Plastikte Kullanılan Mineral Dolgular ve Uygulamaları

18.12.2019

Mineral dolgular; DIN 55943 (EN-Colouring materi- als- Terms and definitions) standartlarına göre, pratik olarak uygulandığı ortamda çözünmeyen ve hacmi arttırmak, bazı teknik özellikler elde etmek veya artırmak ve/veya optik özellikleri değiştirmek için kullanılan toz formundaki maddelerdir. Dolgu maddeleri plastiklerde katı olarak sisteme ilave edilen ve matris reçineyle bağdaşmayan organik veya inorganik kökenli malzemelerdir. Bu maddeler aktif veya inaktif olmalarına göre ilave edildikleri sisteme pek çok özellik kazandırabilirler. Eğe bilinçli kullanılırsa dolgulu sistemler ucuzluğun yanı sıra çok önemli üstünlükler de kazanmış olurlar. Dolgu maddeleri karışımda özgül ağırlık, E-modülü, basınç dayanımı, eğilme direnci, sertlik, ısı dayanıklılığı gibi değerleri artırırlar. Özel bazı katkılar sisteme anti-statik ve yanmazlık gibi özelliklerin yanında işlemede kolaylık sağlayan yumuşaklık ve kayganlık gibi avantajlar da verirler. Dolgu maddelerinin plastiklerde en önemli katkısı ise malzemenin küçülmesini önlemesidir. Dolguların plastik karışımlara olumsuz etkileri de yok değildir. En önemli konu çekme dayanımı ve darbe direncinin dolguyla kötüleşmesidir. Bu etkileri düzeltmek için mutlaka özel katkılar gereklidir. Reaktif reçinelerde ekzotermik ısı sistemde birçok sorun yaratabilir. Dolguların çoğunluğu bu ekzotermik tepe noktasını düşürerek sistemde oluşan gerilimleri azaltırlar. Bu sayede son ürün daha az çekmiş ve yüzey dalgalanmaları ve çatlakların oluşması da önlenmiş olur. Bu sayede daha parlak ve düzgün yüzeyli ve tam ölçülerde ürün elde etmek ve dolgu ilavesiyle plastiğin diğer maddelere yapışması da önlenmiş olur. Dolgu- lar bütün sistemin işleme değerlerini değiştirir. Bunun içinde depolama ömrü ve işlenme parametreleri de vardır.

Dolgu maddeleri seçiminde dikkat edilecek en önemli hususlar şöyle sıralanabilir:

Tane boyutu,
Dağılım şekli,
Dispersiyon özelliği,
Kimyasal yapısı,
Yüzey yapısı ve büyüklüğü,
Aşındırma riski,
Yüzey sertliği,
Taşıma şekli,
Fiyat

Plastikte Kullanılan Mineral Dolgular

Plastikte kullanılan belli başlı mineral dolgu maddeleri şunlardır:

Kalsiyum karbonat (CaCO ),
Dolomit,
Barit,
Talk,
Kaolen,
Mika,
Kuvars kumu,
Vollastonit

Burada en çok kullanılan mineral dolgu olan kalsiyum karbonattan söz edilecektir.

1.1. Doğal Kalsiyum Karbonat (GCC)

Kalsiyum karbonat plastik sektöründe en yaygın dolgu maddesidir. Termoset plastiklerde en çok SMC- BMC’de, termoplastiklerde ise en çok PVC’de kullanılmaktadır. İnert bir malzeme olan kalsit fiyatta ucuzluk getirirken reçinenin diğer özelliklerinde olumsuz bir değişime sebep olmamaktadır.

CaCO	%98,5 – 99,5
MgCO	% 0,5
FeO	% 0,2
Al Silikat	% 1,0
Kızdırma Kaybı	%43,3 – 43,8
Nem	%0,2
Yoğunluk	2,7
Mohs Sertliği	3,0
Beyazlık	85-95 El Repho yeşil filtre-MgO-100
pH Değeri	9,0 – 9,5
Yağ Emme	9-21 g/ 100 g toz
DOP Sayısı-ASTMD 281-31	9-33 g / 10 g toz
Özgül Yüzey Alanı	1-15 m2/g

Doğal öğütülmüş kalsiyum karbonatların (GCC) polimer endüstrisindeki en önemli uygulamaları ise şu şekildedir: Plastik PVC: Uygulamaya bağlı olarak (kablo, zemin döşeme, profil, film vs.), farklı incelikte kaplanmamış veya kaplanmış kalsiyum karbonat kullanılır. PVC Plastisoller: Deri giysiler, duvar kâğıdı, muşamba ve yer kaplama gibi uygulamalar için, d50’si 1,5-40 µm arasında kaplanmamış kalsiyum karbonat uygulanır. Rijit PVC: Borular, pencere profilleri, panjurlar, filmler ve boru donanımları için d50’si -1,5 µm çok ince kaplanmış kalsiyum karbonat kullanılmalıdır. Polipropilen (PP): Doğal kalsiyum karbonatların pek çok uygulamaları şu şekildedir: Atık su boruları, gıda ve tüketici mallarının paketlenmesi için tablalar, BOPP filmler, teknik komponentler, bahçe mobilyası gibi ev uygulamaları için d50’si 1,4-3,5 µm arasında olmalıdır. Yüzey kaplamada özellikle yüksek beyazlık tercih edilir. Polietilen: d50’si 3 µm’den daha az olan, yüzey kap- lanmış kalsiyum karbonat elastik modülünü artırmak için filmlerde fonksiyoner katkı olarak kullanılır. Ayrıca kalsiyum karbonat pigmentlerin dağılmasını sağlar. Polimer Reçineler: SMC ve BMC uygulamaları için, d50’si 1,5-10 µm arasındaki kalsiyum karbonatlar tercih edilir. Paketleme yoğunluğunu artırmak ve visko- ziteyi düşürmek için nispeten iri tanelere inceler katılabilir.

Kalsiyum Karbonat Mineral Dolgularda İstenen Özellikler

Toksik olmayan, kokusuz,
Yüksek parlaklık, düşük kırılma indisi,
Yumuşak,
Kuru, kristal su içermeyen,
Normal plastik işleme şartlarında stabil,
Düşük maliyet,
Dağılması kolay,
Termal (ısıl) genleşme katsayısını azaltır,
Termal iletkenliği artırır.

Dezavantajlar

Yüksek yoğunluk,
Artan plastik viskozite,
Polimerden daha aşındırıcı,
Termal iletkenliği artırır (pencere ve kapı çerçevelerinde istenmeyen durum),
Asitte çözünür,

Basınç dayanımını azaltır.PVC en çok mineral dolgunun (özellikle CaCO ) kulla- nıldığı polimer sistemdir. Plastiğin ısıl işleminde açığa çıkan HCl gazını absorbe eder, nötralize eder ve böyle- ce düşük maliyetli bir stabilizer olarak görev yapar. Çok ince GCC partikülleri en iyi stabilizasyonu verir.Düşük maliyeti ve bol bulunuşu sayesinde kalsiyum karbonat (CaCO ) en yaygın kullanılan mineral dolgu maddesidir.1.2. Sentetik (Çöktürülmüş) Kalsiyum Karbonat (PCC)Çöktürülmüş kalsiyum karbonatın üstün nitelikleri ince tanecik yapısı, saflığı ve aragonit yapısıdır. Eğer yüzey muamelesine tabi tutulursa (yüzey kaplama) matris reçine içinde dağılımı çok kolay olur. Bu sayede şu avan tajlar sağlanır:

Darbe dayanımı artar,
Son ürünlerde yüzey parlaklığı artar,
Esneklik artışı sonucu kırılma ve yırtılma problemleri azalır

E-modülü yükselir.

Bütün bu üstünlüklerinin yanında olumsuzluklar da getirir. Bunların başında pahalı olması gelir. Ayrıca viskosite artışı daha hızlı olduğundan daha az dolgu kullanılır ve yüzey aktivitesi nedeniyle diğer kıymetli katkıların adsorbe edilmesi tehlikesi belirir. Çöktürülmüş kalsiyum karbonat (PCC)’ın d50’si 0,07-2 µm arasında ve özgül yüzey alanı 10-40 m2/g’dır. Temel uygulamaları otomotivde kullanılan plastisollerdir (PVC ve plastikleştirici karışımı).

2. Dolgulu Plastiklerin Özellikleri

Dolgulu plastiklerde takviyeli plastikler arasındaki en önemli fark çekme direncinin sadece takviyeli plastiklerde artmasıdır. Buna karşılık E-modül ve sertlik dolgu maddeleri ile de artar. Isıya dayanıklılık kürecik şeklindeki dolgularla elyaf şeklindeki takviye malzemeleriyle olduğu kadar fazla artmaz. Buna karşılık yassı tanecik yapısında olan talk ve mika ilavesi ısı dayanımında çok daha etkili olabilir. Dolgu maddelerinin plastiklerde şu değişikliklere neden olduğu söylenebilir.

Yoğunluk artışı,

E-modülü ile baskı ve eğme değerlerinin artışı,
Yüzey sertliğinin ve kalitesinin iyileşmesi,
Mekanik değerlerin ısıdan etkilenmesinde azalma,
Maliyet önemli oranda düşer.

Bu sayede plastiklerde şu değişiklikler görülür:

Mekanik değerlerde kötüleşme görülür,
Baskı ve şekillendirme süreleri kısalır,
Daha sert bir ürün elde edilir,
Isıya daha dayanıklı olur,
Ölçüleri tutturmak mümkün olur, çöküntüler azalır

Sürtünme problemleri ortadan kalkar,
Yük altında kendini bırakma eğilimi azalır,
Eğme ve darbe değerleri de daha iyidir. 3. Plastiklerde Dolgu Uygulamaları

Plastiklerin dolgu maddeleri ilavesinde dikkat edilecek bazı önemli konular vardır. Eğer bilinçli çalışılmazsa istenilen avantajlar sağlanamadığı gibi büyük problemlerle karşılaşılması da olasıdır.

Dikkat isteyen konular şöyle sıralanabilir:

Tane boyut dağılımı uygun olmalı,
Dolgu madde yüzeyinin katalitik etkisi göz önünde bulundurulmalı,
Optimum bir karışım ve matrisle iyi bağdaşma sağlanmalı,
Dolguların birçoğunun iş makinelerini aşındırabildiği dikkate alınmalı,
Bileşimin özellikleri kesin bilinmeli,
İşlem sırasında çevresel problemlere izin verilmemeli,

Maliyet düşüşünü kontrol etmeli.Bütün bu konular özenle irdelenirse dolgu ilavesi istenilen üstün niteliklere haiz ve ekonomik bir bileşim ve son ürün elde etme olanağı verebilir.

4. Plastik Dolgu Maddelerinin Ekonomik Önemi

Dolgulu takviyeli plastik kullanımı büyük bir hızla artmaktadır. Bazı özel dolgularda da artış görülse de hala dolgulu plastiklerde %50 oranında kalsit tercih edilmektedir. Kalsitin yanı sıra en büyük artışın plaka yapısında olan, malzemeye tokluk vermesi ve yüzey düzgünlüğü sağlaması nedeniyle talkta görülmektedir. Petrol fiyatlarındaki aşırı artış, kaynağı petrol olan plastik maddelerin de pahalanmasına neden olmakta ve dolgu maddeleriyle sağlanan ucuzluk daha da önem kazanmaktadır. Yeni Ar-Ge çalışmaları dolgu cinsleri, plastiklerle bağdaşmaları incelenerek daha yüksek dolgu oranlarıyla çözüm aranmaktadır. Bu araştırmalar yeni dolgular, yeni reçineler ve daha kolay karıştırma metotları ile hem ucuzluk hem de daha üstün nitelik hedeflenmektedir.Tablo 2.Kalsit dolgulu (%40) plastiklerin birim maliyeti

Plastik ve Mineral Dolgu/Plastic and Mineral Filler	Yoğunluk/Density, gr/cm3	Maliyet/Cost, $/ton
Polipropilen, PP	0.89	880
CaCO a 3	2.69	90
%60 PP, %40 CaCO 3	1.22	570
PVC	1.39	830
CaCO b 3	2.69	140
%60 PVC, %40 CaCO 3	1.73	550