Çarşamba, Aralık 1, 2021

Otomotiv Sektöründe Poliüretanlar

Otomotiv Sektöründe Poliüretanlar

1. Poliüretanlara Tarihsel Bir Bakış

1900’lü yılların başında çoğu kaplama ve boya; hayvansal yağlar, süt ya da doğal yağlar kullanılarak oluşturuluyordu. Birinci ve İkinci dünya savaşı arasında geçen dönemde birçok firma polimer endüstrisine yöneldi. Polimerler yüzey korumaları için önceki rakiplerine
göre ciddi avantajlar sağlıyordu. 1936’ların başında kaplama sektöründe ilk epoksi reçinesinin kullanılması “pot life ” kavramını ortaya çıkardı ve ilk kez ikili konteynerlerde saklanan ambalajlama kullanılmaya başlandı. İlk kapta reçineler saklanırken diğer kapta
“curing agent” dediğimiz sertleştiriciler saklanmaya başlandı. Epoksiler elektriği iletmiyorlardı ve bu özelliği ile katodik koruma için ciddi bir kullanım avantajı sağlıyorlardı. Ancak epoksi reçinelerin UV ışığı altında kimyasal kararlılıklarını koruyamamaları (tebeşirlenme) bu sektörde yeni arayışlara yol açtı.

1937 yılında Alman Otto Bayer ve ekibi, poliüretan reçineleri üretti ve patent sahibi oldu. Bu Poliüretan teknolojisi 1950’lerin başına kadar kullanıma hazır değildi. İlk denemeler İkinci Dünya Savaşı sırasında bir savaş uçağının dış gövde boyaması ile yapıldı.

Alman Savaş Uçağı

Bu reçineler o güne kadar kullanılan epoksi ve diğer yağ bazlı kaplamalara göre mükemmel denilebilecek bir seviyede UV ışığa dayanım gösteriyordu. Bu dayanım, poliüretanların güneş ışığına maruziyet gösteren yüzeylerde hızla kullanımını sağladı. Bu denemelerden sonra önce Almanya’da ilerleyen poliüretan reçinelerin kullanımı hızlı bir şekilde sanayileşerek bütün dünyada kullanılmaya başlandı.

2. Kimyasal Olarak Poliüretanlar

Kovalent bağ yapısına sahip olan organik polimerlerden (makro moleküler malzemeler) plastikler, genel olarak üç ana grupta sınıflandırılırlar. Bunlar tamamen sentetik ya da kimyasal olarak modifiye edilmiş plastiklerdir.
• Termoplastik
• Termoset
• Elastomerler

Plastiklerin Sınıflandırılması

Polimerler monomer adı verilen birimlerin bir araya gelmesi ile oluşurlar ve “polyreaction” dediğimiz reaksiyonlar ile bu oluşumu tamamlarlar. Bu manomerler en az iki fonksiyonel grup barındırıyor ise polyaddition (katılma) ya da polycondensation (polikondenzasyon);
bir çift bağ ise polimerizasyon reaksiyonu ile oluşur.

 

polimer oluşum reaksiyonları

2.1. Poliüretan Reçinelerin Kimyasal Oluşum Mekanizması

Sektörel bazda kullanılan poliüretan reçineler, polyaddition (katılma) ile gerçekleşir.

Katılma Reaksiyonu

Kopolimerlerin oluşumuna örnek gösterim Resim 5’te verilmiştir.

Şematik Gösterim

2.2. Poliüretan Tipleri

Poliüretanlar özellikleri, uygulamaları ve kürlenme mekanizmaları temel alındığında 3 ana grupta toplanabilir.

2.2.1. 2C Poliüretanlar

Bu tip poliüretanlar genel olarak düşük moleküler ağırlıklı poliol reçinelerden oluşur ve sertleştiricileri izosiyanat sonlu prepolimerlerdir (isocyanate terminated prepolymers). Kürlendikten sonra termoset ya da elastomer plastikler oluştururlar.

İki komponentli (2C) oldukları için oda sıcaklğında kürlenebilirler, kürlenme ısı ile hızlandırılabilir.

Örnek kürlenme mekanizması Resim 6’da verilmiştir.

2C Poliüretan

2.2.2. 1C Nemle Kürlenen Poliüretanlar

Bu tip poliüretanlar genel olarak düşük moleküler ağırlıklı poliol reçinelerden oluşur ve sertleştirici mekanizmasında nem izosiyanat gruplarının bazılarını amino gruplarına çevirir. Burada yan ürün olarak karbondioksit açığa çıkar. Amino grupları kalan izosiyanatlar için
reaksiyon bileşeni olur.

Açığa çıkan karbondioksit kalın uygulamalarda baloncuk şeklinde kabarma problemlerine sebep olabilir. Kürlendikten sonra elastomer plastikler oluştururlar.

Kürlenmesi katılma reaksiyonu ile gerçekleşir. Kürlenmesi anizotropiktir. Örnek anizotropik kürlenme eğrisi Resim 7’de verilmiştir.

Nem ile kürlendiği için kürlenme reaksiyonunun tamamlanabilmesi için minimum %40 bağıl nem gereklidir.

anizotropik

Örnek kürlenme mekanizması Resim 8’de verilmiştir.

1C nemle kürlenen poliüretan oluşum reaksiyonu

Farklı tiplerdeki bu poliüretanların kıyaslaması Tablo 1’de verilmiştir.

Poliüretan Tipleri

2.3. Otomotiv Sektöründe Poliüretanların Kullanımı
2.3.1. Plastik Parçalar
Otomotiv sektöründe poliüretanlar oldukça sık kullanılmaktadır. Poliüretanların birçok konfor, proses edilebilirlik, enerji korunumu gibi avantajları vardır. Poliüretan köpükler koltuklar, kol dayamaları, yan ayna kolları gibi yüksek yorulma direnci istenen parçalarda
kullanılır.

Yüksek dayanımları, hafif oluşları ısı ve ses yalıtımı özellikleri ile sık sık kullanılır. Bu tip polimerler genellikle boyanabilir ve yüksek dayanıma sahip olan PURRIM enjeksiyonlu kalıplarda üretilen ve ısı kürlenmeli poliüretanlardır.

Poliüretan otomobil koltuğu ve dış otobüs ayna kolu

2.3.2. Boyalar

Birçok dış boyama sistemlerinde akrilik reçine için hidroksil grupları ile izosiyanat sertleştiricilerden oluşan poliüretanlar kullanılır. Akrilik reçine ile birleşen poliüretan reçineler yüksek UV dayanımı ve iklimlenme koşullarındaki yüksek dayanımları sayesinde otomotiv boyalarında çok sık olarak kullanılmaktadır.

Bu tip reçineler içeren boyalar, görsellik için yüksek parlaklık ve imaj netliği verdiği için araç dışında vernikli sistemlerde de kullanılırlar. Yüksek nem ve kirlenme direnci bu kullanımına pozitif katkı sağlamaktadır.

Yüzey gerilimleri sebebi ile birçok yüzeyde mükemmel bir yapışma sağlayan bu tip poliüretanlar için metal yüzeylerde ön işlem olarak uygulama öncesi, korozyon dayanımı daha yüksek olan epoksi reçineli astar boyalar önerilmektedir.

otomotiv boyası

Bu tip boyalar boya gamının en üst tabakasını oluşturur ve;

• Estetik özelliklerin yanında dış etkenlere karşı koruyucu özellik,
• Astar veya ara kat üzerine uygulanabilirlik ve yapışma,
• Renk, parlaklık, sertlik, esneklik, çizilme direnci, güneş ışınlarına direnç diğer önemli özelliklerdir.

Bu boyalar genellikle Bölüm 2’de verilen 2C Poliüretan sistemlerdir.

2.3.3. Yapıştırıcılar

Otomotiv sektöründe çok geniş bir şekilde kullanımı olan yapıştırıcılarda poliüretanlar önemli bir bölümü oluşturur. Yüksek mukavemetleri, elastiklikleri ve farklı
yüzeylerde (kauçuk, cam, tahta, abs, elektronik parçalar gibi) yapışabilirlik özellikleri ile tercih edilirler.

Bu yapıştırıcı sistemleri genellikle 1C Nemle kürlenen ya da 2C Poliüretan yapıştırıcılardır. Bu yapıştırıcıların UV dayanım özellikleri karbon eklentisi ile modifiye edilebilmektedir.

Otomotiv sektöründe yapıştırıcı olarak poliüretanlar

Ek olarak poliüretanlar, atılan ve geri dönüştürülmüş malzemelerden geliştirilen yeni uygulamaların üretiminde kullanışlıdır. Örneğin, poliüretanın yapışkan özellikleri sayesinde, kullanım sonu araç lastikleri çocuk oyun alanları, spor parkurları veya spor stadyumları
için yüzeyler haline getirilebilir. Bu tür geri dönüşüm gelişmeleri, Dünya’nın doğal kaynaklarının korunmasına yardımcı olur. Çelik endüstrisi, döküm için kalıp yapmak için bağlayıcıların temeli olarak diizosiyanatları kullanır.

Poliüretanın yapışkan özelliklerinden, otomotiv sektöründe yüksek performanslı kompozit ürünlerin imalatında da yararlanılır. Sürdürülebilir orman kaynaklarından yapılan kompozit ahşap ürünler, büyümesi yıllar alan büyük olgun ağaçlardan üretilen panel ürünlere gerçek bir alternatiftir. Bu uygulama, hasat edilenden daha fazla ağacın dikilmesini sağlar ve olgun ağaçlardan daha fazla karbondioksit emen hızlı büyüyen genç ağaçları kullanarak ormansızlaşmayı azaltmaya yardımcı olur.

2.3.4. Korozyon Koruma Uygulamaları

Otomotiv sektöründe poliüretanlar korozyon koruma uygulamalarında piyasada “mastik” adı verilen sızdırmazlık işlemlerinde kaynak sonrası açık kalan yüzeylerdeki hava temasını kesmek amacı ile uygulanır. Bu işlem tam kaynak olmayan aşağıda örnekleri verilen kaynak bölgelerinde sıkça kullanılır. Bu sızdırmazlık ürünleri birer yapıştırıcı olup genellikle 1C nemle kürlenen poliüretanlardır.
• Metot kaynakları,
• Punta kaynakları,
• Alın kaynakları.

sızdırmazlık uygulamaları

Bu tip poliüretanlar aynı zamanda yüksek ses ve ısı yalıtımı yaptıkları için de tercih edilirler. Bu tip malzemelerde ses ve ısı geçirgenlik katsayıları yaklaşık ekli değerlerdedirler.
• Isı geçirgenlik değeri 2 mm kalınlık için λ değeri:0,4 W / (m*K)
• Ses geçirgenlik 40 dB (Motor Bölgesi) – 5mm uygulama

Bu uygulamalarda kullanılan poliüretanlar aynı zamanda boyanabilir olup, üzeri boyalı olan kapak kenarlarında da taş çarpma koruması olarak uygulanabilmektedir. Taban alt koruma için uygun kalınlıkta uygulandığında bu sistemler 10 yıl otomobile korozyon dayanımı sağlar.

otomotiv taban alt koruması

Hande Kılıç
Kıdemli Boya ve Korozyon Eksperi
MAN Türkiye A.Ş.