Döner Kalıplama Yöntemi İle Köpük Üretimi

Döner kalıplama, ekstrüzyon ve enjeksiyon kalıplama ile karşılaştırıldığında daha önemsiz bir üretim tekniği olmasına rağmen, günümüzde en hızlı gelişen polimer proseslerinden bir tanesidir. Bunun sebebi, düşük makine maliyeti, basit soğutma sistemi, daha az atık ve tek parçalı içi boş parçaların kolaylıkla üretilebilmesidir. Bu yöntemin tek dezavantajı ise, üretilen parçaların boşluklu olması sebebiyle zayıf mekaniksel özelliklere sahip olmasıdır [266]. Günümüzde ise üretilen parçaların mekaniksel özelliklerini geliştirmek için geleneksel döner kalıplama prosesi modifiye edilerek iç bölgenin (çekirdek bölgesi) köpüklendirilebildiği döner köpük kalıplama yöntemi geliştirilmiştir. Döner köpük kalıplama yönteminin temel prensibi, diğer köpük üretim yöntemlerine benzer şekilde hücre çekirdeklenmesi, hücre büyümesi ve hücre kararlılığı aşamalarını içermektedir. Ancak, döner köpük kalıplama prosesinde, köpük yapısı nedeniyle yavaşlayan ısı transferi, köpüklenmenin tamamlanması için toplam çevrim zamanının artmasına (%25’den %100’e kadar) sebep olmaktadır.

Döner köpük kalıplama prosesi, Şekil 6.26’da gösterildiği gibi döner kalıplamaya benzer şekilde 4 aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, istenilen hacimsel genleşme için formüle edilen kimyasal köpük ajanı (KKA) ve köpüklenebilir polimer matris, boş kalıp içerisine yerleştirilmektedir. İkinci aşamada, iki eksenli dönme altında,

kalıp ve malzeme ısıtılır, ergimiş polimer matris ve KKA karışımı yavaş yavaş kalıp iç yüzeyine yapışır. Ergiyik karışımı, KKA’nın bozunma sıcaklığına ulaştığında, KKA’dan bozunan gaz ürünleri köpüğü oluşturmakta ve boşlukları kısmen veya tamamen doldurmaktadır. Üçüncü aşamada ise, köpüklenmiş parça katılaşana kadar soğutulmaktadır. En son aşamada ise kalıp açılarak ve köpüklenmiş parça oluşturulmaktadır [267]. Döner köpük kalıplama ile elde edilen köpük yapısı, ince-hücreli yapıdır (hücre boyutu<100µm) ve hücre yoğunluğu>10⁶ hücre/cm³’tür.

Şekil 6.26. Döner köpük kalıplama prosesinin şematik gösterimi [267]

Döner köpük prosesinde köpüklenme işlemi atmosfer basıncı altında gerçekleştirilmektedir. Polimer içerisindeki köpük ajanının çözünürlüğü basınca hassastır. Kullanılan fiziksel köpük ajanlarının gaz ürününü üretmeleri için yüksek basınç oranı gerekmektedir, bu yüzden fiziksel köpük ajanları döner köpük kalıplama yöntemi ile kullanılamamaktadır. Sadece kimyasal köpük ajanları, düşük üretim maliyeti ile birlikte döner köpük kalıplama yönteminde köpük yapısını geliştirmek için uygulanabilmektedir [170].

Döner köpük kalıplama yönteminde, kuru karıştırma (dry blending) ve ergiyik karıştırma (melt compounding) gibi iki farklı yöntem kullanılabilmektedir. Şekil 6.27’de kuru karıştırma esaslı döner köpük kalıplama yönteminin aşamaları verilmiştir. Kuru karıştırma esaslı döner köpük kalıplama ve geleneksel döner kalıplama yöntemleri benzer prosesler olmasına rağmen, malzeme hazırlama prosesinde ve proses çevrim zamanında farklılıklar mevcuttur. Polimer matris, eğer kuru karıştırma esaslı döner köpük kalıplama yönteminde kullanılacaksa toz formunda olmalıdır. Elde edilen polimer tozlar, KKA ve diğer katkılar ile köpüklenebilir karışım elde etmek için iyi bir şekilde karıştırılmalıdır. Boş kalıp, bu karışım ile belirli bir miktarda yüklenir. Daha sonra kalıp ısıtılmakta ve KKA'nın bozunmasına neden olan ve tozların ergimesi için yeterli ısı elde edilinceye kadar döndürme işlemine iki eksende devam edilmektedir. Bu arada polimer köpüklenmeye başlamaktadır. Köpüklenme işlemi tamamlandıktan sonra kalıp soğutularak açılmakta ve parça çıkartılmaktadır [145].

Şekil 6.27. Kuru karıştırma esaslı döner köpük kalıplama yöntemi ile polimer köpük üretim şeması [145]

Geleneksel döner kalıplama ve kuru karıştırma esaslı döner köpük kalıplamada kullanılan malzeme toz formunda iken, ergiyik birleştirme esaslı döner köpük kalıplama yöntemi, kabuksuz parçalarının üretimi için tasarlanmakta ve sadece ön-birleştirilmiş pelletler kalıba yüklenmektedir [145]. Ergiyik karıştırma esaslı döner köpük kalıplama prosesinde, ince hücreli PP köpük üretimi için önerilen üretim aşamaları Şekil 6.28’de verilmiştir. Bu sistem, malzemenin hazırlanması ve köpük üretim aşamasını kapsayan iki adımdan oluşmaktadır. Malzeme hazırlama adımının önemi, bir sonraki aşama olan köpük üretim aşamasında kullanılmak üzere köpüklenebilir PP bileşenini hazırlamaktır. Malzeme hazırlama aşaması, öğütme, kuru karıştırma ve ergiyik karıştırma adımlarından oluşmaktadır. Öğütme adımında, PP reçine toz haline getirildikten sonra, kuru karıştırma adımında köpük ajanı ile önkarışım yapılmakta ve elde edilen PP/köpük ajanı karışımı ergiyik karıştırma adımına transfer edilmektedir. Eğer gerekli ise, kuru karıştırma adımı süresince PP tozları, genelde toz halinde uygulanan diğer katkı maddeleri (antioksidant, aktivatör vb.) ile de önkarışım yapılabilmektedir. Ergiyik karıştırma adımının temel prensibi, köpük ajanı partiküllerini PP matris içerisinde dağıtmak ve aynı zamanda köpük ajanı partiküllerini aktive olmadan (bozunmadan) tutmaktır. Elde edilen köpüklenebilir PP numune, soğuma banyosundan geçirilmekte ve daha sonra pellet formunda kesilmektedir. Pellet’te bozunmamış köpük ajanı partikülleri bulunması başarılı köpüklenme için kritik bir durumdur. Bu yüzden PP/köpük ajanı karışım pellet’lerin üretiminde, köpük ajanının bozunmasının minimize edilmesi, malzeme hazırlama aşamasını ilgilendiren önemli bir sorundur. Köpüklenebilir PP pellet’lerin, döner köpük kalıplama aşamasından önce yeniden öğütme (regrinding) aşamasında kullanılması ise isteğe bağlıdır. Prosesin son adımı ise köpük üretim aşamasından oluşmaktadır. Köpüklenebilir PP bileşimi, açık metal kalıba önceden belirlenen miktarda yerleştirildikten sonra kalıp kapatılarak sıcak fırın içine yerleştirilmekte ve döndürülmektedir. Sıcaklık nedeniyle döner kalıp, köpüklenebilir bileşen ve kalıptaki hava yavaş yavaş ısınmaya başlamaktadır. Kalıp duvarına yakın köpüklenebilir bileşen ilk önce sinterlenmeye başlamakta, sonrasında ise sinterlenme kalıp merkezine doğru genişlemektedir. Polimer içerisinde dağılan KKA bozunmakta ve kalıpta bütün malzemelerin sinterlenmesi tamamlanmaktadır. KKA’nın bozunmasıyla ergiyik içerisinde serbest kalan gazlar, PP malzemenin köpüklenmesini sağlamaktadır. Polimer köpüklenme ilk önce kalıp duvarlarında

meydana gelmekte ve sonrasında merkeze doğru yayılmaktadır. En son aşamada ise kalıp soğutularak ve köpüklenen PP ürün dışarı alınmaktadır [268, 269].

Şekil 6.28. İnce hücreli PP köpüklerin ergiyik karıştırma esaslı döner köpük kalıplama yöntemi ile üretim şeması [268, 269]

Şekil 6.29’da döner köpük kalıplama yönteminde ön-karıştırılmış köpüklenebilir PP pelletler kullanılarak ideal hücresel PP yapı elde etmek için proses adımları detaylandırılmıştır. Kalıbın doldurulması: Çevrim zamanı to=0’da, köpük ajanı partikülleri ve önceden belirlenen miktardaki köpüklenebilir PP pelletler, kalıp içerisine doldurulmaktadır. Kalıp kapatılır ve karışım, fırında ısıtılırken döndürülmektedir. Burada en önemli kriter, pellet içerisinde gömülü olan köpük ajanı partiküllerinin dağılımının üniform olarak elde edilmesidir. Sinterleme: Çevrim zamanı t1 (t1>to)’de, sıcaklık nedeniyle ilk önce kalıp duvarlarına yakın yerlerdeki pelletler kademeli olarak sinterlenmeye başlayacaktır. Daha sonra sinterlenme kalıp merkezine doğru genişlemektedir. Çevrim zamanı t2 (t2 > t1)’de, köpük ajanı bozunmaya başlamadan önce polimer matris şekillenmektedir. Köpük ajanının Bozunması: Çevrim zamanı t3 (t3>t2)’de, ergiyik sıcaklığı daha da artmakta ve köpük ajanının bozunma sıcaklığına ulaşmaktadır. Bu noktada, ergimiş polimer matris içerisinde dağılan köpük ajanı partikülleri bozunmaya başlayacak ve köpükleyici gaz üretilecektir. Köpüklenme: Hücre Çekirdeklenmesi: Çevrim zamanı t3’de, köpük ajanı partiküllerinin bozunması sonucu üretilen gazlar nedeniyle eş zamanlı olarak kabarcıklar oluşmaya başlamakta ve hücre çekirdeklenme alanları oluşmaktadır. Hücre çekirdeklenme alanlarının dağılımını, köpük ajanı partiküllerinin dağılımı takip etmektedir. Bu aşamada, ince hücreli PP köpük için köpük ajanı partiküllerinin üniform dağılması istenilmektedir. Sıcaklık kalıbın iç duvar yüzeyleri yakınlarında yüksektir ve köpüklenme ilk önce kalıp duvarlarında meydana gelmekte ve daha sonra kalıbın merkezine doğru yayılmaktadır. Hücre Büyümesi: çevrim zamanı t4 (t4>t3)’de (hücre çekirdeklenmesinin başladığı zaman), köpük ajanının gaz üretme kabiliyeti tükenene kadar hücreler büyümeye devam etmektedir. Hücre Kararlılığı: genelde, hücre duvarlarının sağlamlığı ve hücreleri ayıran duvarlardan malzemenin akışına bağlıdır. Soğuma: Soğuma aşaması, ısıtma aşaması tamamlandıktan sonra başlamaktadır. Çünkü soğuma etkisi nedeniyle, polimer kademeli olarak hücre duvarlarından katılaşmaya başlamakta ve sonunda donarak katılaşmaktadır. Parçanın Çıkarılması: Kalıp açılarak parça çıkartılmaktadır [268, 269].

Şekil 6.29. İnce hücreli PP köpüklerin döner köpük kalıplama ile üretim şeması [268, 269]

PP’nin ergime sıcaklığı ve KKA’nın bozunma sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkı ve yüksek sıcaklıklarda PP’nin düşük ergime dayanımı, PP polimerinin köpüklendirilmesindeki en büyük problemlerden bir tanesidir [268, 269].