Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemiyle Üretilen PP Köpük Malzeme

6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey
Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemiyle Üretilen PP
Köpük Malzeme Özelliklerine Kimyasal
Köpük Ajanının Etkisinin İncelenmesi
H. Unal and S. H. Yetgin
University of Sakarya, Faculty of Technical Education, Esentepe kampüsü, Sakarya/Turkey, [email protected]
Farklı polimer köpük üretim teknolojileri arasında,
enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi diğer yöntemlere göre
daha gelişmiş ve kolaylıkla uygulanabilir bir teknoloji haline
gelmiştir. Enjeksiyonla köpük kalıplama yöntemi, çözeltideki
gazın bozulması, hücre çekirdeklenmesi, hücre büyümesi ve
ürünün şekillenmesi aşamalarını kapsayan bir polimer köpük
üretim tekniğidir. Geleneksel enjeksiyon kalıplama tekniğinin
tersine, bu yöntemde kalıp hacimsel olarak tam doldurulmaz
ve enjekte edilen gaz-yüklü polimerin miktarı azaltılır. Yani,
polimer malzeme camsı geçiş sıcaklığının üzerindeki bir
sıcaklığa kadar ısıtılır. Kalıpta basıncın aniden azalması ile
köpük ajanı tarafından üretilen gaz serbest kalır. Hücrelerin
çekirdeklenmesi ve daha sonra meydana gelen hücre büyümesi
kalıptaki boşlukları doldurur. Genleşme tamamlandıktan sonra,
kalıplanan polimer köpük malzeme katılaşma sıcaklığına kadar
soğutulur ve köpüklendirilmiş ürün elde edilmiş olur.
Enjeksiyonla kalıplama tekniği ile üretilen köpük malzemeler
normal malzemelere göre daha hafiftir ve daha iyi boyutsal
kararlılığa sahiptir. Kalıpta tutma ve paketleme zamanının
azaltılması sebebiyle çevrim ve soğuma zamanı yaklaşık
olarak %25 oranında azalır. Karmaşık şekilli parçaların
üretiminde enjeksiyonla köpük malzeme üretimi, ekstrüzyonla
köpük malzeme üretimine göre daha fazla avantaj sağlar [5, 911].
Bu çalışmada, enjeksiyonla köpük malzeme üretimi için
yüksek kristalliğe sahip polipropilen kopolimer malzemesi
kullanılmıştır. Köpük ajanı olarak ise 140oC bozunma
sıcaklığına ve 130ml/g gaz oranına sahip endotermik kimyasal
köpük ajanı kullanılmıştır. Deneyde kullanılan kimyasal köpük
ajanı, polipropilen malzemeye ağırlıkça %1 ve %2 oranında
ilave edilmiştir. Deneyler sonucunda polipropilen köpük
malzemenin ortalama hücre boyutuna, hücre sayısına, köpük
tabakası kalınlığına, hücreler arası mesafeye ve köpük
yoğunluğuna, kullanılan köpük ajanı miktarının etkisi
incelenmiştir.
The investigation of the effect of foaming agent
on PP foam properties produced by injection
molding
Abstract—In this experimental study, as a matrix material
high crystalline polypropylene copolymer (PP-c) was selected.
Also as a foaming agent, chemical foaming agent was used. PP-c
foam material production was performed by injection molding
method. The decomposition temperature of chemical endothermic
foaming agent was 140°C and the total gas capacity was about
130 ml/g. Foaming agent added to polypropylene material
between 1% and 2% by weight. The effect of foaming agent
amount on the average cell size, cell number, skin layer’s
thickness and foam density of polypropylene foam material were
investigated. Cell size and skin layer’s thickness were measured
with computer software equipped microscope. While density of
cell increase, cell size and layer thickness in the polymer foam
material decrease with the increase in foaming agent amount.
Keywords—Injection foam molding, polypropylene foam,
foaming agent, cell structure
I. GİRİŞ
olimer köpükler, iki farklı fazdan meydana gelmektedir.
Bunlardan ilki, katı polimer matris, diğeri ise köpük ajanı
tarafından türetilen gaz fazıdır. Polimer esaslı köpük
malzemeler hücresel veya genleşmiş plastikler olarak
tanımlanabilir. Polimer
köpükler, köpüklendirilmemiş
plastikler ve diğer geleneksel malzemelerle kıyaslandığında
bazı avantajlar sağlarlar. Bunlar; düşük yoğunluk, mükemmel
yalıtım kabiliyeti, ucuzluk, iyi dayanım/ağırlık oranı, iyi darbe
mukavemeti gibi özellikleri nedeniyle, mobilya sektörü,
taşımacılık sektörü, oyuncak, spor ekipmanları, ayakkabı, ses
izolasyonu, binalarda yalıtım uygulamaları, yiyecek ve içecek
kaplarının yapımı gibi farklı alanlarda geniş bir şekilde
kullanılmaktadır [1-4].
Polimer esaslı köpük malzemeler, hem enjeksiyonla
kalıplama gibi süreksiz proseslerle, hem de ekstrüzyon gibi
sürekli proseslerle üretilebilmektedirler. Tüm bu köpük
malzeme üretim proseslerinde üç temel adım vardır. Bunlar;
karıştırma/doyma,
hücre
çekirdeklenmesi
ve
hücre
büyümesidir [5-8].
P
II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
A. Malzeme
Bu çalışmada, Pro-fax SD242 kodlu kolay kalıplanabilen,
yüksek ergiyik akışlı, orta darbe dirençli polipropilen
kopolimeri matris malzemesi olarak seçilmiş olup İsviçrenin
26
Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemiyle Üretilen PP
Köpük Malzeme Özelliklerine Kimyasal Köpük Ajanının Etkisinin…
Basel firmasından temin edilmiştir. Deneyde kullanılan PP
kopolimer malzemenin ergime akış indeksi 35g/10dak.
(230oC/2.16kg) ve yoğunluğu ise 0.9g/cm3’tür.
Kimyasal köpük ajanı olarak ise Foaming MB-FA 2984 PE
kodlu Tosaf (İstanbul) firmasından temin edilen enjeksiyonla
kalıplamaya uygun endotermik köpük ajanı seçilmiştir. Köpük
ajanının bozunma sıcaklığı yaklaşık 140oC’dir ve toplam
bozunma miktarı ise 130ml/gr’dır. Bozunma sonucu ortaya
çıkan gazın büyük bir çoğunluğu karbondioksittir.
 n M 2 

N f  
 A 
No 
Değerler
190
195
30-35
90
25
15.5
51
55
 
p
f
Nf
(3)
1Vf
200
C. Mikroyapı ve kabuk tabaka kalınlığının karakterizasyonu
Polipropilen matris malzeme bünyesindeki köpükleri
karakterize etmek için hücre yoğunluğu ve hacimsel genleşme
oranı kullanılmıştır. Köpük yoğunluğu, ASTM D–792
standardına göre belirlenmiştir. Hacimsel genleşme oranı (Φ)
ise, Eşitlik 1’de gösterildiği gibi köpüksüz polimer
yoğunluğunun (ρp), ölçülen köpük yoğunluğuna (ρf) oranı ile
belirlenmiştir. Köpüklerin ortalama hücre çapı, Nikon Eclipse
L150A optik mikroskobu ve buna bağlı olarak çalışan Clemex
Vision Lite görüntü analiz programı kullanılarak
hesaplanmıştır.
Hacimsel Genleşme Oranı =
(2)
Burada, Nf birim hacimdeki hücre yoğunluğunu, Vf ise
polimer köpük malzemedeki yoğunlukta azalma miktarını
ifade etmektedir. Kabuk tabakası kalınlığı ölçümleri,
mikroyapı fotoğraflarından imaj analiz programı yardımıyla
bulunmuştur. Şekil 1’de PP köpük malzemesinin kabuk tabaka
kalınlığı görülmektedir. Şekilde de açıkça görüldüğü gibi üst
tabaka (eüst), çekirdek bölge (eçek) ve alt tabaka (ealt)
kalınlıklarının ölçümleri yapılarak ortalama değerler alınmıştır.
Sonuçlar, eüst + eçek + ealt = %100 olacak şekilde verilmiştir.
Üretilen polimer köpüklerde hücreler arası mesafe ise iki
bitişik hücre arasındaki mesafe ölçülerek elde edilmiştir.
Tablo 1: Enjeksiyon köpük kalıplama parametreleri.
Birimi
o
C
o
C
bar
mm/s
s
mm
mm
2
Köpüksüz numunenin 1 cm3’ündeki hücre sayısı ( N0 ) ise
Eşitlik 3 ile hesaplanır.
B. Enjeksiyonla Köpük Kalıplama İşlemi
Masterbatch formundaki polimer ve köpük ajanı, homojen
bir karışım sağlanması için ısı uygulanmadan mekanik olarak
karıştırılmıştır. Polipropilene katılan köpük ajanı miktarı
ağırlıkça %1 ve %2 olarak seçilmiştir. PP köpük üretimi için
175 ton kapasiteli ve 200 g plastik parça üretim kapasitesine
sahip enjeksiyon makinesi kullanılmıştır. Köpük ajanının
termal olarak bozunmasını tamamlaması için sıcaklık kademeli
olarak artırılmış olup enjeksiyon köpük kalıplama
parametreleri Tablo 1’de verilmiştir.
Enjeksiyon parametreleri
Sıcaklık (kovan)
Sıcaklık (kalıp)
Enjeksiyon basıncı
Enjeksiyon hızı
Soğuma zamanı
Vida adımı: (%1 Köpük ajanı)
( %2 Köpük ajanı)
3
Şekil 1: Kabuk tabakası kalınlığının ölçülmesi
III. DENEYSEL SONUÇLAR
Şekil 2 a-b’de, ağırlıkça %1 ve % 2 oranında katılan köpük
ajanı katkılı numunelerin imaj analiz programı kullanılarak
elde edilen ve hücre sayısının (n), minimum-maksimum hücre
çapının, ortalama hücre çapının ve optik mikroskopta elde
edilen köpük alanın (A) belirlendiği program çıktısı
verilmiştir. Burada sadece ölçüm sonuçlarından ikişer tanesi
verilmiştir.
Tablo 2’de köpük ajanı miktarına bağlı olarak yapısal
köpüklerin morfolojik özellikleri verilmiştir. Enjeksiyonla
kalıplama tekniği ile üretilen numuneler çekirdek ve kabuk
bölgesi olmak üzere iki bölgeden meydana gelir. Çekirdek
bölgesi, hücrelerin yoğun olarak bulunduğu bölge iken kabuk
bölgesi ise hücrelerin bulunmadığı bölgedir [13]. Kabuk
kalınlığı ise köpüklenen numunede, köpüklenmemiş kabuk
bölgesinin kalınlığı olarak tanımlanır [14]. Tablo 2’de
görüldüğü gibi köpüklerin simetrik kabuk tabakası kalınlığına
(1)
Birim hacimdeki hücre yoğunluğu (Nf), Eşitlik 2’de verilen
formül ile hesaplanır [12]. Eşitlik 2’deki ―n‖ optik
mikroskopta elde edilen görüntüdeki hücre sayısıdır. A, optik
mikroskopta elde edilen görüntünün alanı ve M ise büyütme
faktörüdür.
27
H. Ünal, S. H. Yetgin
(ealt=eüst) sahip oldukları görülmektedir. Köpük ajanı
miktarının artması ile toplam kabuk tabakası kalınlığı (ealt +
eüst) azalmıştır. Benzer şekilde kimyasal köpük ajanı
miktarının artırılması, ergiyik polimerde daha kolay hücre
çekirdeklenmesine
sebep
olan
çekirdekleyici
ajan
partiküllerinin (kimyasal köpük ajanının bozunması sonucu
oluşan artıklar) sayısını artırmıştır.
Polimer katılaşmadan hücrelerin daha hızlı çekirdeklenmesi
sebebiyle, daha kalın çekirdeklenen bölge elde edilirken, daha
ince kabuk tabakası kalınlığı elde edilir. Benzer sonuçlar
Barzegari [15] tarafından da elde edilmiştir.
Tablo 2’de görüldüğü % 1 köpük ajanı ilaveli numunede
çekirdeklenen hücre sayısı 130 adet iken köpük ajanını
oranının artması ile 405 adet hücre sayısı elde edilmiştir. Elde
edilen hücre sayısına bağlı olarak köpük numunelerde hücreler
arası mesafe, %1 köpük ajanı kullanıldığında 45.30µm elde
edilirken, köpük ajanını oranının %2 olması durumunda ise
16.06µm elde edilmiştir.
Tablo 2: Köpük ajanı miktarının köpük morfolojisi üzerine etkisi
%1 kimyasal
köpük ajanı
%2 kimyasal
köpük ajanı
130
405
Hücreler arası mesafe, µm
45.30
16.06
eüst ( % )
13.5
6.4
ealt ( % )
12.3
6.1
eçek ( % )
74.2
87.5
eüst / ealt
1.09
1.02
Ortalama hücre sayısı, n
Şekil 2: Farklı köpük ajanı miktarları için program çıktısı, a) %1 CFA ve b) %2 CFA
Şekil 3: Farklı köpük ajanı miktarları için çekirdek bölgesi mikroyapıları, a) %1 CFA ve b) %2 CFA
28
Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemiyle Üretilen PP
Köpük Malzeme Özelliklerine Kimyasal Köpük Ajanının Etkisinin…
Şekil 3’de, %1 ve %2 köpük ajanı miktarları için
çekirdek bölgesinden ( eçek ) elde edilen mikroyapı resimleri
verilmiştir. Hem %1 hem de %2 köpük ajanı ilaveli
numunelerde kapalı tip hücre yapısı elde edilmiştir. Şekil 2 ve
3 dikkatli bir şekilde incelendiğinde, %1 köpük ajanı
kullanıldığında büyük hücre boyutları ile homojen olmayan
hücre boyutu ve dağılımı gözlenmiştir. Artan köpük ajanı
miktarı (%2) ile hücre boyutu azalmış, hücre boyutu ve
dağılımı üniform hale gelmiştir. Polimer ergiyik içinde
başlangıçta çözünen gaz miktarının artmasıyla hücre çapları
azalmış ve hücre çekirdeklenmesi aşamasında oluşan
hücrelerin sayısı artmıştır. Yapısal köpüklerin hücre
morfolojisinde köpük ajanı miktarı önemli bir rol
oynamaktadır.
Şekil 4’te köpük ajanı miktarına bağlı olarak yoğunluk ve
hacimsel genleşme oranı arasındaki ilişki verilmiştir. PP
kopolimer bünyesindeki kimyasal köpük ajanı oranının
artmasıyla yoğunlukta azalma gözlenirken buna bağlı olarak
hacimsel genleşme miktarı artmıştır. Köpük ajanı miktarının
%1’den %2’ye çıkmasıyla yoğunlukta %54 oranında
azalmıştır. %2 köpük ajanı ilaveli numunenin yoğunluğu
köpüklendirilmemiş polipropilenin yoğunluğuna göre yaklaşık
%79 oranında azalmıştır. Köpük yoğunluğundaki azalma ile
ilgili olarak literatürde bu konuda çalışan bazı
araştırmacılardan olan Bledzki [9] benzer sonuçlar elde
etmiştir. Köpük ajanının artırılması ile hacimsel genleşme
oranı ise lineer olarak artmıştır. Köpük ajanını miktarının iki
katına çıkarılması ile polimer köpük yaklaşık olarak %54
oranında hacimsel olarak genleşmiştir.
numunelerde ortalama hücre çapı 78,5µm ve hücre yoğunluğu
ise 106 hücre/cm3 elde edilmiştir. Köpük ajanı kullanım
oranının iki katına çıkarılması ile ortalama hücre çapı yaklaşık
%30 oranında azalırken birim hacimde elde edilen hücre
yoğunluğu ise %88 oranında artmıştır. Ergimiş polimer
içerisindeki kimyasal köpük ajanı oranının artması ile daha
fazla oranda gaz serbest kalmış ve bu da çekirdeklenme
alanlarının sayısını artırmıştır. Çekirdeklenme alanlarının
sayısının artması, oluşan hücrelerin sayısını artırmış, buna
bağlı olarak hücreler arası mesafe ve ortalama hücre boyutu da
azalmıştır. Küçük ve artan hücre sayısı polimer köpük
malzeme yoğunluğunu önemli oranda azaltmıştır. Benzer
sonuçlar daha önce literatürde bu konuda çalışan
araştırmacılardan bazıları olan Xin [14] ve Yuang [16]
tarafından da elde edilmiştir. Yani bulunan sonuçlar literatürde
bulunan sonuçlar ile benzerlikler göstermektedir.
Şekil 5: Köpük ajanı miktarına bağlı olarak ortalama hücre çapı ve
hücre yoğunluğundaki değişim
IV. SONUÇLAR
Yapılan araştırma sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde
edilmiştir.
Yapısal köpüklerin simetrik kabuk tabakası kalınlığına
( ealt = eüst ) sahip oldukları belirlenmiştir.
Köpük ajanı miktarının artması ile toplam kabuk tabakası
kalınlığı ( ealt + eüst) azalmıştır.
Kimyasal köpük ajanı miktarının 2 katına çıkarılmasıyla
ortalama hücre çapı yaklaşık olarak %30 oranında azalmıştır.
PP kopolimer bünyesinde %1 köpük ajanı kullanıldığında
hücreler arası mesafe 45.30µm elde edilirken, köpük ajanı
oranının %2’ye çıkarılması durumunda hücreler arası mesafe
16.06µm elde edilmiştir.
Artan köpük ajanı miktarı ile hücre boyutu azalmış, hücre
boyutu ve dağılımı üniform hale gelmiştir.
Şekil 4: Köpük ajanı miktarına bağlı olarak yoğunluk ve hacimsel
genleşme miktarlarındaki değişim
Şekil 5’de ise köpük ajanı miktarına bağlı olarak ortalama
hücre çapı ve hücre yoğunluğu arasındaki ilişki verilmiştir. PP
kopolimer malzemenin bünyesindeki kimyasal köpük ajanı
miktarının artırılmasıyla ortalama hücre çapında önemli oranda
azalma, hücre yoğunluğunda ise artış gözlenmiştir. Ağırlık
olarak %1 oranında köpük ajanı katkılı numunelerde ortalama
hücre çapı 112,8 µm iken hücre yoğunluğu ise 105 hücre/cm3
elde edilmiştir. Benzer şekilde %2 oranında köpük ajanı katkılı
29
H. Ünal, S. H. Yetgin
Ground Rubber Tire Powder Blend‖, Materials and Design, vol. 31,
pp. 589–593, 2010.
[15] 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.
[16] M. Yuang, L. S. Turng, S. Gong, D. Caulfield, C. Hunt and R. Spindler,
―Studyof
Injection
Molded
Microcellular
Polyamide-6
Nanocomposites‖, Polymer Engineering and Science, vol. 44, no.4,
pp.673-686, April 2004.
Düşük köpük ajanı miktarında büyük hücre boyutları ile
homojen olmayan hücre boyutu ve dağılımı gözlenmiştir.
Polimer köpüklerin yoğunlukları, köpüksüz numune ile
karşılaştırıldığında yaklaşık olarak %79 oranında azalma
meydana gelmiştir.
PP kopolimer malzeme bünyesindeki köpük ajanı miktarının
artırılmasıyla ortalama hücre çapı önemli oranda azalırken
hücre yoğunluğunun ise arttığı gözlenmiştir.
TEŞEKKÜR
Bu deneysel çalışma, Sakarya Üniversitesi 2008-50-02007’nolu Bilimsel Araştırma Projesi ile desteklenmektedir. Bu
destekten dolayı yazarlar Sakarya Üniversitesi, Bilimsel
Araştırma Projeleri Komisyon Başkanlığına teşekkür etmeyi
bir borç bilir.
KAYNAKLAR
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
R. Pop-Ilıev and C. B. Park, ―Melt Compounding Based Rotational
Foam Molding Technology for Manufacture of Polypropylene Foams,‖
Journal of Reınforced Plastıcs and Composıtes, vol. 21, no. 2, pp.101120, 2002.
C.M. Wong, S. J. Tsaı, C.H. Yıng and M.L. Hung, ―Effect of Low
Density Polyethylene on Polystyrene Foam,‖ Journal of cellular
plastıcs, vol. 42, pp.153-163, March 2006.
Z. Xu, P. Xue, F. Zhu and J. He, ―Effects of Formulations and
Processing Parameters on Foam Morphologies in the Direct Extrusion
Foaming of Polypropylene using a Single-screw Extruder,‖ Journal of
Cellular Plastıcs, vol. 41. pp. 169-185, March 2005.
J. Stange and H. Münstedt, ―Effect of Long-chain Branching on the
Foaming of Polypropylene with Azodicarbonamide,‖ Journal of
Cellular Plastıcs, vol. 42, pp. 445-467, November 2006.
H. L. Chen, R. D. Chien and S. C. Chen, ―Using thermally insulated
polymer film for mold temperature control to improve surface quality
of
microcellular
injection
molded
parts,‖
International
Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 35, pp. 991–994,
2008.
A. Greco, A. Maffezzoli and O. Mani, ―Development of polymeric
foams from recycled polyethylene and recycled gypsum,‖ Polymer
Degradation and Stability, vol. 90, pp. 256-263, 2005.
H. E. Naguıb, C. B. Park and P. C. Lee, ―Effect of Talc Content on the
Volume Expansion Ratio of Extruded PP Foams‖, Journal of Cellular
Plastıcs, vol. 39, pp. 499-511, November 2003.
J. J. Lee and S. W. Cha, ―Characteristics of the Skin Layers of
Microcellular Injection Molded Parts,‖ Polymer-Plastics Technology
and Engineering, vol. 45, pp. 871–877, 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 Plastıcs, vol. 42, pp. 63-76, January 2006.
A. N. J. Spörrer and V. Altstadt, ―Controlling Morphology of Injection
Molded Structural Foams by Mold Design and Processing Parameters,‖
Journal of Cellular Plastıcs, vol. 43, pp. 313-330, July/September
2007.
M. C. Guo, M. C. Heuzey and P. J. Carreau, ―Cell Structure and
Dynamic Properties of Injection Molded Polypropylene Foams,‖
Polymer Engıneerıng and Scıence, pp. 1070-1081, 2007.
V. Kumar and N.P. Suh, ―A process for making microcellular
thermoplastic parts‖, Polym. Eng. Sci., vol. 30, pp. 1323–1329, 1990.
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.
Z. X. Xin, Z. X. Zhang, K. Pal, J. U. Byeon, S. H. Lee, J. K. Kim,
―Study of Microcellular İnjection-Molded Polypropylene/Waste
30