Plastikte Kullanılan Mineral Dolgular ve Uygulamaları

Mineral   dolgular; DIN 55943 (EN-Colouring   materi- als- Terms and  definitions) standartlarına göre, pratik olarak  uygulandığı ortamda çözünmeyen ve hacmi  arttırmak, bazı teknik  özellikler elde etmek veya artırmak ve/veya optik  özellikleri değiştirmek için kullanılan  toz formundaki maddelerdir.

Dolgu  maddeleri plastiklerde katı olarak  sisteme ilave edilen  ve matris  reçineyle  bağdaşmayan organik veya inorganik kökenli malzemelerdir. Bu maddeler aktif veya  inaktif  olmalarına göre  ilave  edildikleri  sisteme pek çok özellik kazandırabilirler.

Eğe bilinçli kullanılırsa dolgulu sistemler ucuzluğun yanı sıra çok önemli  üstünlükler de kazanmış olurlar.

Dolgu  maddeleri karışımda özgül  ağırlık, E-modülü, basınç  dayanımı, eğilme  direnci,  sertlik,  ısı dayanıklılığı gibi  değerleri artırırlar.  Özel bazı  katkılar  sisteme anti-statik ve yanmazlık  gibi özelliklerin  yanında işlemede kolaylık sağlayan yumuşaklık  ve kayganlık  gibi avantajlar da verirler.

Dolgu  maddelerinin plastiklerde en önemli  katkısı ise malzemenin küçülmesini önlemesidir. Dolguların plastik  karışımlara olumsuz etkileri de yok değildir. En önemli  konu çekme dayanımı ve darbe direncinin dolguyla kötüleşmesidir. Bu etkileri  düzeltmek için mutlaka özel katkılar gereklidir.

Reaktif reçinelerde ekzotermik ısı sistemde birçok  sorun  yaratabilir. Dolguların çoğunluğu  bu  ekzotermik tepe  noktasını düşürerek sistemde oluşan gerilimleri azaltırlar. Bu sayede son  ürün  daha az çekmiş  ve yüzey dalgalanmaları ve çatlakların oluşması da önlenmiş olur.

Bu sayede daha parlak  ve düzgün yüzeyli ve tam ölçülerde ürün  elde etmek ve dolgu ilavesiyle plastiğin diğer  maddelere yapışması da  önlenmiş olur.  Dolgu- lar bütün sistemin işleme  değerlerini değiştirir. Bunun içinde  depolama ömrü   ve  işlenme   parametreleri de vardır.

Dolgu  maddeleri seçiminde dikkat  edilecek  en önemli hususlar şöyle sıralanabilir:

• Tane boyutu,
• Dağılım şekli,
• Dispersiyon  özelliği,
• Kimyasal yapısı,
• Yüzey yapısı ve büyüklüğü,
• Aşındırma  riski,
• Yüzey sertliği,
• Taşıma şekli,
• Fiyat

 Plastikte Kullanılan Mineral Dolgular

Plastikte  kullanılan  belli başlı mineral dolgu maddeleri şunlardır:

• Kalsiyum karbonat (CaCO ),
• Dolomit,
• Barit,
• Talk,
• Kaolen,
• Mika,
• Kuvars kumu,
• Vollastonit

Burada  en çok kullanılan  mineral dolgu olan  kalsiyum karbonattan söz edilecektir.

1.1.   Doğal  Kalsiyum Karbonat  (GCC)

Kalsiyum karbonat plastik  sektöründe en  yaygın  dolgu maddesidir. Termoset plastiklerde en çok SMC- BMC’de, termoplastiklerde ise en çok PVC’de kullanılmaktadır. İnert bir malzeme olan  kalsit fiyatta ucuzluk getirirken reçinenin diğer  özelliklerinde olumsuz bir değişime sebep olmamaktadır.

Doğal  öğütülmüş kalsiyum  karbonatların (GCC) polimer endüstrisindeki en önemli  uygulamaları ise şu şekildedir:

Plastik PVC: Uygulamaya bağlı  olarak  (kablo,  zemin döşeme, profil,  film vs.), farklı incelikte  kaplanmamış veya kaplanmış kalsiyum karbonat kullanılır.

PVC Plastisoller: Deri giysiler, duvar  kâğıdı,  muşamba ve yer kaplama gibi uygulamalar için, d50’si 1,5-40 µm arasında kaplanmamış kalsiyum karbonat uygulanır.

Rijit PVC: Borular,  pencere profilleri,  panjurlar, filmler ve boru  donanımları için d50’si  -1,5  µm çok ince kaplanmış  kalsiyum karbonat kullanılmalıdır.

Polipropilen (PP): Doğal  kalsiyum  karbonatların pek çok uygulamaları şu  şekildedir:  Atık su  boruları, gıda ve tüketici  mallarının paketlenmesi için tablalar, BOPP filmler, teknik  komponentler, bahçe mobilyası  gibi ev uygulamaları için d50’si 1,4-3,5 µm arasında olmalıdır. Yüzey kaplamada özellikle yüksek beyazlık tercih edilir.

Polietilen: d50’si  3 µm’den  daha az olan,  yüzey kap- lanmış  kalsiyum  karbonat elastik  modülünü artırmak için filmlerde  fonksiyoner katkı olarak  kullanılır. Ayrıca kalsiyum karbonat pigmentlerin dağılmasını sağlar.

Polimer  Reçineler:  SMC ve BMC uygulamaları için, d50’si  1,5-10 µm arasındaki kalsiyum  karbonatlar tercih edilir.  Paketleme yoğunluğunu  artırmak ve visko- ziteyi düşürmek için nispeten iri tanelere inceler  katılabilir.

Kalsiyum Karbonat  Mineral Dolgularda İstenen Özellikler

• Toksik olmayan, kokusuz,
• Yüksek parlaklık, düşük  kırılma indisi,
• Yumuşak,
• Kuru, kristal su içermeyen,
• Normal  plastik  işleme şartlarında stabil,
• Düşük maliyet,
• Dağılması  kolay,
• Termal (ısıl) genleşme katsayısını  azaltır,
• Termal iletkenliği  artırır.

   Dezavantajlar

• Yüksek yoğunluk,
• Artan plastik  viskozite,
• Polimerden daha aşındırıcı,
• Termal iletkenliği artırır (pencere ve kapı çerçevelerinde istenmeyen durum),
• Asitte çözünür,
• Basınç dayanımını azaltır.PVC en  çok mineral dolgunun (özellikle CaCO ) kulla- nıldığı  polimer sistemdir. Plastiğin  ısıl işleminde açığa çıkan HCl gazını absorbe eder,  nötralize eder  ve böyle- ce düşük  maliyetli bir stabilizer olarak görev yapar.  Çok ince GCC partikülleri en iyi stabilizasyonu verir.Düşük  maliyeti  ve bol  bulunuşu sayesinde kalsiyum karbonat (CaCO ) en  yaygın  kullanılan  mineral dolgu maddesidir.1.2.   Sentetik  (Çöktürülmüş)  Kalsiyum   Karbonat (PCC)Çöktürülmüş kalsiyum karbonatın üstün nitelikleri ince tanecik yapısı, saflığı ve aragonit yapısıdır.  Eğer yüzey muamelesine tabi tutulursa (yüzey kaplama) matris  reçine içinde dağılımı  çok kolay olur. Bu sayede şu avan tajlar sağlanır:
  • Darbe dayanımı artar,
  • Son ürünlerde yüzey parlaklığı  artar,
  • Esneklik artışı sonucu kırılma ve yırtılma  problemleri azalır
  • E-modülü yükselir.

  Bütün  bu  üstünlüklerinin yanında olumsuzluklar da getirir.  Bunların başında pahalı  olması  gelir. Ayrıca viskosite  artışı  daha hızlı olduğundan daha az  dolgu kullanılır ve yüzey aktivitesi nedeniyle diğer  kıymetli katkıların  adsorbe edilmesi  tehlikesi  belirir.

  Çöktürülmüş kalsiyum karbonat (PCC)’ın d50’si 0,07-2 µm arasında ve özgül  yüzey alanı  10-40  m2/g’dır. Temel uygulamaları otomotivde kullanılan  plastisollerdir (PVC ve plastikleştirici karışımı).

  2. Dolgulu Plastiklerin Özellikleri

  • • Dolgulu plastiklerde takviyeli plastikler  arasındaki en önemli  fark çekme  direncinin sadece takviyeli plastiklerde artmasıdır. Buna karşılık E-modül ve sertlik dolgu maddeleri ile de artar. Isıya dayanıklılık kürecik şeklindeki dolgularla elyaf şeklindeki  takviye malzemeleriyle olduğu kadar  fazla artmaz. Buna karşılık yassı tanecik yapısında olan  talk ve mika ilavesi ısı dayanımında çok daha etkili olabilir.
      Dolgu   maddelerinin plastiklerde şu değişikliklere  neden  olduğu söylenebilir.
    • Yoğunluk  artışı,
      • E-modülü ile baskı ve eğme değerlerinin artışı,
      • Yüzey sertliğinin ve kalitesinin iyileşmesi,
      • Mekanik değerlerin ısıdan  etkilenmesinde azalma,
      • Maliyet önemli  oranda düşer.

      Bu sayede plastiklerde şu değişiklikler görülür:

      • Mekanik değerlerde kötüleşme görülür,
      • Baskı ve şekillendirme süreleri  kısalır,
      • Daha sert bir ürün  elde edilir,
      • Isıya daha dayanıklı olur,
      • Ölçüleri tutturmak mümkün olur,  çöküntüler azalır

       

      • Sürtünme problemleri ortadan kalkar,
      • Yük altında kendini  bırakma eğilimi azalır,
      • Eğme ve darbe değerleri de daha iyidir.
        
        3. Plastiklerde Dolgu Uygulamaları

      Plastiklerin  dolgu maddeleri ilavesinde dikkat  edilecek bazı önemli  konular vardır. Eğer bilinçli çalışılmazsa istenilen avantajlar sağlanamadığı gibi büyük  problemlerle karşılaşılması da olasıdır.

      Dikkat isteyen konular  şöyle sıralanabilir:

      • Tane boyut dağılımı uygun olmalı,
      • Dolgu madde yüzeyinin katalitik etkisi göz önünde bulundurulmalı,
      • Optimum bir karışım ve matrisle iyi bağdaşma sağlanmalı,
      • Dolguların birçoğunun  iş makinelerini aşındırabildiği dikkate  alınmalı,
      • Bileşimin özellikleri kesin bilinmeli,
      • İşlem  sırasında çevresel  problemlere izin verilmemeli,
      • Maliyet düşüşünü kontrol etmeli.Bütün  bu konular özenle  irdelenirse dolgu ilavesi istenilen üstün niteliklere  haiz ve ekonomik bir bileşim  ve son ürün  elde etme olanağı verebilir.
        

        
        4. Plastik Dolgu Maddelerinin Ekonomik Önemi
        

        Dolgulu takviyeli plastik  kullanımı  büyük  bir hızla artmaktadır. Bazı özel dolgularda da artış görülse de hala dolgulu plastiklerde %50  oranında kalsit  tercih  edilmektedir. Kalsitin yanı sıra en büyük artışın  plaka yapısında olan, malzemeye tokluk vermesi ve yüzey düzgünlüğü sağlaması  nedeniyle talkta görülmektedir. Petrol  fiyatlarındaki aşırı artış,  kaynağı  petrol  olan  plastik  maddelerin de pahalanmasına neden olmakta ve dolgu maddeleriyle sağlanan ucuzluk  daha da  önem kazanmaktadır. Yeni Ar-Ge çalışmaları dolgu cinsleri,  plastiklerle bağdaşmaları incelenerek daha  yüksek  dolgu oranlarıyla çözüm aranmaktadır. Bu araştırmalar yeni dolgular, yeni  reçineler ve  daha kolay  karıştırma metotları  ile hem  ucuzluk  hem  de daha üstün nitelik hedeflenmektedir.Tablo 2.Kalsit dolgulu (%40) plastiklerin birim maliyeti

        Plastik ve Mineral  Dolgu/Plastic and  Mineral  Filler	Yoğunluk/Density, gr/cm3	Maliyet/Cost, $/ton
        Polipropilen, PP	0.89	880
        CaCO a 3	2.69	90
        %60 PP, %40 CaCO 3	1.22	570
        PVC	1.39	830
        CaCO b 3	2.69	140
        %60 PVC, %40 CaCO 3	1.73	550

        a Kuru öğütülmüş, 3 µm kaplanmamış
        b Kuru öğütülmüş, 1 µm kaplanmış

       

     

Prof. Dr. Öner Yusuf Toraman
Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Maden Mühendisliği Bölümü

Doç. Dr. Serkan Çayırlı
Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Maden Mühendisliği Bölümü

Kaynaklar 

[1] Paints,  Coatings and  Solvents,  Edited  by Dieter Stoye, VCH Publishers, Inc., NY (USA), 1993.
[2]Industrial Minerals  and  Their Uses- A Handbook and  Formulary, Peter  A. Ciullo, Noyes Publ., 1996.
[3] Ö.Y. TORAMAN, Plastik Endüstrisinde Kullanılan Doğal Mineral  Katkı Maddeleri, Turkchem, Mart/Nisan 2012, Yıl:5 Sayı:27, s.58-62.
[4] Ö.Y. TORAMAN, Boya ve Plastikte  Kullanılan Mineral  Dolgu Maddeler, BoyaTürk, Nisan/Mayıs 2014, s.34-36.
[5]S.KOLTKA, E. SABAH, Boya Sektörü ve Sentetik (Çöktürülmüş) Kalsiyum Karbonat (PCC), 8.Uluslararası Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu,  Bildiriler Kitabı, s. 47-56, 29-30  Kasım 2012, İstanbul.
[6]http://www.plastik-ambalaj.com/tr/plastik-ambalaj-makale/1053-plastik-dolgu-maddeleri