Termoplastik Polimer Matrisli Kompozitlerde Cam Mikroküre Kullanımı

29 Temmuz 2020

Hafif malzemeler geliştirmek özellikle kullanım ve taşıma kolaylığına olanak tanıması nedeniyle mühendislik ve endüstriyel verimlilik açısından oldukça önemlidir. Buradan yola çıkılarak, ağırlık azaltmak amacıyla metal, cam, plastik, kompozit, vb. malzemeler için farklı modifikasyon kapasitelerine sahip takviye malzemeleri kullanılmaktadır. Öte yandan, yakıt verimliliğini artırdığı ve ulaşım emisyonlarının çevresel ektilerini azalttığı için özellikle otomotiv endüstrisinde hafiflik sağlamak çok önemli bir kıstas olarak ele alınmaktadır [1], [2].

Ortalama 0,06 ila 0,12 g/cc yoğunluğa sahip içi boş cam mikro küreler, daha büyük ve daha küçük boyutlarda ürünler de mevcut olmakla birlikte, ortalama 15 µm ila 30 µm partikül boyutlarındadırlar. Buna ek olarak yeni nesil mikro küre yapılarda çok iyi dağılım sağlanmış ince duvarlı (0,5-1,5 μm) kalsiyum oksit karışımı borosilikat cam partiküllerinin ortalama çapları ise 16-65 μm arasındadır. İçi boş cam mikro küreler (Hollow Glass Microspheres (HGMs)), yapıda hafiflik, düşük ısıl iletkenlik ve düşük dielektrik sabiti gibi bazı eşsiz özelliklere sahip dışı sert cam ve içi inert gazdan oluşan yapılardır. Ayrıca, cam mikrokürelere yapılan yüzey modifikasyon işlemleri de eriyik polimerler içinde bu takviyenin homojen dağılımı ve fiziksel özelliklerinin gelişmesine katkıda bulunmaktadır [2-4].

Cam boncuk/ mikroküreler (Glass Beads (GBs)) ise 2,20 ile 2,50 g/ cc yoğunlukta pürüzsüz yüzeye sahip, katı ve küresel yapıda olan içi dolu cam katkı malzemesi türüdür. Cam kürelerle takviye edilmiş polimerler, izotropik yapıları sayesinde, polimer kompozitlere ilave edilen diğer takviye türlerine göre daha az iç strese, daha iyi mekanik ve işleme özelliklerine sahiptirler. İçi boş cam mikroküreler (HGMs) ise özellikle hafiflik ve ısıl yalıtım ürünlerinin üretimi için kauçuk, polimer ve kaplama malzemeleri için de kullanılan pürüzsüz yüzeyde bir rijit dolgu çeşididir.

HGM’ler, GB’ler ile karşılaştırıldığında, düşük yoğunluk, ısı ve ses yalıtımı sağlamak gibi üstünlüklere sahiptirler. HGM’ler iç kısımlarında hava hapsettiklerinden ve sıcaklıkla hacim değişimleri minimum olduğundan ötürü proses sıcaklığına karşı fazla hassas değillerdir. Ancak içi boş ve kırılgan olmaları nedeniyle, yapılarında çekme ve eğme dayanım değerlerinde düşüş gerçekleşebilir [5-8].

Cam mikroküre kullanımı, polimer kompozit malzemeler için gelecek vadeden bir teknoloji olarak öngörülmektedir. Ayrıca takviyelendirme teknolojisi, diğer hafiflik sağlayan teknolojilerden farklı olarak yapı içerisinde daha iyi homojen dağılım ve daha düşük proses hassasiyeti sağlaması ile fiziksel özelliklerin sürdürebilirliği açısından sahip olduğu potansiyel niteliklerle de üstünlükler sağlayabilmektedir [1].

HGM’ler, fiberler ve tabaka yapılar gibi yüksek seviyede en-boy oranına sahip dolgu maddeleri içeren polimer matrisinden daha izotropiktir. Şekil 1’de farklı katkı türleri ve HGM’nin en boy oranı ve yoğunluk değerleri karşılaştırmasını gösteren bir taramalı elektron mikroskobu görüntüsü yer almaktadır. Polimer matrisindeki fiberler ve tabaka yapılı katkıların anizotropik yapılarından dolayı çekme/büzüşmeye (shrinkage) sorunları ortaya çıkmaktadır. İzotropik yapılarından dolayı HGM katkılı polimer kompozit yapılarda diğer birçok katkı maddesi ile takviyelendirilmiş polimer kompozit yapılara göre çok daha düşük oranlarda çekme görülür [6].

Şekil 1. a) içi boş cam mikroküreler, b) talk, c) cam elyaflarının taramalı elektron mikroskopisi (SEM) görüntüleri [7]

Termoplastik matrise HGM ilavesi için kullanılan bazı polimerler poliolefinler (Polipropilen (PP), Polietilen (PE), Poliamid (PA), Poli (Akrilonitril Bütadien Stiren) (ABS), Polilaktik Asit (PLA), vb. şeklinde sıralanabilir [7], [9-11].

Cam mikrokürelerin geleneksel polimer üretim yöntemleriyle termoplastik polimere takviyendirilmesinin ötesinde, düşük yoğunlukları ile pek çok farklı üretim alanında da kullanılabilirler. Örneğin, bunlardan biri, toz yataklı eklemeli imalat metodu olan seçici lazer sinterleme (SLS) metodudur. Özellikle cam mikroküreler (GBs) ile takviye edilmiş termoplastik polimer kompozit çalışmaları bulunan bu alanda, yaygın olarak kullanılan termoplastik polimerler öncelikle Poliamid ailesi olmakla birlikte bunların ardından gelen Polistiren (PS), Polipropilen (PP), Polietilen (PE), Polietereterketon (PEEK), Termoplastik Üretan (TPU) şeklinde sıralanabilir [12-15].

Bu alanda karbon fiber katkı ile birlikte cam küre takviyesi üzerine çok yeni bir takım ticari ürünler olsa da bu katkı SLS eklemeli üretim teknolojisi alanında henüz gelişiminin oldukça başında olduğu için detaylı araştırmaya açık bir alandır. SLS eklemeli imalat alanında yaptığımız Poliamid 12 (PA 12) matrise, içi boş cam mikroküre (HGM) ilavesi ile elde edilen nihai polimer kompozit yapının özellikleri üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi çalışmamızda [16], nihai yapının mekanik özelliklerinden de fazla ödün vermeden %20 ’lere varan ciddi bir yoğunluk düşüşü elde edilmiştir. Bu alanda daha pek çok çalışma yapılması ve umut vadeden sonuçlar elde edilmesi öngörülmekte olup bu ve bunun gibi katkı türleri üzerine araştırmalarımız sürmektedir.

Kaynaklar 1- Martin L. W., Goering R. M., Dech J. M., Cody A. R., “Glass-Microbubble-Filled Thermoplastic Composites As Light-Weight Automotive Materials”, 16th AnnualSPE Automotive, Composite Conference, 7-9 September 2016, Novi, Michigan. 2- Cunhaa, M. P., Grisaa, A. M. C., Kleina, J., Polettoa, M., Brandalisea, R. N., “Preparation and Characterization of Hollow Glass Microspheres- Reinforced Poly (acrylonitrile-co-butadiene-co-styrene) Composites”, Materials Research, 2018, 21 (6). 3- Matsubara, T., Tanaka, M., Kusaka, M., Yamada, K., Nakao, Y., US 2002/0004111 A1, Hollow Glass Microspheres and Process for Their Production, 2002. 4- 3M Company, Technical Paper, 2013. https://multimedia.3m.com/mws/ media/91049O/3m-glass-bubbles-k-s-and-im-series. Access Date: 09.06.2020. 5- Cospheric, Solid Glass Particles.
https://www.cospheric.com/solid_glass_microspheres_beads_powders.htm. Access Date: 08.06.2020. 6- Hu, Y., Mei, R., An, Z., Zhang, J., “Silicon rubber/hollow glass microsphere composites: Influence of broken hollow glass microsphere on mechanical and thermal insulation property”, Composites Science and Technology, 2013, 79, 64–69. 7- Amos, S. E., Yalcin, B., “Hollow Glass Microspheres for Plastics, Elastomers, and Adhesives Compounds”, 2015, USA. 8- Amos, S. E., Yalcin, B., 2016, “Plug-and-Play Weight Reduction Solution by Hollow Glass Microspheres, 3M Corporate Research Process Laboratory”, Technical Paper, https://multimedia.3m.com/mws/media/777887O/3m-glassbubbles-plug-and-play-weight-reduction-solution. Access Date: 02.06.2020 9- Yalcin, B., Amos, S. E., Williams, M. J., Gunes, I. S., Ista, T. K., Friedrich, S., Doering, M., Yamabe, S. T., 2016, “3M™ Glass Bubbles iM16K for Reinforced Thermoplastics,” 3M Company, https://multimedia.3m.com/mws/ media/868489O/3m-glass-bubbles-im16k-for-reinforced-thermoplastics. Access Date: 02.06.2020 10- Yalcin, B., Amos, S. E., D’Souza, A. S., Clemons, C. M., Gunes, I. S., Ista, T. K., “Improvements in processing characteristics and engineering properties of wood flour-filled high density polyethylene”, Journal of Plastic Film & Sheeting, 2012, 28 (2), 165-180. 11- Kang, B., Lu, X., Qu, J., Yuan, T., “Synergistic effect of hollow glass beads and intumescent flame retardant on improving the fire safety of biodegradable poly(lactic acid)”, Polymer Degradation and Stability, 2019, 164, 167-176. 12- Hu, X., Xu, H.S., Li, Z.M., “Morphology and properties of poly(L-lactide) (PLLA) filled with hollow glass beads”, Macromol. Mater. Eng., 2007, 292 (5). 13- Dizon, J. R. C., Espera, Jr. A. H, Chena, Q., Advincula, R. C., “Mechanical Characterization of 3D-Printed Polymers”, Additive Manufacturing, 2018, 20, 44-67. 14- Kumar, S., “Selective Laser Sintering: Recent Advances”, Journal of Laser Applications, 2010, 607, 1-8. 15- Yan, C., Hao, L., Xu, L., Shi, Y., “Preparation, Characterisation and Processing of Carbon Fibre/Polyamide-12 Composites for Selective Laser Sintering”, Composites Science and Technology, 2011, 71, 1834–1841. 16- Özbay, B., Serhatlı, İ. E., Bulduk, M. E., “Manufacturing and Characterization of Filled Polyamide 12 Composite Structure by Selective Laser Sintering Method”, 5th Edition of International Conference on Polymer Science and Technology, 10-11 June 2019, Berlin.

 

Prof. Dr. Ersin Serhatlı
İstanbul Teknik Üniversitesi
Polimer Bilim ve Teknolojisi Bölümü

Burçin Özbay
Metalurji ve Malzeme Yüksek Mühendisi/Araştırmacı
Fatih Sultan Mehmet Vakıf Üniversitesi
ALUTEAM