“Prepreg” terimi, aslında emprenyeli önerme ifadesinin bir kısaltmasıdır. Bir prepreg, bir reçine ile önceden emprenye edilmiş bir lifli polimer takviyesidir.
Prepregler belirli bir basınç ve sıcaklık altında kürlenirler. Kürleme sonucunda emdirilen reçine sertleşerek ısıl ve kimyasal dayanımı yüksek, hafif ve çok dayanıklı bir kompozit yapı oluşturur. Termoset ve termoplastik olarak iki ana kategoriye ayrılan prepregler önemli ölçüde teknik açıdan farklılık gösterirler.
Prepreglerle imalatın aşamaları;
-Prepreg tabakaların rulodan kalıp yardımı ile kesilmesi,
-Prepreglerin uygun fiber açılarında, üst üste yerleştirilmesi,
-Reçinenin son halini alması için kürlenmesi,
-Kesme, delme ve birleştirme işlemleri ile montaja hazırlanması gibi listelenebilir.
Şekil l’de görüldüğü gibi tek yönlü ve örgü olmak üzere iki farklı çeşit prepreg imalatı vardır. Bu iki farklı yapının birbirleri ile karşılaştırılmaları ise Tablo l’de verilmiştir. Tek yönlü prepregler ile tüm fiber yönlenmeli tabakalar oluşturulabilir.
Örgü yapılarda ise sadece 00/900 ve +ö/-ö 1800-ö) açıları birlikte imal edilebilir. Ayrıca örgü prepreg, bir seferde iki tabaka yerleştirmeimkânı tanıdığından işlem kolaylığı vardır.
Termoset Prepregler
Prepreg kompozit imalatında daha sık kullanılanlar termoset prepregleridir. Kullanılan birincil reçine matrisi epoksi’dir. Bununla birlikte, diğer termoset reçineleri, BMI ve fenolik reçineler içeren prepreglere dönüştürülür. Bir termoset prepreg ile, termoset reçine sıvı olarak başlar ve lif takviyesini tamamen emprenye eder.
Fazla reçine takviyeden tam olarak çıkarılır. Bu arada, epoksi reçine kısmi bir kürlenmeye uğrar, reçinenin durumunu sıvıdan katıya değiştirir. Bu, “B-sahnesi” olarak bilinir. B aşamasında, reçine kısmen iyileştirilir ve genellikle yapışkan olur.
Reçine yüksek bir sıcaklığa getirildiğinde, sertleşmeden önce kısa bir süre sıvı halde kalır. Bir kere iyileştirildiğinde, b aşamasındaki termoset reçinesi artık tamamen çapraz bağlanmıştır.
Termoplastik Prepregler
Termoplastik prepregler, termoplastik reçine ile önceden emprenye edilmiş kompozit takviyelerdir (fiberglas, karbon fiber, aramid vb.). Termoplastik prepregler için yaygın reçineler arasında PP, PET, PE, PPS ve PEEK bulunur. Termoplastik prepregler tek yönlü bantta veya dokuma veya dikişli kumaşlarda sağlanabilir.
Termoset ve termoplastik prepreg arasındaki temel farklılık, termoplastik prepreglerin oda sıcaklığında dengeli olması ve genel olarak raf ömrünün olmamasıdır. Bu, termoset ve termoplastik reçineler arasındaki farkların doğrudan bir sonucudur.
Prepreglerin Avantajları ve Dezavantajları
Sürekli kuru fiberlerin ön ve arka yüzeylerine reçine kaplı kağıtların kaplanması daha sonra düşük bir sıcaklığa hafif kürleme ile reçinenin yarı viskoz hale getirilmesinden oluşan Prepreg imalatı. Prepreg levhaların yüzeyleri yapışkan olduğundan daima koruyucu kağıtlar arasında korunurlar.
Bu durumda prepreg rulo olarak sarılabilir ve stoklanabilir. Stoklama koşullarına uyulması halindeson kullanma tarihine kadar muhafaza edilebilirler.
Bir prepreg, fiberler ve ön kürlenerek fiberlerle birleştirilmiş reçineden oluşur. En önemli avantajları, yüksek fiber oranlı kompozit imalatının hammaddesi olmalarıdır.İmal edilen kompozitin kalınlığı, fiber ve matris malzemeler oranları homejendir.
Üretim sırasında pratik olması, ek olarak herhangi bir reçine ve sertleştirici kullanımına gereksinimi ortadan kaldırır ve reçine emdirilmemiş elyafa göre kalıp yüzeyine, birbiri üstüne yapışması ve fiberlerin ayrılmamasından dolayı serim işlemi de daha kolay gerçekleşir.
Kürleşme süresi de el-yatırması, vakum infüzyon ve vakum torbalama yöntemlerine göre daha kısadır.
Reçine verme işlemi önceden gerçekleşmiş olduğu için kuru kalma yada fazla reçine emme gibi durumlar söz konusu değildir. Bu durum da üründe herhangi bir mukavemet kaybı olmaksızın standart ürünler elde edilmesini sağlar.
Kullanılan prepreg çeşidine bağlı olarak reçine/elyaf oranı %35-%50 arasında değişim göstermektedir.
Prepreg’le üretimin avantajları olduğu gibi bazı dezavantajları da vardır; kendisi de üretim yöntemleri de diğerlerine göre oldukça pahalıdır. Birim maliyetinin yüksek olması ve fiber-matris malzemeyi birlikte seçme zorunluluğu ise en önemli dezavantajlarıdır.
Otoklav yönteminde sıcaklık, kürleşme grafiğine uygun olarak 120-180oC civarında ayarlanıp aynı zamanda da 3-7 MPa basınç altında gerçekleştirilir. Fırınla üretimde ise yine kürleşme sıcaklığı, uygun sıcaklıklara ayarlanmalıdır. Bu tip otoklav ve fırınlar oldukça pahalı endüstriyel ürünlerdir.
Prepreglerin saklama koşulları da üretici için büyük bir zorluktur. Oda şartlarında 4-6 haftaya kadar saklanabilen çeşitleri olsa da genel olarak -20oC civarında dondurucuda saklanma koşulları vardır. Ayrıca dondurucudan çıkarıldıktan sonra kullanılmaları gerekmektedir.
Prepreg Malzemelerin Kullanım Alanları
Prepregler ile yapılan kompozit parça üretimlerinde kalınlık, ağırlık ve yüzey kalitesi gibi son ürün özellikleri diğer yöntemlere kıyasla standardize edilebilir ve tekrarlanabilir, yüksek ürün kalitesi sağlanarak düşük fire oranlarına ulaşılabilir.
Ayarlanmış reçine oranı reçine zengin bölge, kuru bölge, hava boşlukları gibi problemleri ortadan kaldırdığı için proses verimliliğini arttırır.
1990’ların başlarında prepregler önemli malzeme sayılırdı. Uçak tasarımlarında %5 kadar ve yan ürünlerde kullanılırdı. Günümüzde havacılık sektörünün temel parçası olup Airbus A350 XWB ve Boeing 787’nin gövdelerinde %50’den fazla bulunmaktadır.
Gelişmeyi uzay teknolojisi, rüzgâr enerjisi, otomotiv, spor aletleri ve diğer endüstriyel ekipmanlar takip etti. Son uygulamalarda prepreglerden yararlanılarak petrol ve gaz işletmelerinde boru hattı ve yüksek basınçlı tank yapımında kullanılmaktadır.
Gelişen prepregler, kompozit malzemeler de daha yüksek güç ve özgün tasarımlar çıkmasını sağlamıştır.
Hazırlayan: B. Serhat Cengiz
Kaynak:
Müge Armatlı Kayrak, Uçak Kompozit Elemanlarının İmalat Kriterlerinin Farklı Makina Sistemleri İçin Analizleri, Anadolu Universitesi
Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi
M. Reyne, “Technologie des composites, Hermes”, Paris, 1990, s. 165.
M. Armatll Kayrak, “Havaclllk Kompozitleri ve Mukavemet Maliyet Analizleri”, Anadolu Üniversitesi Yayınları, Eskişehir, 1999, s. 103.
D. Gay, “Materiaux Composites”, Hermes Paris, 1989, s. 506.
İTÜ Güneş Arabası Ekibi, http://www.fibreglast.com/ product/about-prepregs/Learning_Center
