Rijit Poliüretan Köpük Levha Üretiminde Kalsit Kullanımı

  • Makale
  • Ziyaret: 4120
  • polimer, makale, kompozit
  • Son Güncelleme: 22-04-2015
  •  
    Share on Tumblr       


Y. Müh. Doç. Dr. Bilal Aydoğan / Prof. Dr. Nazım Usta

Giriş

Polimer esaslı kompozit malzeme üretimlerinde hem malzeme maliyetlerini azaltmak hem de malzeme özelliklerinde iyileştirmeler sağlamak için inorganik dolgu maddelerinin kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bu çerçevede, yalıtım amaçlı kullanılan rijit poliüretan köpük levhaların üretimlerinde de kalsit, kil, dolamit, talk gibi farklı inorganik malzemeler kullanılmaktadır. (Ali ve diğ., 2006; Czuprynski ve diğ., 2009; Kim ve diğ., 2010; Liszkowska ve diğ., 2013). Bu dolgu maddelerin boyutları, kimyasal yapıları, kullanım miktarları ve ana hammadde ile uyumu kullanım aşamasında dikkate alınması gerekli önemli parametrelerdir.


Büyük boyutlu dolgu maddeleri rijit poliüretan köpük malzemede hücre duvarlarının bozulmasına ve malzemenin hem mekanik özelliklerinin kötüleşmesine hem de ısı yalıtım özelliğinin azalmasına sebep olduğu bilinmektedir (SaintMichel ve diğ., 2006; Ye ve diğ., 2009; Usta ve diğ., 2012). Bununla birlikte, küçük boyutta dolgu maddelerinin ilavesinde de dolgu maddesinin malzeme içerisine homojen dağılımının sağlanmasının önemli olduğu ve buna dikkat edilmesi gerektiği bilinmektedir. (Dolomanova ve diğ., 2011).


Dolgu maddelerinin kimyasal yapılarının, rijit poliüretan malzemenin oluşumuna engel olmayacak veya oluşumu olumsuz yönde etkilemeyecek olması gerekmektedir. Ayrıca dolgu maddelerinin ısıya maruz kalmalarında ısıl bozunma ve yanma davranışlarının incelenmesi de önemlidir. Çünkü, rijit poliüretan köpük malzemeler düşük ısı iletim katsayısına sahip olmakla birlikte, kolay tutuşabilmekte ve yanabilmektedir.


Bu çalışmada, Türkiye’de bol miktarda bulunan ve dolgu malzemesi olarak kullanılabilecek olan kalsitin nano boyutta rijit poliüretan köpük malzemeye kütlece %5, %10 ve %15 ilavesinin malzemenin özelliklerine etkisi incelenmiştir


Rijit Poliüretan Köpük Malzeme Üretimi

Rijit poliüretan levha üretiminde, ticari bir firmadan temin edilen uygun hammaddeler kullanılarak 45 kg/m3 yoğunluğa sahip 35cm* 35cm* 5cm boyutlarında küçük levhalar üretilmiştir. Üretimlerde poliol/izosiyanat kütlesel karışım oranı üretici firma tavsiyesi ile 100/118 olarak ayarlanmıştır.


Dolgu maddesi olarak kullanılan nano boyutta (d50 = 50 nm) kalsit, ticari bir firmadan temin edilmiş olup %99.5 oranında CaCO3 içermektedir. Nano boyutta kalsit, üretimler öncesi 24 saat süresince 100oC sıcaklıktaki etüvde tutularak nemden arındırılmıştır. Dolgu maddesi ilavesi % 5, %10 ve %15 oranlarında, poliüretan hammade miktarlarının aynı oranda azaltımı ile gerçekleştirilmiştir. % 15 üzerinde ilavelerde ürün oluşum kalitesi bozulmuştur.


Kalsit ilaveli köpük malzeme üretimlerde, öncelikle kalsit poliol içerisine ilave edilerek, hem mekanik hem de ultrasonik homojenizatör kullanılarak homojenize işlemi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra kalsit içeren poliol ile izosiyanat 3000 min1 dönme sayısına sahip bir mekanik karıştırıcı ile 12 s süre ile karıştırıldıktan sonra, iç ölçüleri 350mm*350 mm*50 mm olan kalıp içerisine dökülmüştür. Kalıbın ağzı kapatılarak, alttan ve üstten ısıtmalı (40 °C) pres altında 25 dakika bekletilmiştir. Kalıptan çıkarılan numuneler, laboratuar ortamında en az 24 saat bekletildikten sonra, testler için uygun boyutlarda kesilerek, deney öncesi özel bir şartlandırıcı sistem içerisinde 23 ± 1 oC sıcaklık ve % 50 ± 3 bağıl nem ortamında 48 saat şartlandırma işlemine tabii tutulmuştur.


Nano Boyutta Kalsit İlavesinin Malzeme Özelliklerine Etkileri

%5, %10 ve %15 oranlarında nano boyutta kalsit ilavesinin köpük malzemenin yoğunluğu, hücre boyutu, ısı iletim katsayısı, ısıl bozunma ve yanma direncine etkileri incelemeye alınmıştır.


Üretimlerde dolgu miktarınca poliüretan hammaddelerinin kütlelerinde azalma yapıldığı için nano boyutta kalsit ilavesinin köpük malzemenin yoğunluğunda (45 kg/m3) dikkate değer bir değişime sebep olmadığı belirlenmiştir.


Ham ve kalsit ilaveli rijit poliüretan köpük malzemelerin, hücre yapıları bilgisayar kontrollü Nikon SMZ 1500 Stereo mikroskop ile incelenmiş olup, ortalama hücre boyutları ASTM D357604 standardına uygun olarak hesaplanmıştır. Genel olarak, %15 oranına kadar kalsit ilavesinin ortalama 700 olan hücre boyutunda dikkate değer bir değişime sebep olmadığı belirlenmiştir.


Köpük malzemelerin ısı iletim katsayısı ölçümleri sıcak tel yöntemi ile ölçüm yapan Kyoto QTM500 ısı iletim katsayısı ölçüm cihazı ile yapılmıştır. Genel olarak, kalsit ilavesi malzemenin ısı iletim katsayısında artışına sebep olmamakla birlikte yaklaşık %13 oranında azalmaya sebep olduğu tespit edilmiştir.


Nano boyutta kalsitin termogravimetrik analizi, azot ortamında 40 800oC sıcaklıkları arasında ve 20oC/dakika ısıtma hızı ile seramik numune kaplar kullanılarak yapılmıştır. Kalsitin, TG DTG eğrileri Şekil 1’de verilmektedir. Kalsitin, 500 °C’den başlayarak yaklaşık 820°C’ye kadar bozunma reaksiyonunu tek basamakta tamamladığı görülmektedir. %99.5 CaCO3 içeren kalsitin, ısıya maruz kaldığında CaO ve CO2’e ayrışarak, CO2 gazının maddeden ayrıldığı bilinmektedir.


Şekil 1. Nano boyutlu kalsitin termogravimetrik analiz sonuçları

Ham ve nano boyutta kalsit ilaveli (%15) poliüretan köpük malzemelerin termogravimetrik analiz sonuçları Şekil 2’de verilmektedir. Şekil 2’de kalsit ilavesinin malzemenin ana bozunma reaksiyon sıcaklığını arttırdığını ve kütle kayıp hızını azalttığı görülmektedir. Bununla birlikte, ham malzemede görünmeyen 600 820°C arası kalsit ilaveli malzemede ekstra bir bozunma reaksiyonu oluştuğu da açık bir şekilde görülmektedir. Bu bozunma reaksiyonun, kalsitin bu sıcaklık aralığında bozunarak CO2 gazı çıkışı ile açıklanabileceği değerlendirilmektedir.


Şekil 2. Ham (PUR) ve %15 nano boyutlu kalsit ilaveli (PUR + %15 KALSİT) poliüretan köpük malzemelerin termogravimetrik analiz sonuçları


Kalsit dolgulu poliüretan köpük malzemelerin UL 94 ve konik kalorimetre test düzenekleri ile yanma dirençleri incelemeye alınmıştır (Usta ve Tuzcu, 2010; Usta ve Tuzcu, 2011). Şekil 3’te tipik bir numunenin UL 94 yanma testi uygulaması görülmektedir. Şekil 4’te ise yanma testi sonrası malzemelerin görünümleri verilmiştir. Elde edilen sonuçlardan kalsit ilavesinin malzemenin yanma direncini arttırmak yerine bir miktar direnci azalttığı tespit edilmiştir. Benzer sonuçlar konik kalorimetre yanma testleri ile de elde edilmiştir. Genel olarak, özellikle kalsitin ısıl bozunmaya uğrayarak CO2 çıkışına sebep olması ile köpük malzemenin hücre duvarlarının bozularak açık hücre yapısının artmasına ve malzemenin daha kolay yanmasına, böylece de malzemenin yanma direncinin azalmasına sebep olduğu değerlendirilmektedir.

 












Şekil 3. Örnek bir numunenin UL 94 yanma testi

Teşekkürler
Yazarlar, bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde TÜBİTAK -108T246 nolu proje kapsamında verilen destekle oluşturulan altyapı kullanıldığı için TÜBİTAK’a, ultrasonik homojenizatörün temini için TÜBA üyesi Prof. Dr. Muzaffer
TOPCU’ya ve TÜBA’ya teşekkür ederler.



Kaynaklar

Ali, V., Neelkamal, Haque, F.Z., Zulfequar, M., Husain, M. (2006). Journal of Applied Polymer Science, Vol. 103, 2337-2342. Czuprynski, B., Paciorek-Sadowska, J., Liszkowska, J.(2009). Journal of Applied Polymer Science,Vol. 115, 2460-2469.

Dolomanova V., Rauhe J. C. M., Jensen L. R., Pyrz R., Timmons A.B. (2011). Journal of Cellular Plastics, 47(1) 8193, 2011.

Kim, S. H., Lee, M. C., Kim, H. D., Park, H. C., Jeong, H. M., Yoon, K. S., Kim, B. K. (2010). Journal of Applied Polymer

Science,Vol. 117, 1992-1997. Liszkowska J., Czuprynski B., Paciorek-Sadowska J. (2013).

Journal of Cellular Plastics, 49(4) 375390. Pashaei, S., Siddaramaiah, Akheel Ahmed Syed, A. A.

(2010). Journal of Macromolecular Science, Part A: Pure and Applied Chemistry, 47, 777-783.

Saint-Michel F., Chazeau L., Cavaille J.Y. (2006), Composites Science and Technology 66, 27092718.

Usta N., Tuzcu H. (2010). Yanma Analizlerinde Konik Kalorimetre Kullanımı, Poliüretan Sanayi Dergisi, Sayı 6, 24-26.

Usta N., Tuzcu H. (2011). Rijit Poliüretan Malzemelerde Kabaran Alev Geciktirici Uygulaması, Poliüretan Sanayi Dergisi, Sayı 8, 52-56. Usta N., Tarakcılar A.R., Yurtseven R., Akdoğan E., Topcu

M. (2012). Sert Poliüretan Köpük Malzeme Üretiminde Dolgu Malzemesi Olarak Uçucu Kül Kullanımı, Poliüretan

Sanayi Dergisi, Sayı 14 , 36-40.

Widya T., Macosko C.W. (2005). Journal of Macromolecular Sciencew, Part B: Physics, 44:897908, 2005.

Ye L., Meng X.Y., Ji X., Li Z.M., Tang J.H. (2009). Polymer

Degradation and Stability, 94, 971979.