Poliüretan Köpük Sistemlerinde Kullanılan Hücre Açıcılarının Etkileri
Giriş
Poliüretan, serbest halde bulunan Azot-Karbon-Oksijen (NCO) bağı olan izosiyanat ile hidroksil (OH-1) içeren poliollerin bir araya gelmesi ile ekzotermik reaksiyon sonucu oluşur. Bu reaksiyonda, izosiyonatlarda bulunan Azot (N) atomuna hidroksil grubunda yer alan poliollerdeki Hidrojen (H) atomu bağlanır.
Poliüretan malzemeler kullanıldıkları alana göre farklı fiziksel özelliklerde üretilebilirler. Genel olarak soft (esnek- yumuşak) ve rijit (sert) olmak üzere iki farklı yapı bulunmaktadır.
Diizosiyanat ve diollerle sentezlenen poliüretanların zincir yapısı doğrusal olan termoplastik
polimerdir. İzosiyanat veya alkolün fonksiyonellik özelliği arttırıldığında ise çapraz bağlı termoset poliüretanlar elde edilir.
Tepkimede aktif olarak bulunan fonksiyonel grup sayısını kontrol ederek esnek-sert arası farklı çapraz bağ yapısında poliüretan üretmek mümkündür. Ayrıca, izosiyanat ve kabartıcı özellikte olan suyun tepkimeye girmesi ile karbon dioksit (CO2) gazı açığa çıkar. Bu gazın ortamdan uzaklaşması ile ardında gözenekli bir yapı bırakır ve poliüretanı gözenekli hale getirir.
Aynı zamanda, polimer yapının temelinde çekirdek adı verilen küçük alt oluşumlar meydana getirir. Reaksiyon sırasında bu çekirdek yapılar genişler ve son aşamada kararlı halde bulunan gözenekli yapıyı oluşturur.
Sert (rijit) formdaki poliüretanlarda gözenek yapıları kapalı iken yumuşak (soft) sistemlerde gözenek yapıları açıktır. Kapalı olan gözenek yapısına sahip sert köpüklerde % 85-95 oranında gözenek yapısının kapalı olması beklenen bir durumdur.
Buna paralel olarak da yumuşak poliüretan köpüklerde de açık olan gözenek yapısı aynı oranda bir hayli fazladır. Buradan da anlaşılacağı gibi poliüretan köpük sistemlerinin tamamen kapalı ya da açık gözenek yapısına sahip olması mümkün değildir.
Ürünün içerisinde bulunan gözeneklerin boyutu ve homojenliği ürünün özelliklerini etkileyen önemli faktörlerden bir tanesidir. Gözle görülebilen gözenek yapısına sahip olan yapılar makro gözenekli poliüretan köpük olarak adlandırılırken gözle görülemeyecek kadar küçük
gözenek yapısına sahip olan yapılar da mikro gözenekli poliüretan olarak adlandırılmaktadır.
Poliüretan köpüklerde gözenek yapısını etkileyen faktörlerden birisi de farklı hammaddelerin kullanılmasıdır. Aynı zamanda, kullanılan üretim teknolojisi de yine gözenek yapısını etkilemektedir. Yukarıda da belirtildiği gibi, oluşturulmak istenilen poliüretan köpük termoplastik formda olacak ise, önce sıvı haldeki polimer karışımı köpüklendirilir ve uygun bir yöntem ile şekillendirilerek karıştırılır.
Eğer, termoset poliüretan köpük elde edilmek isteniliyorsa, prepolimer ile birlikte katkı
maddelerinin bulunduğu reçineler köpüklendirilir. Daha sonra çapraz bağlı yapıda kalıp içerisinde katılaştırılmış olur.
Poliüretan köpükler kullanım alanlarına göre de farklılık gösterirler. Yapılarındaki gözenek yapılarına göre ısı yalıtımı, ses yalıtımı, enerji absorpsiyonu, otomotiv sektörü, sağlık alanı, tekstilde deri üretimi, yastık, yatak gibi döşemecilikte olduğu kadar ayakkabı, terlik, sünger gibi farklı alanlarda kullanılmaktadır.
Kullanım alanına göre istenilen fiziksel özellikleri kazandırabilmek için poliüretan sünger formlarında gözenek yapılarını (hücre yapılarını) şekillendirmek önemli kıstaslardan bir tanesidir. Bunun için dışarıdan hücre açıcı adı verilen katkı maddeleri kullanmak ve hücre çeperlerini genişletmek mümkün.
Hücre çeperlerinin genişlemesi ve hücreler arası mesafenin değişmesi ile hava geçişini ve reaksiyon sırasında ortaya çıkan CO2 gazının dışarı salınımını kontrollü bir şekilde sağlamak olasıdır.
Böylelikle, poliüretan sünger formları oluşurken hücre yapılarının dengeli bir şekilde oluşması sağlanır. Çünkü polimerizasyon sırasında oluşan hücreler, kontrollü olarak büyütülmezse hücre bütünleşmesi olur ve yukarıda da bahsedildiği gibi gaz giriş çıkışları etkili bir şekilde sağlanamaz.
Bu da yapının çökmesine neden olur. Bunu engellemek için hücre açıcı kullanmak yapının içe doğru büzüşme-çökme-yarılma gibi sorunlarını ortadan kaldırmaya neden olacaktır. Böylelikle, daha esnek, daha yumuşak bir poliüretan malzeme meydana gelir.
Şekil 1’de ZEISS&EVO LS 10 marka Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak farklı oranlarda hücre açıcının ilave edilerek oluşturulduğu poliüretan sünger sistemlerin gözenek yapılarına 50, 100, 250 ve 500 olmak üzere dört (4) farklı magnifikasyon ile bakılmıştır.
Şekil 1’de, sırası ile hücre açıcı bulunmayan, 1 part, 2 part, 3 part, 4 part ve son olarak 5 part hücre açıcı bulunan poliüretan köpüklerin 50 kat büyütülmüş SEM görüntüleri gösterilmiştir. Bunlara sırası ile Deneme 0, Deneme 1, Deneme 2, Deneme 3, Deneme 4 ve Deneme 5 olarak isim verilmiştir.
Şekil 1’de de görüldüğü gibi ilavesi olmayan poliüretan köpük sistemi en sıkı ve hücreler arası boşluğu en az olan yapıdır. Hücre açıcı miktarı part olarak katlanarak ilave edildiğinde en çok hücre açıklığı ya da en fazla gözenekli yapıya 5 part ilave edilen poliüretan köpük
sisteminde rastlanılmaktadır.
Hücre yapısında yer alan hücre zarı daha esnek olduğu için CO2 gaz çıkışı daha rahat olması beklenmektedir. Böylelikle, çekme-büzüşme miktarı diğerlerine göre daha az olacaktır.
Sonuç
Poliüretan sistemler, ekzotermik bir reaksiyon sonucu oluşurken izosiyanatlar ile poliollerin bir araya gelmesi ile meydana gelir. İzosiyanatların tepkimeye girdiği hidroksil grubunda yer alan polioller ile reaksiyonu sonucu karbon dioksit (CO2) gazı açığa çıkar.
Bu gazın sistemden atılması ile dışarıdan hava ile dolması neticesinde gözenekli bir yapı meydana gelir. Bu gözenekli yapının kontrollü bir biçimde şekillendirilmesi istenilen nihai ürünün fiziksel özelliklerini etkilemektedir.
Bu sebeple, dışarıdan hücre açıcı adı verilen katkı maddeleri ilave edilerek poliüretanın üretimi sağlanmaktadır. Bu çalışmada da görüldüğü gibi hücre açıcı katkı maddesi gözenek yapısını genişletirken hücre zarının daha esnek olması ile CO2 gazının daha kolay bir şekilde dışa atılmasını sağlamaktadır. Bu da sistemin daha esnek olmasına katkı da bulunmaktadır.
Teşekkür
Yazarlar, Taramalı Elektron Mikroskobu ile görüntü alınmasına yardımcı olan Adıyaman Üniversitesi Rektörlüğü’ne, Rektör Yardımcısı Prof. Dr. Cumhur Kırılmış’a ve merkezi laboratuvarda Taramalı Elektron Mikroskobu sorumlusu Elif Pekeroğlu Temurtaş’a teşekkür
eder.
Kaynaklar
[1] Erkin Akdoğan, “ Farklı Katkı Maddelerinin Poliüretan Malzemelerin Mekanik Özellikleri
Üzerine Etkileri, Yüksek Lisans Tezi, Makine Mühendisliği, Pamukkale Üniversitesi, 2011”
[2] Yasemin Karel, “Bitkisel Yağ Bazlı Polyol ”
[3] https://polen.itu.edu.tr/items/aa959655-501c-4ccd-a681-f0b9dbd563b3 [4]http://www.plastik-ambalaj.com/tr/hakkimizda/kurumsal/119-plastik-ambalaja-makale/2699-polimerik-koepuekler-koepuek-morfolojisi
[5] Sami Erol, “Esnek Poliüretan Sünger Üretim Teknolojisi ve Üretim Sisteminde Sıcaklık Dağılımının Modellenmesi” Anadolu Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 1988
Dr. Özden Demircioğlu
Ar-Ge Merkezi Yöneticisi
Baymel Kimya Yapı A.Ş.
Erhan Altıntuğ
Ar-Ge Mühendisi
Baymel Kimya Yapı A.Ş.
