Polipropilen Köpük Malzemenin Mekanik Özelliklerine ve Hücre
advertisement
6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Polipropilen Köpük Malzemenin Mekanik Özelliklerine ve Hücre Morfolojisine Proses Şartlarının Etkisinin İncelenmesi H. Unal and S. H. Yetgin University of Sakarya, Faculty of Technology, Esentepe Kampüsü, Sakarya/Turkey, [email protected] The investigation of the effect of process parameters on the mechanical properties and cell morphology of PP foam materials Abstract— In this study, the effect of process parameters on the mechanical properties and microstructure of polypropylene copolymer (PP-c) foams that produced by injection molding methods were studied. Processing parameters are as follows; injection velocity, melting temperature and injection pressure. The effect of process parameters on average foam density, cell dimension, cell density, and skin thickness ratio, and impact strength values were investigated. Foam density and skin layer thickness decrease with the increase in melt temperature while cell diameter increases. When the melting temperature of PP copolymer is increased from 160 to 180oC, it is seen that the impact strength values reduce significantly. Keywords—Polymer foam, injection molding, process parameters, polypropylene, cell structure, mechanical properties. I. GİRİŞ öpüklenmiş veya hücresel polimerler, polimer ana matris içerisinde çok sayıda dağılmış hücrelerin bulunması nedeni ile yoğunluğun önemli oranda azaltıldığı malzemeler olarak tanımlanabilir [1]. Polimer esaslı köpük malzemeler kimyasal veya fiziksel köpük ajanları kullanılarak farklı üretim yöntemleri kullanılarak üretilebilirler [2-4]. Kimyasal köpük ajanları, proses sıcaklığında bozunarak CO2 ve N2 gibi gazları serbest bırakan katı organik veya inorganik malzemelerdir. Bozunma sonucunda oluşan katı artıklar çekirdekleyici gibi davranarak, daha küçük hücre yapısı oluşmasını sağlarlar. Kimyasal köpük ajanları, gazın ürettiği reaksiyon tipine ve üretilen gazın tipine bağlı olarak sınıflandırılabilirler. Gazı üreten reaksiyon enerjiyi absorplar (endotermik) veya enerjiyi serbest bırakır (egzotermik) [2-3,5]. Polimer köpükler, batch köpüklenme, ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama, sıkıştırma kalıplama gibi farklı yöntem kullanılarak üretilebilmektedir [4]. Enjeksiyon kalıplama, termoplastiklerin büyük bir çoğunluğunun kalıplanabildiği önemli bir üretim prosesidir [2,5]. Enjeksiyonla köpük kalıplama prosesi, azalan ağırlık, daha kısa çevrim zamanı ve yüksek dayanım/ağırlık oranı gibi avantajlar sağlar [4,6]. Fakat, enjeksiyonla köpük kalıplama yönteminde, batch ve K ekstrüzyon yöntemlerindeki değişkenlere ilave olarak enjeksiyon hızı, geri besleme basıncı ve vida adımı gibi parametrelerde etki etmektedir [2,5,6]. Ergiyik sıcaklığı, kullanılan köpük ajanı miktarı, vida adımı, enjeksiyon hızı ve basıncı gibi proses parametrelerindeki değişim enjeksiyon köpük kalıplama ile üretilen polimer esaslı köpüklerin hücre morfolojisini ve dolayısıyla mekanik özelliklerini etkiler [7]. Polimer köpük malzemelerin üretimi ve kullanım alanlarının genişlemesi sebebiyle ayrıca üstün özellikleri nedeniyle son yıllarda büyük ilgi çekmektedir. Köpüklendirilmemiş polimerler ile karşılaştırıldığında, polimer esaslı köpük malzemeler yüksek darbe dayanımı, yüksek tokluk, yüksek dayanım/ağırlık oranı, yüksek yorulma ömrü ve daha az malzeme kullanımı, malzemenin hafifliği ve maliyeti gibi daha iyi özelliklere sahiptir [8]. Farklı üretim prosesleri ve kullanılan prosesteki değişkenler kullanılarak daha önce literatürde bazı araştırmacıların bu konuda çalıştıkları görülmüştür. Yapılan çalışmalarda, proses şartlarının polimer köpüğün hücre morfolojisine ve mekanik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Bunlardan bazıları Nam ve arkadaşları [1]; lineer ve dallanmış PP kullanarak ekstrüzyon yöntemi ile polimer köpük malzeme üretmişler ve proses şartlarının köpük performansı üzerine etkilerini incelemişlerdir. Kimyasal köpük ajanı tipi, köpük ajanı miktarı, nozül sıcaklığı, vida dönme hızı ve ince kesitli kalıbın uzunluk/çap oranı gibi parametrelerin köpük yoğunluğuna etkilerini araştırmışlardır. Köpük yoğunluğunu etkileyen en önemli parametrenin, dallanma oranı olduğunu belirlemişlerdir. Yine benzer şekilde Guo ve arkadaşları [9]; otomotiv uygulamaları için ticari olarak kullanılan TPO polimerini enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi ile köpüklendirmişler ve kimyasal köpük ajanı miktarı ile enjeksiyon hızı, vida adımı, ergiyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı, geri besleme basıncı gibi enjeksiyon parametrelerinin yüzey kalitesi üzerine etkilerini incelemişlerdir. Azalan ergiyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı, kısalan soğuma zamanı ve endotermik kimyasal köpük ajanı kullanımının yüzey hatalarını azalttığını belirtmişlerdir. Lee ve arkadaşları [10]; PP, YYPE ve AYPE gibi poliolefinleri kimyasal köpük ajanı kullanarak ekstrüzyon yöntemi ile köpüklendirmişlerdir. Soğutma suyunun sıcaklığı, köpük ajanı miktarı ve polimer reçinenin ergiyik sıcaklığı gibi ekstrüzyon parametrelerinin köpüklenme derecesine ve hücre boyutuna olan etkilerini incelemişlerdir. Çalışmanın 201 H. Ünal, S. H. Yetgin devamında ise moleküler ağırlığın, ergiyik viskozitesinin ve ergiyik geriliminin gaz kabarcıklarının büyümesine ve köpüklenme derecesine etkilerini de araştırmışlardır. Guo ve arkadaşları [6] diğer bir çalışmada ise nanoclay ve maleik anhidrit aşılı polipropilen (MAH-PP) içeren dallanmış ve lineer PP köpüklerin hücre yapısı ve özellikleri incelemişlerdir. Enjeksiyon kalıplama yöntemi ile üretilen PP ve PP-nanokompozitlerin köpüklenebilirliğini ve kimyasal köpük ajanı miktarı, vida adımı, geri besleme basıncı, enjeksiyon hızı, ergiyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı ve farklı enjeksiyon metotları gibi enjeksiyon parametrelerinin etkilerini incelemişlerdir. Deneyler sonucunda, artan geri besleme basıncı altında hücre yoğunluğunun azaldığını belirlemişlerdir. Benzer şekilde köpük ajanı miktarı ve enjeksiyon hızının artırılması ile hücre yoğunluğunun arttığını, hücre boyutunun ise azaldığını tespit etmişlerdir. 16-24 mm arasında değişen vida adımı uygulamasının sonucunda, dallanmış PP için ideal vida adımının 16mm, lineer PP için ise 24mm olarak belirlemişlerdir. Kalıp sıcaklığının azalması ise köpük yapısının homojenliğini bozmuş ve kabuk tabakası kalınlığının artmasına sebep olmuştur. Ayrıca, enjeksiyon metodunun (enjeksiyon giriş durumu) hücre çekirdeklenmesi ve buna bağlı olarak hücre yapısında önemli etkiye sahip olduğunu belirtmişlerdir. Chen ve arkadaşları [11]; AYPE ve metallocene-catalyzed PE (mPE) polimerlerini kimyasal köpük ajanı kullanarak enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi ile üretmişlerdir. 30-110 µm arasında hücre boyutu ve 105-106 hücre/cm3 hücre yoğunluğu ile kapalı hücreli köpükler elde etmişlerdir. Enjeksiyon hızının hücre yapısı üzerinde en etkili parametre olduğunu, enjeksiyon hızının artması ile hücre yoğunluğunun arttığını hücre boyutunun ise azaldığını tespit etmişlerdir. Xin ve arkadaşları [4]; kimyasal köpük ajanı kullanarak enjeksiyon köpük kalıplama ile PP/atık kauçuk tozu karışımını kullanarak polimer esaslı köpük malzeme üretmişlerdir. Ergiyik sıcaklığı, enjeksiyon hızı, vida adımı ve köpük ajanı miktarının elde edilen köpüklerin morfolojik ve mekanik özelliklerine etkilerini incelemişlerdir. Çalışma sonucunda, köpük ajanı miktarının hücre boyutu, hücre yoğunluğu ve çekme dayanımı üzerine en önemli parametre olduğunu ve köpük kabuk tabakası kalınlığının artmasıyla çekme dayanımının arttığını belirtmişlerdir. Chien ve arkadaşları [12]; enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi ile PP köpüklerin mekaniksel özelliklerini ve kalıplama karakteristiklerini araştırmışlardır. Enjeksiyon hızı, ergiyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı ve geri besleme basıncı gibi parametrelerin, parça ağırlığı ve mekaniksel özelliklere (çekme dayanımı, eğme dayanımı ve rijitlik) etkilerini incelemişlerdir. Köpüklenme derecesi üzerine köpük ajanı miktarının ve parça kalınlığının da etkileri incelemişlerdir. 0.5mm kalınlığındaki çekme numunelerinde yaklaşık olarak %4 ile %9 oranında ağırlık azalımı elde edilirken 15mm kalınlığındaki eğme numunelerinde ağırlık azalımı yaklaşık olarak %43-50 arasında elde edilmiştir. Parça kalınlığının köpüklenme derecesini belirlemede önemli bir faktör olduğunu belirtmişlerdir. Artan ergiyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı ve enjeksiyon hızı ile parça ağırlığı, çekme dayanımı, eğme dayanımı ve rijitlik azalırken, geri besleme basıncının artması ile artış göstermiştir. Köpük ajanı miktarının %0.8’ den %1.6’ya çıkmasıyla mekaniksel özelliklerde azalma göstermiştir. Lee ve Cha [13]; fiziksel köpük ajanı kullanarak enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi ile %20 talk katkılı PP köpük malzeme üretmişler ve kabuk tabakası oluşumuna kalıp sıcaklığı, enjeksiyon akış oranı ve polimer ergiyik sıcaklığının etkilerini incelemişlerdir. Çalışmaları sonucunda, kabuk tabakasının kalınlığını etkileyen kritik faktörün kalıp sıcaklığı olduğunu belirlemişlerdir. Kalıplanmış numunelerin darbe dayanımları ise özellikle yüksek kalıp sıcaklığından etkilenmiştir. Cisneros ve arkadaşları [14] ise; kimyasal köpük ajanı kullanarak enjeksiyon kalıplama yöntemi ile üretilen YYPE yapısal köpüklerin hücre boyutuna, hücre yoğunluğuna ve kabuk tabakası kalınlığına farklı kalıp sıcaklığının etkilerini incelemişlerdir. Köpüklenme sonuçları darbe ve eğme dayanımları açısından da karakterize edilmiştir. Araştırmaları sonucunda kalıp sıcaklığının artması ile darbe ve eğme dayanımları azalırken, toplam kabuk tabakası kalınlığının artması darbe dayanımını artırmıştır. Bu deneysel çalışmada, kimyasal köpük ajanı kullanılarak enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi ile polipropilen esaslı köpük malzemeler üretilmiştir. Enjeksiyon hızı, ergiyik sıcaklığı ve enjeksiyon basıncı gibi proses parametrelerinin, elde edilen köpük malzemenin hücre sayısına, hücre boyutuna, hücreler arası mesafeye, kabuk tabakası kalınlığına, köpük yoğunluğuna ve darbe dayanımına olan etkileri incelenmiştir. II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR A. Malzeme Bu deneysel çalışmada, ExxonMobil Kimya firmasından temin edilen enjeksiyonla kalıplamaya uygun, otomotiv ve paketleme endüstrisinde kullanılmaya elverişli 25g/10dak. (230oC/2.16kg) ergime akış indeksine sahip ve 0.90g/cm3 yoğunluklu PP3374E3 kodlu homopolimer polipropilen (PPH) malzeme kullanılmıştır. Kimyasal köpük ajanı olarak, Tosaf firmasından temin edilen ekstrüzyon ve enjeksiyon kalıplamaya uygun endotermik köpük ajanı (Foaming MB-FA 2984 PE) kullanılmıştır. Köpük ajanının bozunma sıcaklığı yaklaşık olarak 160oC’dir ve toplam bozunma miktarı 130ml/gr’dır. Bozunma sonucunda ise büyük oranda karbondioksit gazı açığa çıkmaktadır. B. Karıştırma İşlemi Granül formundaki polimer ile Masterbatch formundaki köpük ajanı, homojen bir karışım sağlanması için öncelikle mekanik olarak karıştırılmıştır. PP homopolimer ana matrisine kimyasal köpük ajanı miktarı ağırlıkça %1 oranında olacak şekilde katılmıştır. Karıştırma işlemi öncesi ve sonrası numunelere herhangi bir kurutma işlemi yapılmamıştır. PP homopolimer köpük üretimi için ise yine geleneksel tip enjeksiyon kalıplama makinesi kullanılmıştır. Enjeksiyon makinesine herhangi bir modifiye işlem uygulanmamıştır. 202 Polipropilen Köpük Malzemenin Mekanik Özelliklerine ve Hücre Morfolojisine Proses Şartlarının Etkisinin İncelenmesi Öncelikle katkısız PP homopolimer, 110 bar enjeksiyon basıncı, 100mm/s enjeksiyon hızı, 100 bar ütüleme basıncı altında toplam çevrim zamanı 40 s olacak şekilde üretilmiştir. Daha sonra ise ağırlıkça %1 oranında köpük ajanı ilaveli PP köpük malzemeler üretilmiştir. Üretimde kullanılan enjeksiyon köpük kalıplama parametreleri ise aşağıdaki Tablo 1’de verilmiştir. Tablo 1: Enjeksiyon köpük kalıplama parametreleri. Enjeksiyon Parametreleri Sıcaklık Enjeksiyon basıncı Enjeksiyon hızı Soğuma zamanı Ütüleme hızı Mal alma basıncı, (sbt) Birimi o C Bar mm/s s mm/s Bar Değerler 160, 170, 180 60, 100 60, 80, 100 10 (sbt) 20 (sbt) 100 C. Mikroyapı ve kabuk tabakası karakterizasyonu Polipropilen homopolimer esaslı köpük malzemeleri karakterize etmek için hücre yoğunluğu ve hacimsel genleşme oranı kullanılmıştır. Köpük yoğunluğu, ASTM D–1622-08 standardına göre belirlenmiştir. Köpüklerin ortalama hücre çapı, Nikon Eclipse L150A optik mikroskobu ve buna bağlı olarak çalışan Clemex Vision Lite görüntü analiz programı kullanılarak hesaplanmıştır. Birim hacimdeki hücre yoğunluğu ( Nf ) ise, literatürde Kumar ve Suh [15] tarafından verilen Eşitlik 1’deki formül kullanılarak hesaplanmıştır. Burada, ―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 Köpüksüz üretilen PP homopolimer numunenin cm3’ündeki hücre sayısı ( N0 ) ise Eşitlik 2 ile hesaplanır. No sonuçları Tablo 2’de verilmiştir. Ergiyik sıcaklığının artması ile hücre çapı %13.5 ve hücreler arası mesafe ise %18.5 oranında artmıştır. Ortalama hücre sayısı ise %13 oranında azalmıştır. Enjeksiyon basıncının 60bar’dan 100bar’a çıkarılmasıyla hücre sayısı ortalama %15 oranında artarken, hücre çapı %16, hücreler arası mesafe ise %9.6 oranında azalmıştır. Enjeksiyon hızının artması polimer köpüklerin hücre çapını %17.6, hücreler arası mesafeyi ise %11.8 oranda azaltmıştır. Enjeksiyon hızına bağlı olarak elde edilen birim hacimdeki hücre sayısı ise %19.1 oranında artmıştır. Kullanılan enjeksiyon parametrelerine bağlı olarak hücre çapının 350-600µm arasında olduğu belirlenmiştir. En düşük hücre çapı, 343µm ile 160oC ergiyik sıcaklığı, 100 bar enjeksiyon basıncı ve 100mm/s enjeksiyon hızı kullanıldığı zaman elde edilmiştir. Farklı enjeksiyon hızları altında ergiyik sıcaklığına göre köpük yoğunluğundaki değişim Şekil 1’de verilmiştir. Kullanılan diğer parametreler; enjeksiyon basıncı: 60 bar, ütüleme basıncı: 100bar ve soğuma zamanı: 10s’ dir. Ergiyik sıcaklığının artması ile polimer köpüklerin yoğunluğunda azaltma tespit edilmiştir. Katkısız PP polimerinin yoğunluğu 0.91g/cm3 iken köpüklendirme işlemi sonrasında elde edilen köpük yoğunlukları 0.835-0.850g/cm3 arasında değişmektedir. Ergiyik sıcaklığı, katkısız PP’e göre yoğunluğu %6.5 oranında azaltmıştır. Enjeksiyon hızının 60mm/s’den 100mm/s’ye çıkarılmasıyla köpük yoğunluğunun azaldığı gözlenmiştir. Nf (1) 1 (2) 1Vf Burada, Nf birim hacimdeki hücre yoğunluğunu, Vf köpükteki yoğunlukta azalma miktarını ifade eder. Kabuk tabakası kalınlığı ölçümleri, imaj analiz programı yardımıyla mikroyapı resimlerinden yararlanılarak bulunmuştur. III. DENEYSEL SONUÇLAR o 160 ve 180 C ergiyik sıcaklığı, 60 ve 100 bar enjeksiyon basıncı, 60, 80 ve 100mm/s enjeksiyon hızları kullanılarak üretilen PP esaslı köpük malzemelerin hücre morfolojisi Şekil 1. Farklı enjeksiyon hızları altında ergiyik sıcaklığı ve köpük yoğunluğu arasındaki ilişki (Enjeksiyon basıncı: 60 bar, Ütüleme basıncı: 100bar ve Soğuma zamanı: 10s). Şekil 2, farklı enjeksiyon hızları kullanılarak ergiyik sıcaklığı ile hücre çapları arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Kullanılan diğer parametreler; enjeksiyon basıncı: 60 bar, ütüleme basıncı: 100bar ve soğuma zamanı: 10s’ dir. Şekil 2’de görüldüğü gibi ergiyik sıcaklığının artması ile hücre çapı artmıştır. Ergiyik sıcaklığının 160oC’den 180oC’ye çıkarılması 203 H. Ünal, S. H. Yetgin Şekil 2. Farklı enjeksiyon hızları altında ergiyik sıcaklığı ve hücre çapları arasındaki ilişki (Enjeksiyon basıncı: 60 bar, Ütüleme basıncı: 100bar ve Soğuma zamanı: 10s). Ortalama hücre sayısı, n Ortalama hücre çapı, µm Hücreler arası mesafe, µm 60 138 552 279 ile 60, 80 ve 100mm/s enjeksiyon hızlarında hücre çapları sırasıyla, %8.31, %11.72 ve %17.56 oranında artmıştır. Enjeksiyon hızının artması hücre çapının azaltmasına sebep olmuştur. Artan enjeksiyon hızı ile çekirdeklenme alanlarının sayısı artmış ve oluşan hücrelerin çapları azalmıştır. Artan ergiyik sıcaklığı, hücre çekirdeklenmesini ve hücre boyutunu etkileyen ergiyik viskozitesini, yüzey gerilimini, difüzyon oranını ve köpük ajanı tarafından üretilen gaz miktarını etkiler. Ergiyik sıcaklığının artması ile polimer ergiyikteki hücreler içerisine gaz difüzyonunu artar. Aynı zamanda yüksek ergiyik sıcaklığı polimerin ergiyik dayanımını ve yüzey gerilimini azaltarak hücre büyümesine ve dolayısıyla hücre birleşmesine yardımcı olur [16]. Tablo 2. Enjeksiyon parametrelerinin köpük morfolojisi üzerine etkisi Ergiyik Sıcaklığı, oC 160 180 Enjeksiyon Basıncı, bar 60 100 60 Enjeksiyon Hızı, mm/s 80 100 60 80 100 60 80 100 60 158 168 170 174 196 109 144 148 144 512 446 493 396 343 602 546 541 512 238 232 234 218 212 316 304 283 294 100 80 154 494 272 100 178 457 263 Şekil 3. Ergiyik sıcaklığındaki değişime bağlı olarak elde edilen hücre morfolojisi, a) 160oC ve b) 180oC (Enjeksiyon basıncı: 60 bar, Ütüleme basıncı: 100bar ve Soğuma zamanı: 10s) 204 Polipropilen Köpük Malzemenin Mekanik Özelliklerine ve Hücre Morfolojisine Proses Şartlarının Etkisinin İncelenmesi Şekil 4. Farklı enjeksiyon hızları kullanılarak elde edilen köpük yapıları a) 60mm/s ve b) 100mm/s (Enjeksiyon basıncı: 60 bar, Ütüleme basıncı: 100bar ve Soğuma zamanı: 10s) Şekil 3’ de enjeksiyonla köpük kalıplama yöntemiyle üretilen köpük malzemelerin hücre boyutu ve dağılımını gösteren optik mikroskop görüntüleri verilmiştir. Şekil 3a’da 100mm/s enjeksiyon hızında ve 160oC ergiyik sıcaklığındaki, Şekil 3-b’ de ise yine 100mm/s enjeksiyon hızında ve 180oC ergiyik sıcaklığındaki optik mikroskop görüntüleri verilmiştir. Her iki resimde de açıkça görüldüğü gibi kapalı hücreli köpük yapısı elde edilmiştir. Ergiyik sıcaklığının artması ile oluşan hücre sayısının azaldığı ve hücre çaplarının arttığı görülmektedir. Şekil 4 (a-b)’ de ise 170oC ergiyik sıcaklığında, 60mm/s ve 100mm/s enjeksiyon hızları kullanılarak elde edilen köpük yapıları verilmiştir. Enjeksiyon hızının artması hücre sayısını önemli oranda artırmıştır. Düşük enjeksiyon hızında hücreler arası mesafenin fazla olduğu, artan hücre sayısına bağlı olarak 100mm/s enjeksiyon hızında iki hücre arasındaki mesafenin kısaldığı belirlenmiştir. Şekil 5’de farklı enjeksiyon hızları kullanılarak ergiyik sıcaklığı ve birim hacimde elde edilen hücre yoğunluğu sonuçları verilmiştir. Kullanılan diğer parametreler; enjeksiyon basıncı: 60 bar, ütüleme basıncı: 100 bar ve soğuma zamanı: 10s’ dir. Ergiyik sıcaklığının artması ile hücre yoğunluğunda azalma gözlenirken, enjeksiyon hızının artması ile hücre yoğunluğunda önemli oranda bir artma gözlenmiştir. Farklı enjeksiyon parametreleri kullanılarak elde edilen köpük malzemelerin hücre yoğunlukları 103 hücre/cm3 civarındadır. Enjeksiyon hızının 60mm/s’ den 100mm/s’ ye çıkması ile hücre yoğunluğu %31 oranında artmıştır. Ergiyik sıcaklığının artması ile hücre yoğunluğunda ortalama %18 oranında azaltma tespit edilmiştir. En yüksek hücre yoğunluğu 160oC ergiyik sıcaklığı ve 100mm/s enjeksiyon hızında elde edilmiştir. Bilindiği gibi hücre yoğunluğu, polimer ergiyik içerisindeki hücre çekirdeklenme oranı ile ilişkilidir. Kimyasal köpük ajanının bozunması ile küçük katı artıklar meydana gelir. Bu artıklar çekirdeklenme alanlarının sayısını artırır ve kararlı çekirdek elde etmek için gerekli olan aktivasyon enerjisini azaltır. Ergiyik sıcaklığı, kalıp içerisindeki ergiyik polimerin viskozitesini ve sıcaklığını etkiler. Yüzey gerilimi ve aktivasyon enerjisi artarak hücre çekirdeklenme oranı yükselir. Ergiyik sıcaklığı ise köpük ajanı bozunma miktarını artırır ve düşük viskozite ve basınç azalımına sebep olur. Buna bağlı olarak çekirdeklenme oranı azalır [16]. Şekil 6’da 60 mm/s, 80 mm/s ve 100mm/s gibi farklı enjeksiyon hızları kullanılarak, ergiyik sıcaklığındaki değişime göre köpük numunelerde elde edilen toplam kabuk tabakası kalınlığı sonuçları verilmiştir. Kullanılan diğer parametreler; enjeksiyon basıncı: 60 bar, ütüleme basıncı: 100 bar ve soğuma zamanı: 10s’ dir. Ergiyik sıcaklığının artması toplam kabuk tabakası kalınlığının azaltmasına sebep olmuştur. Farklı enjeksiyon parametreleri kullanılarak elde edilen köpük tabakası kalınlıkları 2550 ile 2750µm arasında olduğu belirlenmiştir. Enjeksiyon hızının artması ile kabuk tabakası kalınlığında azaltmaya sebep olmuştur. Şekil 5. Farklı enjeksiyon hızları altında ergiyik sıcaklığı ve hücre yoğunluğu arasındaki ilişki (Enjeksiyon basıncı: 60 bar, Ütüleme basıncı: 100bar ve Soğuma zamanı: 10s). 205 H. Ünal, S. H. Yetgin En düşük tabaka kalınlığı 180oC ergiyik sıcaklığı ve 100 mm/s enjeksiyon hızında elde edilmiştir. Ergiyik polimer ve kalıp duvarları arasındaki ısı transferi ve sıcaklık dağılımı, proses şartlarındaki değişim ile yakından ilişkilidir [8]. Ergiyik sıcaklığı arttığında oluşan sıcaklık farklılığındaki artış, ısı transfer oranını artırır ve daha kalın kabuk tabakası oluşur. Diğer yandan, daha ince kabuk oluşumu için ergiyik sıcaklığının yüksek olması tercih edilir. Ergiyik sıcaklığının artması ergiyik viskozitesini azaltır ve polimer katılaşmadan daha fazla hücre çekirdeklenmesine ve büyümesine izin verir. Yüksek ergiyik sıcaklığı, ergiyik polimerin merkezi ve kalıp duvarı yakınındaki kısımları arasında sıcaklık eğiminde artışa sebep olur (ergiyik polimer içerisinde düşük ısı transfer oranı nedeniyle). Kalıp duvarı kısmındaki donmuş tabakanın düşük termal iletkenliği ısı transferini azaltır ve daha fazla hücre çekirdeklenmesine ve büyümesine sebep olarak kabuk tabakası kalınlığını azaltır [16]. Şekil 7’ de ise ergiyik sıcaklığı ve darbe dayanımı arasındaki ilişki verilmektedir. Katkısız PP’nin darbe dayanımı 15.5 kJ/m2 iken köpük numunelerin darbe dayanımlarının 13.8-15.6 kJ/m2 arasında olduğu belirlenmiştir. Ergiyik sıcaklığının ve enjeksiyon hızın artması ile darbe dayanımı azalmıştır. Bu sonuç, kabuk tabakası kalınlığının azalması ile ilişkilidir. Şekil 6’ da görüldüğü gibi ergiyik sıcaklığına bağlı olarak azalan kabuk tabakası kalınlığı köpük numunelerin darbe dayanımını etkilemiştir. Kabuk tabakasının azalması ile birim alandaki malzeme miktarı azaldığından köpüğün darbe dayanımı azalmaktadır. Bu elde edilen sonuçlar, daha önce lişteratürde Xin [4]ve Wong [17] tarafından yapılan enjeksiyon kalıplanmış termoplastik poliolefin hücresel köpük malzemelerdeki elde edilen sonuçlar ile benzerlikler göstermektedir. III. SONUÇLAR Ergiyik sıcaklığının artması ile hücre çapı %13.5 ve hücreler arası mesafe %18.5 oranında artarken ortalama hücre sayısı ise %13 oranında azalmıştır. Kullanılan enjeksiyon parametrelerine bağlı olarak hücre çapının yaklaşık olarak 350-600µm arasında olduğu belirlenmiştir. En düşük hücre çapı, 343µm ile 160oC ergiyik sıcaklığı, 100 bar enjeksiyon basıncı ve 100mm/s enjeksiyon hızı kullanıldığı zaman elde edilmiştir. Katkısız PP polimerinin yoğunluğu 0.91g/cm3 iken köpük PP üretimi sonunda elde edilen köpük yoğunlukları 0.8350.850g/cm3 arasında değişmektedir. Ergiyik sıcaklığının 160oC’den 180oC’ye çıkarılması ile 60, 80 ve 100mm/s enjeksiyon hızlarında hücre çapları sırasıyla, %8.31, %11.72 ve %17.56 oranında artmıştır. Enjeksiyon hızının artması ile hücre çapında azaltma tespit edilmiştir. Enjeksiyon hızının artması ile hücre sayısında önemli bir artış tespit edilmiştir. Düşük enjeksiyon hızında hücreler arası mesafenin fazla olduğu, artan hücre sayısına bağlı olarak da 100mm/s enjeksiyon hızında iki hücre arasındaki mesafenin ise azaldığı belirlenmiştir. Ergiyik sıcaklığının artması, hücre yoğunluğunda azalmaya sebep olurken, enjeksiyon hızının artması ise hücre yoğunluğunu önemli oranda artmasına sebep olmuştur. En yüksek hücre yoğunluğu 160oC ergiyik sıcaklığı ve 100mm/s enjeksiyon hızında elde edilmiştir. Farklı enjeksiyon parametreleri kullanılarak elde edilen köpük tabaka kalınlıkları 2550 ile 2750µm arasında olduğu belirlenmiş olup, en düşük tabaka kalınlığı ise180oC ergiyik sıcaklığı ve 100mm/s enjeksiyon hızında elde edilmiştir. Katkısız PP’nin darbe dayanımı 15.5 kJ/m2 iken, köpük numunelerin darbe dayanımlarının 13.8-15.6 kJ/m2 arasında olduğu belirlenmiştir. Elde edilen verilerden ergiyik sıcaklığının ve enjeksiyon hızın artması ile darbe dayanımında azalma olduğu gözlenmiştir. Şekil 6. Farklı enjeksiyon hızları altında ergiyik sıcaklığı ve kabuk tabakası kalınlığı arasındaki ilişki (Enjeksiyon basıncı: 60 bar, Ütüleme basıncı: 100bar ve Soğuma zamanı: 10s). Şekil 7. Farklı enjeksiyon hızları altında ergiyik sıcaklığı darbe dayanımı arasındaki ilişki (Enjeksiyon basıncı: 60 bar, Ütüleme basıncı: 100bar ve Soğuma zamanı: 10s). 206 Polipropilen Köpük Malzemenin Mekanik Özelliklerine ve Hücre Morfolojisine Proses Şartlarının Etkisinin İncelenmesi [17] S. Wong, J.W.S. Lee, H.E. Naguib and C.B. Park, ―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, 2008. TEŞEKKÜR Bu deneysel çalışma, Sakarya Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri (BAPK) tarafından (2008-50-02007’nolu) proje kapsamında desteklenmektedir. Bu destekten dolayı yazarlar Sakarya Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyon Başkanlığına çok teşekkür eder. REFERANSLAR [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] G. J. Nam, J. H. Yoo and J. W. Lee, ―Effect of Long-Chain Branches of Polypropylene on Rheological Properties and FoamExtrusion Performances‖, Journal of Applied Polymer Science, vol. 96, pp.1793–1800, 2005. A. K. Bledzki and O. Faruk, ―Injection moulded microcellular wood fibre–polypropylene composites‖, Composites: Part A, vol. 37, pp. 1358–1367, 2006. A. K. Bledzkı and O. Faruk, ―Microcellular Injection Molded Wood Fiber–PP Composites: Part I – Effect of Chemical Foaming Agent Content on Cell Morphology and Physico-mechanical Properties‖, Journal of Cellular Plastics, vol. 42, pp. 63-76, January 2006. Z. X. Xin, Z. X. Zhang, K. Pal, J. U. Byeon, S. H. Lee, J. K. Kim, ―Study of Microcellular Injection-Molded Polypropylene/Waste Ground Rubber Tire Powder Blend‖, Materials and Design, vol. 31, pp. 589–593, 2010. A. K. Bledzki, O. Faruk, ―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‖, Journal of Applied Polymer Science, vol. 97, pp. 1090–1096, 2005. M. C. Guo, M. C. Heuzey and P. J. Carreau, ―Cell Structure and Dynamic Properties of Injection Molded Polypropylene Foams,‖ Polymer Engineering and Science, pp. 1070-1081, 2007. H. Kharbas, P. Nelson, M. Yuan, S. Gong, L.S. Turng and R. Spındler, ―Effects of Nano-Fillers and Process Conditions on the Microstructure and Mechanical Properties of MicroceIIular Injection Molded Polyamide Nanocornposites‖, Polymer Composites, , vol. 24, no. 6, pp. 655-671, December 2003. C. Jo and H. E. Naguıb, ―Effect of Nanoclay and Foaming Conditions on the Mechanical Properties of HDPE–Clay Nanocomposite Foams‖, Journal of Cellular Plastics, vol. 43, pp. 111-,121, March 2007 M. C. Guo, A. Santonı, M. C. Heuzey and P. J. Carreau, ―Occurrence of Surface Defects in TPO Injected Foam Parts‖, Journal of Cellular Plastics, vol. 43, pp. 273-, 296, July/September 2007. C. H. Lee, K. J. Lee, H. G. Jeong and S. W. Kım, ―Growth of Gas Bubbles in the Foam Extrusion Process‖, Advances in Polymer Technology, vol. 19, no. 2, pp. 97–112, 2000. X. Chen, M. C. Heuzey, and P.J. Carreau, ―Rheological Properties of Injection Molded LDPE and mPE Foams‖, Polymer Engineering and Science, vol. 44, no. 11, pp. 2158-2164, November 2004. R. D. Chıen, S. C. Chen, P. H. Lee and J. S. Huang, ―Study on the Molding Characteristics and Mechanical Properties of Injectionmolded Foaming Polypropylene Parts‖, Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol. 23, no. 4, pp. 429-444, 2004. J. J. Lee and S. W. Cha, ―Influence of Mould Temperature on the Thickness of a Skin Layer and Impact Strength in the Microcellular Injection Moulding Process,‖ Cellular Polymers, vol. 24, no. 5, pp.279-297, 2005. C. T. Cısneros, R. G. Nunez and D. Rodrıgue, ―Effect of Mold Temperature on Morphology and Mechanical Properties of Injection Molded HDPE Structural Foams‖, Journal of Cellular Plastics, vol. 44, pp. 223-237, May 2008. V. Kumar and N.P. Suh, ―A process for making microcellular thermoplastic parts‖, Polym. Eng. Sci., vol. 30, pp. 1323–1329, 1990. M. R. Barzegari and D. Rodrigue, ―The Effect of Injection Molding Conditions on the Morphology of Polymer Structural Foams‖, Polymer Engineering and Science, pp. 949-959, 2009. 207
