksi reçineler arasında en yaygın olarak kullanılan DGEBA’dır. DGEBA epoksi reçineler (Şekil 2.), Bisphenol A ile epichlorohydin kondenzasyon tepkimesi sonucunda elde edilirler.

 

Epoksi reçinelerin vizkozite değeri genel olarak diğer termoset reçinelere göre yüksektir. Bu yüksek vizkozite değeri sebebiyle epoksi reçinelerin uygulama sırasındaki sıcaklıklarının 50-100oC arasında olması gerekmektedir ve diğer termoset polimer matrikslerde olduğu gibi proses sıcaklığı son ürünün özelliklerini doğrudan etkileyen bir faktördür.

Epoksi reçineler poliester ve vinilester reçinelerden farklı olarak uçucu monomer komponentine sahip değildirler. Ayrıca epoksi reçineler poliester ve vinilester reçinelerle karşılaştırıldığında en önemli avantajları düşük hacimsel çekme değerleridir. Vinilester sistemlerde ortalama çekme değeri %8 civarındadır. Epoksi sistemlerde ise bu değer %3 ve altındadır.

Epoksi reçine sistemleri epoksi reçine ve sertleştirici olmak üzere genellikle iki komponentli olarak uygulanırlar.

Son ürüne ait camsı geçiş sıcaklığı, çekme dayanımı, eğilme dayanımı, hacimsel çekme değeri gibi özellikler bu iki komponentin formülasyonuna ve karışım oranına bağlıdır. Epoksi reçine sistemlerinde aynı ana malzeme aynı kimyasal gruba ait olmak şartıyla farklı sertleştirici kombinasyonları ile kullanılabilmektedir. Bu durum işlevsellik açısından epoksi reçine sistemlerine avantaj sağlamaktadır.

Epoksi reçine sistemlerinde genellikle amin veya anhidrit esaslı sertleştiriciler kullanılmaktadır. Bu çalışmada da amin esaslı bir sertleştirici türü kullanılmıştır. Epoksi reçine sertleştirici arasında gerçekleşen kimyasal reaksiyon sonunda yan ürün meydana gelmez. Sonuçta çıkan sertleşmiş reçine yüksek kimyasal, mekanik ve elektrik özelliklere sahip olan bir yapıdır. Epoksi reçinenin vizkozitesi genel olarak diğer termoset reçinelerinkinden yüksek olduğu ve yüksek mekanik özellikler için post kür zorunluluğu olduğu için kullanımları uygulama anlamında diğer termoset sistemlere göre daha zordur.

Vinilester Polimer Matriks

Vinilesterler (Şekil 3.) bir doymamış asidin (metakrilik veya akrilik asit) epoksi ile reaksiyonu sonucunda oluşur.

Vinilester polimer matriks (vinilester reçine) poliester ve epoksi reçinelerin üstün özelliklerini bünyelerinde barındıran sistemlerdir. Vinilester reçineler, poliester reçinelere benzer biçimde üretilmekte ve epoksi reçinelerin sertleşme özelliklerini göstermektedir. Vinilester reçineler de epoksi reçineler gibi yük mekanik dayanım değerine sahiptirler ve birim üretim maliyetleri ise epoksi reçine sistemlerine göre daha düşüktür.

Vinilester reçineler poliester reçinelere benzemekle birlikte reaktif kısımlarının moleküllerin sonunda olması nedeniyle poliesterlerden farklılık gösterirler. Doymamış noktaların moleküllerin sonunda olması reçinelerin daha dayanıklı olmalarını sağlar. Vinilester reçineler epoksi reçinelere göre daha düşük vizkozite değerine sahiptirler. Kürleme mekanizmaları poliester reçine sistemlerindeki gibi organik bir peroksit katalizör ve kobalt (Co) akselaratör ile gerçekleşmektedir.

 

Vinilester reçine sistemlerinde son ürüne ait camsı geçiş ve mekanik dayanım değerlerinin optimize edilebilmesi için post kür işlemi önerilmektedir.

 

Doymamış Poliester Polimer Matriks

Doymamış poliester reçineler kompozit endüstrinin lokomotifi konumunda olup, kullanılan reçinelerin yaklaşık %75’ini temsil ederler. Poliesterler, dikarboksilik asitler ve polihidrik alkollerin (glikoller) kondenzasyon polimerizasyonu sonucu oluşurlar. Poliesterlerde glikol olarak propilen glikol, etilen glikol, dipropilen glikol, dietilen glikol ve neopentil glikol tercih edilir. Buna ek olarak doymamış poliesterler dikarboksilik asit bileşeni olarak maleik anhidrit veya fumarik asit gibi doymamış bir madde içerirler. Ürün olarak alınan polimer, şebeke yapısı oluşturabilmek ve düşük vizkozitede bir sıvı elde edebilmek amacıyla stiren gibi reaktif bir monomer içinde çözülür. Bu reçine sertleştiğinde, monomer polimer üzerindeki doymamış uçlar ile reaksiyona girer ve onu bir katı termoset yapıya çevirir (Şekil 4.). Ancak poliester üretiminde bunlara ek olarak stoklama sırasında poliesterin jelleşmesini önlemek için bir inhibitör kullanılır. Kullanılan başlıca inhibitörler hidrokinon, t-bütil katekol ve sübstitüe benzokinonlardır. %0,01-0,03 mertebelerinde kullanılırlar. Poliester polimer matriksler, cam takviyeli kompozit yapıların üretiminde en çok kullanılan termoset matriks malzemelerdir. Doymamış poliesterler uygun bir katalizör ile kimyasal tepkimeye giren termoset özelliğe sahip matriks yapılardır.

 

Poliester reçine sistemlerinde poliester reçinenin bir organik peroksit ile birlikte serbest radikal kopolimerizasyon reaksiyonu son ürünü oluşturur. Söz konusu reaksiyon Co akselaratör eklendiğinde oda sıcaklığında veya UV radyasyonu altında gerçekleşebilir.

Sandviç Yapı Elemanları

Bu yapı tekniğinin amacı kompozit panellerin dayanımını artırmaktır. Ağırlık olarak yüksek oranda artış olmadığı halde mukavemet olarak tek katmanlı yapıya göre oldukça dayanıklıdır. Bu yapı fiber takviyeli iki kompozit tabakası arasına çekirdek malzemesi yerleştirilmesi sonucu fiber takviyeli kompozit ve çekirdek malzemesinin rijit bir malzeme olması ile sağlanır. Çekirdek malzeme olarak genellikle köpük veya balsa ağacıkullanılır. Bu yapıda dış katman bükülmeyi engeller, bu arada çekirdek malzemesi yükü taşır ve yükü, destekleyici elemanlara iletir.

 

Sandviç yapı kullanılarak %3 oranında bir ağırlık artışı ile eğilme dayanımının 3 ile 5 kat arasında ve rijitliğin ise 7 kat artması sağlanabilmektedir. Sandviç yapı ürünlerde, çekirdek malzeme, yüksek mukavemetli iki cidar arasına yapıştırılmaktadır. Sandviç yapıda, çekirdek malzeme kesme ve nokta yük basıncını taşırken, cidarlar eğilme yüklerine karşı direnç göstermekte, karşılaşacağı çekme ve basınç yüklerini içinde bulundurmaktadır (Şekil 5.).

 

Özellikle yüksek düzeyde son ürün performansı gerektiren kompozit yapılardaki sandviç uygulamalarında tercih edilen çekirdek malzemelerin kesme gerilmesideğeri yüksek olmalı, rijit olmalı, hafif olmalı, suya dayanıklı olmalı ve kolay birleştirme imkanı sağlamalıdır. Fiber takviyeli kompozit yapılardaki sandviç uygulamalarında en sık kullanılan ara malzemelerden olan PVC köpük ve balsa ağacı hakkında özet bilgiler aşağıda yer almaktadır.

 

PVC Köpük

PVC köpükler genel olarak büyük yapısal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. PVC köpük rijit ve lineer olmak üzere iki temel şekilde mevcuttur. Rijit tür PVC köpükler iç bünyede bir cross link oluşturmakta ve termoset reçinelere yapısal olarak oldukça benzemektedirler. Lineer tür PVC köpükler zincirler arasında cross link oluşturmazlar ve yapısal olarak daha çok termoplastik malzemelere benzerler. Lineer köpükler rijit köpüklere göre daha esnektir.

Balsa Ağacı

Balsa ağacı ekvatoral iklimde yetişen bir ağaç türüdür. Balsa ağacının yoğunluğu 40-340 kg/m3 arasında değişmektedir ancak ortalama bir balsa ağacının yoğunluğu 160 kg/m3 olarak kabul edilebilir. Balsa ağacı liflerin cidarlara dikey doğrultuda yönlenmiş olması nedeniyle diğer ağaç malzemelere göre büyük bir üstünlük sağlamaktadır. Düşük maliyet özelliği nedeniyle de çok tercih edilen çekirdek malzemelerdendir. Kesme yükü ve basınç yükü dayanımı yüksektir. Ancak su dayanımı diğer ara malzemelere göre düşüktür.

Kaynakça

• Akçakaya R., 1991, Modern Kompozitlere Genel Bir Bakış, Şişe Cam Teknik Bülten, Cilt 20, Sayı 2.

• Başbudak M, 2008, Enhanced Resin For Polimeric Composite Vinly Ester, Uluslararası Katılımlı Polimerik Kompozitler Sempozyumu, İzmir.

• Cecen, V., Seki, Y., Sarıkanat, M., Tavman, I.H., 2008, FTIR and SEM Analysis of Poliester and Epoxy-Based

Composites Manufactured by VARTM Process, Journal of Applied Polimer Science, Vol.108, 2163-2170.

• Crea, F., Porco, G. ve Zinno, R., 1997, Experiental Evaluation of Thermal Effects on the Tensile Mechanical Properties of Pultruded GFRP Rods, Applied Composite Materials, 4;133-143.

• CTP Teknolojisi, 2003, Cam Elyaf Sanayii Yayınları, Kocaeli.

• Ersoy, M.S., 2005, Lif Takviyeli Polimerik Kompozit Malzeme Tasarımı, Kahraman Maraş Sütçü İmam Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı, 1, 2s.

• Ersoy, H.Y., 2001, Kompozit Malzeme, İstanbul, 113s.

• Jansons, J.O., Glejbol, K., Rytter, J., Aniskevich, A.N., Arnautov, A.K. ve Kulakov, V.L., 2002, Effect of Water Absorption, Elevated Tempratures And Fatigue On The Mechnanical (18) Properties Of Carbon-Fiber-Reinforced Epoxy Composites For Flexible Risers, Mechanics of Composite Materials, Vol.38;299-310.

• Mallick, P.K. 1997, Compoaites Engineering Handbook, Marcel Dekker Inc. New York.

• Rosato, D.V. and Rosato, D.V., 2004, Reinforced Plastics Handbook Elsevier, Oxford, 136, 141, 148, 285p.

• Sevim, C, 2006, Rüzgar Türbin Kanatlarının Üretimi, 1. Polimerik Kompozitler Sempozyumu ve Sergisi, s.673-687, İzmir.

• Starr B.C., 2001, Inter-Relationships Between Chemistry, Network Structure and Properties of Chain Growth Dimethacrylate Thermosets, Virginia Polytechnic Institute.